Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie?

Transkrypt

1 VIII DFN, Wrocław, 21 września 2005 Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie? Dr hab. inż. Włodzimierz Salejda Θ, prof. nadzw. PWr, Instytut Fizyki PWr oraz Bogumił Konopka, Marek Skiba i Paweł Sobecki studenci I roku studiów WPPT PWr Θ wlodzimierz.salejda@pwr.wroc.pl Strona domowa:

2 Plan wykładu 1. Biografia naukowa 2. O atomach, molekułach i ruchach Browna 3. Szczególna teoria względności (SzTW) 4. Fotoefekt 5. Zakończenie Nie przejmuj się, jeżeli masz problemy z matematyką. Zapewniam Cię, C że ja mam jeszcze większe (z listu do uczennicy szkoły średniej, 7 I 1943) 1

3 Wykładu będzie poświęcony dokonaniom (uczynkom ) naukowym Alberta Einsteina ( ) w 1905 roku zwanym w fizyce rokiem cudów (annus mirabilis) Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie w 1905 r. - roku cudów? Uczynek - to, co się czyni lub uczyniło; rzecz przez kogoś dokonana; czyn, postępek Moje ciało ma zostać spalone, aby ludzie nie czcili moich kości.

4 Biografia naukowa (1) Urodził się 14 III 1879 w Ulm (Niemcy) Matka, Paulina Ojciec, Herman 1. W 1884 r. w Monachium rozpoczyna naukę pod kierunkiem prywatnego nauczyciela; zaczyna uczyć się gry na skrzypcach. 2. W Monachium od 1886 r. uczęszcza do szkoły publicznej; w domu uczy się judaizmu. 3. W Monachium w 1888 r. wstępuje do gimnazjum. Nie wiem, na co będzie b trzecia wojna światowa, ale czwarta będzie b na pewno na maczugi.

5 10-letni A.E., zdjęcie z 1889 A.E. w wieku 14 lat, 1883 r zapoznaje się z elementami matematyki wyższej. 5. Wiosną 1895 r. porzuca naukę w gimnazjum i wyjeżdża do Pawii we Włoszech, gdzie od 1894 r. przebywa jego rodzina. Jesienią nie zdaje egzaminu wstępnego do ETH (Związkowa Wyższa Szkoła Techniczna) w Zurychu (Szwajcaria). 6. W 1986 r. kończy szkołę kantonalną w Aarau, co pozwala mu wstąpić do ETH (oceny: 6 z historii, algebry, geometrii, geometrii opisowej i fizyki). Biografia naukowa (2) Prawdą jest to, co wytrzyma próbę doświadczenia.

6 Biografia naukowa (3) A.E. AD 1896 Z żoną Milewą i synem Hansem Urzędnik biura patentowego 7. W 1900 r. kończy ETH w Zurichu (oceny: 5,5 z teorii funkcji, 5 z fizyki teoretycznej, doświadczalnej i astronomii); zostaje w wieku 21 lat wykwalifikowanym nauczycielem fizyki i matematyki; nic nie wiadomo o jego pracy dyplomowej; 13 XII wysyła pierwszą pracę naukową do Annalen der Physik otrzymuje obywatelstwo szwajcarskie; 13 III zostaje uznany za niezdolnego do służby wojskowej z powodu płaskostopia i żylaków w wieku 23 lat zostaje zatrudniony na czas próbny na stanowisku eksperta technicznego trzeciej klasy w biurze patentowym w Bernie.

7 Biografia naukowa (4) Zdjęcie ślubne, ślub z Milevą Maric mianowanie na stałe do pracy w biurze patentowym w Bernie. Mając c dwadzieścia lat myśla lałem tylko o kochaniu. Potem kochałem już tylko myśle leć.

8 Biografia naukowa (5) 12.Rok 1905 annus mirabilis; A.E. ma 26 lat kończy pracę o kwantowej naturze światła (17 III), kończy rozprawę doktorska pt. O nowej metodzie wyznaczania rozmiarów molekuł (30 IV); przedstawiona na Uniwersytecie w Zurichu; przyjęta w lipcu, 11 V redakcja Annalen der Physik (AdP) otrzymuje pracę o ruchach Browna, Urzędnik biura patentowego w Bernie Najpiękniejszym, co możemy odkryć, jest tajemniczość.

