Trudności klasycznego wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego


Jak można wyjaśnić efekt fotoelektryczny z punktu widzenia klasycznej elektrodynamiki i falowych koncepcji światła?

Wiadomo, że aby usunąć elektron z substancji, należy przekazać jej pewną energię A , zwaną funkcją pracy elektronu. W przypadku wolnego elektronu w metalu jest to praca polegająca na pokonaniu pola jonów dodatnich sieci krystalicznej, trzymając elektron na granicy metalu. W przypadku elektronu znajdującego się w atomie funkcją pracy jest praca wykonana w celu rozerwania wiązania między elektronem a jądrem.

W zmiennym polu elektrycznym fali świetlnej elektron zaczyna oscylować.

A jeśli energia drgań przekroczy funkcję pracy, wówczas elektron zostanie wyrwany z substancji.

Jednak w ramach takich koncepcji nie da się zrozumieć drugiego i trzeciego prawa efektu fotoelektrycznego. Dlaczego energia kinetyczna wyrzucanych elektronów nie zależy od intensywności promieniowania? Przecież im większa intensywność, tym większe napięcie pole elektryczne w fali elektromagnetycznej im większa siła działająca na elektron, tym większa energia jego oscylacji i większa energia kinetyczna, z jaką elektron wyleci z katody. Ale eksperyment pokazuje co innego.

Skąd bierze się czerwona ramka efektu fotoelektrycznego? co jest nie tak z niskimi częstotliwościami? Wydawałoby się, że wraz ze wzrostem natężenia światła wzrasta również siła działająca na elektrony; dlatego nawet przy niskiej częstotliwości światła elektron prędzej czy później zostanie wyrwany z substancji, gdy natężenie osiągnie wystarczające wielkie znaczenie. Jednakże czerwona granica nakłada ścisły zakaz emisji elektronów przy niskich częstotliwościach padającego promieniowania.

Dodatkowo, gdy katoda zostanie oświetlona promieniowaniem o dowolnie słabym natężeniu (o częstotliwości powyżej granicy czerwonej), efekt fotoelektryczny rozpoczyna się natychmiast w momencie włączenia oświetlenia. Tymczasem elektrony potrzebują trochę czasu, aby „rozluźnić” wiązania utrzymujące je w substancji, a ten czas „rozluźnienia” powinien być dłuższy, im słabsze pada światło. Analogia jest następująca: im słabiej naciskasz huśtawkę, tym dłużej zajmie jej osiągnięcie określonej amplitudy. Znowu wygląda to logicznie, ale doświadczenie jest jedynym kryterium prawdy w fizyce! zaprzecza tym argumentom.

I tak na przełomie XIX i XX wieków w fizyce powstał impas: elektrodynamika, która przewidywała istnienie fal elektromagnetycznych i doskonale sprawdzała się w zakresie fal radiowych, odmówiła wyjaśnienia zjawiska efektu fotoelektrycznego.

Wyjście z tego impasu znalazł Albert Einstein w 1905 roku. Znalazł proste równanie opisujące efekt fotoelektryczny. Wszystkie trzy prawa efektu fotoelektrycznego okazały się konsekwencjami równania Einsteina.

Główną zasługą Einsteina było odrzucenie przez niego prób interpretacji efektu fotoelektrycznego z punktu widzenia elektrodynamiki klasycznej. Einstein zastosował śmiałą hipotezę dotyczącą kwantów, zaproponowaną pięć lat wcześniej przez Maxa Plancka.

Równanie Einsteina na efekt fotoelektryczny

Hipoteza Plancka mówiła o dyskretnym charakterze emisji i absorpcji fal elektromagnetycznych, czyli o przerywanym charakterze oddziaływania światła z materią. Jednocześnie Planck uważał, że rozchodzenie się światła jest procesem ciągłym, zachodzącym w pełnej zgodności z prawami elektrodynamiki klasycznej.

Einstein poszedł jeszcze dalej: zasugerował, że światło w zasadzie ma strukturę nieciągłą: nie tylko emisja i absorpcja, ale także propagacja światła zachodzi w odrębnych porcjach kwantów o energii mi = godz ν .

Planck uważał swoją hipotezę jedynie za chwyt matematyczny i nie odważył się obalić elektrodynamiki w odniesieniu do mikrokosmosu. Kwanta stała się rzeczywistością fizyczną dzięki Einsteinowi.

