Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr (Koppenhága, 1885. október 7. – Koppenhága, 1962. november 18.) Nobel-díjas dán fizikus, aki az atomszerkezet és a kvantummechanika tudományterületén dolgozott. Tudományos kutatásai elismeréseként 1922-ben elnyerte a fizikai Nobel-díjat, 1938-ban a Magyar Tudományos Akadémia is tiszteletbeli tagjává választotta.

1916-ban a Koppenhágai Egyetem professzora lett. 1920-tól első igazgatója volt az újonnan létrehozott Elméleti Fizikai Intézetnek. 1922-ben elnyerte a fizikai Nobel-díjat az „atomstruktúra és az ebből eredő atomi sugárzás vizsgálatában tett szolgálataiért”. Bohr intézete az 1920-as és 1930-as években az elméleti fizikusok fókuszpontjaként szolgált, és a kor legismertebb elméleti fizikusai mind eltöltöttek valamennyi időt nála.
Bohr kigondolta a komplementaritás elvét, amely szerint a dolgokat külön-külön lehet vizsgálni aszerint, ahogy ellentétes tulajdonságaik vannak. Például a fizikusok szerint a fény egyaránt hullám- és részecskefolyam – két látszólag egymást kizáró tulajdonság – ezen elv alapján. Bohr filozófiai alkalmazást is talált erre a merészen eredeti elvre. Albert Einstein inkább előnyben részesítette a klasszikus fizika determinizmusát Bohr új valószínűségi fizikájához képest (amihez Max Planck és maga Einstein is hozzájárult). Einstein és Bohr jóindulatú vitában álltak egymással egész életükön át (ld. Bohr–Einstein-vita). Bohr egyik leghíresebb diákja Werner Heisenberg volt, a kvantummechanika fejlődésének egyik kulcsfigurája, aki később a német atombombaprogram feje volt.

Bohr fizikai felfedezései:

• Az atomszerkezet Bohr-féle atommodellje:
• Az elektronpálya impulzusmomentuma kvantált (csak a Planck-állandó egész számú többszörösét veheti fel; L=nħ)
• Az elektronok az atommag körül diszkrét pályákon mozognak és az elemek kémiai tulajdonságait nagyban befolyásolja a külső pályákon levő elektronok száma
• Egy elektron magasabb energiapályáról alacsonyabbra kerülhet diszkrét energiájú fotont kibocsátva (a kvantummechanika alapja)
• A kvantummechanika koppenhágai interpretációja
• A komplementaritás fizikája, amiért 1922-ben fizikai Nobel-díjat kapott

Fizika kísérletek

Azok számára, akik érdeklődnek a fizika iránt, vagy csak egyszerűen szeretnek érdekes jelenségeket megfigyelni, és talán még a magyarázatra is kíváncsiak, nos azoknak ajánlom figyelmébe Zsíros László Róbert weboldalát, ahol pár perces videók segítségével adózhatnak a fizika iránti vonzaluknak. Itt korosztálytól függetlenül (értsd.: akár előzetes fizikaismeretek nélkül is) találunk érdekesebbnél érdekesebb fizika kísérleteket, egyszerűen érthető magyarázatokkal tálalva.

Ha valakinek felkeltette érdeklődését a fenti videoblog, és mélyebben szeretne megmártózni a fizika világában - netán tanulmányaival összhangban van - akkor azoknak ajánlom a Bioszoft oldalát, ahol az emelt szintű fizika érettségi szóbelijén bemutatandó kísérletek gyűjteményét tekinthetjük meg - ugyancsak video formájában. Természetesen akik nem érettségiznek fizikából, azok is hasznosíthatják az itt fellelhető ismereteket!

Mindenkinek jó szórakozást hozzá!

Tacoma híd katasztrófa

A Tacoma Narrows hidak USA, Washington állam 16-os útjának hídjai, mely a Puget Sound öböl Tacoma Narrows szorosa felett ível át. Az eredetileg itt álló híd, a "Gallopping Gertie" 4 hónappal felavatása után, 1940. november 7-én az erős szél okozta belengés, és a rezonancia miatt leszakadt.