9 Biografia naukowa (6) 12. Rok 1905 annus mirabilis; A.E. ma 26 lat 30 VI do redakcji AdP wpływa pierwsza praca o szczególnej teorii względności, 27 IX wysyła do redakcji AdP drugą pracę o szczególnej teorii względności, która zawiera wzór E = mc 2, 19 XII do redakcji AdP wpływa druga praca o ruchach Browna. student Biuro patentowe w Bernie Czysto logiczne rozumowanie nie da nam żadnej wiedzy o realnym świecie.

10 Biografia naukowa (7) awans na stanowisko eksperta technicznego drugiej klasy; XI kończy pierwszą pracę z zakresu kwantowej teorii ciała stałego dotyczącą ciepła właściwego ciał stałych odkrywa zasadę równoważności (powiedział o niej najszczęśliwsza myśl mojego życia) rozpoczyna pracę na stanowisku profesora nadzwyczajnego Uniwersytetu w Zurichu. Dwie rzeczy sąs nieskończone Wszechświat i głupota g ludzka. Co do tej pierwszej istnieją jeszcze wątpliwow tpliwości.

11 Biografia naukowa (8) zostaje mianowany dekretem cesarza Austro-Węgier Franciszka Józefa na stanowisko profesora Uniwersytetu Karola Ferdynanda w Pradze; pierwsza konferencja Solvaya (30 X 3 XI), wygłasza referat pt. Obecny stan zagadnienia ciepła właściwego zostaje mianowany profesorem zwyczajnym Uniwersytetu w Zurichu; wspólnie z Grossmanem rozpoczyna pracę nad podstawami ogólnej teorii względności Świat Amerykanina jest tak wielki, jak jego gazeta. 1914

12 Biografia naukowa (9) zostaje członkiem Pruskiej Akademii Nauk i profesorem Uniwersytetu w Berlinie prowadzi eksperymenty żyromagnetyczne, podpisuje Manifest do Europejczyków wzywający wszystkich, którym droga jest kultura europejska, do wstąpienia do Ligi Europejczyków, przełom VI i VII w Getyndze wygłasza 6 wykładów o ogólnej teorii względności, XI znajduje wyjaśnienie precesji peryhelium Merkurego i podaje poprawne wyrażenie na ugięcie promieni światła przechodzących w pobliżu Słońca. Cóż to za smutna epoka, w której łatwiej rozbić atom, niż zniweczyć przesąd.

13 Biografia naukowa (10) formułuje ogólną teorię względności (OTW), przewiduje istnienie fal grawitacyjnych, podaje teorię oddziaływania światła z materią (sugeruje istnienie emisji wymuszonej podstawy akcji laserowej), stwierdza, że kwanty energii hν niosą pęd hν /c, wyraża zaniepokojenie losowym charakterem fizyki kwantowej. Im bardziej dana cywilizacja zrozumie, że e jej obraz świata jest fikcją, tym wyższy jest jej poziom nauki.

14 Biografia naukowa (11) pisze pierwsza pracę o kosmologii, wprowadza wyraz kosmologiczny, cierpi z powodu choroby wątroby i wrzodów żołądka, (zdrowie odzyskuje w 1920 r.), zostaje dyrektorem Instytutu Fizyki Cesarza Wilhelma w Berlinie. Najbardziej niezrozumiałą kwestią dotyczącą świata jest to, że e on jest zrozumiały.

15 Biografia naukowa (12) V całkowite zaćmienie Słońca, pomiar ugięcia promieni, 9 XI ogłoszenie oficjalnych wyników pomiarów potwierdzających przewidywania OTW, nagłówki w londyńskim Timesie: Rewolucja w nauce. Nowa teoria Wszechświata. Obalenie idei Newtona, w The New York Timesie: Promienie wykrzywione na całym niebie. Ludzie nauki poruszeni wynikami obserwacji zaćmienia. Tryumf teorii Einsteina, Einstein zdobywa światową sławę. Wyjaśnienia powinny być tak proste jak jest to możliwe, ale nie prostsze.

16 Biografia naukowa (13) 23.9 XI 1922 otrzymuje nagrodę Nobla za wyjątkowe zasługi w dziedzinie fizyki teoretycznej, a w szczególności za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego. for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect Dobry Bóg B g nie gra w kości. Noblista

17 Biografia naukowa (14) odkrycie kondensacji Bosego Einsteina początek debaty z Bohrem na temat podstaw mechaniki kwantowej zostaje profesorem Instytutu Studiów Zaawansowanych w Princeton; opuszcza Niemcy i przenosi się do USA wysyła list do F.D. Franklina zwracając uwagę na militarne konsekwencje badań nad energią atomową. Nauka uległaby stagnacji, gdyby miał ała a służyćs wyłą łącznie celom praktycznym.

