Albert Einstein mungkin dikenal oleh setiap penghuni planet kita. Hal ini diketahui berkat rumus terkenal untuk hubungan antara massa dan energi. Namun, dia tidak menerima Hadiah Nobel untuk itu. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan dua rumus Einstein yang mengubah gagasan fisik tentang dunia di sekitar kita pada awal abad ke-20.
Tahun berbuah Einstein
Pada tahun 1905, Einstein menerbitkan beberapa artikel sekaligus, yang terutama membahas dua topik: teori relativitas yang ia kembangkan dan penjelasan efek fotolistrik. Materi-materi tersebut diterbitkan dalam jurnal Jerman Annalen der Physik. Judul dari kedua artikel ini menyebabkan kebingungan di kalangan ilmuwan saat itu:
- "Apakah kelembaman suatu benda bergantung pada energi yang dikandungnya?";
- "Sudut pandang heuristik tentang asal usul dan transformasi cahaya".
Pada bagian pertama, ilmuwan mengutip rumus teori relativitas Einstein yang saat ini dikenal, yang menggabungkanpersamaan massa dan energi yang seragam. Artikel kedua memberikan persamaan untuk efek fotolistrik. Kedua rumus tersebut saat ini digunakan baik untuk bekerja dengan materi radioaktif maupun untuk menghasilkan energi listrik dari gelombang elektromagnetik.
Rumus pendek relativitas khusus
Teori relativitas yang dikembangkan oleh Einstein mempertimbangkan fenomena ketika massa benda dan kecepatan geraknya sangat besar. Di dalamnya, Einstein mendalilkan bahwa tidak mungkin bergerak lebih cepat daripada cahaya dalam kerangka acuan mana pun, dan bahwa pada kecepatan mendekati cahaya, sifat-sifat ruang-waktu berubah, misalnya, waktu mulai melambat.
Teori relativitas sulit dipahami dari sudut pandang logis, karena bertentangan dengan gagasan biasa tentang gerak, yang hukumnya ditetapkan oleh Newton pada abad ke-17. Namun, Einstein datang dengan formula yang elegan dan sederhana dari perhitungan matematika yang rumit:
E=mc2.
Ungkapan ini disebut rumus Einstein untuk energi dan massa. Mari kita cari tahu apa artinya.
Konsep massa, energi, dan kecepatan cahaya
Untuk lebih memahami rumus Albert Einstein, Anda harus memahami secara detail arti dari setiap simbol yang ada di dalamnya.
Mari kita mulai dengan misa. Anda sering mendengar bahwa besaran fisika ini berkaitan dengan jumlah materi yang terkandung di dalam tubuh. Ini tidak sepenuhnya benar. Lebih tepat untuk mendefinisikan massa sebagai ukuran inersia. Semakin besar tubuhnya, semakin sulit untuk memberikan kepastiankecepatan. Massa diukur dalam kilogram.
Masalah energi juga tidak sederhana. Jadi, ada berbagai manifestasinya: cahaya dan termal, uap dan listrik, kinetik dan potensial, ikatan kimia. Semua jenis energi ini disatukan oleh satu sifat penting - kemampuan mereka untuk melakukan pekerjaan. Dengan kata lain, energi adalah kuantitas fisik yang mampu menggerakkan benda melawan aksi kekuatan eksternal lainnya. Ukuran SI adalah joule.
Berapa kecepatan cahaya kira-kira jelas bagi semua orang. Ini dipahami sebagai jarak yang ditempuh gelombang elektromagnetik per satuan waktu. Untuk ruang hampa, nilai ini adalah konstan; di media nyata lainnya, itu berkurang. Kecepatan cahaya diukur dalam meter per detik.
Arti dari rumus Einstein
Jika Anda melihat lebih dekat pada rumus sederhana ini, Anda dapat melihat bahwa massa berhubungan dengan energi melalui konstanta (kuadrat kecepatan cahaya). Einstein sendiri menjelaskan bahwa massa dan energi adalah manifestasi dari hal yang sama. Dalam hal ini, transisi m ke E dan kembali dimungkinkan.
Sebelum munculnya teori Einstein, para ilmuwan percaya bahwa hukum kekekalan massa dan energi ada secara terpisah dan berlaku untuk setiap proses yang terjadi dalam sistem tertutup. Einstein menunjukkan bahwa ini bukan masalahnya, dan fenomena ini berlangsung tidak secara terpisah, tetapi bersama-sama.
Fitur lain dari rumus Einstein atau hukum kesetaraan massa dan energi adalah koefisien proporsionalitas antara besaran-besaran ini,yaitu c2. Ini kira-kira sama dengan 1017 m2/s2. Nilai yang sangat besar ini menunjukkan bahwa bahkan sejumlah kecil massa mengandung cadangan energi yang sangat besar. Misalnya, jika Anda mengikuti formula ini, maka hanya satu buah anggur kering (kismis) dapat memenuhi semua kebutuhan energi Moskow dalam satu hari. Di sisi lain, faktor besar ini juga menjelaskan mengapa kita tidak mengamati perubahan massa di alam, karena terlalu kecil untuk nilai energi yang kita gunakan.