Kwanta promieniowanie elektromagnetyczne(w szczególności kwanty światła) stały się później znane jako fotony. Zatem światło składa się ze specjalnych cząstek fotonów poruszających się z dużą prędkością w próżni C . Każdy foton światła monochromatycznego mający określoną częstotliwość niesie energię H ν .

Fotony mogą wymieniać energię i pęd z cząstkami materii; w tym przypadku mówimy o zderzeniu fotonu z cząstką. W szczególności fotony zderzają się z elektronami metalu katody.

Absorpcja światła to absorpcja fotonów, czyli niesprężyste zderzenie fotonów z cząstkami (atomami, elektronami). Pochłonięty w zderzeniu z elektronem foton przekazuje mu swoją energię. W rezultacie elektron otrzymuje energię kinetyczną natychmiast, a nie stopniowo, i to wyjaśnia pozbawiony bezwładności efekt fotoelektryczny.

Równanie Einsteina na efekt fotoelektryczny to nic innego jak prawo zachowania energii. Gdzie ucieka energia fotonów? H ν podczas niesprężystego zderzenia z elektronem? Wydawane jest na wykonywanie funkcji pracy A aby wydobyć elektron z substancji i przekazać elektronowi energię kinetyczną mv 2 /2: godz ν = A + mv 2 /2 (4)

Termin mv 2 /2 okazuje się być maksymalną energią kinetyczną fotoelektronów. Dlaczego maksymalnie? To pytanie wymaga małego wyjaśnienia.

Elektrony w metalu mogą być wolne lub związane. Wolne elektrony „chodzą” po metalu, podczas gdy związane elektrony „siedzą” wewnątrz swoich atomów. Ponadto elektron może znajdować się zarówno w pobliżu powierzchni metalu, jak i w jego głębokości.

Wiadomo, że maksymalną energię kinetyczną fotoelektronu uzyska się w przypadku zderzenia fotonu z wolnym elektronem w powierzchniowej warstwie metalu, wówczas do wybicia elektronu wystarczy sama praca pracy.

We wszystkich innych przypadkach trzeba będzie wydać dodatkową energię na wyrwanie związanego elektronu z atomu lub „przeciągnięcie” głębokiego elektronu na powierzchnię. Te dodatkowe koszty doprowadzą do tego, że energia kinetyczna emitowanego elektronu będzie mniejsza.

Równanie (4), niezwykłe w swojej prostocie i fizycznej przejrzystości, zawiera całą teorię efektu fotoelektrycznego:

1. liczba wyrzuconych elektronów jest proporcjonalna do liczby pochłoniętych fotonów. Wraz ze wzrostem natężenia światła wzrasta liczba fotonów padających na katodę w ciągu sekundy. Dlatego liczba zaabsorbowanych fotonów, a co za tym idzie, liczba elektronów wybijanych na sekundę, wzrasta proporcjonalnie.

2. Wyraźmy energię kinetyczną ze wzoru (4): mv 2 /2 = godz ν - A

Rzeczywiście, energia kinetyczna wyrzucanych elektronów rośnie liniowo wraz z częstotliwością i nie zależy od natężenia światła.

Zależność energii kinetycznej od częstotliwości ma postać równania prostej przechodzącej przez punkt ( A/godz ; 0). To w pełni wyjaśnia przebieg wykresu na ryc. 3.

3. Aby rozpoczął się efekt fotoelektryczny, energia fotonu musi być wystarczająca przynajmniej do wykonania pracy: H ν > A . Najniższa częstotliwość ν 0, określone przez równość

H ν o = A;

Będzie to czerwona ramka efektu fotoelektrycznego. Jak widać, czerwona ramka efektu fotoelektrycznego ν 0 = A/godz jest określona tylko przez funkcję pracy, tj. zależy tylko od substancji napromieniowanej powierzchni katody.

Jeśli ν < ν 0, wówczas nie będzie efektu fotoelektrycznego, niezależnie od tego, ile fotonów spadnie na katodę w ciągu sekundy. Dlatego natężenie światła nie ma znaczenia; najważniejsze jest to, czy pojedynczy foton ma wystarczającą energię, aby wybić elektron.