18 27 c.d. A.E. podpisuje list wysłany 2 VIII 1939 list do F.D. Franklina prezydenta USA Biografia naukowa (15) Wskazał na możliwość skonstruowania broni atomowej i podkreślił wagę, jaką ma wyprzedzenie Niemiec przez USA w budowie takiej broni. List ten przyczynił się do rozpoczęcia prac nad Projektem Manhattan, które doprowadziły do zbudowania pierwszej bomby atomowej. To, co nazywamy fizyką,, obejmuje całą grupę nauk przyrodniczych, które opierają swe teorie na pomiarach i których idee i twierdzenia dają się sformułowa ować za pomocą matematyki.

19 Bierze udział w kongresie Solvaya 1927 Nauka uległaby stagnacji, gdyby miała służyć wyłącznie celom praktycznym Biografia naukowa (16)

20 Biografia naukowa (17) r. otrzymuje obywatelstwo amerykańskie r. wykrycie tętniaka aorty brzusznej r. podpisuje i pieczętuje testament IV 1955 pęknięcie tętniaka aorty (ma 76 lat) IV 1955 umiera w nocy o godzinie 1.15 w Princeton USA. A.E. przyjmuje obywatelstwo USA, 1940 r. Jednej rzeczy nauczyłem się w moim długim d życiu: że e cała a nasza nauka w konfrontacji z rzeczywistości cią wydaje się prymitywna i dziecinna a jednak jest to najcenniejsza rzecz, jaką posiadamy.

21 Kim był? 1. Izrealitą, który przeżył holocaust. 2. Mężem (ślub 1903, rozwód 1919). 3. Ojcem (Hans , Eduard ). 4. Mężem (drugi ślub 1919) i ojczymem (dwie córki drugiej żony z pierwszego małżeństwa). Biografia naukowa (18) Moralność człowieka zależy y od zdolności współodczuwania z innymi ludźmi, wykształcenia oraz więzi i potrzeb społecznych; żadna religia nie jest do tego potrzebna.

22 Kim był? 5. Postacią charyzmatyczną, znaną i sławną na całym świecie. 6. Pacyfistą, zwolennikiem supranacjonalizmu; po II wojnie światowej wysunął koncepcję powołania jednego rządu światowego i wyłącznie pokojowego wykorzystania energii atomowej. 7. Nigdy nie wybaczył Niemcom holocaustu (kuzynka zginęła w Auschwitz). 8. Miłośnikiem sprawiedliwości, mądrości i wolności; wysoko cenił sobie wolność; znajomi mówili: to człowiek najbardziej wolnym, wśród tych, których kiedykolwiek i gdziekolwiek spotkali i znali. Biografia naukowa (19) 1920 Człowiek byłby zaiste żałosną istotą,, gdyby kierował się w życiu wyłą łącznie strachem przed karą i nadzieją na nagrodę po śmierci.

23 Biografia naukowa (20) Kim był? 9. Człowiekiem kochającym muzykę; lubił Mozarta, Bacha, Vivaldiego, Scarlattiego, Schuberta (uwielbiał), Wagnera - nie cierpiał. 10. Po mistrzowsku władał językiem niemieckim; wszystkie prace napisał po niemiecku, był mistrzem opisu i niuansów. Nie potrafię wyobrazić sobie Boga, który nagradza i karze istoty przez siebie samego stworzone, którego zamysły y przykrojone sąs na naszą miarę krótko mówim wiąc, Boga, który nie jest niczym innym, jak odbiciem ludzkich słabos abości.

24 Kim był? 11. Genialnym naukowcem, najwybitniejszym uczonym XX w. 12. Żywą legendą znajomi w jego towarzystwie czuli się dobrze i swobodnie, nie umacniał swojej legendy, która nie napawała go nawet radością. Biografia naukowa (21) Tym niemniej podczas sympozjum zorganizowanym w Princeton 19 III 1949 r. z okazji siedemdziesiątych urodzin, gdy A.E. wszedł na salę wszyscy obecni wstali z miejsc. Przy wpajaniu ludziom tego, co moralnie słuszne, kaznodzieje powinni zdobyć się na odwagę i odrzucić doktrynę osobowego Boga, to znaczy nie powoływać się dłużej na owo źródło strachu i nadziei, dzięki któremu w przeszłości kapłani skupiali w swych rękach tak ogromną władzę.

