Debreceni Egyetem Tudományegyetemi Karok Hajdúböszörményi Pedagógiai Fıiskolai Kar

Debreceni Egyetem Tudományegyetemi Karok Hajdúböszörményi Pedagógiai Fıiskolai Kar

T e r mé sz e tt u d o má n yo s sz e ml é l e t (Jegyzet belsı használatra)

Készítette:

Varga Imre

2008

Természettudományos szemlélet

Tartalomjegyzék Elıszó ...............................................................................................................................................1 Matematika, mint nyelv....................................................................................................................2 A fizika .............................................................................................................................................4 A kis méretek világa.........................................................................................................................6 Kölcsönhatások ................................................................................................................................8 Kémia .............................................................................................................................................10 A Föld.............................................................................................................................................12 Az Univerzum ................................................................................................................................14 Méretskála ......................................................................................................................................17 Relativitáselmélet ...........................................................................................................................18 Kvantumelmélet .............................................................................................................................20 Nukleáris folyamatok .....................................................................................................................22 Az Univerzum története .................................................................................................................25 Összegzés .......................................................................................................................................29 Kislexikon ......................................................................................................................................30

1

Elıszó A jegyzet és az azonos címő tantárgy célja a természettudományok alapvetı ismereteinek elsajátítása közben megismertetni a hallgatókkal azt a szemléletmódot, melynek alappillérei a logikus gondolkodás, az összefüggések keresése és az ok-okozati kapcsolatok feltárásának képessége. Az elıadások célja nem az, hogy a hallgatóság részletes, egzakt fizikai, kémiai, csillagászati ismeretekkel rendelkezzen hanem, hogy felkeltse az érdeklıdést az olyan ismeretek iránt, melyekkel kapcsolatban esetleg a korábbi tanulmányok kudarcai ellenszenvet váltottak ki. Az elıadások által érintett témák a hétköznapokban is megjelennek, akár a kisgyermekek is felvethetnek olyan kérdéseket, amelyekre a válasz egyszerő, de csak kevesen tudnak rá kielégítıen felelni. Az általános mőveltség és a széles látókör nélkülözhetetlen elemei azok a tények, elvek, jelenségek melyekkel a jegyzet keretein belül ismerkedhetnek meg a hallgatók. Többek között a következı témaköröket érinti a jegyzet: Mennyiségek és mérésük. A matematika, mint nyelv. Az anyag építıköveinek (atomok, elemi részecskék) sajátosságai. Alapvetı kölcsönhatások és megjelenésük a hétköznapokban. A kémiai folyamatok alapelvei. Földünk felépítése és sajátos folyamatai. Égi jelenségek. A Naprendszer és az Univerzum felépítése. Őrkutatás. Speciális és általános relativitáselmélet. A kvantumelmélet alapjai. Radioaktivitás és nukleáris folyamatok, és hatásuk a mindennapi életünkre. A világegyetem kialakulása (az ısrobbanástól az ember megjelenéséig). A jegyzet belsı használatra, a tantárgyat felvett hallgatók felkészülésének segítésére készült. Bármiféle sokszorosítása csak a szerzı engedélyével lehetséges.

2

Matematika, mint nyelv A kommunikáció leggyakrabban használt eszköze a beszélt/írott nyelv. Ennek segítségével leírhatunk tényeket, eseményeket, kérdéseket tehetünk fel és megválaszolhatjuk azokat. Egy adott nyelv szavakból és egy szabályrendszerbıl az ún. nyelvtanból épül fel. A különbözı nyelvekben eltérı pontossággal, részletességgel tudjuk ugyanazt kifejezni. Gondoljunk pl. a magyar és az angol nyelv eltérı igeidı-szemléletére. A magyar nyelvben egyféle jelen idı van. „İ dohányzik.” Csak a szövegkörnyezet segítségével tudjuk megállapítani, hogy ebben a pillanatban is dohányzik-e, vagy csak úgy általában rá szokott gyújtani. Az angol nyelvtan finomabb részleteket is elárul. Vegyük például a következı három jelen idejő állítást. „ He smokes”: İ rá szokott gyújtani. „He is smoking”: Éppen most dohányzik. „He has smoked”: Ugyan már befejezte a dohányzást, de az még kihat a jelenre (pl. érzik a füstszag). A természetes nyelvekben vannak „rendkívüli esetek”, amikor egy szabály nem alkalmazható (lásd rendhagyó igék, angol múltidı képzés –ed végzıdés, azonban go
went) Ahogy az egyes népeknek, a természettudományoknak is meg van a saját maga nyelve: a matematika. Ez egy olyan nyelv, amelyben a nem túl nagy szókészlet ellenére nagyon pontos, részletes állítások fogalmazhatóak meg. Szabályrendszerében esetleg elıforduló kivételek újabb fogalmak bevezetésével többnyire elkerülhetık és így a nyelv alkalmazási köre is egyre nagyobb lesz. Ezt megfigyelhetjük a számhalmazok fejlıdésén keresztül. Számhalmazok Induljunk ki – történeti okok miatt – a természetes számok halmazából, azaz tegyük fel, hogy csak a pozitív egész számokat ismerjük (1, 2, 3, …). Segítségével a pásztor meg tudja számolni, hány darab birka van a nyájban, és ha még további birkákat szerez meg tuja mondani ismét a birkák számát, vagyis tetszıleges számokat össze tud adni. Elıfordul, hogy elkóborol néhány bárány. Ha kivonja a birkák eredeti számából a megmaradtak számát, megkapja hány birka tőnt el. Tehát tud kivonni bizonyos korlátok közt. A gond akkor kezdıdik, ha olyan kérdés merül fel a fejében, hogy mi van, ha 5 birkából 8 elveszıdik. A kivonás néha kivételes eseteket idéz elı a természetes számok körében. Hogy ezt elkerüljük, bıvítsük a számok halmazát! Jelöljük az új számokat úgy, hogy eléjük teszünk egy kis vízszintes vonalat, és adjuk neki a következı jelentést: -x jelentje azt a számot mihez x-et adva 0-t kapunk. Így az összeadás/kivonás nem jelet többé gondot. Ha 3 °C a hımérséklet egy testnek és még hől 8 °C fokot, azt tudjuk mondani, hogy -5°C-os. Az így kapott számhalmazt egész számoknak nevezzük. A szorzás sem jelent gondot pásztorunknak, ha 20 birkája volt és egy év alatt kétszerese lett a nyája, akkor tudja, hogy 40 birkája van. Viszont az most az osztás még gondot okozhat, ha a juhásznak 41 birkája van, de egy év múlva csak fele annyi lesz neki, akkor hány birkája lesz jövıre? Újra tágítani kell fogalmainkat a „rendkívüli esemény” miatt. Alkossunk olyan számokat, amelyeket úgy jelölünk, hogy lesz bennük egy kis vesszı és elıtte is, utána is számjegyek, és jelentse például az 1,25 azt a számot, aminek négyszerese 5. Kitaláltunk tehát egy új jelülést, ami megoldotta problémát. Bár általános iskolában eleinte gondot jelent a használata (akárcsak korábban a negatív számoké) elıbb utóbb egy kis gyakorlással megszokjuk. Így kaptuk a racionális számokat. A pásztorunk egy 100m x 100m –es területen legelteti nyáját, ki tudja számolni, hogy 10000m2-es legelıje van. Sıt mivel tud gyököt vonni, azt is tudja, hogy a 900 m2-es négyzet alakú legelınek az oldalhossza 30m. De mi van akkor, ha a 900 m2-es legelıjébıl elvesznek 1000m2-t, mekkora oldalhosszúságú négyzet alakú legelıje marad. (azaz mennyi: gyök(-100)) Ugye azt tanultuk valamikor, hogy negatív számnak nincs gyöke. Bár azt is tanították korábban,

3 hogy 2-5 az értelmetlen, és hogy a 9-at nem lehet 4 felé osztani, csak háromfelé. Most is ez a helyzet. Találtunk olyan mőveletet, aminek egyelıre nem tudunk értelmet adni. Mit kell ilyenkor tenni? Új definícióval bıvíteni a számhalmazt. Akkor ezentúl jelölje „i” a gyök(-1)-et! Így minden szám felírható ’a+bi’ alakban. Például a gyök(-100)=0+10i. Ezek a komplex számok. A hétköznapi életben csak nagyon-nagyon kevesen használják, de elkerülhetı vele néhány rendhagyó esemény. Hogy kihangsúlyozzuk a szabályok általánosságát – amire az oktatásban ritkán kerül sor vizsgáljuk meg mi történik egy matematikai szabályainak alkalmazhatóságát, ha lecseréljük annak szókészletét. Számrendszerek Az átlag ember élete során csak a 10-es számrendszerrel találkozik. Itt 10 különbözı karakter (0, 1, 2, 3, …, 8, 9) és ezek kombinációi adják a számokat. Ezt jól ismerjük, magabiztosan mozogunk benne. Érdemes azonban megfigyelni, hogy milyen nehéz egy felnıtt embernek egyáltalán megérteni-e, azt hogy hogyan mőködhet egy ettıl eltérı számrendszer. Pedig a szabályok ugyanazok. Elıször tisztázzuk, hogyan is kell a 10-es számrendszerben számolni! Van tehát 10 különbözı szimbólumunk, amelyek sorrendje kötött egy elem egy egységgel nagyobb az elıtte lévınél. 3-nál egyel nagyobb a 4. Hogyan írjuk le azt a mennyiséget, amely a 9-nél egyel nagyobb? Kitalálhatnánk egy újabb speciális szimbólumot pl: ‫چ‬. Ezt követhetné a җ, majd a Ђ, és így tovább. De kigyızné fejben tartani ezt a rengeteg szimbólumot, és azok sorrendjét? Senki. A problémát sokkal egyszerőbben oldjuk meg. A 9-nél egyel nagyobb számot jelöljük úgy, hogy elıröl kezdjük a szimbólumok írását, csak eléírunk egy 1-est. 10, 11, 12, …. Felmerülhet a kérdés, hogy mi következik a 19 után. Kezdjük ismét elölrıl, de az 1-es helyett vegyük a következıt, azaz a 2-est! Elıbb utóbb eljutunk a 99-es kombinációhoz. Hogyan jelöljük az ennél is egységnyivel nagyobb számot? Az utolsó helyi értéken kezdjük elıröl a szimbólumokat az elıtte lévı helyen – mivel már itt is elfogytak a szimbólumaink – ismét írjunk 0-t és tegyünk elé egy 1-est! Így kapjuk a 100-as számot. Ezt a logikát folytatva korlátlan mennyiségő számot állíthatunk elı úgy, hogy csak 10 különbözı jelet használtunk. Ez a számolás szabálya. Nézzük meg mi a helyzet, ha csak 2 féle jelünk van (0, 1)! Elıször jön a 0, majd az 1. Elfogytak a szimbólumaink, hátul elıröl kezdjük ıket elıre írunk egy 1-est! 10, 11, Hátul megint nincs több jel, 0-ról kezdjük. Elöl növelni kellene eggyel, de már nem tudjuk ezért itt is 0-t írunk elé pedig 1-est! És így tovább. Példaként nézzük a következı táblázatot: 0 0

1 1

2 10

3 11

4 100

5 101

6 110

7 111

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111

16 10000

17 10001

18 10010

19 10011

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 10100 10101 10110 10111 11000 11001 11010 11011 11100 11101 Minden oszlopban az azonos értékő 10-es illetve 2-es számrendszerbeli számok állnak. Most, hogy ismerjük a számokat, próbáljuk meg összeadni ıket! A hagyományos módszerrel adjuk össze az 10110–et és a 10111-et! 10110 +10111