A híd leszakadását a rezonancia jelensége okozta. A rezonancia fizikai jelenség, mely gerjesztett rezgéseknél lép fel olyankor, ha a gerjesztés frekvenciája és a lengőrendszer szabadlengéseinek frekvenciája közel van egymáshoz. Ilyen esetben a gerjesztés által a rendszerbe egy-egy kitérés alatt bevitt kis energiaadagok fokozatosan összegeződnek és nagy rezgésamplitudót okoznak. Csillapítás nélküli (idealizált) rendszerek esetén a rezgésamplitudó rezonanciában végtelen nagy is lehet. A Tacoma-híd esetében a széllökések frekvenciája a híd sajátrezgési frekvenciája közelébe esett és néhány órai külső gerjesztés ideje alatt hozta olyan mértékű lengésbe a hidat a szél, hogy az leszakadt. A híd acélból készült, azért volt olyan hajlékony - túlságosan is hajlékony és karcsú, a csavarási merevsége vitte sírba. Egyébként az eset kivizsgálását a magyar származású Kármán Tódorra bízták. Innentől kezdve az amerikaiak csak magas dobozszerű pályaszerkezettel kialakított függőhidakat építettek, ilyen lett az újjáépített Tacoma híd is.

PhET - Interaktív szimulátorok

A Kolorádói Egyetem jóvoltából ingyenes, Java alapú szimulációkat futtathatunk böngészőnk segítségével, melyek a fizika, kémia, biológia, matematika és földtudományok egyes jelenségeit, ismereteit szemléltetik igen látványosan. A PhET weboldalán kiválaszthatjuk az érdeklődésünknek megfelelő szimulátort, és azt elindítva egy pár megabájtos állomány töltődik le, mely Java környezetben fut. A jelenség paraméterei interaktív módon változtathatók (!), így engedve teret a széleskörű megfigyeléseknek, melyek kísérletben történő megvalósítása sokszor elérhetetlen számunkra, vagy jelentős anyagi befektetés árán lenne teljesíthető (pl. MRI vizsgálat, vagy radioaktív bomlás). Ugyan a paraméterek angol felirattal vannak ellátva, némi próbálgatás után (mely cél is egyben) elsajátíthatjuk a környezeti tényezők szabályozási lehetőségeit.

Ha nem rendelkezünk megfelelő on-line kapcsolattal, lehetőség van az egész csomag letöltésére (itt elérhető), melyet telepítve a teljes kísérletgyűjtemény gépünkre kerül.

Ízelítőül az alábbi képre kattintva az ideális gázok tulajdonságait figyelhetjük meg. A képen látható tartályba kétféle - egy könnyebb, illetve egy nehezebb atomokból álló - gázt pumpálhatunk, megfigyelve azok mozgását. Az előkészített Bunsen-égő segítségével szabályozhatjuk a gáz hőmérsékletét, a tartály falának feszülő segítőnk pedig a térfogatát képes befolyásolni. Természetesen a gáz állapotának változásait nyomon követhetjük a felszerelt hőmérő és nyomásmérő segítségével.

Míg eljátszadozunk az állítható elemekkel, önkéntelenül is a jól ismert (naná, hogy jól ismert) Boyle-Mariotte és Gay Lussac törvények által leírt összefüggéseket figyelhetjük meg tapasztalati úton.

/A futtatáshoz szükséges Java környezet letölthető innen, emellett szükség lehet böngészőnk ActiveX vezérlőinek engedélyezésére./

Az üvegről röviden

Mi is valójában az üveg, hogyan és miből állítják elő, milyen fajtái léteznek?

Az üveg anyaga

Az üveg kémiai és fizikai szempontból igen érdekes anyag, hiszen valójában nem más, mint túlhűtött folyadék. Sosem szilárdul meg teljesen, még ha ránézésre a szilárd testek közé sorolnánk is. Az üveget olvasztással állítják elő a következő anyagok kb 1500 Celsius fokra való hevítésével:

Alapanyagok:

Kvarchomok (SiO2)
Bór-oxid ( B2O3)
Alumínium-oxid ( Al2O3)
Nátrium-oxid ( Na2O3)
Kalcium-oxid ( CaO)
Mészkő (CaCO3)
Magnézium-oxid (MgO)
Kálium-oxid (K2O)

A kvarchomokról érdemes megjegyezni, hogy különösen tisztának és vasmentesnek kell lennie, valamint fontos, hogy szemcsenagysága a megfelelő határok között ingadozzon. Ilyen tiszta üveghomok előfordulása a természetben igen ritka, nagyobb mennyiségben csak Német-, Cseh-, és Franciaországban, illetve Angliában található meg. Hazánkban eddig csak Fejér-megyében bukkantak rá.

