Albert Einstein est probablement connu de tous les habitants de notre planète. Il est connu grâce à la fameuse formule du lien entre la masse et l'énergie. Cependant, il n'a pas reçu le prix Nobel pour cela. Dans cet article, nous examinerons deux formules d'Einstein qui ont bouleversé les idées physiques sur le monde qui nous entoure au début du XXe siècle.
L'année fructueuse d'Einstein
En 1905, Einstein publie plusieurs articles à la fois, qui traitent principalement de deux sujets: la théorie de la relativité qu'il développe et l'explication de l'effet photoélectrique. Les matériaux ont été publiés dans la revue allemande Annalen der Physik. Les titres mêmes de ces deux articles provoquèrent alors la confusion dans le cercle des scientifiques:
- "L'inertie d'un corps dépend-elle de l'énergie qu'il contient?";
- "Un point de vue heuristique sur l'origine et la transformation de la lumière".
Dans le premier, le scientifique cite la formule actuellement connue de la théorie de la relativité d'Einstein, qui combineégalité uniforme de la masse et de l'énergie. Le deuxième article fournit une équation pour l'effet photoélectrique. Les deux formules sont actuellement utilisées à la fois pour travailler avec de la matière radioactive et pour générer de l'énergie électrique à partir d'ondes électromagnétiques.
Formule courte de la relativité restreinte
La théorie de la relativité développée par Einstein considère les phénomènes lorsque les masses d'objets et leurs vitesses de déplacement sont énormes. Dans ce document, Einstein postule qu'il est impossible de se déplacer plus vite que la lumière dans n'importe quel cadre de référence, et qu'à des vitesses proches de la lumière, les propriétés de l'espace-temps changent, par exemple, le temps commence à ralentir.
La théorie de la relativité est difficile à comprendre d'un point de vue logique, car elle contredit les idées habituelles sur le mouvement, dont les lois ont été établies par Newton au 17ème siècle. Cependant, Einstein a proposé une formule élégante et simple à partir de calculs mathématiques complexes:
E=mc2.
Cette expression s'appelle la formule d'Einstein pour l'énergie et la masse. Voyons ce que cela signifie.
Les concepts de masse, d'énergie et de vitesse de la lumière
Pour mieux comprendre la formule d'Albert Einstein, vous devez comprendre en détail la signification de chaque symbole qui y est présent.
Commençons par la messe. On entend souvent dire que cette quantité physique est liée à la quantité de matière contenue dans le corps. Ce n'est pas tout à fait vrai. Il est plus correct de définir la masse comme une mesure de l'inertie. Plus le corps est grand, plus il est difficile de lui donner une certainela vitesse. La masse est mesurée en kilogrammes.
La question de l'énergie n'est pas simple non plus. Ainsi, il existe une variété de ses manifestations: lumière et thermique, vapeur et électrique, cinétique et potentiel, liaisons chimiques. Tous ces types d'énergie sont unis par une propriété importante - leur capacité à travailler. En d'autres termes, l'énergie est une quantité physique capable de déplacer des corps contre l'action d'autres forces extérieures. La mesure SI est le joule.
Qu'est-ce que la vitesse de la lumière est à peu près clair pour tout le monde. On l'entend comme la distance parcourue par une onde électromagnétique par unité de temps. Pour le vide, cette valeur est une constante; dans tout autre milieu réel, elle décroît. La vitesse de la lumière se mesure en mètres par seconde.
La signification de la formule d'Einstein
Si vous regardez attentivement cette formule simple, vous pouvez voir que la masse est liée à l'énergie par une constante (le carré de la vitesse de la lumière). Einstein lui-même a expliqué que la masse et l'énergie sont des manifestations de la même chose. Dans ce cas, les transitions m vers E et retour sont possibles.
Avant l'avènement de la théorie d'Einstein, les scientifiques pensaient que les lois de conservation de la masse et de l'énergie existaient séparément et étaient valables pour tous les processus se produisant dans des systèmes fermés. Einstein a montré que ce n'est pas le cas, et ces phénomènes persistent non pas séparément, mais ensemble.
