Albert Einstein é provavelmente conhecido por todos os habitantes do nosso planeta. É conhecido graças à famosa fórmula de ligação entre massa e energia. No entanto, ele não recebeu o Prêmio Nobel por isso. Neste artigo, consideraremos duas fórmulas de Einstein que transformaram as ideias físicas sobre o mundo ao nosso redor no início do século XX.
Ano frutífero de Einstein
Em 1905, Einstein publicou vários artigos de uma só vez, que tratavam principalmente de dois tópicos: a teoria da relatividade que desenvolveu e a explicação do efeito fotoelétrico. Os materiais foram publicados na revista alemã Annalen der Physik. Os próprios títulos desses dois artigos causaram perplexidade no círculo de cientistas da época:
- "A inércia de um corpo depende da energia que ele contém?";
- "Um ponto de vista heurístico sobre a origem e transformação da luz".
No primeiro, o cientista cita a fórmula atualmente conhecida da teoria da relatividade de Einstein, que combinaigualdade uniforme de massa e energia. O segundo artigo fornece uma equação para o efeito fotoelétrico. Ambas as fórmulas são usadas atualmente tanto para trabalhar com matéria radioativa quanto para gerar energia elétrica a partir de ondas eletromagnéticas.
Fórmula curta da relatividade especial
A teoria da relatividade desenvolvida por Einstein considera os fenômenos quando as massas dos objetos e suas velocidades de movimento são enormes. Nele, Einstein postula que é impossível se mover mais rápido que a luz em qualquer referencial, e que em velocidades próximas à da luz, as propriedades do espaço-tempo mudam, por exemplo, o tempo começa a desacelerar.
A teoria da relatividade é difícil de entender do ponto de vista lógico, porque contradiz as ideias usuais sobre o movimento, cujas leis foram estabelecidas por Newton no século XVII. No entanto, Einstein surgiu com uma fórmula elegante e simples de cálculos matemáticos complexos:
E=mc2.
Esta expressão é chamada de fórmula de Einstein para energia e massa. Vamos descobrir o que significa.
Os conceitos de massa, energia e velocidade da luz
Para entender melhor a fórmula de Albert Einstein, você deve entender detalhadamente o significado de cada símbolo que está presente nela.
Vamos começar com a massa. Muitas vezes você pode ouvir que essa quantidade física está relacionada à quantidade de matéria contida no corpo. Isso não é inteiramente verdade. É mais correto definir massa como uma medida de inércia. Quanto maior o corpo, mais difícil é dar-lhe uma certaRapidez. A massa é medida em quilogramas.
A questão da energia também não é simples. Assim, há uma variedade de suas manifestações: luz e térmica, vapor e elétrica, cinética e potencial, ligações químicas. Todos esses tipos de energia estão unidos por uma propriedade importante - sua capacidade de realizar trabalho. Em outras palavras, a energia é uma quantidade física capaz de mover corpos contra a ação de outras forças externas. A medida SI é o joule.
Qual é a velocidade da luz é aproximadamente claro para todos. Entende-se como a distância que uma onda eletromagnética percorre por unidade de tempo. Para vácuo, este valor é uma constante; em qualquer outro meio real, diminui. A velocidade da luz é medida em metros por segundo.
O significado da fórmula de Einstein
Se você olhar atentamente para esta fórmula simples, poderá ver que a massa está relacionada à energia através de uma constante (o quadrado da velocidade da luz). O próprio Einstein explicou que massa e energia são manifestações da mesma coisa. Neste caso, as transições m para E e vice-versa são possíveis.
Antes do advento da teoria de Einstein, os cientistas acreditavam que as leis de conservação de massa e energia existem separadamente e são válidas para quaisquer processos que ocorrem em sistemas fechados. Einstein mostrou que esse não é o caso, e esses fenômenos persistem não separadamente, mas juntos.