Segédanyagok:

• Tisztulást segítők: a gázbuborékokat távolítják el az olvadékból. Fő képviselőjük az arzéntrioxid (As2O3).
• Olvasztást gyorsítók (folyósítók): az alapanyagok feloldódását segítik, leszállítják az olvadáspontot.
• Színtelenítők: a nem kívánatos színező és szennyező anyagok hatását szüntetik meg. Általában barnakőből, szelénből vagy szelénsókból, nikkeloxidból, kobaltoxidból vagy ezek keverékéből állnak.
• Színezők: vas-, mangán-, kobalt-, nikkel-, króm-, réz-, szelén- és urán vegyületek (molekuláris színezők), illetve arany, ezüst, és réz (kolloidális színezők).
• Tejesítők (opálosítók): az üveget fehérré teszik. Nyersanyagai a fluor- és a foszforvegyületek.

Miután ezen összetevőket felhevítik, megindul az üvegképződés, az alapanyagok összeolvadnak. Az olvadékból 1500 fokon eltávoznak a gázbuborékok és az anyag egyneművé válik, megtisztul. A lehűlés után azonban nem áll meg teljesen az anyag belső áramlása, csupán olyan szintre minimalizálódik, ami szabad szemmel észrevehetetlen, és az emberi időmérték számára sem megfogható.

Üvegfajták

Mind összetétel, mind felhasználás szempontjából különböző üvegfajták léteznek, ezek a következők:

• Nátronüveg (közönséges vagy normál ablaküveg): alapanyaga a kvarc mellett a szóda és a mészkő. Nagy mennyiségben készítenek belőle olcsó üvegárut, pl. poharakat, palackokat, ablaküveget, stb.
• Káliüveg (kristályüveg vagy csehüveg): alapanyaga a kvarc, a hamuzsír és a mészkő. Hőálló, ezért laboratóriumi üvegeszközöket, dísztárgyakat, értékesebb háztartási eszközöket (pl. poharakat stb.) készítenek belőle.
• Ólomüveg (és itt kell felhívnom a figyelmet arra, hogy az üveg effajta összetételére vonatkozó megnevezést ne keverjük össze a díszüvegezés egyik technikájára használatos kifejezéssel, ugyanis az ólomsínekbe fektetett színes üvegekből kialakított üvegtáblát szintén ólomüvegnek hívjuk, ám a fogalom teljesen mást takar): míniumból, hamuszínből és kvarcból, nagy tisztaságban előállított üvegfajta. Sűrűsége nagy, és könnyen csiszolható. Csiszolt és csiszolatlan dísztárgyakat, poharakat, tálakat, tálcákat stb. készítenek belőle.
• Hőálló üveg: hőtágulása kicsi; jó hőállóságát a bór- és az alumínium-oxid tartalomtól nyeri. Háztartási üvegárut (pl. kávés-, teáskészletet), laboratóriumi eszközöket (pl. lombik, kémcső, főzőpohár stb.) világítástechnikai cikkeket (pl. izzókat, fénycsöveket stb.) készítenek belőle.
• Tej- és opálüveg: ezt az üvegfajtát úgy nyerik, hogy homályosító anyagokat adagolnak az üvegolvadékhoz. Így az üveg matt, nem átlátszó, bizonyos mértékig hőálló lesz. Fehér változata a tejüveg.
• Kvarcüveg: ezt tiszta szilícium-dioxidból állítják elő. Vegyszerállósága, hőállósága igen jó, kitűnően viseli a hőmérséklet-változást. Kvarcüvegből készülnek például laboratóriumi eszközök, fénycsövek, stb.

Mindamellett, hogy a mindennapjainkban jelen van az üveg, olyan területeken is megjelenik, ahol nem is sejtenénk: az emberi szervezetben. A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium kutatói új, biológiailag aktív üveget fejlesztettek ki, amelyen keresztül a fémimplantátumok a csonttal "összenőnek", ami jelentősen növelheti a mesterséges csípő, térd, könyök és egyéb csontpótlások élettartamát. A témáról bővebben a Híd csont és fém között: a bioaktív üveg című írásban olvashatsz.

