Albert Einsteini tunneb ilmselt iga meie planeedi elanik. See on tuntud tänu kuulsale massi ja energia vahelise seose valemile. Nobeli preemiat ta selle eest aga ei saanud. Selles artiklis käsitleme kahte Einsteini valemit, mis muutsid 20. sajandi alguses füüsikalisi ideid meid ümbritseva maailma kohta.
Einsteini viljakas aasta
1905. aastal avaldas Einstein korraga mitu artiklit, mis käsitlesid peamiselt kahte teemat: tema väljatöötatud relatiivsusteooriat ja fotoelektrilise efekti seletust. Materjalid avaldati Saksa ajakirjas Annalen der Physik. Juba nende kahe artikli pealkirjad tekitasid tollaste teadlaste ringis hämmingut:
- "Kas keha inerts sõltub selles sisalduvast energiast?";
- "Heuristiline vaatenurk valguse tekkele ja muundumisele".
Esimeses tsiteerib teadlane praegu teadaolevat Einsteini relatiivsusteooria valemit, mis ühendabmassi ja energia ühtlane võrdsus. Teine artikkel pakub fotoelektrilise efekti võrrandit. Mõlemat valemit kasutatakse praegu nii radioaktiivse ainega töötamiseks kui ka elektromagnetlainetest elektrienergia tootmiseks.
Erirelatiivsusteooria lühike valem
Einsteini välja töötatud relatiivsusteooria käsitleb nähtusi, kui objektide massid ja nende liikumiskiirused on tohutud. Selles postuleerib Einstein, et üheski võrdlusraamistikus on võimatu liikuda valgusest kiiremini ja valguselähedasel kiirusel muutuvad aegruumi omadused, näiteks aeg hakkab aeglustuma.
Relatiivsusteooriast on loogika seisukohast raske aru saada, kuna see läheb vastuollu tavapäraste liikumisteemadega, mille seadused kehtestas Newton 17. sajandil. Einstein tuli aga keerukatest matemaatilistest arvutustest välja elegantse ja lihtsa valemi:
E=mc2.
Seda avaldist nimetatakse Einsteini energia ja massi valemiks. Mõelgem välja, mida see tähendab.
Massi, energia ja valguse kiiruse mõisted
Albert Einsteini valemi paremaks mõistmiseks peaksite üksikasjalikult mõistma iga selles sisalduva sümboli tähendust.
Alustame massist. Tihti võib kuulda, et see füüsikaline suurus on seotud kehas sisalduva aine hulgaga. See pole täiesti tõsi. Õigem on massi määratleda inertsi mõõduna. Mida suurem on keha, seda raskem on sellele teatud kindlat andakiirust. Massi mõõdetakse kilogrammides.
Energeetika küsimus pole samuti lihtne. Niisiis on selle ilminguid mitmesuguseid: valgus- ja termiline, aur ja elektriline, kineetiline ja potentsiaalne, keemilised sidemed. Kõiki neid energialiike ühendab üks oluline omadus – nende töövõime. Teisisõnu on energia füüsiline suurus, mis on võimeline kehasid teiste välisjõudude toimele vastu liikuma. SI mõõt on džaul.
Mis on valguse kiirus, on peaaegu kõigile selge. Seda mõistetakse kui vahemaad, mille elektromagnetlaine läbib ajaühikus. Vaakumi puhul on see väärtus konstant, mis tahes muus reaalses keskkonnas see väheneb. Valguse kiirust mõõdetakse meetrites sekundis.
Einsteini valemi tähendus
Kui vaatate seda lihtsat valemit tähelepanelikult, näete, et mass on energiaga seotud konstandi (valguse kiiruse ruudu) kaudu. Einstein ise selgitas, et mass ja energia on ühe ja sama asja ilmingud. Sel juhul on võimalikud üleminekud m-le E ja tagasi.
Enne Einsteini teooria tulekut uskusid teadlased, et massi ja energia jäävuse seadused eksisteerivad eraldi ja kehtivad kõikide suletud süsteemides toimuvate protsesside puhul. Einstein näitas, et see pole nii ja need nähtused ei püsi eraldi, vaid koos.