4

A két utolsó számjegy összege: 0+1=1, tehát az összeg utolsó számjegye 1-es. Nem maradt semmi. A második helyi értéken 1+1 szerepel, azaz az a szám, ami az 1-nél egyel nagyobb. Ez a 10. Viszont ez két számjegyő. Ilyenkor ugye azt tanultuk általános iskolában, hogy leírjuk a 0-t és marad 1. Továbbmegyünk. Újra 1+1 szerepel, ami ugye 10, plusz még hozzá kell adni a maradékot 10+1 – a 10-nél egyel nagyobb szám – ami egyenlı 11. Mivel két számjegyő, egy 1-est leírunk, marad 1. 0+0=0 plusz 1 az 1, nem maradt semmi. 1+1=10, mivel nincs több összeadandó számjegy, elírjuk a 10-et. Vagyis azt kaptuk, hogy: 10110 +10111 101101 Ellenırizzük le! A kettes számrendszerbeli 10110 tízes számrendszerben 22, a 10111 tízes számrendszerben 23. Az eredményként kapott 101101 - a számolás szabálya szerint – tízes rendszerben 45. Mivel 22+23=45 –öt kaptunk és ugyanazt az összeadási szabályrendszert használtuk, beláthatjuk, hogy az összeadás szabályai érvényesek kettes számrendszerben is. Hasonló módszerekkel beláthatjuk, hogy minden számrendszerre minden mővelet szabályai azonosak. (Próbálj ki más számrendszereket és más mőveleteket!) Tehát ezek a szabályok általánosak. Az hogy éppen a 10-es számrendszert használjuk, az nem szükségszerő, hanem inkább véletlen (10 ujjunk van). Ahhoz, tehát hogy komolyan foglalkozhassunk a természettudományokkal ismernünk kell ezt speciális nyelvet, a matematikát. A félév során - mivel nem támaszkodhatunk egységes, kellıen magas matematikai ismeretekre - csak kvalitatívan írjuk le a természettudományok eredményeit.

A fizika A korábban különálló tudományágak, mint a fizika, kémia, biológia, földrajz, csillagászat fejlıdésük során egyre újabb területeket tártak fel a világból. Ezek a területek mára már átfedésbe kerültek, gondoljunk csak az atomfizikára, biokémiára vagy az asztrofizikára. Megtehetjük, hogy ezeket a tudományágakat átfogóan, egységesen szemléljük. Az így kapott ún. természettudományok gondolkodásmódja eltér például a bölcsész- vagy a jogtudományoktól. Elıbbi egy speciális nyelvet használ, melyet matematikának hívunk. Ismerkedjünk meg ezzel a szemléletmóddal elsı lépésben a fizika alapjainak áttekintésével. A fizika a természetben lezajló folyamatok, jelenségek sajátosságait vizsgálja, ezek okaira ad magyarázatot. Három ágra osztható: kísérleti-, elméleti- és számítógépes fizika. 1 Kísérleti fizika: Egy rendszer megismeréséhez elıször kísérleteket, méréseket végzünk. Egy mennyiség (paraméter) változtatása közben mérünk egy másik mennyiséget úgy, hogy a rendszer többi paraméterét, környezetét közben nem változtatjuk. A mért adatok segítségével próbálunk meg következtetéseket levonni a rendszerrel kapcsolatban. 2 Elméleti fizika: Elsıként felállítunk egy modellt, ami meghatározza milyen feltételek mellett vizsgáljuk a rendszert, a kapott eredményeinket milyen körülmények között tekintjük érvényesnek. A modell segítségével a rendszer lényeges elemit kiemeljük a lényegteleneket elhanyagoljuk. Majd a már ismert összefüggések segítségével matematikai úton próbálja meg levezetni, meghatározni a rendszer tulajdonságait. 3 Számítógépes fizika: Egy modell annál pontosabb leírást tesz lehetıvé minél realisztikusabb, minél több aspektusát ragadja meg a vizsgált rendszernek. Azonban az ilyen realisztikus modellek bonyolultsága nem teszi lehetıvé, hogy elméleti eszközökkel egzakt

5 megoldást kapjunk. Máskor a rendszer jellemzıit csak nagyon extrém körülmények között tudnánk kísérleti úton vizsgálni. Ilyenkor számítógépes szimulációt alkalmazunk. Egy eredményt akkor fogadhatunk el, ha egyik megközelítésben sem vezet ellentmondásra. A méréseket többször megismételve bizonyos keretek között kiküszöbölhetjük az esetleges pontatlanságokat és végül a mért mennyiségnek az egyedi mérések átlagát tekintjük, megadva a mérés pontosságát (szórás). A kapott összefüggéseket a matematika nyelvén fogalmazzuk meg, matematikai állítások - például egyenletek, függvények - formájában. Sok ember számára ezek az állítások nem mások, mint a fizika órán tanult képletek, egy fizikai probléma megoldása, pedig nem más számukra, mint egyszerő behelyettesítés egy képletekbe. İk csak a matematikai formalizmust látják, nem értik a fizikai hátteret. A fizikus elıször az okokat keresi, próbál magyarázatot adni a látottakra, és ha ez sikerült, csak akkor próbál meg kvantitatív kijelentéseket tenni. Az egyes tárgyak, jelenségek tulajdonságait fizikai mennyiségekkel írjuk le, például hosszúság, hımérséklet, elektromos áramerısség. Hogy két test vagy jelenség tulajdonságait össze tudjuk hasonlítani a mennyiségekhez mérıszámot (azaz értéket) és mértékegységet rendelünk, pl. az egyik test hossza 3 m, a másiké 295 cm. Tehát egy mennyiséghez mindig tartozik egy mérıszám és egy mértékegység, külön-külön nem használhatóak. Az hogy egy test hossza 3,2 az nem jelent önmagában semmit, ahogy az sem, hogy a hossza valahány méter. A fizikusok a különbözı mennyiségek kapcsolatait vizsgálják. Ezeket a kapcsolatokat, összefüggéseket a matematika nyelvén írják le, egyenletekkel, függvényekkel, stb. Nézzünk egy példát: Ha egy test két pontjára elektromos feszültséget (jelölés: U) kapcsolunk, akkor a testben elektromos áram indul meg, amelyet az áramerısség (jelölés: I) nevő mennyiséggel jellemezhetünk. Kíváncsiak vagyunk a két mennyiség kapcsolatára, azaz arra, hogy ha az egyik változik, hogyan változik a másik. Ha ugyanannak a testnek ugyanarra a két pontjára kétszer akkora feszültséget kapcsolunk, akkor kétszer akkora lesz az áramerısség. Háromszoros feszültség, pedig háromszoros áramerıséget okoz. A két mennyiség, tehát – ahogy matematikából tanultuk – egyenesen arányos hányadosuk állandó amely a test egy jellemzıje (elektromos ellenállásnak nevezzük és R betővel jelöljük). A fenti megállapításokat a matematika nyelvén leírva egyszerően a következı kifejezést kapjuk: U=RI (Ohm-törvény). Ez nem más, mint egy egyenlet, amely egyenes arányosságot fejez ki, amelynek általános alakja a következı: y(x)=ax. A különbözı mennyiségek viselkedése tehát függvényekkel írható le. Sokaknak ez csak egy betanulandó képlet, amibe be kell helyettesíteni dolgokat, hogy megkapjuk az eredményt. Azonban a függvény sokkal több ennél. A viselkedés jellegét árulja el, hozzáértık számára akár ránézésre is. A függvény alakjából meg lehet mondani, hogy viselkedik egy mennyiség adott körülmények között (ezért tanultunk középiskolában függvényelemzést). A matematikát eszközként használva egyértelmő, tömör leírást adhatunk. A természetben megfigyelhetı jelenségek nagyon összetettek, bonyolultak. Ilyen formában egzakt, pontos leírást szinte lehetetlen adni. Egyszerősítésre van szükség. A fizikusok egyik legfıbb feladata megmondani, hogy egy bizonyos vizsgálat szempontjából mi a lényeges és mi a lényegtelen. A lényegtelen körülményeket el kell hanyagolni, így a rendszer egyszerőbb, kezelhetıbb lesz. Ezért a vizsgálatokat mindig valamilyen modellben végezzük (egyszerősítı feltételek mellett). Ha azt szeretnénk megtudni, hogyan végez szabadesést egy test a gravitáció hatására, akkor lényegtelen, hogy közben a test 20°C vagy 25°C hımérséklető, viszont ha a test sőrőségére vagyunk kíváncsiak a hımérséklet, már döntı tényezı lehet (a hıtágulás miatt). A modell meghatározása után méréseket végzünk, mely során egy mennyiség értékét határozzuk meg úgy, hogy közben a lehetıleg más tényezık ne változzanak. A méréseket mindig csak valamekkora pontossággal tudjuk elvégezni. Nincs tökéletesen pontos mérés. Ha meg

6 akarjuk mérni egy test hosszát egy hétköznapi vonalzóval nem tudjuk pontosan megmondani, hogy a test pl. 12,3246547543 cm hosszú. A mérés pontosságát tudjuk növelni, pl. tolómérı használatával, de az sem lesz tökéletesen pontos. Tehát egy mérésnél mindig figyelembe kell venni, hogy az eredmény pontatlan. Ezt legtöbbször emberi tényezık, a mérıeszköz pontatlansága, a mérés feltételei befolyásolják. Azért, hogy ezt próbáljuk valamennyire kiküszöbölni a mérést általában többször is elvégezzük és a mért értékek átlagát tekintjük eredménynek. Az egyes mérések szórásából (átlagtól való eltérés) következtethetünk a mérés pontosságára. Így mérések sorozatával megismerhetjük a mennyiségek közötti összefüggéseket, tehát válaszolni tudunk különbözı „Hogyan …?” kezdető kérdésekre. A fizika másik fı feladata az, hogy a „Miért …?” kérdésekre is válaszoljunk, magyarázatot adjunk egy-egy jelenségre. Az ok-okozati összefüggéseket elemezve és a mérési eredményekre, a mennyiségek közti összefüggésekre támaszkodva magyarázatot adhatunk egy jelenség okaira is. Így juthatunk arra az eredményre, hogy az elektromos áram töltött részecskék árama, melyet különbözı ütközési folyamatok anyagszerkezettıl függı mértékben akadályoznak.