Pengaruh rumus terhadap perjalanan sejarah abad ke-20
Berkat pengetahuan tentang formula ini, seseorang dapat menguasai energi atom, cadangan besar yang dijelaskan oleh proses hilangnya massa. Contoh mencolok adalah fisi inti uranium. Jika kita menjumlahkan massa isotop ringan yang terbentuk setelah fisi ini, maka massa tersebut akan menjadi jauh lebih kecil daripada nukleus aslinya. Massa yang hilang berubah menjadi energi.
Kemampuan manusia untuk menggunakan energi atom mengarah pada penciptaan reaktor yang berfungsi untuk menyediakan listrik bagi penduduk sipil kota, dan desain senjata paling mematikan sepanjang sejarah yang diketahui - bom atom.
Kemunculan bom atom pertama di Amerika Serikat mengakhiri Perang Dunia Kedua melawan Jepang lebih cepat dari jadwal (pada tahun 1945, Amerika Serikat menjatuhkan bom ini di dua kota Jepang), dan juga menjadi penghalang utama bagi pecahnya Perang Dunia Ketiga.
Einstein sendiri, tentu saja, tidak bisauntuk meramalkan konsekuensi dari formula yang dia temukan. Perhatikan bahwa dia tidak ambil bagian dalam proyek Manhattan untuk membuat senjata atom.
Fenomena efek fotolistrik dan penjelasannya
Sekarang mari kita beralih ke pertanyaan yang membuat Albert Einstein dianugerahi Hadiah Nobel pada awal 1920-an.
Fenomena efek fotolistrik, ditemukan pada tahun 1887 oleh Hertz, terdiri dari munculnya elektron bebas di atas permukaan bahan tertentu, jika disinari dengan cahaya dengan frekuensi tertentu. Tidak mungkin untuk menjelaskan fenomena ini dari sudut pandang teori gelombang cahaya, yang didirikan pada awal abad ke-20. Dengan demikian, tidak jelas mengapa efek fotolistrik diamati tanpa penundaan waktu (kurang dari 1 ns), mengapa potensi perlambatan tidak bergantung pada intensitas sumber cahaya. Einstein memberikan penjelasan yang brilian.
Ilmuwan menyarankan hal sederhana: ketika cahaya berinteraksi dengan materi, ia tidak berperilaku seperti gelombang, tetapi seperti sel darah, kuantum, segumpal energi. Konsep awal sudah diketahui - teori sel diusulkan oleh Newton pada pertengahan abad ke-17, dan konsep kuanta gelombang elektromagnetik diperkenalkan oleh fisikawan senegaranya Max Planck. Einstein mampu menyatukan semua pengetahuan teori dan eksperimen. Dia percaya bahwa foton (kuantum cahaya), berinteraksi hanya dengan satu elektron, sepenuhnya memberikan energinya. Jika energi ini cukup besar untuk memutuskan ikatan antara elektron dan nukleus, maka partikel elementer bermuatan terbuka dari atom dan masuk ke keadaan bebas.
Tagged Tampilanmemungkinkan Einstein untuk menuliskan rumus untuk efek fotolistrik. Kami akan mempertimbangkannya di paragraf berikutnya.
Efek fotolistrik dan persamaannya
Persamaan ini sedikit lebih panjang dari hubungan energi-massa yang terkenal. Tampilannya seperti ini:
hv=A + Ek.
Persamaan ini atau rumus Einstein untuk efek fotolistrik mencerminkan esensi dari apa yang terjadi dalam proses: sebuah foton dengan energi hv (konstanta Planck dikalikan dengan frekuensi osilasi) dihabiskan untuk memutuskan ikatan antara elektron dan inti (A adalah fungsi kerja elektron) dan pada komunikasi partikel negatif energi kinetik (Ek).
Rumus di atas memungkinkan untuk menjelaskan semua ketergantungan matematis yang diamati dalam eksperimen pada efek fotolistrik dan mengarah pada perumusan hukum yang sesuai untuk fenomena yang sedang dipertimbangkan.
Di mana efek fotolistrik digunakan?
Saat ini, ide-ide Einstein yang diuraikan di atas sedang diterapkan untuk mengubah energi cahaya menjadi listrik berkat panel surya.
Mereka menggunakan efek fotolistrik internal, yaitu elektron yang "ditarik keluar" dari atom tidak meninggalkan materi, tetapi tetap berada di dalamnya. Bahan aktifnya adalah semikonduktor silikon tipe-n dan p.