Einsteini valemi või massi ja energia samaväärsuse seaduse teine tunnus on nende suuruste vaheline proportsionaalsustegur,st c2. See on ligikaudu võrdne 1017 m2/s2. See tohutu väärtus viitab sellele, et isegi väike kogus massi sisaldab tohutuid energiavarusid. Näiteks kui järgite seda valemit, siis ainult üks kuivatatud viinamari (rosin) suudab ühe päeva jooksul rahuldada kogu Moskva energiavajaduse. Teisest küljest seletab see tohutu tegur ka seda, miks me ei jälgi looduses massilisi muutusi, kuna need on meie kasutatavate energiaväärtuste jaoks liiga väikesed.
Valemi mõju 20. sajandi ajaloo kulgemisele
Tänu selle valemi tundmisele suutis inimene omandada aatomienergia, mille tohutuid varusid seletatakse massi kadumise protsessidega. Ilmekas näide on uraani tuuma lõhustumine. Kui liita kokku pärast seda lõhustumist tekkinud kergete isotoopide mass, siis osutub see palju väiksemaks kui algtuuma oma. Kadunud mass muutub energiaks.
Inimese võime kasutada aatomienergiat viis reaktori loomiseni, mis varustab linnade tsiviilelanikkonda elektriga, ja kogu teadaoleva ajaloo surmavaima relva – aatomipommi – loomiseni.
Esimese aatomipommi ilmumine USA-sse lõpetas Teise maailmasõja Jaapani vastu enne tähtaega (1945. aastal viskas USA need pommid kahele Jaapani linnale) ja sai ka peamiseks heidutavaks teguriks Kolmanda maailmasõja puhkemine.
Einstein ise muidugi ei saanudet ta avastas valemi selliseid tagajärgi ette näha. Pange tähele, et ta ei osalenud Manhattani aatomirelvade loomise projektis.
Fotoelektrilise efekti nähtus ja selle seletus
Liikugem nüüd küsimuse juurde, mille eest Albert Einsteinile 1920. aastate alguses Nobeli preemia anti.
Fotoelektrilise efekti nähtus, mille Hertz avastas 1887. aastal, seisneb vabade elektronide ilmumises teatud materjali pinna kohale, kui seda kiiritatakse teatud sagedusega valgusega. Seda nähtust ei olnud võimalik seletada valguse laineteooria seisukoh alt, mis kehtestati 20. sajandi alguses. Seega jäi arusaamatuks, miks fotoelektrilist efekti vaadeldakse ilma ajalise viiteta (alla 1 ns), miks ei sõltu aeglustuspotentsiaal valgusallika intensiivsusest. Einstein andis suurepärase seletuse.
Teadlane pakkus välja lihtsa asja: kui valgus interakteerub ainega, ei käitu see mitte laine, vaid kehakese, kvanti või energiaklombina. Esialgsed mõisted olid juba teada – korpuskulaarteooria pakkus välja Newton 17. sajandi keskel ning elektromagnetlainete kvantide kontseptsiooni võttis kasutusele kaasmaalasest füüsik Max Planck. Einstein suutis koondada kõik teooria- ja katseteadmised. Ta uskus, et footon (valgusekvant), mis suhtleb ainult ühe elektroniga, annab sellele täielikult oma energia. Kui see energia on piisav alt suur, et katkestada side elektroni ja tuuma vahel, avaneb laetud elementaarosake aatomist ja läheb vabasse olekusse.
Märgistatud vaatedlubas Einsteinil fotoelektrilise efekti valemi üles kirjutada. Vaatleme seda järgmises lõigus.
Fotoelektriline efekt ja selle võrrand
See võrrand on pisut pikem kui kuulus energia-massi suhe. See näeb välja selline:
hv=A + Ek.
See võrrand ehk Einsteini fotoelektrilise efekti valem peegeldab protsessis toimuva olemust: footon energiaga hv (Plancki konstant korrutatud võnkesagedusega) kulutatakse elektronivahelise sideme katkestamisele. ja tuum (A on elektroni tööfunktsioon) ning kineetilise energia negatiivse osakese edastamisel (Ek).
Ül altoodud valem võimaldas selgitada kõiki fotoelektrilise efekti katsetes täheldatud matemaatilisi sõltuvusi ja viis vaadeldava nähtuse jaoks vastavate seaduste sõnastamiseni.
Kus kasutatakse fotoelektrilist efekti?
Praegu rakendatakse ül altoodud Einsteini ideid valgusenergia muundamiseks elektrienergiaks tänu päikesepaneelidele.
Nad kasutavad sisemist fotoelektrilist efekti ehk aatomist "välja tõmmatud" elektronid ei lahku materjalist, vaid jäävad sellesse. Toimeaine on n- ja p-tüüpi räni pooljuhid.