25 Kim był? 12 c.d. Irytował się, gdy ktoś wykorzystywał jego pozycję. Pewien profesor X w rozmowie z Einsteinem usłyszał od niego opinię: Pana wyniki byłyby bardzo ważne, gdyby były poprawne. Profesor X, w celu podniesienia własnej reputacji i uniwersytetu, przekazał do prasy zniekształconą i skróconą opinię Einsteina nie zawierającą słów po przecinku będących ważnym Biografia naukowa (22) zastrzeżeniem. Einstein już nigdy nie Lata 20-te XX w; przyjął profesora X. A.E. w Berlinie Jestem przekonany, że aby uświadomić sobie zasadnicze znaczenie zasad moralnych w czynieniu naszego życia lepszym i szlachetniejszym, nie musimy odwoływać się do idei osobowego prawodawcy, zwłaszcza takiego, który karze nagradza. Osobowość kształtuje się nie przez piękne słowa lecz pracą i własnym wysiłkiem.

26 Biografia naukowa (23) Kim był? 13. Filozofem - studiował przez całe życie dzieła filozoficzne; dużą wagę przykładał do epistemologii: Nauka bez epistemologii jest prymitywna i niejasna Moje poglądy bliskie sąs poglądom Spinozy: : podziw dla piękna oraz wiara w logiczną prostotę porządku i harmonii, które w naszej znikomości możemy pojąć jedynie w sposób b bardzo niedoskonały. Uważam, am, że e musimy się pogodzić z tąt niedoskonałości cią naszej wiedzy i poznania oraz traktować wartości i powinno nności moralne jako problemy czysto ludzkie.

27 Biografia naukowa (24) Kim był? 14. Dogmatycznie bronił koncepcji obiektywnej rzeczywistości. Mechanika kwantowa to teoria prowizoryczna i tymczasowa, którą A.E. zaakceptował. Brak przyczynowości w mechanice kwantowej niepokoił go bardzo. A.E. ad 1950 Problemem naszego wieku nie jest bomba atomowa, lecz serce ludzkie

28 Kim był? 14 c.d. Mechanika kwantowa budziła w nim namiętne uczucia graniczące z manią prześladowczą; dużo czasu i wysiłku poświęcił koncepcji komplementarności i obiektywnej rzeczywistości. Poświęciłem sto razy więcej czasu problemom mechaniki kwantowej niż ogólnej teorii względności. Biografia naukowa (25) A.E. w Princeton Nie mam żadnych szczególnych uzdolnień. Cechuje mnie tylko niepohamowana ciekawość.

29 Kim nie był? Rewolucjonistą cenił Lenina: Szanuję Lenina jako człowieka, który oddał wszystkie swoje siły walce o sprawiedliwość społeczną. Nie uważam natomiast, by jego metody były właściwe. Politykiem ani buntownikiem zdobycie władzy nigdy nie było jego celem; uznawał władzę rozumu. Promotorem pracy doktorskiej. Nie był dobrym wykładowcą, ponieważ nie lubił wykładać. Współpracownikiem lub współautorem ważnych prac naukowych (napisał je samodzielnie). Biografia naukowa (26 Lata 40-te XX w Bóg dał mi upór muła i dość dobry węch

30 Biografia naukowa (27) Kim nie był? Człowiekiem wierzącym nie zwykł modlić się ani uwielbiać Boga; wierzył głęboko w istnienie praw Natury, które należy odkrywać; temu poświęcił całe swoje życie. Świadczą o tym stwierdzenia: Pan Bóg jest wyrafinowany, lecz nie perfidny, oraz: Przyroda skrywa swoje tajemnice, ponieważ jest wyniosła, a nie dlatego, że chce nas wywieść w pole. W kwestii istnienia Boga zajmuję stanowisko agnostyka.

