MARI DESCOPERIRI ALE FIZICII
Electromagnetismul este acea ramură a fizicii care studiază sarcinile electrice şi magnetice, câmpurile create de acestea (electric şi magnetic), legile care descriu interacţiunile dintre acestea.
Efectul magnetic al curentului electric
Ramurile principale ale electronagnetismului sunt:
- Electrostatica, care se ocupă cu studiul sarcinilor electrice aflate în repaus şi al câmpurilor generate de acestea.
- Electrodinamica, care se ocupa cu studiul sarcinilor aflate în mişcare, precum şi al câmpurilor generate de acestea.
- Magnetismul, care se ocupa cu studiul câmpului magnetic.
În cadrul fizicii, dualitatea undă-corpuscul se referă la faptul că materia prezintă simultan proprietăţi corpusculare şi ondulatorii. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice care a înlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun în evidenţă caracterul ondulatoriu (interferenţa, difracţia, polarizarea), pe când altele demonstrează caracterul corpuscular al materiei (emisia şi absorbţia luminii, efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazându-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele în care un obiect era considerat fie o particulă, fie o undă.
Scurt istoric
În formalismul clasic, lumina era considerată undă electromagnetică, prezentând fenomene ondulatorii cum ar fi interferenţa, difracţia, polarizarea. Odată cu descoperirea efectului fotoelectric în 1887 de către Heinrich Rudolf Hertz, a fost necesară introducerea unei noi teorii care să justifice fenomenul, întrucât cea clasică era în contradicţie cu rezultatele experimentale.
În 1905, Albert Einstein explică legile efectului fotoelectric presupunând că lumina este alcătuită din particule (numite fotoni) şi aplicând ipoteza lui Planck, conform căreia energia este cuantificată.
Louis de Broglie a extins teoria lui Einstein, susţinând că orice particulă în mişcare are asociată o undă. Teza lui de doctorat este publicată în anul 1924, dar el primeşte premiul Nobel abia în 1929, după ce teoria sa este verificată experimental.
Ipoteza lui de Broglie
Louis de Broglie afirma că orice particulă aflată în mişcare (electron, proton, atom) are şi o comportare ondulatorie. El stabileşte relaţia între lungimea de undă asociată şi impulsul al particulei:
unde
- h – reprezintă constantă lui Planck;
- m – este masa particulei;
- υ – este energia totală a particulei;
- y – reprezintă energia potenţială a particulei.
În relaţia lui de Broglie intervin atât mărimi specifice corpusculilor (cum ar fi energia şi impulsul) precum şi mărimi caracteristice undelor (frecvenţa, lungimea de undă).
Dovezi experimentale
Noile teorii au fost cu greu acceptate de comunitatea ştiinţifică. Experimentele ulterioare au demonstrat, însa, corectitudinea acestor ipoteze.
Efectul fotoelectric extern
Efectul fotoelectric este un fenomen fizic în care se manifestă natura corpusculară a luminii. El consta în emisia electronilor de către un corp aflat sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice. Pentru explicarea lui, Einstein a presupus ca fotonii din care este alcătuită lumina ciocnesc atomii din substanţa respectivă, fiecare foton incident eliberând câte un electron. Scriind legea de conservare a energiei, se pot deduce legile empirice obţinute în studiul acestui efect. Relaţia este cunoscută sub numele de legea lui Einstein:
unde
- h – reprezintă constantă lui Planck;
- f – este freventa fotonului incident;
- f0 – este energia fotonului incident, exprimată conform ipotezei lui Planck.
- m și v – sunt masa, respectiv viteza electronului după ieșirea din crista;
Razele-X
Materia, noi şi tot ceea ce ne înconjoară, este alcătuită din spaţii goale. Chiar şi o rocă este alcătuită din spaţii, aceasta se datorează faptului că materia este alcătuită din atomi. Un atom este alcătuit dintr-un înveliş electronic format din electroni (cu sarcina electrică negativă) care orbitează în jurul unui nucleu, compus şi el la rândul lui din protoni (sarcina electrică pozitivă, egală cu cea a electronilor) şi neutroni (fără sarcina electrică). Proporţia dintre nucleu şi înveliş electronic este egală cu cea a unui grăunte de nisip în centrul unui stadion de fotbal.
Nucleul deţine mai mult de 99,9% din masa atomului, şi totuşi are un diametru de doar 1/100000-a parte din învelişul electronic. Electronii nu ocupă mult loc, însă traiectoria orbitei lor defineşte mărimea atomului, care este în proporţie de 99.9999999999999% vid!
Ceea ce credem noi că atingem este doar rezultatul semnalelor nervoase din corpul nostru, deoarece distanţa minimă la care ne putem apropia de un obiect este de un Ångstrom (Å). Cum ar arăta materia dacă nu ar fi „goală”, dacă am putea să frângem învelişul electronic la dimensiunea nucleului? Să presupunem că am putea genera o forţă destul de mare încât să zdrobim „golul” din atomii unei roci de dimensiunea unui teren de fotbal. Stânca ar pute fi redusă la dimensiunea unui fir de nisip şi totuşi să cântărească 4 milioane de tone!
Surse de raze-X
Sistemul solar – Atmosfera externă a Soarelui este o sursă de raze-X.
Stele – Atmosfera fierbinte sau corola stelelor normale produc şi ele raze-X. Observaţiile razelor-X sunt folositoare la înţelegerea activităţii stelelor în evoluţia lor.
Stelele Pitice Albe – Acestea sunt dense, resturi arse ale unor stele cum ar fi Soarele. Ele s-au format în urma consumării combustbilului nuclear.
Supernove şi rămăşiţe ale acestora – Când o stea explodează şi se transformă într-o supernovă, explozia creează un nor în care se pot atinge valori de mai multe milioane de grade care străluceşte în raze-X timp de mii de ani. Observaţiile razelor-X pot dezvălui dinamica exploziei şi elementele grele prezente în norul rezultat.
Stelele neutronice – Când o stea masivă devine o supernovă, ea poate lăsa în urma să rămăşiţe dense numite de specialişti „stele neutronice”. Stelele neutronice tinere trimit în afara lor particule cu energii care pot trimite raze-X timp de mai multe mii de ani.
Găurile negre – Cand o stea moartă are masă mai mare decât trei sori, aceasta formeaza o gaură neagră în spaţiu. Telescoapele pentru observarea razelor-X ne dau o imagine asupra materiei supraîncălzite care se mişca în jurul găurilor negre.
Galaxiile – Observaţiile prin raze-X a galaxiilor normale au revelat o călduroasă, energetică parte a caracterului unei galaxii prin localizarea stelelor neutronice, rămăşiţele supernovelor şi ale găurilor negre.
Galaxii active şi Quasari – Galaxiile active duc o „viaţă” violentă, de obicei în centrul acestora. Această activitate se datorează unei găuri negre uriaşe din centrul acestora sau o coliziune cu o altă galaxie sau ambele. Quasarii sunt exemple extreme de galaxii active.
Un fundal radioactiv – Cerul observat în raze-X nu este întunecat, ci este slab luminat, luminat în raze-X care vine de la multe surse îndepărtate.
