Albert Einstein es probablemente conocido por todos los habitantes de nuestro planeta. Se conoce gracias a la famosa fórmula de la conexión entre masa y energía. Sin embargo, no recibió el Premio Nobel por ello. En este artículo, consideraremos dos fórmulas de Einstein que transformaron las ideas físicas sobre el mundo que nos rodea a principios del siglo XX.
El año fructífero de Einstein
En 1905, Einstein publicó varios artículos a la vez, que trataban principalmente de dos temas: la teoría de la relatividad que desarrolló y la explicación del efecto fotoeléctrico. Los materiales fueron publicados en la revista alemana Annalen der Physik. Los mismos títulos de estos dos artículos causaron desconcierto en el círculo de científicos de la época:
- "¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?";
- "Un punto de vista heurístico sobre el origen y la transformación de la luz".
En el primero, el científico cita la fórmula actualmente conocida de la teoría de la relatividad de Einstein, que combinaigualdad uniforme de masa y energía. El segundo artículo proporciona una ecuación para el efecto fotoeléctrico. Ambas fórmulas se utilizan actualmente tanto para trabajar con materia radiactiva como para generar energía eléctrica a partir de ondas electromagnéticas.
Fórmula corta de la relatividad especial
La teoría de la relatividad desarrollada por Einstein considera los fenómenos cuando las masas de los objetos y sus velocidades de movimiento son enormes. En él, Einstein postula que es imposible moverse más rápido que la luz en cualquier marco de referencia, y que a velocidades cercanas a la luz, las propiedades del espacio-tiempo cambian, por ejemplo, el tiempo comienza a ralentizarse.
La teoría de la relatividad es difícil de entender desde un punto de vista lógico, porque contradice las ideas habituales sobre el movimiento, cuyas leyes fueron establecidas por Newton en el siglo XVII. Sin embargo, a Einstein se le ocurrió una fórmula elegante y simple a partir de complejos cálculos matemáticos:
E=mc2.
Esta expresión se llama fórmula de Einstein para la energía y la masa. Averigüemos qué significa.
Los conceptos de masa, energía y velocidad de la luz
Para entender mejor la fórmula de Albert Einstein, debes entender en detalle el significado de cada símbolo que está presente en ella.
Empecemos con la masa. A menudo se puede escuchar que esta cantidad física está relacionada con la cantidad de materia contenida en el cuerpo. Esto no es enteramente verdad. Es más correcto definir la masa como una medida de inercia. Cuanto más grande es el cuerpo, más difícil es darle un ciertovelocidad. La masa se mide en kilogramos.
El tema de la energía tampoco es sencillo. Entonces, hay una variedad de sus manifestaciones: luz y térmica, vapor y eléctrica, cinética y potencial, enlaces químicos. Todos estos tipos de energía están unidos por una propiedad importante: su capacidad para realizar trabajo. En otras palabras, la energía es una cantidad física que es capaz de mover cuerpos contra la acción de otras fuerzas externas. La medida del SI es el joule.
La velocidad de la luz está aproximadamente clara para todos. Se entiende como la distancia que recorre una onda electromagnética por unidad de tiempo. Para el vacío, este valor es una constante; en cualquier otro medio real, decrece. La velocidad de la luz se mide en metros por segundo.
El significado de la fórmula de Einstein
Si observas de cerca esta sencilla fórmula, puedes ver que la masa está relacionada con la energía a través de una constante (el cuadrado de la velocidad de la luz). El propio Einstein explicó que la masa y la energía son manifestaciones de lo mismo. En este caso, son posibles las transiciones m a E y viceversa.
Antes del advenimiento de la teoría de Einstein, los científicos creían que las leyes de conservación de la masa y la energía existen por separado y son válidas para cualquier proceso que ocurra en sistemas cerrados. Einstein demostró que este no es el caso, y estos fenómenos persisten no por separado, sino juntos.
Otra característica de la fórmula de Einstein o la ley de equivalencia de masa y energía es el coeficiente de proporcionalidad entre estas cantidades,es decir, do2. Es aproximadamente igual a 1017 m2/s2. Este enorme valor sugiere que incluso una pequeña cantidad de masa contiene enormes reservas de energía. Por ejemplo, si sigue esta fórmula, solo una uva pasa (pasa) puede satisfacer todas las necesidades energéticas de Moscú en un día. Por otro lado, este enorme factor también explica por qué no observamos cambios de masa en la naturaleza, porque son demasiado pequeños para los valores de energía que usamos.