Einstein relativitáselmélete

1915. december 2.-án tette közzé Albert Einstein az általa kidolgozott relativitáselméletet. Einstein nevéről az emberek többségének relativitáselmélete jut eszébe (mármint az elnevezés, a tartalma kevésbé), háttérbe szorítva egyéb jelentős, az elméleti fizika terén végzett munkáit, mint például a kvantummechanika megalapozása, vagy méginkább a fotoelektromos jelenség. 1921-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazták utóbbiért, ami elhomályosíthatja a róla elnevezett elmélet jelentőségét - de utánagondolva beláthatjuk, hogy akkoriban a kísérleti alátámasztása még nem volt megvalósítható oly mértékben mint ma, emiatt emelték ki az odaítélés okaként a fotoelektromos jelenséget.

De mi is a relativitáselmélet?

Elmélete nem más, mint a klasszikus mechanika általánosítása, mely két részterületből tevődik össze: az általános- és a speciális relativitáselméletből. Kezdjük a speciális relativitáselmélettel. (Itt talán a Kedves Olvasó enyhén kiszáradt szemmel hátradőlne székében és továbbkattintana, de a mély levegővételnek látszó mondattal nem a fizika mélységeibe való merítést kívántam felvezetni, sokkal inkább az érthetőség elemi szintjeit deklaráltam magamban. Remélem a következőkön átküzdve magát az Olvasó is úgy érzi majd, hogy sikerrel.) A problémafelvetés megalapozásaként tekintsünk egy egyszerű példát: tegyük fel, hogy vasúti átkelőhelyen pirosat kapunk, és egy tehervonat lassú cammogással halad el előttünk - sebessége legyen 4 km/h. A kocsik tetején egy szerelőmunkás áll, akit így mi 4 km/h-ás sebességgel látunk előttünk elhaladni. Elénk érve azonban a munkás 7 km/h sebességgel kezd mozogni a vonat haladási irányának megfelelően, így a sebességét nagyobbnak látjuk: 11 km/h-nak. Ha ellenkező irányba indulna, akkor "visszafelé" mozogna 3 km/h sebességgel. Ez a Galilei féle transzformáció. Ha ezt vesszük alapul, akkor kedvenc zseblámpánk fényének sebességét hasonlóképpen vizsgálva azt gondolnánk, hogy ha egy nagy sebességgel haladó autóból "előre" világítunk, akkor a fény sebességéhez hozzáadódik, "hátrafelé" világítva levonódik az autó sebességének nagysága. De a tapasztalat NEM ezt mutatja! Bármilyen rendszerhez viszonyítva mérjük a fény sebességét - akár egy "külső" fényforrás, pl. állócsillag fényét is - mindig 300 000 km/s-ot kapunk. A problémára igen sokan, sokféle magyarázatot próbáltak találni (közülük egyik legkiemelkedőbb a Michelson-Morley kísérlet - 1887) sikertelenül. A magyarázatra Einstein relativitáselméletéig kellett várni, mely egyik alapelve, hogy a fény sebessége minden vonatkoztatási rendszerben állandó, nem függ a megfigyelő mozgásától. Ennek Einstein rendszerében két következménye van: a hosszúság-kontrakció és az idődiletáció.

A hosszúság-kontrakció értelmében egy nyugvó rendszerben 'l' hosszúságú test a mozgó megfigyelő számára megrövidül, hosszúsága az eredeti hosszúság  -szorosa lesz. /Konkrét pédát adva: egy 100 cm hosszú rudat egy, a fénysebesség felével haladó megfigyelő 86,6 cm-nek érzékel./

Az idődiletáció értelmében egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó esemény egy mozgó rendszerhez viszonyítva hosszabb ideig tart:

 /Korábbi példám mozgó megfigyelőjének rendszerében egy óra így 69,3 percet jelent./

Az idődilatáció és a hosszúság-kontrakció egymásból következő fogalom, a kísérleti bizonyítékok csak a kettő együttes feltevése esetén állják meg a helyüket.