31 Biografia naukowa (28) Uczynki A.E. w 1905 r; annus mirabilis (1) III kończy pracę na temat kwantów światła i fotoefektu, za którą otrzymał nagrodę Nobla III kończy rozprawę doktorską na temat sposobu określenia rozmiarów atomów i cząsteczek V do redakcji czasopisma Annalen der Physik dociera praca na temat ruchów Browna Najgorzej, gdy szkoła ucieka się do takich metod, jak zastraszanie, przemoc, sztuczny autorytet. Metody te niszczą u uczniów naturalne odruchy, szczerość i wiarę w siebie, czyniąc z nich ludzi uległych (Albana, NY, 15 X 1936)

32 Biografia naukowa (29) Uczynki A.E. w 1905 r; annus mirabilis (2) VI redakcja AdP otrzymuje pierwszą pracę o SzTW IX redakcja AdP czasopisma otrzymuje drugą pracę o SzTW zawierającą najsłynniejszy wzór XX wieku: E = mc XII do redakcji czasopisma AdP wpływa druga praca na temat ruchów Browna. Zadaniem systemu edukacyjnego powinno być kształtowanie niezależnie myślących i działających jednostek, które jednakże uznawałyby służbę dobru ogólnemu za swój najwyższy cel w życiu (Albana, NY, 15 X 1936)

33 Rok 1905; annus mirabilis Prace te dotyczyły podstawowych problemów fizyki z początków XX wieku: Istnienia (realności) atomów i cząstek; w jaki sposób można udowodnić ich istnienie? Śmierć nie jest kresem naszego istnienia żyjemy w naszych dzieciach i następnych pokoleniach. Albowiem oni to dalej my, a nasze ciała to zwiędłe liście na drzewie życia A.E. i atomy (1)

34 A.E. w rozprawie doktorskiej pt. Nowa metoda wyznaczania rozmiarów molekuł ukończonej w 1905 r. (opublikowanej w 1906 r.) oraz w pracy O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach spoczynku, wynikającym z molekularno-kinetycznej teorii ciepła z 1905 r. podał nowe metody wyznaczania wartości liczby Avogadro i rozmiarów molekuł. Zbrodnia Niemców jest zaiste najbardziej odrażającym czynem, jaki zna historia tzw. narodów cywilizowanych. Niemieccy intelektualiści jako grupa zachowali się nie lepiej niż motłoch (w liście do Otto Hahna, 28 I 1949) A.E. i atomy (2)

35 Oszacowane przez A.E. rozmiary liniowe promienia cząsteczek: 1 nm = 10-9 m (1905 r.) oraz po weryfikacji m (1906 r.) Na podstawie (ówczesnych) danych doświadczalnych: N A =2, Po weryfikacji w 1906 r.: N A =4, Po zwiększeniu dokładności pomiarów 1911 r. oszacował wartość liczby Avogadro na N A =6, Dokładna wartość: N A =6, (36) ; dokładność: 10%. W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym. A.E. i atomy (3)

36 Einstein i atomy Bogumił Konopka Wydział Podstawowych Problemów Techniki Inżynieria Biomedyczna

37 Annus mirabilis rok cudów 1905 wielki rok Alberta Einsteina; publikacje prac: o wyznaczaniu rozmiarów molekuł o ruchach Browna o szczególnej teorii względności o fotoefekcie

38 Rozprawa doktorska 30 kwietnia 1905 ( ) Pierwszą rozprawę wycofał (1902) Druga rozprawa: Nowa metoda wyznaczania rozmiarów molekuł Dwie niewiadome : N liczba Avogadra r promień molekuły dwa równania Słowniczek promień - radius równanie - equation

39 Rozprawa doktorska 30 kwietnia 1905 ( ) Związek pomiędzy współczynnikami lepkości cieczy z molekułami substancji rozpuszczonej (η * ) i bez nich (η): ϕ N η( 1 ϕ) η = + część objętości zajmowanej przez molekuły liczba Avogadra Nρ 4 ϕ = π m 3 ρ m r r masa substancji na jednostkę objętości masa cząsteczkowa promień molekuł 3

40 Rozprawa doktorska 30 kwietnia 1905 ( ) Wykorzystanie prawa Stokesa (hydrodynamika klasyczna) oraz prawa van t Hoffa (zjawisko osmozy) D = RT N 1 6πηr D R T współczynnik dyfuzji uniwersalna stała gazowa temperatura cieczy N η r liczba Avogadra lepkość cieczy promień molekuł

41 Rozprawa doktorska 30 kwietnia 1905 ( ) Ostateczne wyniki: Wyznaczone rozmiary molekuł cukru: r = 9, cm Otrzymana wartość liczby Avogadra: N = 2,