A kis méretek világa Mindannyian jól ismerjük az alumíniumot. Ebbıl készülnek például az elektromos vezetékek, az alufólia. Tudjuk, hogy ez egy szilárd fém, szürke színő, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha, nem rozsdásodik, sósav hatására hidrogént termel, stb. Végezzük el a következı gondolatkísérletet. Vegyünk egy 1 m hosszú alumínium drótot! Vágjuk ketté! Ha megvizsgáljuk a két darabot, azt vehetjük észre, hogy fizikai és kémiai tulajdonságai nem változtak. Az egyik darabot újra vágjuk ketté! Ezek a kis darabok is a fent leírt tulajdonságokkal rendelkeznek. Vágjuk újra ketté, majd újra! Azt tapasztaljuk, hogy ez az aprócska drótdarab még mindig szürke, szilárd, jól vezeti az elektromosságot és a hıt, viszonylag puha és nem rozsdásodik és sósav hatására hidrogént termel. Tehát tulajdonságai függetlenek a mérettıl. De vajon meddig folytathatnánk ezt a kísérletet? Elıbb-utóbb azt tapasztalnánk, hogy ez a folyamat nem folytatható a végtelenségig. Egy idı után már nem írhatnánk le az anyag tulajdonságait a fenti jelzıkkel. Eljuthatunk egy olyan szintig, ahol, ha már tovább „darabolnánk” az anyagot a kémiai tulajdonságai már nem lennének ugyanazok. Minden anyag elemi építıkövekbıl ál, amelyek magukban hordozzák az anyag kémiai tulajdonságait. Ezek az építıkövek az atomok, molekulák. Az azonos atomokból álló anyagokat kémiai elemeknek nevezzük. Ha megvizsgáljuk, hogy az egyes anyagok hogyan viselkednek, milyen kölcsönhatásba, reakcióba lépnek egymással és ezek során mivé alakulnak, rájöhetünk, hogy a molekulák is kisebb egységekbıl állnak, de ezek már más-más tulajdonságokkal bírnak, mint maga a molekula. A vizsgálatok azt mutatják, hogy az univerzumban található szinte megszámlálhatatlanul sokféle molekula mindössze kb. 90 eltérı tulajdonságú egységbıl, atomból áll össze. Ezeket (és még kb. 30 mesterségesen elıállított atomot) a Mengyelejev-féle periódusos rendszer foglalja össze. Például a vizet (H2O) alkotó molekulák két hidrogén atomból (H) és egy oxigén atomból (O) állnak, vagy például az inzulin molekulát 791 atom alkotja megfelelı egyedi struktúrában elrendezve. Ha az atomok nagyságát szeretnénk megmérni a milliméter milliárdod részét jelentı pikométeres skálán kell dolgoznunk. Szemléltetésként ez azt jelenti, hogy kb. 10 milliárd atomot kellene egymás mellé helyezni egy egyenes mentén, hogy e láncolat hossza elérje az 1 m-t. Míg az anyagok makroszkopikus tulajdonságaival (olvadáspont, elektromos vezetıképesség, sőrőség, stb.) a fizika foglalkozik, az atomi szintő felépítését, kölcsönhatásait, reakcióit, stb. a kémia

7 tudománya írja le. A tudósok a XX. század elején kísérleteik, vizsgálataik során azt tapasztalták, hogy az atomok úgy viselkednek, mintha nem tömör, nem folytonosan kitöltött gömbök lennének, mint pl. egy biliárdgolyó, hanem csak a közepükben lenne egy kismérető, sőrő mag. Másrészt az elektromos tulajdonságok miatt valamiféle elektromos töltéssel rendelkezı részecskéket is kell tartalmazniuk az atomoknak. Így szülelett meg az atomok Rutherford-féle modellje, mely szerint egy atom kis méterő (10-14 m), de nagy tömegő (nagy sőrőségő) pozitív elektromos töltéső atommagból és a körülötte „keringı” parányi, kis tömegő negatív töltéső elektronokból (elektronburok) áll. Szemléltessük a méreteket! Ha az atommag egy cseresznye nagyságú lenne, akkor az elektronok tıle kb. 100 méterre keringenének. Ha pedig egy 4kg tömegő 10cm átmérıjő vasgolyóból (lásd súlylökés) egy képzeletbeli speciális eszközzel külön tudnánk választani a vas atomok magjait és elektronjait, akkor az atommagok súlya 3,999kg lenne az elektronoké, pedig 1g. Ráadásul az atommagok mindössze egy baktérium mérető „kupacot” alkotnának. Tehát az atommag nagyon kicsi és nagyon sőrő, az anyagot alkotó atomok, pedig tele vannak „üres hellyel”. További vizsgálatok során kiderült, hogy az atommag sem egy egyszerő homogén gömb, ennek is van szerkezete, ez is részecskéket tartalmaz: protonokat és neutronokat. Ezek mérete és tömege nagyjából egyforma, de a proton (az elektronéval megegyezı nagyságú) pozitív elektromos töltéső, a neutron viszont elektromosan semleges. A mag alkotóit, azaz a neutronokat és a protonokat együttesen nukleonoknak hívjuk. Az atomok elektromos semlegességét annak köszönhetjük, hogy bennük az elektronok és a protonok egyenlı számban fordulnak elı. Egy atom protonszáma, azaz az ún. rendszám meghatározza, hogy milyen anyagról van szó. Ha például egy anyag atomjaiban 47 proton van akkor az ezüst, ha 79 akkor az arany. Persze a semleges arany atomokban ekkor pontosan 79 elektron található. Speciális körülmények között elıfordulhat, hogy egy atom elveszít, vagy szerez néhány elektront, ekkor elveszti semlegességét, ionná válik. Az atomok neutronszáma változó lehet, tehát elıfordulhat, hogy ugyanazon anyag két atomjának nem egyezik meg a neutronszáma – csak a protonszám. Az olyan atomokat, amelyek rendszáma (azaz protonszáma) megegyezik, de neutronszáma eltér izotópoknak nevezzük. Például egy „átlagos” hidrogénatom (H) 1 protont és egy elektront tartalmaz. Viszont elıfordul olyan hidrogén atom is, amely még 1 vagy 2 neutront is tartalmaz. (Elıbbi változatot deutériumnak (2H vagy D) utóbbit tríciumnak (3H vagy T) nevezzük, bár ezek is hidrogén atomok.) A kis rendszámú atomokban a neutronszám nagyjából megegyezik a protonszámmal, a nagyobb rendszámú atomokban a neutronok száma nagyobb, mint a protonoké. Mivel az atomok tömegét döntıen a protonok és a neutronok adják, ezért ezek együttes darabszámát tömegszámnak nevezzük. Tehát minden olyan anyagot, amelyekkel a hétköznapi életben találkozunk elektronok, protonok és neutronok alkotnak, ezért ıket már általános iskolában is elemi részecskéknek neveztük. Azonban speciális körülmények között megfigyeltek még legalább 100 eleminek vélt részecskét. Pontosabb vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy ezek többsége (még a proton és a neutron is) belsı szerkezettel rendelkezik, ık is kisebb egységekbıl állnak, azaz nem tekinthetıek eleminek. Ezeket az új alkotóelemeket kvarkoknak nevezzük. Egy proton két u-kvarkból és egy d-kvarkból áll, míg a neutron egy u-kvarkot és két d-kvarkot tartalmaz. Ma 13 részecskét tekintünk eleminek. Az egyik a foton („fényrészecske”). A többi 12 két csoportra (leptonok és kvarkok) osztható (1. Táblázat). Ezek közül a hétköznapi élet minden tárgyát u-kvarkok, d-kvarkok és elektronok alkotják.

8

Lepton elektron elektron neutrínó müon müon neutrínó tau tau neutrínó

Kvark u-kvark d-kvark c-kvark s-kvark b-kvark t-kvark

1. Táblázat

Ezek a részecskék alkotják a világegyetem anyagát. Ezek mellett azonban megfigyelhetı még másik 12 részecske, amelyek szintén elemiek, szinte teljes mértékben azonos tulajdonságaik vannak a fent említett 12 részecskével, csak egyetlen tulajdonságuk tér el (az viszont ellentétes). Ez a tucat új részecske alkotja az ún. antianyagot. Az anyag és az antianyag egymás ellentettjei. A tisztánlátás végett nézzünk egy példát! A „hétköznapi” elektron nagyon kis mérető, kis tömegő (a proton tömegének 1840-ed része), a protonéval megegyezı nagyságú, de ellentétes elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Az ı anti részecske párja az ún. pozitron (anti-elektron) is nagyon kis mérető, kis tömegő (egyenlı az elektron tömegével), a protonéval megegyezı nagyságú, és azonos elıjelő elektromos töltéssel rendelkezı elemi részecske. Tehát mindenben megegyeznek, csak a töltésük ellentétes. Hasonló módon léteznek anti-kvarkok, amelyek anti-protonokat és anti-neutronokat alkotnak. Nagyon fontos tulajdonsága az anyagnak és az antianyagnak, hogy ha találkoznak kölcsönösen megsemmisítik egymást. Ez a folyamat az annihiláció. Ennek során két nagy energiájú foton keletkezik, amelyek egymással 180°-ot bezáró szögben sugárzódnak szét. Ennek hatására a világunkban (amelyet anyag alkot) bármilyen antianyag nagyon hamar megsemmisül. Az annihilációval ellentétes folyamat, az ún. párkeltés során két megfelelı szögben érkezı, nagy energiájú fotonból anyag-anytianyag pár jöhet létre.

Kölcsönhatások Elsı lépésben egy nagyon fontos fizikai mennyiségrıl, az erırıl kell beszélnünk, mely valamiféle hatást testesít meg. Azt mondhatjuk, hogy a testek mozgását a rájuk ható erık határozzák meg. Az általános- és középiskolás fizika tanulmányok révén mindenkinek van már valamiféle tapasztalata ebben a témában. A klasszikus mechanika alapjait a Newton-törvények írják le. Tekintsük át ezeket! 1 Newton I. törvénye: Egy test megırzi mozgásállapotát (egyenes vonalú egyenletes mozgást végez, vagy állva marad) mindaddig, amíg egy külsı tényezı annak megváltoztatására nem kényszeríti. Ennek a törvénynek a szemléltetésére leggyakrabban használt példa az, amikor a fékezı buszon az addig álló labda elkezd gurulni. Hogy is van ez? Senki nem nyúlt a labdához mégis elkezd mozogni. Akkor nem igaz az I. törvény? Nyugodjunk meg igaz. A labda ugyanis nem állt, hanem a busszal együtt mozgott. Viszont a labdát nem „érdekli”, hogy a busz mit csinál. Ha a busz fékez (csökkenti a sebességét) a labda akkor is tovább fog menni azonos sebességgel. Csak akkor fogja megváltoztatni a sebességét, ha egy másik tárgy arra kényszeríti, tehát például akkor, amikor mozgása során eléri a busz elejét és nekiütközik annak. Vagy nézzünk egy másik példát! Tegyük fel egy őrhajó halad a Föld és a Hold között, mondjuk fél úton ’v’ sebességgel a Hold felé. Vajon mennyi üzemanyag szükséges neki 100 km megtételéhez? Közelítsük meg a problémát fizikus szemmel! Mi hat az őrhajóra? Mivel kerül kölcsönhatásba? Mivel érintkezik? Semmivel. Akkor továbbra is ’v’ sebességgel fog mozogni, minden beavatkozás nélkül. Vagyis