Az általános relativitáselmélet tárgyalása már mélyebb fizikai és matematikai ismereteket kívánna, így ettől (lévén a cél az általános ismeretszerzés) eltekintek. Az elmélet felszínét karcolva annyit érdemes tudni, hogy az általános relativitáselmélet minden megfigyelőt egyenértékűnek tekint, nem csak azokat, akik egyenletes sebességgel mozognak. Az általános relativitás érvényes azokra is, akik egymáshoz képest gyorsulva mozognak. Ebben az elméletben a gravitáció nem egy erő többé (amilyen Newton gravitációelméletében volt), hanem a tér-idő görbületének következménye. Az általános relativitáselmélet egy geometriai elmélet, mely szerint a tömeg és az energia (pontosabban az energia-impulzus tenzor) „meggörbíti” a téridőt, és a görbület hatással van a szabad részecskék mozgására, sőt még a fényére is. Az elmélet felhasználható a Világegyetem fejlődésével kapcsolatos modellek felállítására, és így a kozmológia alapvető eszköze. Ez az elmélet jelenti az alapját a kozmológia standard modelljének, és ez ad eszközt ahhoz, hogy megértsük a Világegyetem tulajdonságait, azokat a tulajdonságokat, amelyeket csak jóval Einstein halála után fedeztek fel.

Hall of Fame

 November 20 - ezen a napon ünnepelné születésnapját Edwin Powell Hubble (Marshfield, Missouri, 1889. november 20. – San Marino, Kalifornia, 1953. szeptember 28.) amerikai csillagász, aki felfedezte, hogy a galaxisok nem a Tejútrendszer részei, valamint felfedezte a kozmikus vöröseltolódást. Az elsők között érvelt amellett, hogy a távoli galaxisok vöröseltolódását a világegyetem tágulása okozza. A modern idők egyik vezető csillagásza volt, és ő rakta le a fizikai kozmológia alapjait. Róla nevezték el a Hubble űrtávcsövet. 

A Hubble űrtávcső (Hubble Space Telescope rövidítve: HST) csillagászati műhold, az amerikai Nagy Obszervatóriumok sorozat első tagja, amely közeli infravörös, látható fény és ultraibolya tartományban végez észleléseket. Fő alkatrésze egy 2,4 méter átmérőjű Ritchey–Chrétien-távcső, mely négy, a távcső élettartama alatt többször cserélt műszerbe továbbítja az összegyűjtött fényt. Az egyik legnépszerűbb és legismertebb űreszköz, angol nyelvterületen gyakran csak a „Nép távcsövének” (The People's Telescope) nevezik. Tervezett utódja a James Webb űrtávcső, bár az csak az infravörös tartományban fog dolgozni, látható fényben nem. A programot a NASA vezeti az ESA részvételével.

A grafén kutatói kapták a fizikai Nobel-díjat

Andre Geim és Konstantin Novoselov a Manchesteri Egyetem tudósainak ítélték oda megosztva az idei fizikai Nobel-díjat - jelentették be október 5.-én a Svéd Királyi Tudományos Akadémián Stockholmban. A tudósok a kétdimenziós grafénra, vagyis az egyetlen atom vastagságú grafitrétegre vonatkozó előremutató kísérleteiért érdemelték ki az elismerést.

 "Egy autót is elbírna egy kávéscsészén a világ legerősebb anyaga" - Az amerikai Columbia Egyetemen megmérték a grafén szilárdságát, vagyis azt az erőt keresték meg, amelynél a grafén eltörik. A grafén átlyukasztásához gyémántvégű, éles próbatestet használtak. Hétköznapi hasonlattal élve ez a mérés ahhoz hasonlít, mintha egy kávésbögrét műanyag fóliával vonnánk be, majd egy ceruzával próbálnánk meg azt kilyukasztani. James Hone professzor, a kísérletek egyik vezetője elmondta: ha a kávésbögrét fólia helyett grafénnal fednénk be, akkor még egy a ceruza végére állított autó súlyát is elbírná a grafénborítás.

A grafén kivételes erőssége jó hír a félvezetőipar számára. A mai anyagoknál az egyik legnagyobb gondot a tranzisztorokat a gyártási folyamatok során érő feszültségek sora, majd a működés során fellépő, váltakozó hőhatások jelentik. Graféneszközöknél ezek a gondok nem, vagy jóval kisebb mértékben jelentkeznek. Ha a hőterhelés nem okoz gondot, akkor gyorsabban, nagyobb frekvencián lehet működtetni az eszközt. A gigahertz-tartományban működő mai tranzisztoroknál ezerszer nagyobb frekvencián, a terahertz tartományban működhetnek az új eszközök. Az ultragyors tranzisztorok a távközlésben és a képalkotó eljárásokban kaphatnak szerepet.

További információkat itt olvashatsz a grafénról.