Równanie Einsteina (4) pozwala eksperymentalnie znaleźć stałą Plancka. W tym celu należy najpierw określić częstotliwość promieniowania i funkcję pracy materiału katody, a także zmierzyć energię kinetyczną fotoelektronów.

W trakcie takich eksperymentów uzyskano wartość H , dokładnie pokrywające się z (2). Ta zbieżność wyników dwóch niezależnych eksperymentów opartych na widmach promieniowania cieplnego i równaniu Einsteina na efekt fotoelektryczny sprawiła, że ​​odkryto zupełnie nowe „reguły gry”, według których zachodzi oddziaływanie światła i materii. W tym obszarze fizyka klasyczna, reprezentowana przez mechanikę Newtona i elektrodynamikę Maxwella, ustępuje miejsca fizyce kwantowej i teorii mikroświata, której budowa trwa do dziś.


Już w pierwszym poście mojego LJ-a obiecałem, że będę zamieszczał wszelakie bzdury i inne bzdury z formułami. Jeśli chodzi o bzdury, plan uważam za zrealizowany w 100%, ale teraz zaczynam (już zaczynałem w temacie o detektorach fal grawitacyjnych) do drugiej części planu - wrzucę bzdury ze wzorami aby gospodynie domowe, a nawet JETF pluły.

Pamiętam, że poproszono mnie o wyjaśnienie czegoś na temat równań Einsteina. Konkretnie co i gdzie. W ramach komentarzy oczywiście wyjaśniłem to do minimum, ale jest mało prawdopodobne, aby przyniosło to jakąkolwiek prawdziwą jasność. Dlatego zdecydowałem się napisać bardziej szczegółowy komunikat w tej sprawie. Napiszę trochę o tensorach, żeby było jasne o czym będę dalej mówił.

Ale najpierw kilka porozumień. W moim poście wykorzystano zasadę sumowania Einsteina (jest to sumowanie po powtarzających się indeksach) - wyjaśnię to teraz, a potem będzie to sugerowane samo przez się.
Niech więc będzie rekord

Zgodnie z regułą Einsteina, gdy znany jest wymiar przestrzeni (lub gdy jest nieznany, należy wyraźnie wskazać, do którego elementu następuje sumowanie), znak sumy pomija się, a zakłada się sumowanie po powtarzających się indeksach (indeks " I„t A i o godz B. A jest napisane tak

Dlatego wszędzie tam, gdzie odtąd będą spotykane powtarzające się indeksy, zakładane jest sumowanie (i to nie tylko pojedyncze, ale może podwójne).

Załóżmy, że mamy dwa układy współrzędnych

Kontrawariantny tensor rangi 2

te. stare współrzędne są odróżniane od nowych. Oznacza to sumowanie po powtarzających się indeksach.
Tensor kowariantny rangi 2 jest wielkością, która podlega transformacji podczas przekształcania współrzędnych zgodnie z regułami

Szczególnymi typami tensorów są dobrze znane wektory (tensor pierwszego stopnia) i skalary (tensor 0-go rzędu).

W inercjalnym układzie odniesienia w kartezjańskim układzie współrzędnych, jak wiadomo, przedział ds zdefiniowana jako

W nieinercyjnym FR kwadrat przedziału - jakaś kwadratowa forma formy

tutaj znowu sumowanie po powtarzających się indeksach.
(można to sprawdzić na konkretnych przykładach - spróbuj na przykład przekonwertować ISO na rotację).
Oczywiście, Co
a) według wymiaru okazuje się, że wielkość stojąca przed iloczynem różnic współrzędnych jest skalarem.
b) różnice współrzędnych można przestawiać, co oznacza, że ​​wartość g nie zależy od kolejności wskaźników.
Zatem g ik- symetryczny 4-tensor. Nazywa się to tensorem metrycznym.

W zwykłym inercjalnym układzie współrzędnych, jak łatwo zrozumieć z zapisu przedziału, macierz tensora metrycznego ma postać

Nazywa się zbiór głównych wartości (1, -1, -1, -1). podpis macierze (czasami zapisywane po prostu (+, -, -, -)). Wyznacznik w tym przypadku jest ujemny. To znowu jest oczywiste.
Wszystko, co powiedziano o nieinercyjnych układach odniesienia, można w 100% przenieść na dowolny krzywoliniowy układ współrzędnych, w oderwaniu od fizyki w ogóle.