9 ilyenkor nincs szüksége üzemanyagra!!! (Az csak a lassításhoz, gyorsításhoz, irányváltozáshoz, azaz a mozgásállapot megváltoztatásához szükséges.) A Földön az autóknak azért van szükségük üzemanyagra, mert az alkatrészek, a kerekek súrlódása, a közegellenállás mind kényszeríti az autót mozgásállapotának megváltozatására (lassulásra), így az állandó sebességnek „ára van”, tankolnunk kell. 2 Newton II. törvénye: Egy test mozgását környezete befolyásolja. Sokak számára ez a törvény csak ’F=ma’, egy üres képlet. Pedig ennek tartalma is van. Egy ’m’ tömegő test mozgását az ı gyorsulása (’a’) jellemzi, ezt pedig a test környezete határozza meg, amely környezeti hatást az erınek (’F’) nevezett mennyiséggel fejezzük ki tömören. Ez azt a nagyszerő képességet adja meg számunkra, hogy ha ismerjük, hogy egy test milyen kapcsolatban áll környezetével ismerjük annak hatását meg tudjuk mondani minden idıpontban a gyorsulását. Ez azt jelenti, hogy ismerjük a mozgását, meg tudjuk mondani hol lesz a következı percben, vagy hol volt 5 perccel ezelıtt. Betekinthetünk a múltba vagy a jövıbe. A II. törvény alapján azt is tudjuk, hogy ugyanakkora (erı)hatás egy nagyobb tömeget kevésbé tud megmozdítani. Minél nagyobb egy test tömege annál nehezebben lehet megmozdítani, azaz annál nagyobb a tehetetlensége (tehetetlenség = tömeg). 3 Newton III. törvénye: Ha egy test valamekkora erıt fejt ki egy másikra, akkor a másik is ugyanakkora nagyságú, de ellentétes irányú erıt fejt ki az elıbbire. Mondhatnánk tréfásan azt is, hogy ezt a törvényt még egy egyszerő szék is „ismeri”. Hogyan vizsgáztassuk le a széket? Egyszerő. Álljunk rá! İ abban a pillanatban „kiszámolja” a rá ható erıt és pontosan akkora erıvel fogja ellensúlyozni, aminek köszönhetıen meg tudunk állni a széken. 4 Newton IV törvénye: Ha egy testre egyszerre több test hat akkor a test ezek együttes hatásának megfelelıen fog mozogni. Ez azt a könnyítést adja meg a fizikus számára, hogy ha ismerjük B hatását A-ra (meg tudjuk mondani, hogy mozogna az A test) és C önálló hatását is A-ra, akkor egyszerően azt is meg tudjuk mondani, hogyan fog mozogni A ha egyszerre B és C is hat rá. Sokat beszéltünk már általánosságban az erıkrıl, most nézzünk néhányat ezek közül, amelyekkel a hétköznapi életben találkozhatunk! Gravitációs erı, rugó erı, felhajtó erı, elektromos erı, súrlódási erı, tartó erı, mágneses erı, nyomó erı, izomerı, közegellenállási erı, stb. A tudósok megállapították, hogy alapjában véve összesen négy féle erı létezik. Ezeket alapvetı kölcsönhatásoknak nevezzük. 5 Gravitációs kölcsönhatás: Newton óta tudjuk, hogy minden tömeggel rendelkezı test vonz minden másik tömeggel rendelkezı testet. Ez a vonzás végtelen hatótávolságú. Ez a kölcsönhatás a felelıs az alma fáról való leesésért és a bolygók Nap körüli keringéséért is. 6 Elektromágneses kölcsönhatás: Legtöbben az elektromos és a mágneses erıt két külön kölcsönhatásnak vélik, azonban ezek csak egy átfogóbb hatás eltérı megnyilvánulási formái. Az álló illetve a mozgó töltések kölcsönhatását írják le. Az azonos töltések (és az ellentétes áramok) taszítják egymást, az ellentétes töltések (és az azonos áramok) vonzzák egymást. Ez a kölcsönhatás is végtelen hatótávolságú, de árnyékolható (a töltések hatását a környezı ellentétes töltések hosszútávon gyengíthetik). Minden olyan jelenségben szerepet játszik, ahol elıfordul elektromosság, mágnesesség vagy fény. 7 Erıs kölcsönhatás: A kvarkok között lép fel. Hatására alakulnak ki a kvarkokból a nukleonok, és az atommagot (nukleonokat) is ez tartja össze. Hatótávolsága nagyon kicsi, csak az atommagon belül érvényesül. 8 Gyenge kölcsönhatás: Hatótávolsága szintén nagyon rövid, csak az atomokon belül érzékelhetı a hatása. A radioaktív β–bomlásban játszik fontos szerepet.

10 A hétköznapokban csak a gravitációs erı és az elektromágneses erı érzékelhetı, a rövid hatótávolságú kölcsönhatások nem. Tehát a mindennapokban tapasztalható erık mindegyike e két kölcsönhatásból származik. Vegyük például az egyszerő „mechanikai” erıket (nyomó erı, tartóerı, rugó erı, súrlódási erı, stb.). Ezek az elektromágneses erıbıl származnak. Miért is? Ahogy a testet, úgy a felületét is atomok alkotják. Mi történik akkor, ha két felületet közelítünk egymáshoz? Az atomok és így a test is összességében elektromosan semlegesek, de ha a két felületen lévı atomok elégé megközelítik egymást, akkor az elektronjaik jóval közelebb kerülnek egymáshoz, mint az atommagok. Ezért az elektronok sokkal jobban taszítják egymást, mint ahogy az atommagok vonzzák ıket. Ez a taszítás megakadályozza, hogy az egyébként szinte teljesen üres atomok egymásba hatoljanak. Ettıl ’kemények’ a testek. Ez adja az érintkezı felületek között fellépı nyomóerıt, ez a taszítóerı egyenesíti ki az összenyomott rugót, és még sorolhatnánk. Az elektronok taszításának van egy másik következménye is. Minél jobban próbáljuk összenyomni a két felületet az elektronok, annál jobban taszítják egymást, tehát sohasem kerülnek egymáshoz ’igazán’ közel, a két felület között mindig van egy kis rés, lehet, hogy csak a µm tört része, de rés. Mivel az atomoknak nincs éles határfelülete és az elektronburkok is csak megközelítik egymást nem is létezik a hagyományos értelemben vett érintkezés. Nézzük egy másik fontos jelenségkört, amelyik az elektromágneses kölcsönhatáshoz kapcsolható. E az optika. A megértéshez elég lehet az is, ha tudjuk, hogy a fény nem más, mint elektromágneses hullám. Amikor egy izzó wolfram szál fényt bocsát ki az azért történik, mert a wolfram atomok elektronburkában az egyik elektron helyzete megváltozik. Ugyanezzel magyarázható a fény elnyelés is. Ráadásul mivel a látható fény csak egy kis része az elektromágneses hullámoknak a jelenségkör jóval tágabb. (Elektromágneses hullámok frekvencia szerint növekvı sorrendben: rádióhullám, mikrohullám, infravörös fény, látható fény, ultraibolya fény, röntgensugárzás, radioaktív γ sugárzás.) Így tehát a rádió, a mobil telefon, a mikrohullámú sütı, a tőzfény, a napbarnulás, a röntgen diagnosztika mind szorosan kapcsolódik az elektromágneses kölcsönhatáshoz. Létezik még egy fontos terület, amely az elektromágneses kölcsönhatáshoz köthetı. Ez a kémia, de errıl egy másik fejezetben részletesen beszélünk.

Kémia Az anyag építıköveit jelentı atomok atommagból és elektronburokból állnak. Az anyag kémiai tulajdonságait (más anyagokkal történı reakcióit) az elektronburok felépítése határozza meg. Nézzük meg, hogyan is épül fel ez a burok! Mivel az atomok elektromosan semlegesek így a protonjaik és elektronjaik száma egyenlı. A protonokat és neutronokat tartalmazó atommag körül az elektronok (adott távolságokra elhelyezkedı) elektronhéjakra rendezıdnek. Minden héjon meghatározott számú elektron fér el. A maghoz legközelebbi, legbelsı héjon maximum 2 elektron tartózkodhat, a következı héjon 8 elektron, a harmadikon 18, a negyediken 32 negatív töltéső elemi részecske helyezkedhet el. Ezek a héjak alhéjakra oszthatóak. Ezeket az alhélyakat s, p, d és f betőkkel jelöljük. Az elektronok mindig úgy helyezkednek el, elıször a legkisebb energiájú (legbelsı) héjat töltik be, ha itt nem férnek el következik a második héj, ha amelyik ott sem fér el az a harmadik héjra kerül, és így tovább. Ennek eredményeképpen a belsı héjak mindig teljesen betöltöttek és a legkülsı héj (amin kívül már nincsenek elektronok) vagy teljesen vagy részlegesen van betöltve az atom elektronszámától függıen. Az a legkülsı héj nagyon fontos szerepet játszik az anyag kémiai

11 viselkedésében, külön névvel is rendelkezik, vegyértékhéjnak nevezzük. Az elıbbiek alapján tehát ha tudjuk mennyi a rendszáma (protonok száma) egy atomnak, akkor tudjuk, hogy ugyanennyi elektronja van. Ekkor viszont meg tudjuk mondani, hogyan néz ki, épül fel az elektronburka, amibıl következtethetünk a kémiai tulajdonságaira. Ha egy anyag minden atomja ugyanannyi protont tartalmaz, akkor az anyagot kémiai elemnek nevezzük (ellenkezı esetben vegyületrıl, elegyrıl, keverékrıl, stb. beszélünk). A természetben 90 féle különbözı elemet találhatunk és további kb. 20 elemet sikerült mesterségesen elıállítani. Ezeket kémiai tulajdonságaik alapján rendszerezve alkotta meg Mengyelejev az ún. periódusos rendszert. Mivel az elektronszerkezet szoros összefüggésben van a kémiai tulajdonságokkal így a periódusos rendszer végül is az elemek atomjainak elektronszerkezetére épül. A táblázat sorai -amelyeket periódusoknak nevezünk- határozzák meg, hogy hány elektronhéja van az atomnak, oszlopai (ún. fıcsoport), pedig azt mutatják meg hány eletronja van az adott atomnak a vegyértékhéján. A táblázat s, ,p ,d, f mezıkre osztható a vegyértékhéj alhéjainak megfelelıen. A táblázatban az elemek növekvı rendszám szerint vannak elrendezve. Mivel az elemek kémiai tulajdonságait a vegyértékhéjon elhelyezkedı elektronok határozzák meg, így az azonos oszlopban lévı elemek kémiai tulajdonságai azonosak. (pl. 8. fıcsoport: nemesgázok, 7. fıcsoport halogének, 2. fıcsoport alkáliföldfémek, stb). A hétköznapi élet legtöbb anyagát azonban nem elemek alkotják, hanem elemekbıl felépülı kötött szerkezetek, pl. molekulák. Miért kötıdnek az atomok egymáshoz? Minden atom arra törekszik, hogy minden elektronhéja teljesen betöltött legyen (a vegyértékhéj is), energetikailag ugyanis ez a legkedvezıbb. A különbözı atomok „együttmőködve” próbálják ezt a problémát megoldani, melynek eredményeképpen kémiai kötés alakul ki. Most négy különbözı kémiai kötés mechanizmust nézzünk meg! Az ionos, kovalens és fémes kötést elsıdleges kötésnek is hívjuk, mert jóval erısebb, mint a hidrogénkötés. 1 Ionos kötés: Ha egy atomnak például csak egy elektronra lenne szüksége ahhoz, hogy teljesen betöltse vegyértékhéját, akkor próbál egyet elvenni egy másik atomtól, például olyantól, akinek csak egy elektronja van a külsı héján és így ha megszabadulna tıle ı is csak zárt (teljesen betöltött) héjjal rendelkezne. Ez fordul elı például akkor amikor az egy „fölösleges” elektront tartalmazó nátrium (Na) odaadja az elektronját egy klór (Cl) atomnak, akinek így a külsı héja teljesen betöltıdik. Viszont ilyenkor a nátriumban kevesebb elektron lesz, mint proton a klórban pedig több, azaz az elıbbi pozitív ionná válik, az utóbbi pedig negatív ionná. Mivel ezek ellentétes elektromos töltésőek vonzani fogják egymást, kötés alakul ki köztük, melynek az eredménye a nátriumklorid (NaCl) azaz a közönséges konyhasó. 2 Kovalens kötés: Bizonyos esetekben az atomok nem sajátítják ki teljesen a másik atom elektronjait, hanem inkább közös elektronpárokon osztozkodnak. Például a hidrogénatomnak egy elektronja van és mivel az elsı héjon maximum két elektron lehet a hidrogénatom vegyértékhéja (azaz egyetlen héja) akkor lenne betöltve ha rajta két elektron lenne. Viszont nem elég „erıs” ahhoz, hogy elvegyen egyet másik atomtól. Ezt úgy oldja meg a természet, hogy két hidrogénatom megosztja az egy-egy elektronját (közös elektronpár), amelyek mind a két atommag körül fognak „keringeni” (mintha mindkét elektronhéj két elektront tartalmazna). Így a két hidrogénatom kötıdésével létrejön a hidrogén molekula (H2). Hasonlóképpen viselkedik a levegı oxigénje (O2) és kovalens kötés tartja össze a vízmolekula (H2O) hidrogén és oxigén atomjait is. 3 Fémes kötés: Egyes atomok úgy válnak meg a vegyértékelektronjaiktól, hogy egyszerően eladják ıket és így az atomtörzseket egy nagy, közös elektronfelhı veszi körül. A leadott elektronok szinte szabadon mozoghatnak a testeken belül, az atomok között és ez a negatív „elektrontenger” tartja össze a pozitív atomtörzseket. Mivel a vegyértékelektronok