42 Co pyłek kwiatowy, sfinks i meteoryt mają ze sobą wspólnego?

43 Ruchy Browna W 1827 r. brytyjski botanik Robert Brown zaobserwował chaotyczne ruchy wykonywane przez badane przez niego pyłki kwiatowe. Stworzone hipotezy: działanie drobnoustrojów; gradienty temperatur; prądy konwekcyjne; zjawiska kapilarne;

44 Ruchy Browna Prawidłową teorię niezależnie stworzyło trzech fizyków: Giovanni Cantoni, Joseph Delsaulx i Ignace Carbonelle; Uważali, że chaotyczne ruchy drobin są spowodowane przez ich nieustanne kolizje z molekułami cieczy (brak poparcia obliczeniami)

45 Ruchy Browna

46 Ruchy Browna 11 maja 1905 Einstein przesyła do Annalen der Physik pracę zatytułowaną: O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach w spoczynku, wynikającym z molekularnokinetycznej teorii ciepła, w której dostarcza matematycznych podstaw teorii zderzeń.

47 Ruchy Browna Istota podejścia Einsteina polega na przyjęciu trzech założeń: zjawisko osmozy zachodzi w zawiesinach tak samo jak w roztworach obowiązuje prawo Stokesa ruchy Browna można opisać za pomocą równania dyfuzji

48 Ruchy Browna Ostatecznym wynikiem obliczeń jest równanie: x 2 = 3π RT Nr η t 2 x R T N kwadrat średniego przesunięcia uniwersalna stała gazowa temperatura bezwzględna liczba Avogadra t η r promień drobin czas współczynnik lepkości

49 Ruchy Browna Eksperymentalnego potwierdzenia obliczeń Einsteina dokonał Jean Perrin (Nagroda Nobla w 1926 r.): okazało się, że: S Browna t wyznaczył liczbę Avogadra: N = 6,

50 Ruchy Browna Współczesne doświadczenie Perrina: Roztwór z syntetycznymi mikrokulkami Mikroskop ( >500x ) Cyfrowa kamera Zestaw komputerowy Oprogramowanie

51 Ruchy Browna Ilustracja spaceru losowego cząsteczki Wykres zależności średniego kwadratowego przesunięcia od czasu

52 Znaczenie i skutki Zamknięto usta przeciwnikom hipotezy atomistycznej budowy wszechświata. Stworzono podwaliny fizyki statystycznej. Zastosowania praktyczne: w budownictwie (ruch ziaren piasku w zaprawie) w ekologii (ruch cząsteczek aerozolu w chmurach) w ekonomii (analiza rynków giełdowych)

53 Chcesz wiedzieć więcej? Bibliografia. Pan Bóg jest wyrafinowany A.Pais 5 prac, które zmieniły oblicze fizyki, J.Stachel,T. Lipscombe,A. Calaprice, S. Elworthy Surfuj po sieci: (wpisz: Albert Einstein )

54 Efekt fotoelektryczny Autorzy: Marek Skiba Paweł Sobecki Studenci I roku Inżynierii Biomedycznej na Wydziale PPT Politechniki Wrocławskiej

55 Historia(1) HERTZ HEINRICH RUDOLF ( ) W 1887 roku Hertz odkrył zjawisko emisji ujemnie naładowanych cząsteczek z metalu pod wpływem światła. Cząsteczki te jak się w toku późniejszych badań okazało są elektronami. Zjawisko to nazwano efektem fotoelektrycznym. Hertz nie analizował dalej zaobserwowanego przez siebie zjawiska i ograniczył się do publikacji swych wyników.

56 Historia(2) W 1900 roku Max Planck przedstawił teorię, wg. której promieniowanie elektromagnetyczne nie jest emitowane w sposób ciągły, ale w postaci ściśle określonych porcji energii (E), które nazwał kwantami. Rok 1900 uznaje się za rok narodzin fizyki kwantowej E= hν h - stała Plancka ν - częstoliwość PLANCK MAX KARL ERNST ( )

57 Historia(3) Albert Einstein, ur. 14 marca 1879 r. w Ulm w Niemczech - zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton, w USA

58 Historia(4) teoria kwantów W 1905 roku Albert Einstein podał nową Heurystyczną teorię zjawiska fotoelektrycznego. Teoria ta oparta była na kwantach wprowadzonych pięć lat wcześniej przez Plancka. W 1905 roku Einstein uogólnił twierdzenie Plancka twierdząc, że światło, które uważano do tej pory wyłącznie za falę, ma charakter korpuskularny i jest strumieniem cząsteczek - fotonów.