Niestety nie mogę za wiele napisać tensor krzywizny

Riklm bo do tego trzeba napisać cały traktat - jak to się wywodzi, skąd pochodzi i tak dalej. Będę musiał napisać o symbolach Christoffela, jest bardzo długi. Może innym razem, jeśli ktoś będzie zainteresowany.

Tensora Ricciego otrzymany przez splot tensora krzywizny

jest symetryczny.

Myślę, że wszyscy znają zasadę najmniejszego działania Hamiltona. W tym przypadku jest to zapisane jako


tutaj lambda można uznać za „gęstość” funkcji Lagrange'a. Z tego otrzymujemy następnie tensor energii i pędu

Tutaj - tensor energii i pędu.

Równania Einsteina uzyskuje się z zasady najmniejszego działania. Ich wniosek nie jest taki trudny, jeśli wiesz wszystko, co powiedziałem powyżej. Ale oczywiście w tym przypadku nie napiszę tego. Równania Einsteina mają postać

Równania te są nieliniowe, w związku z czym dla ich rozwiązań nie obowiązuje zasada superpozycji.

Wyprowadzenie prawa Newtona z równań Einsteina. Przechodząc do przypadku nierelatywistycznego, należy założyć małość wszystkich prędkości, a co za tym idzie, małość pola grawitacyjnego. Wtedy wszystkim tensorom pozostanie tylko zero składników

W tym przypadku równania Einsteina dają

(tutaj m to masa na jednostkę objętości, czyli gęstość, w przeciwieństwie do dalszej prezentacji)
Jest to dobrze znane równanie Poissona określające potencjał grawitacyjny, z którego oblicza się potencjał pola jednej cząstki M i odpowiednio siła działająca w tym polu na inną cząstkę M można uzyskać wyrażenia

To słynne prawo grawitacji Newtona.

Fale grawitacyjne. To jest o słaby fale grawitacyjne, które można wykryć jedynie za pomocą interferometrów. Myślę, że każdy wie, że aby szukać słabych zaburzeń, należy przedstawić pożądaną funkcję w postaci części stacjonarnej i zaburzenia. W tym przypadku tensor krzywizny można przedstawić jako niezakłócony tensor metryki Galileusza, a tensor H opisujący słabe zaburzenie metryki

Pod pewnymi dodatkowymi warunkami tensor Ricciego przyjmuje postać

(na wszelki wypadek wyjaśniłem, co to jest operator D'Alemberta, chociaż myślę, że jest to wszystkim dobrze znane).
Mieszając to wszystko trochę, możesz uzyskać

Zwykłe równanie falowe. Oznacza to, że fale grawitacyjne poruszają się z prędkością światła.

To już koniec bajki. Myślę, że jest to bardziej szczegółowa odpowiedź, której udzieliłem wówczas w komentarzach, ale nie jestem pewien, czy stała się znacznie jaśniejsza. Ale chciałbym mieć nadzieję. Do zobaczenia ponownie na antenie, panowie!

DEFINICJA

Równanie Einsteina- ten sam słynny wzór mechaniki relatywistycznej - ustanawia związek pomiędzy masą ciała w spoczynku a jego energią całkowitą:

Oto całkowita energia ciała (tzw. energia spoczynkowa), jego i światła w próżni, która jest w przybliżeniu równa m/s.

Równanie Einsteina

Wzór Einsteina stwierdza, że ​​masa i energia są sobie równoważne. Oznacza to, że każde ciało ma energię spoczynkową proporcjonalną do swojej masy. Kiedyś natura zużywała energię, aby złożyć to ciało z elementarnych cząstek materii, a energia spoczynkowa służy jako miara tej pracy.


Rzeczywiście, gdy zmienia się energia wewnętrzna ciała, jego masa zmienia się proporcjonalnie do zmiany energii:

Na przykład, gdy ciało jest ogrzewane, jego energia wewnętrzna wzrasta, a masa wzrasta. To prawda, że ​​​​zmiany te są tak małe, że na co dzień ich nie zauważamy: po podgrzaniu 1 kg wody stanie się ona cięższa o 4,7 · 10 -12 kg.