12 majdnem teljesen szabadok elektromos tér (feszültség) hatására könnyen elmozdulnak és így vezetik az elektromos áramot. Az ilyen atomokból álló elemek a fémek, például: vas, alumínium, higany, arany. 4 Hidrogén kötés: Ha a hidrogén elveszti egyetlen elektronját, akkor nem marad más mint egy szimpla proton (nincsenek lezárt elektronhéjak, nincs nagy neutronokat is tartalmazó atommag). Ha egy molekulában elıfordul egy ilyen kötött hidrogén, akkor az a része a molekulának pozitív töltéső lesz (a zárt elektronhéjak nem árnyékolják a magot). Más molekuláknak lehet kissé negatív oldala, ahol több elektron van. Így a két ellentétesen töltött oldal kissé vonzza egymást, ami egy gyenge kötést eredményez. Például a vízmolekula hidrogénje bizonyos körülmények között kötıdik egy másik vízmolekula oxigén atomjához. Ez a kötés eredményezi azt, hogy a víz sőrősége 4°C alatt csökkeni kezd. A kémiai reakciók során a kiinduló anyag(ok)ból más anyag(ok) keletkeznek eközben új kémiai kötések jöhetnek létre vagy a meglévı kötések felbomolhatnak, átalakulhatnak. A reakciók során azonban mindig teljesülnie kell az anyagmegmaradás elvének, miszerint a kémiai folyamatok során a különbözı rendszámú atomok száma nem változik. Tekintsük át egy példát! A fotoszintézis során széndioxidból (CO2) és vízbıl (H2O) szénhidrát (C6H12O6) és oxigén (O2) keletkezik. Ha fel szeretnénk írni a pontos reakcióegyenletet, akkor figyelembe kell venni, hogy a szén, oxigén és hidrogénatomok mennyisége a reakció során ne változzon. Így az egyenletet a következıképpen kell megadnunk: 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 A reakciók egy részének lejátszódásához energia szükséges, mások során energia szabadul fel. Tehát egyes kémiai reakciók lezajlásával energiát nyerhetünk. A kémiai úton tárolt energia hasznosítása a hétköznapi élet része. A szén, a fa, a gázolaj, a benzin, a földgáz égése mind olyan kémiai reakció (oxidáció) melynek során hıenergia szabadul fel. A akkumulátorok és szárazelemek belsejében lejátszódó kémiai folyamatok eredményeképpen elektromos energiát nyerhetünk. Az élılények táplálkozása is arra szolgál, hogy a táplálékban tárolt kémiai energiát az élılények kinyerjék. A kémiai elemekbıl a különbözı kötések révén létrejött vegyületeket két csoportra oszthatjuk szerves és szervetlen vegyületekre. A megkülönböztetésnek az az alapja, hogy a szénatomok összekapcsolódva egyedülálló módon hosszú láncokat, elágazó szerkezeteket képesek létrehozni, melyekrıl eleinte azt gondolták, hogy csak az élılények tudják ıket elıállítani. Azokat a szénvegyületeket, amelyek tartalmaznak szén-szén illetve szén-hidrogén kötést szerves vegyületeknek nevezzük, minden más vegyületet pedig szervetlennek. A szerves vegyületek alapja tehát a szén, de tartalmazhatnak hidrogént, oxigént, nitrogént, stb. Hihetetlenül változatos és sokféle szerkezetet találhatunk itt például, szénhidrogének (földgáz, benzin), szénhidrátok (cukor), aminosavak (fehérjék), zsírsavak (zsírok, olajok), nukleinsavak (DNS), alkoholok, mőanyagok (PVC, polietilén, bakelit), és így tovább. A szervetlen vegyületek általában egyszerőbb felépítésőek és mindenféle atomot tartalmazhatnak. A konyhasó, a sósav, a víz, a rozsda, a mész mind szervetlen vegyületek.

A Föld A Föld a Naprendszer (Naptól számított) 3. bolygója. A Naptól átlagosan 150 millió kilométerre kering. Pályája nem szabályos kör, hanem egy ellipszis. A Nap-Föld távolság minimálisan 147 millió km, maximálisan 152 millió km. Pályájának Naphoz közeli szakaszán télen található. Keringési ideje (év) 365,25 nap. Az egyszerőség kedvéért a hétköznapokban 365 napot nevezünk egy évnek, a maradék negyed napokból pedig minden 4. évben összegyőlik egy

13 ún. szökınap. A Föld közel gömb alakú (kissé lapult). Egyenlítıi átmérıje 12756km, sarki átmérıje 12714km. Egy teljes tengely körüli fordulat megtételéhez szükséges idı (nap) 23 óra 56 perc, bár a mindennapokban sokkal fontosabb a Nap két delelése között eltelt idı átlagosan 24 óra. A Föld forgástengelye a Föld keringési síkjával 66,6°-os szöget zár be. Bolygónk tömege: 6*1024 kg, átlagos sőrősége 5,5 kg/dm3 (a víz sőrőségének 5,5-szöröse). Tömegének és átmérıjének köszönhetıen a szökési sebesség (az a sebesség, amivel egy tárgy elhagyhatja az égitestet) a felszínen 11,2 km/s. A Föld körül egy hold kering, amit Holdnak nevezünk. A Föld belsı szerkezetét a legbelül elhelyezkedı mag, majd a köpeny és az azt burkoló kéreg alkotja. A mag két részre osztható a külsı folyékony mag és a belsı szilárd mag. A magon kívüli rész az alkotó anyagok keménységi foka szerint mezoszférára, asztenoszférára és litoszférára, összetételük és sőrőségük szerint, pedig alsó és felsı köpenyre és kéregre osztható. A kérgen nyugszik az óceánok és felszíni vizek alkotta hidroszféra és az élılényeket és azok élettereit (élıhelyeit) magába foglaló bioszféra. A vasban dús forró mag hozza létre a Föld mágneses terét, melynek tengelye eltér a forgástengelytıl és lassan változtatja is a helyét. A Föld felszínének 30%-át szárazföldek 70%-át óceánok és egyéb felszíni vizek alkotják. A felszínen az átlaghımérséklet 14°C, mely a légkör jelenléte nélkül kb. -20 °C lenne. Az átlagtól jelentıs eltérések is lehetnek. Az eddig mért legalacsonyabb hımérséklet -88°C (Antarktisz), a legmagasabb közel 58°C (Afrika). Bolygónk felszíne nem teljesen sima, kisebb-nagyobb kiemelkedések (hegyek) és hasadékok (mélytengeri árkok) között sokféle felszíni formával találkozhatunk. A felszínt különbözı erık formálják: a kéreg mozgásai, vulkanikus tevékenység, a szél és a víz eróziós hatása, stb. Ezek közül ez elsıt nézzük meg részletesebben! A képlékeny köpenyben történı áramlások a szilárd litoszférát darabokra törik, ezek a darabok elmozdulhatnak, ütközhetnek. Ahol két lemez távolodik egymástól a köpeny olvadt anyaga felnyomul majd széterjedve új tengerágyat hoz létre. Ezt figyelhetjük meg az Atlanti-óceán közepén, melynek hatására Európa és Észak-Amerika évente kb. 2 cm-rel távolodnak. Ha két kontinentális lemez ütközik, a kéreganyag győrıdik és lánchegységek alakulnak ki, mint például a Himalája. Ha óceáni lemez kontinentális lemezzel találkozik a nehezebb óceáni lemez a könnyebb kontinentális alá bukik és hegyláncok és óceáni árkok keletkeznek (pl. Dél-Amerika nyugati partja). Az ilyen mozgások során a kontinensek vándorolnak, töredeznek, ütköznek. 225 millió évvel ezelıtt a mai kontinensek ısei egy nagy összefüggı kontinenst (Pangea) alkottak. A légkör, mely körülveszi a földet 78% nitrogént, 21% oxigént és ezeken kívül argont, széndioxidot, vízgızt és egyéb anyagokat tartalmaz. Az atmoszférának nincs éles határa, a magasság növekedésével a légnyomás fokozatosan csökken. A felszínen a légnyomás 101000 Pa körül ingadozik (az idıjárási viszonyoktól függıen). Az atmoszféra rétegekre osztható. A felszíntıl mintegy 15 km magasságig terjed a troposzféra, az idıjárási folyamatok többségének színtere. Fölötte helyezkedik el és kb. 50 km magasságig tart a sztratoszféra, ahol az ultraibolya sugarakat kiszőrı ózonréteget találhatjuk. Efelett találhatjuk a mezoszférát, ahol a legtöbb meteor felfénylik, majd 80 km felett a sarkifénynek otthont adó termoszférának nevezett réteget találjuk. A termoszférában helyezkedik el rádióhullámokat visszaverı ionoszféra. A különbözı magasságokban a légkör hımérséklete erısen ingadozik, a minimum 0 85 km-es magasságban közel -90°C, a maximum a termoszférában mérhetı akár 600°C is lehet. Mint már említettük, a Föld felszínén a hımérséklet kb. 35°C fokkal melegebb, mint a légkör jelenléte nélkül lenne. Az a légkör üvegházhatásával magyarázható, melynek a lényege a következı. A Napból a Földre érkezı sugárzás felmelegíti a felszínt, a felmelegedett felszín (mint minden meleg test) hısugarakat bocsát ki. Azonban ezek a hısugarak a légkör egyes gázain visszaverıdnek tovább melegítve a felszínt. Ez egy természetes folyamat, de az emberi