Outra característica da fórmula de Einstein ou da lei de equivalência de massa e energia é o coeficiente de proporcionalidade entre essas quantidades,ou seja, c2. É aproximadamente igual a 1017 m2/s2. Esse enorme valor sugere que mesmo uma pequena quantidade de massa contém enormes reservas de energia. Por exemplo, se você seguir esta fórmula, apenas uma uva seca (passa) pode satisfazer todas as necessidades energéticas de Moscou em um dia. Por outro lado, esse enorme fator também explica porque não observamos mudanças de massa na natureza, pois elas são muito pequenas para os valores de energia que usamos.
A influência da fórmula no curso da história do século XX
Graças ao conhecimento desta fórmula, uma pessoa foi capaz de dominar a energia atômica, cujas enormes reservas são explicadas pelos processos de desaparecimento de massa. Um exemplo notável é a fissão do núcleo de urânio. Se somarmos a massa dos isótopos de luz formados após essa fissão, ela será muito menor do que a do núcleo original. A massa desaparecida se transforma em energia.
A capacidade humana de usar a energia atômica levou à criação de um reator que serve para fornecer eletricidade à população civil das cidades e ao projeto da arma mais mortal de toda a história conhecida - a bomba atômica.
O surgimento da primeira bomba atômica nos Estados Unidos encerrou a Segunda Guerra Mundial contra o Japão antes do previsto (em 1945, os Estados Unidos lançaram essas bombas em duas cidades japonesas), e também se tornou o principal impedimento para o eclosão da Terceira Guerra Mundial.
O próprio Einstein, é claro, não poderiaprever tais consequências da fórmula que descobriu. Observe que ele não participou do projeto Manhattan para criar armas atômicas.
O fenômeno do efeito fotoelétrico e sua explicação
Agora vamos passar para a questão pela qual Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel no início da década de 1920.
O fenômeno do efeito fotoelétrico, descoberto em 1887 por Hertz, consiste no aparecimento de elétrons livres acima da superfície de um determinado material, se este for irradiado com luz de determinadas frequências. Não foi possível explicar esse fenômeno do ponto de vista da teoria ondulatória da luz, estabelecida no início do século XX. Assim, não ficou claro por que o efeito fotoelétrico é observado sem retardo de tempo (menos de 1 ns), por que o potencial de desaceleração não depende da intensidade da fonte de luz. Einstein deu uma explicação brilhante.
O cientista sugeriu uma coisa simples: quando a luz interage com a matéria, ela se comporta não como uma onda, mas como um corpúsculo, um quantum, um coágulo de energia. Os conceitos iniciais já eram conhecidos - a teoria corpuscular foi proposta por Newton em meados do século XVII, e o conceito de quanta de ondas eletromagnéticas foi introduzido pelo físico compatriota Max Planck. Einstein foi capaz de reunir todo o conhecimento da teoria e experimento. Ele acreditava que um fóton (quantum de luz), interagindo com apenas um elétron, lhe dava completamente sua energia. Se esta energia for grande o suficiente para quebrar a ligação entre o elétron e o núcleo, então a partícula elementar carregada se abre do átomo e entra em um estado livre.
Visualizações Marcadaspermitiu que Einstein escrevesse a fórmula do efeito fotoelétrico. Vamos considerá-lo no próximo parágrafo.
Efeito fotoelétrico e sua equação
Esta equação é um pouco mais longa que a famosa relação energia-massa. Fica assim:
hv=A + Ek.
Esta equação ou fórmula de Einstein para o efeito fotoelétrico reflete a essência do que está acontecendo no processo: um fóton com energia hv (constante de Planck multiplicada pela frequência de oscilação) é gasto para quebrar a ligação entre o elétron e o núcleo (A é a função trabalho do elétron) e ao comunicar uma partícula negativa de energia cinética (Ek).
A fórmula acima permitiu explicar todas as dependências matemáticas observadas em experimentos sobre o efeito fotoelétrico e levou à formulação das leis correspondentes para o fenômeno em questão.
Onde é usado o efeito fotoelétrico?
Atualmente, as ideias de Einstein descritas acima estão sendo aplicadas para converter a energia da luz em eletricidade graças aos painéis solares.
Eles usam um efeito fotoelétrico interno, ou seja, os elétrons "retirados" do átomo não saem do material, mas permanecem nele. A substância ativa são semicondutores de silício do tipo n e p.