La influencia de la fórmula en el curso de la historia del siglo XX
Gracias al conocimiento de esta fórmula, una persona pudo dominar la energía atómica, cuyas enormes reservas se explican por los procesos de desaparición de la masa. Un ejemplo sorprendente es la fisión del núcleo de uranio. Si sumamos la masa de los isótopos ligeros formados después de esta fisión, resultará ser mucho menor que la del núcleo original. La masa desaparecida se convierte en energía.
La capacidad humana para utilizar la energía atómica condujo a la creación de un reactor que sirve para proporcionar electricidad a la población civil de las ciudades y al diseño del arma más mortífera de toda la historia conocida: la bomba atómica.
La aparición de la primera bomba atómica en Estados Unidos puso fin a la Segunda Guerra Mundial contra Japón antes de lo previsto (en 1945, Estados Unidos arrojó estas bombas sobre dos ciudades japonesas), y también se convirtió en el principal elemento disuasorio de la estallido de la Tercera Guerra Mundial.
Einstein mismo, por supuesto, no pudoprever tales consecuencias de la fórmula que descubrió. Tenga en cuenta que no participó en el proyecto Manhattan para crear armas atómicas.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico y su explicación
Pasemos ahora a la pregunta por la que Albert Einstein recibió el Premio Nobel a principios de la década de 1920.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico, descubierto en 1887 por Hertz, consiste en la aparición de electrones libres sobre la superficie de un determinado material, si éste es irradiado con luz de determinadas frecuencias. No fue posible explicar este fenómeno desde el punto de vista de la teoría ondulatoria de la luz, que se estableció a principios del siglo XX. Por lo tanto, no quedó claro por qué el efecto fotoeléctrico se observa sin un retraso de tiempo (menos de 1 ns), por qué el potencial de desaceleración no depende de la intensidad de la fuente de luz. Einstein dio una brillante explicación.
El científico sugirió algo simple: cuando la luz interactúa con la materia, no se comporta como una onda, sino como un corpúsculo, un cuanto, un coágulo de energía. Los conceptos iniciales ya se conocían: la teoría corpuscular fue propuesta por Newton a mediados del siglo XVII y el concepto de cuantos de ondas electromagnéticas fue introducido por el físico compatriota Max Planck. Einstein fue capaz de reunir todo el conocimiento de la teoría y la experimentación. Él creía que un fotón (cuanto de luz), interactuando con un solo electrón, le da completamente su energía. Si esta energía es lo suficientemente grande como para romper el enlace entre el electrón y el núcleo, entonces la partícula elemental cargada se abre desde el átomo y pasa a un estado libre.
Vistas etiquetadaspermitió a Einstein escribir la fórmula del efecto fotoeléctrico. Lo consideraremos en el siguiente párrafo.
Efecto fotoeléctrico y su ecuación
Esta ecuación es un poco más larga que la famosa relación energía-masa. Tiene este aspecto:
hv=A + Ek.
Esta ecuación o fórmula de Einstein para el efecto fotoeléctrico refleja la esencia de lo que está sucediendo en el proceso: un fotón con energía hv (la constante de Planck multiplicada por la frecuencia de oscilación) se gasta en romper el enlace entre el electrón y el núcleo (A es la función de trabajo del electrón) y al comunicar una partícula negativa de energía cinética (Ek).
La fórmula anterior permitió explicar todas las dependencias matemáticas observadas en los experimentos sobre el efecto fotoeléctrico y condujo a la formulación de las leyes correspondientes al fenómeno en cuestión.
¿Dónde se utiliza el efecto fotoeléctrico?
Actualmente, las ideas de Einstein descritas anteriormente se están aplicando para convertir la energía de la luz en electricidad gracias a los paneles solares.
Utilizan un efecto fotoeléctrico interno, es decir, los electrones "sacados" del átomo no dejan el material, sino que permanecen en él. El principio activo son semiconductores de silicio de tipo n y tipo p.