14 tevékenységek által ezek az üvegházhatású gázok (széndioxid, metán, vízgız) feldúsultak a légkörben, és az ezek okozta globális felmelegedés következtében a sarki jégtakarók megolvadnak, a tengerszint megemelkedik, a tengeráramlások megváltozhatnak, egyes területek elsivatagosodnak. A Földrıl nézve a nappali égbolt kék színéért is a légkör a felelıs (a légkör a különbözı színő napsugarakat különbözı képen töri meg). Annak a ténynek, hogy a Föld forgástengelye a keringési síkkal 66,6°-os szöget zár be és, hogy a forgástengely mindig ugyanabba az irányba mozog, van egy fontos következménye. A keringés egyik szakaszában a napsugarak a Földnek fıként az északi félgömbjét melegítik, így ott ilyenkor melegebb idı van (nyár). A keringés más szakaszában pedig pont a déli félgömböt érik nagyobb szögben a napsugarak. Ilyenkor északon hidegebb van (tél). Tehát az évszakok váltakozása nem attól függ, hogy a Föld néha közelebb, néha távolabb van a Naptól. (Ráadásul amikor északon nyár van pont akkor vagyunk távolabb a Naptól.) A Földnek egy kísérıje van, a Hold, amit szabad szemmel is megfigyelhetünk, és azt tapasztalhatjuk, hogy fázisokat mutat, azaz nem mindig látható minden része. Egy logikus s, ha meggondoljuk, hogy a Holdnak nincs saját fénye, csak a Nap sudarait veri vissza és ha mozgása során a Naphoz és a Földhöz viszonyított helyzete változik, akkor változik a megvilágított felének a Földrıl való megfigyelhetısége. A fázisok változása 29 napos ciklust mutat. Amikor a Nap és a Hold a föld két ellentétes oldalán található, akkor a Holdnak a teljes megvilágított oldalát láthatjuk a Földnek azon az oldalán, ahol éjszaka van. Ezt a fázist nevezzük teleholdnak. Amikor a Hold és a Nap a bolygónknak ugyanazon az oldalán van, akkor a Hold pont az árnyékos oldalát mutatja felénk, és így a nappali fényben nem is láthatjuk. Ezt nevezzük újholdnak. Amikor a Nap, a Hold és a Föld derékszöget zár be a Holdnak éppen a felét láthatjuk. Ez két esetben történhet meg, amelyeket elsı és utolsó negyednek nevezünk. (Értelemszerően ezek napnyugtakor illetve napkeltekor láthatóak.) Ezek között a fázisok között a hold sarlója fokozatosan növekszik és csökken. Újhold idején, elıfordulhat az, hogy a Nap a Hold és a Föld tökéletesen egy egyenesre esnek, ekkor a Hold árnyéka a Földre vetül, és a felszín egy kis területén teljesen, máshol részben kitakarja a Napot. Ezt a jelenséget teljes ill. részleges napfogyatkozásnak nevezzük. Ha Hold a pályájának éppen a Földtıl távolabbi részén helyezkedik el a napfogyatkozás idején, akkor nem tudja az egész napot kitakarni, ilyenkor a Nap a Hold sziluettjét körülvevı győrőként figyelhetı meg (győrős napfogyatkozás). A napfogyatkozások rövid jelenségek, maximum 8 percig láthatóak. Magyarországon teljes fogyatkozás legutóbb 1999.08.11.-én volt, legközelebb 2081.09.03.án lesz, de közben még számos részleges fogyatkozást láthatunk. Teleholdkor, ha a Nap, a Föld és a Hold éppen egy egyenes mentén helyezkednek el, akkor a Hold átvonul a Föld árnyékkúpján. Ekkor az addig fényes telehold nem tőnik el teljesen, elsötétedik, kissé vöröses színő lesz néhány óráig. Ez évente kb. másfélszer történik meg, ritkábban, mint a napfogyatkozás, azonban ez a Föld teljes éjszakai oldaláról látható, így gyakrabban figyelhetjük meg mi is.

Az Univerzum Földünk a Naprendszer része. Az univerzumnak ez a kb. 10000 millió km mérető része tartalmaz egy csillagot (Nap), 8 bolygót, közel 70 holdat, sok ezer kisbolygót, üstökösöket, stb. Ismerjük meg ezek sajátosságait! Nap Az Föld egy központi égitest, a Nap nevő csillag körül kering. A Nap-Föld távolság 150

15 millió km. A központi csillagunk átmérıje 1393000km (109-szerese a Föld átmérıjének), tömege 2*1030 kg (a Föld tömegének millió szorosa), ami a Naprendszer tömegének 99,99%-át adja. Anyaga nagyrészt hidrogén (73%) és hélium (25%). Ezek az anyagok olyan folyamatokban (magfúzió) vesznek részt, amelyek alapja a relativitáselmélet által leírt tömeg-energia átalakulás. Ennek eredményeképpen hatalmas energia szabadul fel. Ennek hatására a Nap felszíne 5500°C-ra hevül, magjában pedig 15 millió °C-os hımérséklet uralkodik. Ezt az energiát érezzük még ilyen hatalmas távolságból forró nyári napokon tőzı napsugárnak. A nap felszínén sötét (pár száz fokkal hidegebb) foltok figyelhetıek meg, ezek az ún. napfoltok. Számuk 11 évenként lecsökken és újra megnı. Hatásuk kis mértékben megfigyelhetı a Földön is. A nap felszínén idınként hatalmas láng-szerő formákat ún. napkitöréseket figyelhetünk meg. Bolygók A Nap körül 8 nagymérető égitest kering. İk a Nap bolygói. A Naptól való átlagos távolságuk és átmérıjük keringési- és forgási idejük a következı táblázatban tekinthetı meg: keringési idı forgási idı naptávolság átmérı bolygó (földi év) (földi nap) (millió km) (km) Merkúr 58 4878 0,241 58,7 Vénusz 108 12103 0,615 -243,0 Föld 150 12756 1.000 1.00 Mars 227 6794 1,880 1,03 Jupiter 778 138000 11,9 0,411 Szaturnusz 1429 114000 29,5 0,428 Uránusz 2871 49950 84,0 -0,720 Neptunusz 4500 48600 165,0 0,671 Mivel egy adott bolygón az ottani év nem más, mint a keringéshez szükséges idı, a nap pedig a forgáshoz szükséges nap, az adatok alapján érdekességeket vehetünk észre. Például a Vénuszon egy nap (243 földi nap) hosszabb, mint az egy év (224 földi nap). A hatalmas mérető Jupiter még az apró Földnél is sokkal rövidebb idı alatt fordul meg. Számokkal kifejezve: a Föld egyenlítıjén egy pont a forgás miatt 1670km/h sebességgel mozog, míg a Jupiteren 43950km/h sebességgel. A Vénusz és az Uránusz negatív forgásideje arra utal, hogy a Földhöz képest ellenkezı irányba forognak (ott felcserélıdik a kelet és a nyugat). A bolygók tulajdonságaik alapján két nagyobb csoportba oszthatóak. A Föld típusú bolygók (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars) a Naphoz közel helyezkednek el, átmérıjük kicsi, szilárd felszínük van, nagy a sőrőségük. A Jupiter típusú bolygók (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) a Naptól távol helyezkednek el, nagymérető összesőrősödött gázgömbök, többnyire nem rendelkeznek szilárd felszínnel. A világőrben a Naptól távolodva fokozatosan csökken a hımérséklet, viszont a bolygók felszínének hımérséklete erısen eltérhet a világőr hımérsékletétıl. Ezt a bolygók légköre befolyásolja. Ha a légkör ritka a két hımérséklet nem nagyon tér el. Sőrő légkörnél a kémiai összetétel is számít. Ha például magas a széndioxid (CO2) tartalom a napsugarak által felmelegített felszín nem tud hısugarakat az őrbe bocsátva lehőlni. Ez az üvegházhatás. A Vénusz légköre a Földénél 90-szer sőrőbb 96% CO2-t tartalmaz (a földi légkör CO2 tartalma kb 0,3%). Emiatt a Vénuszon közel 470°C-os hımérséklet uralkodik. A bolygók Nap körüli mozgását a Kepler törvények írják le. Kepler I. törvénye: A bolygók ellipszis pályán keringenek, amelynek egyik gyújtópontjában a Nap helyezkedik el. Kepler II. törvénye: Egy bolygótól a Napig húzott egyenes szakasz egyenlı idık alatt egyenlı

16 területeket súrol. Ennek az a következménye, hogy a pálya egyes szakaszain más-más sebességgel keringenek a bolygók. Így tehát a Földön is az év egyes szakaszaiban nem egyforma hosszúak a napok (nem a nappalokról van szó), azaz egy nap nem pontosan 24,00 óra. Kepler III. törvénye: Ha ’a’ a bolygók pályasugara (fél nagytengelye) és ’T’ a keringési ideje, akkor a2/T3 minden bolygóra egyenlı. Tehát a bolygók naptávolsága meghatározza a keringési idıt. A fenti táblázat alapján látható, minél messzebb van egy bolygó a Naptól annál több idı alatt kerüli meg azt (nem csak ezért mert több az út, hanem mert kisebb sebességgel is halad). Ezek a törvények mindenféle csillagászati megfigyelések nélkül is felállíthatóak a Newton törvények alapján. Ha ismerjük két test által egymásra kifejtett gravitációs erı formáját, azaz a környezet, meg tudjuk mondani, hogyan mozognak a testek. A kísérleti tapasztalatok, megfigyelések egyeznek az elméleti leírással. Holdak és győrőrendszerek A bolygók körül is keringhetnek nagyobb testek, ezek a holdak. A Merkúrnak és a Vénusznak nincsenek holdjai a Szaturnusznak több mint 20 holdja van (összesen kb 60-70). Vannak bolygóknál is nagyobb holdak és kicsi, néhány km átmérıjőek. A Jupiter típusú bolygók körül megszámlálhatatlanul sok egészen apró mérető testek (kövek, kavicsok, por) is keringenek. Ezek alkotják a bolygók győrő rendszerét, amelyek közül kétség kívül a Szaturnuszé a legnagyobb, leglátványosabb. Bolygónktól 384400km-re egy 3476km átmérıjő test, a Hold kering. A Föld körüli keringési ideje és a tengelyforgási ideje megegyezik (27,3 nap), ezért a Földrıl mindig ugyanazt az oldalát láthatjuk. Légköre nincs. Felszíni hımérséklete 130 °C (napos oldal) és -150 °C (éjszakai oldal) között ingadozik. Felszínén a mai napig (2008) 12 ember járt az Apollo-program keretében 1969 és 1972 között. Kisbolygók A Mars és a Jupiter pályája között több tízezer kismérető szabálytalan alakú test kering, a kisbolygók. Ezt a területet, pedig kisbolygó-övezetnek nevezzük. A legnagyobb kisbolygó a Ceres 1000km átmérıjő. Üstökösök A Naprendszerben található szabálytalan alakú jégbıl és porból álló égitestek. A Naphoz közeledve felmelegszenek és porból és gázokból álló csóvájuk keletkezik, amely mindig a Nappal ellentétes oldalon található. (kóma, mag, csóva) Talán legismertebb képviselıjük a 76 évenként visszatérı Halley-üstökös (legközelebb 2061-ben tér vissza. Meteorok Amikor az őrben található kisebb (pár cm) „őrtörmelék” belép a Föld légkörébe, ott felizzik, elég és közben csóvát húz. Ezt a pár másodpercig tartó fényes csíkként látható jelenséget hívja a népnyelv hullócsillagnak, a csillagászok pedig meteornak. Ha egy nagyobb meteor nem ég el teljesen a felszínbe csapódva krátert hoz létre. A becsapódó meteort meteoritnak hívjuk. Csillagok Mi található a Nap hatáskörén, azaz a Naprendszeren kívül? Ez a terület még a Naprendszernél is ritkább, üresebb, sivárabb. Ahogy távolodunk a naptól elıbb-utóbb egy másik csillag hatáskörébe kerülünk. A csillagok a mi Napunk rokonai. Hatalmas forró gázgömbök. Méretük erısen ingadozik (0,01Nap – 1000Nap méret). Színük - amelyet felszíni hımérsékletük határoz meg - is változó (vörös-3000°C; fehér-20000°C). A csillagok távolságát fényévben mérjük. 1 fényév az a távolság, amelyet a fény 1 év alatt megtesz. (1 fényév=9 467 000 000 000km) A Nap után a legközelebbi csillag a Proxima Centauri, egy jelentéktelen kis csillag (szabad szemmel nem is látható), amelynek távolsága 4,2 fényév. Az égen szabad szemmel kb. 2000 csillagot láthatunk. Nappal azért nem látjuk a csillagokat, mert a