Ponadto masę można przekształcić w energię i odwrotnie. Przemiana masy w energię następuje podczas reakcji jądrowej: masa jąder i cząstek powstałych w wyniku reakcji jest mniejsza niż masa zderzających się jąder i cząstek, a powstały defekt masy zostaje zamieniony na energię. Podczas narodzin fotonów kilka fotonów (energii) przekształca się w elektron, który jest całkowicie materialny i ma masę spoczynkową.

Równanie Einsteina dla poruszającego się ciała

Dla poruszającego się ciała równania Einsteina wyglądają następująco:

We wzorze tym v oznacza prędkość, z jaką porusza się ciało.

Z ostatniego wzoru można wyciągnąć kilka ważnych wniosków:

1) Każde ciało ma pewną energię większą od zera. Dlatego title="Wyrenderowane przez QuickLaTeX.com" height="34" width="102" style="vertical-align: -11px;"> !}, co oznacza w

2) Niektóre cząstki – na przykład fotony – nie mają masy, ale mają energię. Podstawiając do ostatniego wzoru otrzymalibyśmy coś, co nie odpowiada rzeczywistości, gdyby nie jedno „ale”: cząstki te poruszają się z prędkością światła c = 3 · 10 · 8 m/s. W tym przypadku mianownik wzoru Einsteina dąży do zera: nie nadaje się on do obliczania energii cząstek bezmasowych.

Wzór Einsteina pokazał, że materia zawiera kolosalny zapas energii – i tym samym odegrała nieocenioną rolę w rozwoju energetyki jądrowej, a także dała przemysłowi wojskowemu bombę atomową.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia -mezon ma masę spoczynkową kg i porusza się z prędkością 0,8 s. Co to jest?
Rozwiązanie Znajdźmy prędkość -mezonu w jednostkach SI:

Obliczmy energię spoczynkową mezonu, korzystając ze wzoru Einsteina:

Całkowita energia mezonu:

Całkowita energia -mezonu składa się z energii spoczynkowej i energii kinetycznej. Zatem energia kinetyczna:
Odpowiedź J

Jeśli atomy zostaną napromieniowane światłem, światło zostanie przez nie pochłonięte. Naturalnym jest założenie, że w pewnych warunkach absorpcja będzie tak duża, że ​​zewnętrzne (walencyjne) zostaną oderwane od atomów. Zjawisko to można zaobserwować w rzeczywistości. Klasyczna elektrodynamika, zwykła falowa teoria światła, nie jest w stanie zapewnić zadowalającego wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego. Einstein wysuwa założenie, że samo światło ma naturę korpuskularną i że sensowne jest patrzenie na światło nie jako na strumień fal, ale jako na strumień cząstek. Światło jest nie tylko emitowane, ale także propagowane i pochłaniane w postaci kwantów! Einstein nazwał te kwanty, czyli cząstki, fotonami energii świetlnej.

Fotony padające na powierzchnię metalu wnikają na bardzo małą odległość w głąb metalu i są całkowicie pochłaniane przez jego poszczególne elektrony przewodzące. Natychmiast zwiększają swoją energię do wartości wystarczającej do pokonania bariery potencjału przy powierzchni metalu i wylatują.

Równanie Einsteina na efekt fotoelektryczny

Czerwona granica efektu fotoelektrycznego jest różna dla różnych metali

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia Aby wyznaczyć stałą Plancka, zbudowano obwód (rys. 1). Gdy styk ślizgowy potencjometru znajduje się w skrajnie lewym położeniu, czuły amperomierz rejestruje słaby fotoprąd po oświetleniu przez fotokomórkę. Przesuwając styk ślizgowy w prawo, napięcie blokujące jest stopniowo zwiększane, aż do zatrzymania fotoprądu w obwodzie. Przy oświetleniu fotokomórki światłem fioletowym o częstotliwości THz napięcie blokujące wynosi 2 V, a przy oświetleniu światłem czerwonym = 390 THz napięcie blokujące wynosi 0,5 V. Jaką wartość stałej Plancka uzyskano?