59 Efekt Fotoelektryczny(1) Światło - strumień fotonów o danej energii, padając na płytkę metalową wybija z niej elektrony. Elektrony przejmują energię fotonów dzięki czemu mogą opuścić ciało.

60 Nobel dla Einsteina Teoria kwantów okazała się bardzo ważnym odkryciem, za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego A. Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla.

61 Efekt Fotoelektryczny(2) Zastosowania Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w bateriach słonecznych, fotopowielaczach, elementach CCD, w aparatach cyfrowych, fotodiodach. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego.

62 Baterie słoneczne efekt fotowoltaiczny

63 Konwersja fotowoltaiczna(1) Ogniwo fotowoltaiczne Zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodnika: typu p i typu n, tworzących razem złącze p-n. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

64 Konwersja fotowoltaiczna (2) Ogniwo fotowoltaiczne

65 Konwersja fotowoltaiczna (3) Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar, lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

66 Konwersja fotowoltaiczna (4)

67 Konwersja fotowoltaiczna (5) Napięcie elektryczne(sem) zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego oraz natężenia promieniowania elektromagnetycznego. Wartość SEM rośnie ze wzrostem natężenia promieniowania. SEM pojedynczego fotoogniwa ma małą wartość, dla powszechnie stosowanych fotoogniw krzemowych wynosi (kilkadziesiątych wolta). W celu uzyskania wyższego napięcia i odpowiednio większej mocy użytecznej, fotoogniwa łączy się w zestawy, tworząc baterie fotoelektryczne.

68 Dlaczego jest to atrakcyjne źródło energii? Nie wymaga zewnętrznego zasilania (np. tak jak prądnica) Jest ekologiczne Jest odnawialne Długotrwałe (Słońce będzie świeciło 4 miliardy lat)

69 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne) Używa się np. do zasilania małych kalkulatorów i zegarków

70 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne) Przydatne jest zastosowanie ich w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze (atmosfera pochłania ponad 50% promieniowania).

71 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne) W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.

72 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne) Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu. Coraz częściej stosuje się baterie słoneczne jako mini elektrownie domowe.

73 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne)

74 Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne)

75 Prezentacja zastosowań i właściwości ogniw fotowoltaicznych powstała przy współpracy z dr Ewą Popko.

76 A.E. i SzTW Młody A.E. zadawał sobie pytania: Co by się stało, gdyby ktoś potrafił poruszać się obok promienia światła z prędkością światła? Czy widziałby wówczas swe odbicie w lustrze trzymanym w ręce? Jeśli ktoś biegnie w ślad za falą świetlną z prędkością światła, to powinien widzieć niezależny od czasu front falowy. A jednak wydaje się, że coś takiego nie istnieje! Problem z Aarau (1895-6); rozwiązany po 10 latach. Arau Aforyzm A.E.: Jeśli coś nie ma ceny, nie ma również wartości SzTW (1)

77 A.E. i SzTW A.E. podał oryginalne rozwiązanie: prędkość światła w próżni nie zależy ani od prędkości źródła ani od prędkości odbiorcy; jest stała względem dowolnego inercjalnego układu odniesienia. Zdrowy rozsądek to zbiór uprzedzeń nabytych do osiemnastego roku życia. SzTW (2)

78 A.E. i SzTW Powstała w okresie od 10 V do 15 VI 1905 r. (pięć tygodni) Szczególna, ponieważ odnosi się do inercjalnych układów odniesienia A.E. formułuje postulaty SzTW: 1.Prawa fizyki mają taką samą postać we wszystkich układach inercjalnych 2.W dowolnym układzie inercjalnym światło rozchodzi się z taką samą prędkością c, niezależnie od tego, czy jest emitowane przez ciało pozostające w spoczynku czy poruszające się ruchem jednostajnym prostoliniowym Najcenniejszych rzeczy w życiu nie nabywa się za pieniądze. SzTW (3)

79 A.E. i SzTW Konsekwencje (wybrane) Czas nie jest pojęciem absolutnym; każdy układ inercjalny ma swój czas, zwany czasem własnym; innymi słowy istnieje tyle czasów, ile układów odniesienia. Jednoczesność jest pojęciem względnym, tj. zależy od obserwatora. Warunki pomiaru rozmiarów obiektów będących w ruchu jednostajnym prostoliniowym wskazują na kinematyczne (ale nie dynamiczne) skrócenie ich rozmiarów podłużnych (w stosunku do prędkości). W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy, co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym. SzTW (4)