17 napfény szóródik a légkörben és ez az erıs szórt fény elnyomja a csillagok halvány fényét. (Napfogyatkozáskor, amikor a Hold eltakarja a Napot nappal is láthatunk csillagokat.) Galaxisok Ha a csillagok távolságát megmérjük, azt tapasztaljuk, hogy nem egyenletesen töltik ki a teret, többnyire egy 100000fényév átmérıjő 2000fényév vastagságú (spirális karokból álló) korong alakú térrészben helyezkednek el. Ez a Tejútrendszer, amely közel 100 milliárd csillagból áll. Ezen kívül a tér még üresebb. Viszont nagy távolságokra újabb csillagcsoportosulásokat, újabb galaxisokat találunk. Ezek közül a 2,2 millió fényévre lévı Andromeda-köd a legismertebb (Jó esetben még szabad szemmel is látható apró halvány foltként.) A galaxisok sem egyenletesen vannak szétszórva, csoportokba rendezıdnek. A mi galaxisunk, azaz a Tejútrendszer a 20 galaxist tartalmazó Lokális rendszer tagja. Egyes galaxis halmazok akár több száz galaxist is tartalmazhatnak. A galaxishalmazok pedig szuperhalmazokat alkotnak. A lokális rendszer a Virgo szuperhalmaz tagja. A galaxisok távolodnak egymástól. Őrkutatás Az ember alkotta tárgynak elsı alkalommal 1957.10.04-ben sikerült az őrbe jutnia, ez volt a Szovjetúnió Szputnyik-1 mőholdja. Az elsı ember az őrben a szovjet Jurij Gagarin volt, aki 1961.04.12.-én a Vosztok-1 fedélzetén hagyta el a Földet. Azóta az emberiség rengeteg eszközt állított Föld körüli pályára (mőhold), jónéhány őrszonda közelített már meg más égitestet (sok leszállás is történt), sok őrhajó juttatott embert az őrbe, 12 amerikai őrhajós járt a Holdon (2008-ig, az elsı Niel Amstrong 1969.07.21), már több őrállomás volt a történelem során, amely tartósan biztosít(ott) megfelelı élet- és munkakörülményeket az őrben, ahová a kutatók akár újrahasznosítható őrrepülıgéppel is eljuthatnak. Az őrhajózásban van néhány speciális sebesség. Az elsı kozmikus sebesség az a sebesség, amelyet elérı test az égitest körüli pályára áll (a Föld esetén 7,9 km/s). A második kozmikus sebességet elérı test képes elhagyni az égitest vonzáskörzetét (a Föld esetén 11,2 km/s). Ezt hívják szökési sebességnek is. Mindenki tudja, hogy az őrhajósok a súlytalanság állapotába kerülnek. Ez azonban nem azért van, mert olyam messze vannak a Földtıl (pár 100 km), hogy ott már gyengébb a gravitáció, hanem mert az elsı kozmikus sebességgel haladó őrhajó folyamatosan szabadesést végezve zuhan a Föld felé, de sohasem esik le. Mivel az őrben nincs közegellenállás, nincs súrlódás egy test sebességét nem csökkenti semmi (Newton I. törvény) ezért hajtóerıre sincs szükség a haladáshoz (csak a gyorsításhoz, lassításhoz, irányváláshoz).

Méretskála Miután megismertük a hogyan épül fel az anyag részecskékbıl, valamint megnéztük milyen szerkezető az Univerzum, azaz áttekintettük a kis és a nagy méretek világát tekintsük át még egyszer szemléletesen a teljes méretskálát! Az atommag átmérıje kb. 10-14m és ebben akár pár száz nukleon, azaz akár ezer kvark is lehet. Ha szemléltetni szeretnénk az atommag és a teljes atom méretének arányát azt mondhatnánk, hogy ha az atommag egy borsszem, akkor az atom hılégballon nagyságú lenne. Az atomok molekulákat alkothatnak. Az egyszerő molekulák csak 2-3 atomból álnak, de vannak bonyolult szerves molekulák, melyeket akár sok százezer atom alkot (pl. DNS). Még az egyszerő élılények is rengeteg féle vegyületet tartalmaznak különbözı mennyiségben. Ha méretarányosan felnagyítanánk egy atomot, és egy átlagos baktériumot, akkor a méretük szintén bors-hılégballon arányú lenne.

18 Az evolúció során egyre bonyolultabb élı szervezetek alakultak ki, kezdve a sejtmag nélküli (prokariota) lényektıl (pl. baktérium), át a sejtmaggal rendelkezı (eukariota) egysejtőeken egészen a napjaink kisebb-nagyobb állataiig és növényeiig. Közben az élılények méreti is széles skálán mozgott. A hétköznapok kedves katicabogara az élılények között teljesen átlagos méretőnek nevezhetı. Ez a kis katicabogár annyival nagyobb egy baktériumnál, mint egy hılégballon egy borsszeménél. Nézzük most a méretskála „nagyokat” tartalmazó oldalát. Mindannyian a Föld nevő égitesten élük, mégis keveseknek adatik meg, hogy – például utazások által – realizálhassa mekkora is ez a csodálatos bolygó, de biztos sokan jártak már Kékestetın. A Mátra legmagasabb csúcs egy kilométerrel a tengerszint felett található. Ez csak egy picurka dudor a Föld felszínén, kb. akkora, mint egy borsszem lenne egy hılégballon oldalán. A Föld a Naprendszer tagjaként a Nap nevő csillag körül kering, körülötte pedig a Hold rója köreit. Ha a Földet alma nagyságúnak képzeljük, akkor a Hold egy az almától 4 méterre körözı dió lenne, míg a Nap egy több, mint egy kilométerre lévı hılégballon. Ráadásul a további hılégballonok (csillagok) közül a legközelebbi is olyan távol lenne, mint a valóságban a Hold. A Nap mondhatni egy átlagos csillag a Tejútrendszerben, amelyet több milliárd csillag alkot. Már ebbıl is gondolhatjuk, hogy galaxisunk sokkal nagyobb, mint a Nap. Ha a központi csillagunk egy baktérium mérető lenne, akkor a Tejútrendszer nagysága körülbelül a Föld nagyságával vetekedne. A Tejútrendszer több másik galaxissal együtt alkotja a Lokálos rendszert, amely a Virgo szuperhalmaz része. Ilyen szuperhalmazból is több van az Univerzumban. Ha a tejútrendszer egy homokszem mérető lenne, akkor az Univerzum mérete egy hılégballon nagyságrendjébe esne. Miután áttekintettük az általunk ismert világ elemeit kíváncsiak lehetünk arra, hogy mekkora a különbség a legkisebbek és a legnagyobbak között. Végezzük el a következı gondolatkísérletet! Szerezzünk jó sok neutront, és ezeket szorosan érintkezve egy vonal mentén helyezzük el. Kérdés: Hány részecske szükséges ahhoz, hogy a neutronlánc átérje az univerzumot? Mivel a neutron átmérıje kb. 10-15 méter, az Univerzumé pedig közel 1026m, a válasz: 1041 db, azaz 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 neutron szükséges. Vajon egy átlag ember ennek mekkora részét ismeri? Mindannyian tekintettünk már fel a csillagos égre. Mondjuk azt, hogy a legtávolabbi csillag, amit láttunk 1000 fényév távolságra van. Másrészt egy jobb nagyítóval akár a tárgyak pár századmilliméteres részleteit is kivehetjük. Ha összeszámoljuk ez egy 1023-szoros különbség. Ez egy elég nagy szám, bár az Univerzumot átfogó neutronlánc méretének ez még csak a trilliomod része. Nézzünk egy hasonlatot! Azt mondhatnánk, hogy ekkora számokat a hétköznapi ember nem használ, de az igazság az, hogy mindannyiunknak van számos olyan ismerıse aki ennél nagyobb számokat is ’megélt’. A magyar pengı 1940-es évek közepén a világ legnagyobb hiperinflációján ment át, aminek a forint 1946. augusztus 1.-én történı bevezetése vetett véget. Ekkor 1 forint 400 000 kvadrillió (1029) pengıt ért. Ha annyi 1 pengıs érmét tennénk egymásra, amennyi 1 forintot ért, akkor ez az érmeoszlop átérné az Univerzumot.

Relativitáselmélet A sebesség fogalmát már általános iskolában ismertük (megtett út osztva a megtételhez szüksége idıvel). Már azzal a jelenséggel is biztos mindenki találkozott, amikor az álló vonaton ülve a szomszéd vágányon elinduló vonat miatt azt hisszük mi indultunk el (a másik irányba). Ezt írja le a Galilei-féle relativitási elv, vagyis hogy a sebességek egyszerően összeadhatóak.

19 Nézzünk egy másik példát! Az, hogy egy autóban ülve milyen gyorsan látunk közeledni egy másik autót az csak a két jármő egymáshoz viszonyított sebességétıl függ. Ha két autó 50km/h sebességgel halad egymás irányába, akkor az egyikben ülve a másikat 100km/h sebességgel látjuk közeledni. A sebességek összeadódnak. A fény 300000km/s sebességgel terjed, azonban nem engedelmeskedik a fent említett elvnek, másként viselkedik. Ez a kis „apróság” óriási problémát jelentett a fizikusoknak a 19. század végén. Erre csak Albert Einstein tudott magyarázatot adni, és megalkotva a relativitáselméletet, mely felrúgta a világról addig alkotott képet. Abból kiindulva, hogy a fény sebessége határsebesség (nincs gyorsabb) a relativitáselméletnek több fontos következménye van. Tömegnövekedés Ha egy test gyorsabban mozog nagyobb lesz a tömege. Ez kis (hétköznapi sebességeknél) nem észrevehetı, de közeledve a fénysebességhez a test tömege hirtelen nagyon gyorsan nıni kezd. Egy álló helyzetében 1kg tömegő test ha a fénysebesség (jele: c) 50%-ával halad tömege 1,15kg, ha 90%-ával akkor 2,29kg, ha a 99,999%-ával akkor 223,6kg lesz. Ez a részecskegyorsítókban nagy sebességre gyorsított elektronok esetén sikerült is kimutatni. Távolság kontrakció Ha egy test mozog, akkor a menetirányba esı távolságok számára rövidülnek. Tegyük fel egy hosszú egyenes úton haladunk. Az út mellett kilométerkövek vannak elhelyezve, a szomszédosak között pontosan 1 km a távolság. A relativitáselmélet szerint, ha nagy sebességgel haladunk az úton a kilométerkövek közelebb kerülnek egymáshoz. Távolságuk abban az esetben, ha a fénysebesség 50%-ával haladunk 866m, ha 90%-ával akkor 435m, ha a 99,999%-ával akkor 4,4m lesz. Erre is találhatunk kísérleti bizonyítékot. A légkörben megfigyelhetı egy speciális részecske a müon (2 kvarkból áll). A müon nem stabil csak nagyon rövid ideig él utána elbomlik. Így még ha a fénysebességhez nagyon közeli sebességgel haladna akkor is csak viszonylag rövid távolságot tudna megtenni. Kimutatták azonban, hogy több mint 20 km-re is el tud jutni ezalatt a rövid idı alatt. Ez csak úgy magyarázható, hogy mivel gyorsan halad számára a távolságok megrövidülnek és ezt a rövid távot már meg tudja tenni mielıtt elbomlana. Idıdilatáció Ha egy test mozog számára az idı lassabban telik (nem csak úgy tőnik, nem csak lassabban ketyeg az óra, maga az idı telik lassabban). Ha egy képzeletbeli őrhajós a fénysebesség 99,99%-ával haladna a földi megfigyelık mőszerei azt mutatnák, hogy a szíve csak percenként dobban egyet, és míg az asztronautánk alszik egy jót (8 óra az őrhajón) addig a Földön 23 nap telne el. (Pedig a Földiek és az őrhajós is megszokott módon éli életét.) A korábban említett müon kísérlet ezt is igazolja. A részecske számára lassabban teli az idı, így ezalatt több utat tud megtenni. Mi lenne ha fénysebességgel utaznánk? A tömegünk végtelen nagyra nıne, a menetirányba esı távolságok nullává zsugorodnának és az idı megállna. Ezért határsebesség a fénysebesség, mert tömeggel rendelkezı test nem érheti el és nem is lépheti át, mert nincs olyan erı amely egy végtelen tömegő testet gyorsítani tudna (Newton II. törvény). Ezek nagyon súlyos állítások. Eddig az idıt, a távolságot és a tömeget mindenki egységesnek, változatlannak gondolta. Egy kilogramm márvány reggel is egy kiló, este is. A Budapest-Berlin távolság ugyanakkora a németeknek, mint a magyaroknak. Egy alma nem esik le hamarabb a fáról, ha balról nézzük, mintha jobbról néznénk. Azonban ez nem így van minden attól függ honnan nézzük. A távolságra, az idıre és a tömegre is úgy kell tekinteni, mint a hımérsékletre: nappal ennyi, éjszaka annyi. A korábbi tanulmányok alapján volt (többek között) két fontos megmaradási tétel. Tömegmegmaradás: egy folyamat során a rendszer össztömege nem változik („a tömeg nem vész