Rozwiązanie Równanie Einsteina służy jako podstawa do rozwiązania problemu:

W przypadku osiągnięcia napięcia, przy którym fotoprąd zatrzymuje się, ujemna praca pola zewnętrznego na elektrony jest równa elektronowi, czyli:

Wtedy równanie Einsteina będzie miało postać:

Zapiszmy to równanie dla dwóch stanów opisanych w warunkach zadania:

Odejmując pierwsze równanie od drugiego, otrzymujemy:

Uzupełnijmy dane problemu tabelaryczną wartością ładunku elektronu kl

Przekonwertujmy dane na SI:

750 THz = Hz,

390 THz = Hz

Zróbmy obliczenia
Odpowiedź Stała Plancka jest równa J s.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia W fotokomórce próżniowej napromieniowanej światłem o częstotliwości , fotoelektron wchodzi w opóźniające pole elektryczne. Do elektrod fotokomórki przykładane jest napięcie U, odległość między elektrodami wynosi H, elektron wylatuje pod kątem do płaszczyzny katody. Jak zmienia się pęd i współrzędne elektronu w porównaniu do początkowych w momencie jego powrotu na katodę? A jest funkcją pracy.
Rozwiązanie Aby rozwiązać problem, używamy równania Einsteina dla efektu fotoelektrycznego:

Następnie musisz wyobrazić sobie ruch elektronu. Załóżmy, że w obszarze ruchu elektronów pole elektryczne jest jednorodne. Założenie to można przyjąć, jeśli założymy, że anoda znajduje się stosunkowo daleko od szczytu trajektorii elektronu. Znajdźmy zmianę elektronu po powrocie do katody. Skonstruujmy rys. 2.

Zmiana pędu jest podstawą trójkąta z kątem wierzchołkowym. Następnie ,

Widzieliście to wszędzie: na ubraniach, torbach, samochodach, wytatuowanych osobach, w Internecie, w reklamach telewizyjnych. Być może nawet w podręczniku. Stephen Hawking umieścił w swojej książce tylko ten, jedyny, a jedna piosenkarka popowa nazwała swój album tą formułą. Ciekawe, czy wiedziała jednocześnie, jakie jest znaczenie tej formuły? Chociaż ogólnie rzecz biorąc, to nie nasza sprawa i nie o tym będziemy rozmawiać dalej.

Jak rozumiesz, poniżej omówimy najbardziej epicką i znaną formułę Einsteina:

Jest to prawdopodobnie najpopularniejsza formuła fizyczna. Ale jakie jest jego znaczenie? Już wiem? Świetnie! Następnie sugerujemy zapoznanie się z innymi, mniej znanymi, ale nie mniej przydatnymi formułami, które naprawdę mogą być przydatne w rozwiązywaniu różnych problemów.

A dla tych, którzy chcą szybko i bez przekopywania się przez podręczniki poznać znaczenie wzoru Einsteina, zapraszamy do naszego artykułu!

Formuła Einsteina jest najbardziej znaną formułą

Co ciekawe, Einstein nie był uczniem odnoszącym sukcesy i miał nawet problemy z uzyskaniem świadectwa dojrzałości. Fizyk zapytany, jak mógł wymyślić teorię względności, odpowiedział: "Normalny dorosły w ogóle nie myśli o problemie przestrzeni i czasu. Jego zdaniem myślał o tym problemie już w dzieciństwie. Ja rozwijał się intelektualnie tak wolno, że przestrzeń i „Moje myśli zajmowały mój czas, kiedy stałem się dorosły. Naturalnie mogłem wniknąć głębiej w problem niż dziecko o normalnych skłonnościach”.

Rok 1905 nazywany jest rokiem cudów, gdyż wtedy położono podwaliny pod rewolucję naukową.

Co jest co we wzorze Einsteina

Wróćmy do formuły. Ma tylko trzy litery: mi , M I C . Gdyby tylko wszystko w życiu było takie proste!

Każdy uczeń klasy szóstej wie już, że:

  1. M- to jest masa. W mechanice Newtona - skalarna i addytywna wielkość fizyczna, miara bezwładności ciała.
  2. Z we wzorze Einsteina – prędkość światła. Maksymalna możliwa prędkość na świecie jest uważana za podstawową stałą fizyczną. Prędkość światła wynosi (w przybliżeniu) 300 000 kilometrów na sekundę.
  3. mi – energia. Podstawowa miara interakcji i ruchu materii. Wzór ten nie uwzględnia energii kinetycznej ani potencjalnej. Tutaj mi - energia spoczynkowa organizmu.