80 A.E. i SzTW (opinia z Internetu) Powszechnie znana maksyma mówi, że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina nie jest jednak powtórzeniem tego filozoficznego banału, ale precyzyjnym matematycznym twierdzeniem, określającym względność pomiarów naukowych. Oczywiste jest, że subiektywne postrzeganie czasu i przestrzeni zależy od obserwatora. Jednakże przed Einsteinem większość ludzi uważała, że za tymi subiektywnymi wrażeniami kryje się czas absolutny i rzeczywiste odległości, które można mierzyć w sposób obiektywny za pomocą dokładnych przyrządów pomiarowych. Einstein odrzucił pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało rewolucję w nauce. Tekst znaleziony w Internecie Doktorat w Oxfordzie, 1931 Kto chce znaleźć w życiu szczęście, powinien związać się z jakimś celem, a nie z ludźmi lub rzeczami SzTW (5)

81 A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje Dylatacja czasu (τ 0 czas własny) τ = 1 τ 0 V c 2 z K ' do K ( τ τ ) 0 Wszyscy wiedzą, że czegoś nie da się zrobić, i przychodzi taki jeden, który nie wie, że się nie da, i on właśnie to robi. SzTW (6)

82 A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje. Kinematyczne skrócenie długości podłużnej (l 0 długość własna) l = l 0 1 V c 2 z K ' do K ( l l ) 0 Uczony jest człowiekiem, który wie o rzeczach nieznanych innym i nie ma pojęcia o tym, co znają wszyscy. SzTW (7)

83 A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje. Dodawanie prędkości v' + V v V v = v' = 1+ v' V c 2 lub 1 vv c 2 z K do K ' z K do K ' Nigdy nie myślę o przyszłości. Nadchodzi ona wystarczająco szybko. SzTW (8)

84 A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje Masa ciała jest miarą zawartej w nim energii do takiego wniosku doszedł we wrześniu 1905 r. ekspert techniczny III kategorii urzędu patentowego w Bernie! E = mc 2 Równoważność masy i energii. Przelicznik energii na masę i masy na energię! Prawo zachowania masy jest szczególnym przypadkiem prawa zachowania energii (1906) Ze względu na bezwładność, masa m jest równoważna energii [...] mc 2. Wynik ten ma nadzwyczajne znaczenie, ponieważ wynika z niego, że masa bezwładna i energia układu fizycznego są równoważne (1907) Niemcy jako cały naród odpowiadają za te masowe morderstwa i jako cały naród musza za nie ponieść karę. [..] Naród niemiecki popierał partię narodowosocjalistyczną i obrał Hitlera kanclerzem, pomimo iż w swojej książce i przemówieniach przedstawiał on swe haniebne zamiary tak jasno, że nie można ich było nie zrozumieć(o bojownikach getta warszawskiego, NY 1944) SzTW (9)

85 A.E. i SzTW. Co świat uczynił A.E. po 1905 r? Po opublikowaniu w 1905 r. pracy na temat SzTW zapadła cisza; przedstawiciele świata nauki przyjęli postawę: poczekamy, zobaczymy. Milczenie przerwał M. Planck, ówczesny wielki autorytet naukowy. Reputacja naukowa A.E. zaczęła gwałtownie rosnąć około 1908 r.; Wilhelm Wien (nagroda Nobla w 1911 r) wysuwa po raz pierwszy kandydaturę A.E. do Nagrody Nobla za 1912 r. pisząc: Z czysto logicznego punktu widzenia zasadę względności należy uznać za jedno z najważniejszych osiągnięć fizyki teoretycznej. Za największe zło kapitalizmu uważam okaleczanie osobowości. Złem m tym jest dotknięty cały nasz system edukacyjny. Uczniom nazbyt silnie wpaja się ideę współzawodnictwa, każąc im uznawać żądzę odnoszenia sukcesów za podstawę przyszłej kariery (maj 1949) SzTW (10)

86 Zastosowania SzTW Globalny System Pozycjonowania (GPS) określa położenia obiektów na powierzchni i w przestrzeni okołoziemskiej z dokładnością do kilkunastu metrów; dziś do nabycia na rynku. Energetyka jądrowa bezpieczne reaktory jądrowe, czyste źródło energii; w Polsce za lat. SzTW (10)