Une autre caractéristique de la formule d'Einstein ou de la loi d'équivalence de la masse et de l'énergie est le coefficient de proportionnalité entre ces quantités,c'est-à-dire c2. Il est approximativement égal à 1017 m2/s2. Cette valeur énorme suggère que même une petite quantité de masse contient d'énormes réserves d'énergie. Par exemple, si vous suivez cette formule, un seul raisin sec (raisin sec) peut satisfaire tous les besoins énergétiques de Moscou en une journée. D'autre part, cet énorme facteur explique également pourquoi nous n'observons pas de changements de masse dans la nature, car ils sont trop petits pour les valeurs énergétiques que nous utilisons.
L'influence de la formule sur le cours de l'histoire du XXe siècle
Grâce à la connaissance de cette formule, une personne a pu maîtriser l'énergie atomique, dont les énormes réserves s'expliquent par les processus de disparition de la masse. Un exemple frappant est la fission du noyau d'uranium. Si nous additionnons la masse des isotopes légers formés après cette fission, elle se révélera bien inférieure à celle du noyau d'origine. La masse disparue se transforme en énergie.
La capacité humaine à utiliser l'énergie atomique a conduit à la création d'un réacteur qui sert à fournir de l'électricité à la population civile des villes, et à la conception de l'arme la plus meurtrière de toute l'histoire connue - la bombe atomique.
L'apparition de la première bombe atomique aux États-Unis a mis fin à la Seconde Guerre mondiale contre le Japon plus tôt que prévu (en 1945, les États-Unis ont largué ces bombes sur deux villes japonaises), et est également devenue le principal moyen de dissuasion contre le déclenchement de la Troisième Guerre mondiale.
Einstein lui-même, bien sûr, ne pouvait pasde prévoir de telles conséquences de la formule qu'il a découverte. A noter qu'il n'a pas participé au projet Manhattan de création d'armes atomiques.
Le phénomène de l'effet photoélectrique et son explication
Passons maintenant à la question pour laquelle Albert Einstein a reçu le prix Nobel au début des années 1920.
Le phénomène de l'effet photoélectrique, découvert en 1887 par Hertz, consiste en l'apparition d'électrons libres au-dessus de la surface d'un certain matériau, s'il est irradié avec de la lumière de certaines fréquences. Il n'a pas été possible d'expliquer ce phénomène du point de vue de la théorie ondulatoire de la lumière, établie au début du XXe siècle. Ainsi, il n'était pas clair pourquoi l'effet photoélectrique est observé sans délai (moins de 1 ns), pourquoi le potentiel de décélération ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse. Einstein a donné une brillante explication.
Le scientifique a suggéré une chose simple: lorsque la lumière interagit avec la matière, elle ne se comporte pas comme une onde, mais comme un corpuscule, un quantum, un caillot d'énergie. Les concepts initiaux étaient déjà connus - la théorie corpusculaire a été proposée par Newton au milieu du XVIIe siècle et le concept de quanta d'ondes électromagnétiques a été introduit par son compatriote physicien Max Planck. Einstein a su réunir toutes les connaissances de la théorie et de l'expérience. Il croyait qu'un photon (quantum de lumière), interagissant avec un seul électron, lui donnait entièrement son énergie. Si cette énergie est suffisamment grande pour rompre la liaison entre l'électron et le noyau, alors la particule élémentaire chargée s'ouvre de l'atome et passe à l'état libre.
Vues taguéespermis à Einstein d'écrire la formule de l'effet photoélectrique. Nous l'examinerons dans le paragraphe suivant.
L'effet photoélectrique et son équation
Cette équation est un peu plus longue que la fameuse relation énergie-masse. Il ressemble à ceci:
hv=A + Ek.
Cette équation ou formule d'Einstein pour l'effet photoélectrique reflète l'essence de ce qui se passe dans le processus: un photon d'énergie hv (constante de Planck multipliée par la fréquence d'oscillation) est utilisé pour rompre la liaison entre l'électron et le noyau (A est le travail d'extraction de l'électron) et sur la communication d'une particule négative d'énergie cinétique (Ek).
La formule ci-dessus a permis d'expliquer toutes les dépendances mathématiques observées dans les expériences sur l'effet photoélectrique et a conduit à la formulation des lois correspondantes pour le phénomène considéré.
Où est utilisé l'effet photoélectrique ?
Actuellement, les idées d'Einstein décrites ci-dessus sont appliquées pour convertir l'énergie lumineuse en électricité grâce à des panneaux solaires.
Ils utilisent un effet photoélectrique interne, c'est-à-dire que les électrons "extraits" de l'atome ne quittent pas le matériau, mais y restent. La substance active est constituée de semi-conducteurs de silicium de type n et p.