Ważne jest, aby zrozumieć, że w teorii względności mechanika Newtona jest przypadkiem szczególnym. Kiedy ciało porusza się z prędkością bliską Z , masa się zmienia. W formule M oznacza masę spoczynkową.

Zatem wzór łączy te trzy wielkości i jest również nazywany prawem lub zasadą równoważności masy i energii.

Masa jest miarą zawartości energii w ciele.

Znaczenie wzoru Einsteina: związek energii i masy

Jak to działa? Na przykład: ropucha wygrzewa się na słońcu, dziewczyny w bikini grają w siatkówkę, wokół jest piękno. Dlaczego to wszystko się dzieje? Przede wszystkim z powodu syntezy termojądrowej zachodzącej we wnętrzu naszego Słońca.

Tam atomy wodoru łączą się, tworząc hel. Te same reakcje lub reakcje z cięższymi pierwiastkami zachodzą na innych gwiazdach, ale istota pozostaje ta sama. W wyniku reakcji uwalniana jest energia, która leci do nas w postaci światła, ciepła, promieniowania ultrafioletowego i promieni kosmicznych.

Skąd pochodzi ta energia? Faktem jest, że masa dwóch atomów wodoru, które weszły w reakcję, jest większa niż masa powstałego atomu helu. Ta różnica mas zamienia się w energię!

Przy okazji! Dla naszych czytelników mamy teraz 10% zniżki na

Innym przykładem jest mechanizm działania reaktora jądrowego.

Fuzja termojądrowa na Słońcu jest niekontrolowana. Ludzie opanowali już tego typu syntezę termojądrową na Ziemi i zbudowali bombę wodorową. Gdybyśmy mogli spowolnić reakcję i osiągnąć kontrolowaną syntezę jądrową, mielibyśmy praktycznie niewyczerpane źródło energii.

O materii i energii

Dowiedzieliśmy się więc o znaczeniu wzoru i rozmawialiśmy o zasadzie równoważności masy i energii.

Masę można przekształcić w energię, a energia odpowiada pewnej masie.

Jednocześnie ważne jest, aby nie mylić pojęć materii i energii i zrozumieć, że są to różne rzeczy.

Podstawowym prawem natury jest prawo zachowania energii. Mówi, że energia nie bierze się skądkolwiek i nigdzie nie odchodzi, jej ilość we Wszechświecie jest stała, zmienia się jedynie forma. Prawo zachowania masy jest szczególnym przypadkiem prawa zachowania energii.

Czym jest energia i czym jest materia? Spójrzmy na sprawę od tej strony: kiedy cząstka porusza się z prędkością bliską prędkości światła, uważa się ją za promieniowanie, czyli energię. Cząstkę w spoczynku lub poruszającą się z małą prędkością definiuje się jako materię.

W momencie Wielkiego Wybuchu materia nie istniała, była tylko energia. Następnie Wszechświat ostygł, a część energii przeszła w materię.

Ile energii zawiera materia? Znając masę ciała, możemy obliczyć, jaka jest energia tego ciała, zgodnie ze wzorem Einsteina. Sama prędkość światła jest dość dużą wielkością, a jej kwadrat jest jeszcze większy. Oznacza to, że bardzo mały kawałek materii zawiera ogromną energię. Dowodem na to jest energia jądrowa.

Pellet paliwa jądrowego (wzbogacony uran stosowany w elektrowniach jądrowych) waży 4,5 grama. Zapewnia jednak energię równoważną energii ze spalenia 400 kilogramów węgla. Dobra wydajność, prawda?

Zatem najsłynniejsza formuła fizyki mówi, że materię można przekształcić w energię i odwrotnie. Energia nigdzie nie znika, a jedynie zmienia swoją formę.

Nie będziemy podawać wyprowadzenia wzoru Einsteina - czekają nas tam znacznie bardziej złożone wzory, które mogą zniechęcić początkujących naukowców do wszelkiego zainteresowania nauką. Nasza obsługa studencka jest gotowa udzielić pomocy w rozwiązaniu problemów związanych z Twoimi studiami. Oszczędzaj energię i siły z pomocą naszych ekspertów!