Trong một công trình khoa học mang tính cách mạng do Albert Einstein phát hiện năm 1905, E = mc2 được giới thiệu, trong đó: E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng trong chân không. Từ đó, E = mc2 đã trở thành một trong những phương trình được công nhận nhất trên thế giới. Trên thực tế, những người không có nền tảng về vật lý ít nhất đã nghe nói về phương trình này và nhận thức được tác động to lớn của nó đối với thế giới. Tuy nhiên, hầu hết mọi người không biết phương trình có nghĩa là gì. Nói một cách đơn giản, phương trình này biểu thị mối tương quan của năng lượng với vật chất: về bản chất, năng lượng và vật chất là hai dạng của cùng một thứ. Phương trình đơn giản này đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về năng lượng và đã tạo ra nhiều tiến bộ công nghệ khác nhau.
Bươc chân
Phần 1/2: Hiểu phương trình
Bước 1. Xác định các biến phương trình
Bước đầu tiên để hiểu phương trình là biết ý nghĩa của mỗi biến. Trong trường hợp này, E là năng lượng của một vật đứng yên, m là khối lượng của vật và c là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Tốc độ ánh sáng (c) là một hằng số bằng nhau trong mỗi phương trình và xấp xỉ bằng 3,00x108 mét trên giây. Trong bối cảnh thuyết tương đối của Einstein, c2 hoạt động như một hệ số chuyển đổi đơn vị hơn là một hằng số. Do đó, c bình phương là kết quả của phép phân tích chiều (năng lượng được đo bằng jun, hoặc kg m2 NS-2) để việc bổ sung c2 để đảm bảo rằng mối quan hệ giữa năng lượng và khối lượng là nhất quán về mặt thứ nguyên.
Bước 2. Hiểu năng lượng là gì
Có nhiều dạng năng lượng, bao gồm nhiệt, điện, hóa chất, hạt nhân và các dạng khác. Năng lượng được truyền giữa các hệ thống khác nhau (cung cấp năng lượng cho hệ thống này trong khi hút năng lượng từ hệ thống khác).
Năng lượng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy, chỉ được chuyển hóa thành các dạng khác nhau. Ví dụ, than đá có nhiều thế năng biến thành nhiệt năng khi đốt cháy
Bước 3. Định nghĩa khái niệm khối lượng
Khối lượng thường được định nghĩa là lượng vật chất trong một vật thể.
- Cũng có một định nghĩa khác về khối lượng. Có các thuật ngữ "năng lượng nghỉ" và "khối lượng tương đối tính". Năng lượng nghỉ là khối lượng không đổi và không thay đổi, bất kể bạn sử dụng hệ quy chiếu nào. Mặt khác. khối lượng tương đối tính phụ thuộc vào vận tốc của vật. Trong phương trình E = mc2, m là năng lượng nghỉ. Điều này rất quan trọng, vì nó có nghĩa là khối lượng của bạn không tăng ngay cả khi bạn tăng tốc độ, trái ngược với niềm tin phổ biến.
- Cần hiểu rằng khối lượng và trọng lượng là hai thứ khác nhau. Trọng lượng là lực hấp dẫn do một vật cảm nhận được, còn khối lượng là lượng vật chất trong vật đó. Khối lượng chỉ thay đổi nếu vật thể bị thay đổi về mặt vật lý, trong khi trọng lượng thay đổi tùy thuộc vào lực hấp dẫn của môi trường xung quanh vật thể đó. Khối lượng được đo bằng kilôgam (kg) trong khi trọng lượng được đo bằng Newton (N).
- Giống như năng lượng, khối lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy, nhưng nó có thể thay đổi hình thức. Ví dụ, cục nước đá tan thành chất lỏng, nhưng vẫn có cùng khối lượng ở cả hai dạng.
Bước 4. Hiểu rằng khối lượng và năng lượng là tương đương
Phương trình này nói rằng khối lượng và năng lượng là tương đương, và cho biết năng lượng chứa trong một khối lượng nhất định là bao nhiêu. Về cơ bản, phương trình này giải thích rằng một khối lượng nhỏ thực sự chứa đầy năng lượng lớn.
Phần 2/2: Áp dụng phương trình trong thế giới thực
Bước 1. Hiểu năng lượng được sử dụng đến từ đâu
Phần lớn năng lượng chúng ta tiêu thụ đến từ việc đốt than và khí đốt tự nhiên. Quá trình đốt cháy các chất này sử dụng các điện tử hóa trị (các điện tử chưa ghép đôi ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử) và các liên kết tạo ra với các nguyên tố khác. Khi nhiệt được thêm vào, các liên kết này bị phá vỡ và năng lượng giải phóng được sử dụng làm nguồn điện.
Thu nhận năng lượng thông qua phương pháp này rất kém hiệu quả và gây hại cho môi trường
Bước 2. Áp dụng các phương trình của Einstein để làm cho việc chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn
E = mc2cho chúng ta biết rằng có nhiều năng lượng được lưu trữ trong hạt nhân của một nguyên tử hơn là trong các điện tử hóa trị. Năng lượng giải phóng từ sự phân hạch nguyên tử cao hơn nhiều so với năng lượng phá vỡ liên kết electron.
Năng lượng hạt nhân dựa trên nguyên tắc này. Lò phản ứng hạt nhân gây ra sự phân hạch nguyên tử và thu giữ một lượng lớn năng lượng được giải phóng
Bước 3. Khám phá các công nghệ được tạo ra bởi E = mc2.
E = mc2 đã cho phép tạo ra nhiều công nghệ mới và thú vị, trong đó chúng tôi đã trở thành nhu cầu chính của chúng tôi:
- Chụp PET sử dụng phóng xạ để xem những gì bên trong cơ thể.
- Phương trình này cho phép phát triển viễn thông với vệ tinh và máy dò.
- Xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ sử dụng sự phân hủy phóng xạ dựa trên phương trình này để xác định tuổi của các vật thể cổ đại.
- Năng lượng hạt nhân cung cấp một nguồn năng lượng sạch hơn và hiệu quả hơn cho xã hội của chúng ta.