20 el”). Energia megmaradás: egy folyamat során a rendszer energiája nem változik. A relativitáselmélet ezeket is megingatta. Látjuk a tömeg csak attól függ honnan nézzük, tehát nem lehet állandó. Einstein szerint az energia (jele: E) és a tömeg (jele: m) egyenértékő, egymásba át tudnak alakulni, együttesen érvényes rájuk egy megmaradási törvény. Ezt fejezi ki a fizika talán legismertebb összefüggése: E=mc2. Téridı és gravitáció A relativitáselmélet szerint az idı is ugyanúgy kezelendı, mint a tér (távolság). A folyamatokat, eseményeket ebben az idıt és teret együttesen kezelı úgynevezett téridı-ben kell kezelni. Tehát a világ, amelyben élünk igazából egy 4 dimenziós rendszer (3 tér dimenzió plusz az idı). Ezt a téridıt a benne elhelyezkedı testek tömege meggörbíti. Ez azt jelenti, hogy az egyenesek nem ugyanazok, mint amelyekre eddig gondoltunk, nem érvényes a hagyományos geometria. A téridınek ez a görbültsége eredményezi azt a jelenséget, amit a hétköznapokban gravitációnak hívunk. Az eldobott kı pályája nem a gravitációs erı (nem is létezik) miatt görbe, hanem a kı egyenes vonalban halad (Newton I. törvény) csak a Föld tömege meggörbíti a téridıt. Napfogyatkozások idején megfigyelhetı, hogy a fénysugarak a Nap mellett elhajlanak, ami igazolja a téridı görbültségét. A téridı görbületének egy másik fontos következménye, hogy nagy tömegek közelében az idı lassabban telik. A hétköznapi életben ez nem kimutatható, jelentısége a nagyon erıs gravitációs terek (neutroncsillag, felete lyuk) esetén van.

Kvantumelmélet A kvantumelmélet nagyon összetett, teljes megértéséhez bonyolult matematikai ismeretek szükségesek, ezért most csak egy pár érdekes alapelemét, következményét tekintjük át érintve a következı fogalmakat: kvantáltság, részecske-hullám kettısség, határozatlanság, véletlen. Elsı lépésben azonban beszéljünk egy kicsit a fényrıl! A (látható) fény elektromágneses sugárzás ugyanúgy, mint a rádióhullám, a mikrohullám, az infravörös- és ultraibolya sugárzás, röntgenvagy a radioaktív γ-sugárzás. Az elektromágneses sugárzás hullámszerő viselkedését nagyon jól igazolja a fényvisszaverıdés, fénytörés, elhajlás és az interferencia jelensége. A különbözı elektromágneses hullámok energiáját a frekvenciájuk határozza meg, nagyobb frekvencia nagyobb energia, akárcsak a látható fény tartományában, ahol a különbözı frekvenciájú hullámokat különbözı színő fényként érzékeli a szemünk. Hogy megértsük hogyan jön létre egy fénysugár kicsit változtatni kell a világról alkotott szemléletünkön. A hétköznapi életben megszokott és evidens dolog, hogy egy mennyiség tetszıleges értéket vegyen fel. Létezhet olyan alma, amelynek a tömege 182,126g és létezhet olyan, amely 212,1g tömegő. A kis méretek világában azonban ez nem ilyen egyszerő. Egy mennyiség csak meghatározott értékeket vehet fel más értékeket nem. Például egy atom tömege nem lehet 3,42-szerese a proton tömegének vagy egy ion töltése nem lehet felel akkora, mint a hidrogénion töltése, mert akkor róla fél elektron hiányozna. (A „kvantum” szó maga is valamiféle legkisebb egységet jelent.) Egy atomban lévı elektron energiája sem lehet bármekkora, az elektron csak meghatározott energiaszinteken lehet. Nem fordulhat elı az, hogy kap egy kis energiát és csak egy kicsivel magasabb energiaszintre ugrik, mert kicsivel magasabb energiaszint nincs, csak jól meghatározott értékő. Ha a kapott energia nem akkora, mint két konkrét szint közti különbség, akkor az elektron nem is tudja „elfogadni” az energiát, marad eredeti állapotban. Ellenkezı esetben az elektron gerjesztıdik, azaz magasabb szintre ugrik. Mivel az atomon belül az elektronok a kisebb energiájú szinteket „szeretik” betölteni (belsı elektronhéjak) gerjesztés után gyorsan megtörténik a legerjesztıdés, vagyis visszakerülnek az alapállapotba. Ekkor viszont pontosan azt az energiamennyiséget adják le, mint amennyi a két szint között van. Ez az energia

21 leadás általában egy ekkora energiájú fénysugár kibocsátásával jár. Mint tudjuk az elektromágneses sugárzás (fény) energiája a frekvenciától (színétıl) függ, így az adott atom, adott energiaszintjei közötti átmenet mindig ugyanolyan az atomra jellemzı színő fény kibocsátásával jár. Ezért sárga a gyertya lángja a gázláng pedig kék. Így lehet megállapítani a napsugárból, hogy milyen anyagokból áll a Nap (spektroszkópia). Az energiaátadás meghatározott csomagokban történı, azaz kvantumos jellegén alapul az ún. fényelektromos jelenség, amely a fotocellák mőködésének alapja. Az elektronok az atomokban kötött állapotban vannak. Ahhoz, hogy egy elektron elhagyja az atomot egy jól meghatározott (arra az atomra jellemzı) energiára van szüksége. Az elektron úgy szerezhet például energiát, hogy elnyel egy fénysugarat. Megfigyelték azonban, hogy például egy adott anyagból gyenge kék fény hatására is sok elektron lép ki, de egy sem hagyja el az anyagot még nagyon erıs vörös fény hatására sem. Erre Albert Einstein adott magyarázatot. (Ezért kapott Nobel-díjat, nem a relativitáselméletért.) A fény felfogható nem csak hullámként, hanem úgy is, mint kis energiacsomagok, részecskék, az ún. fotonok áramlásaként. Az elektron kilépéséhez szükséges energia nem győjthetı össze sok vörös foton elnyelésével apránként, csak egyetlen nagy energiájú kék foton segítségével. (Olyan ez, mintha egy túsz szabadon engedéséhez egymillió forintot kérne a túszejtı, de ezt nem adhatják össze a rokonok, barátok, csak akkor szabadulhatna, ha egy valaki önállóan ki tudja fizetni az összeget.) Így hiába jön rengeteg vörös foton nem történik semmi, míg egy kék foton egyedül képes kiszabadítani egy elektront. A fény tehát nemcsak hullámként fogható fel, hanem részecskeként is. Az elektront, mint elemi részecskét J. J. Thomson 1897-ben fedezte fel, amiért Nobel-díjat kapott. A fia G. P. Thomson 31 évvel késıbb azért kapott Nobel-díjat, mert bebizonyította, hogy az elektron hullám. Most akkor az elektron az részecske vagy hullám? Egyik sem. Az elektron az elektron. Semmilyen szokásos hétköznapi dologra nem hasonlít, de hogy könnyebben el tudjuk képzelni, le tudjuk írni, beszélni tudjunk róla közismert dolgokhoz hasonlítjuk (modellezzük). Egyes esetekben úgy jellemezhetjük a viselkedését, mint egy kis kemény gömb (részecske), más sajátosságai jobban leírhatóak, ha hullámokhoz hasonlítjuk. A jobb megértéshez tekintsünk egy példát! Tegyük fel E.T. meg szerette volna mutatni társainak, hogy milyen is az a földlakó ember, de nem tudott és nem is akart senkit magával vinni, ezért segítséget kért két embertıl. A szabó adott neki egy próbababát, hisz ezzel tökéletesen szemléltetni lehet egy emberi egyed méretét, alakját, külsejét. Az orvos pedig egy egeret adott E.T.-nek, hisz az is egy szén alapú élılény, oxigénre van szüksége, vére keringését a szíve biztosítja, stb. Mind a próbababa, mind az egér hasonlít bizonyos szempontból az emberre, modellezheti azt, de igazából egyik sem ember. Ugyanez a helyzet a fénnyel, az elektronnal és még több dologgal, ezért mondhatjuk azt, hogy kettıs természetőek, részecskék és hullámok is. A kvantumelmélet fontos eredménye a határozatlansági reláció felismerése, mely szerint vannak olyan mennyiségek, amelyek értékét egyszerre pontosan sohasem tudhatjuk. Vegyünk például egy elektront! A határozatlansági elv következtében sohasem tudhatjuk egy adott pillanatban egyszerre, hogy hol tartózkodik ill. merre és mekkora sebességgel halad. Ennek nem az az oka, hogy rossz a mérımőszer, pontatlanok vagyunk, hibázunk. Ha az egyik mennyiséget végtelenül pontosan megmérnénk a másikról nem tudhatnánk semmit, vagy ha egyszerre mind a kettıt mérjük egyikre sem kapnánk pontos eredményt. Ennek egyik következménye a hullámtanból vagy az optikából ismert elhajlás jelensége, azaz ha egy hullám két fal közti kis résen halad át, akkor nemcsak egyenesen továbbhalad, hanem behatol a falak mögötti részre is. Hogyan értelmezhetı ez a határozatlansági elv segítségével egy foton (kis optikai) résen történı haladása során. A rés mérete kicsi, ha rajta áthalad egy foton, akkor egész pontosan meg tudjuk mondani, hogy akkor éppen hol van a foton, mert akkor biztosan a kis mérető résben kell lennie,

22 viszont ekkor nem egyértelmő hogy merre megy (nem ismerhetjük pontosan a sebességét). Bármerre mehet. És a résen áthaladó rengeteg foton egy része balra más része jobbra tér el, és van, aki egyenesen halad tovább véletlenszerően. A klasszikus fizikában nincsenek véletlenek. Egy érme feldobásának a végeredménye nem véletlen, csak olyan sok dologtól függ, hogy nem tudjuk megmondani biztosan a végkifejletet csak valamekkora valószínőséggel. (Rettentı pontosan ismerni kellene az érme alakját, tömegeloszlását, rugalmas tulajdonságait, a feldobás sebességét, szögét, forgatónyomatékát, a levegı sőrőségét, mozgását, a gravitációt, stb.) A kvantumelmélet szerint viszont vannak igazi véletlenek is. Egy radioaktív atom elbomlásának pontos ideje egyáltalán nem határozható meg, teljesen véletlenszerően következik be a bomlás. Mi legfeljebb annyit mondhatunk, hogy például 25% annak az esélye, hogy egy éven belül elbomlik. Az atomok elektronburkában az elektronok sem egy jól meghatározott helyen vannak, csak azt tudjuk, hogy hol a legvalószínőbb a tartózkodás (mikor hol vannak). Ezt még Einstein sem hitte el, erre mondta azt, hogy „Isten nem kockázik”.

Nukleáris folyamatok Amikor egy vasdarabot (Fe) sósavba (HCl) helyezünk vasklorid (FeCl) és hidrogén (H) gáz keletkezik. Ez annak köszönhetı, hogy egyes elektronjaik kölcsönhatásba léptek egymással és így az elektronburkok megváltoztak. A kémia, ilyen elektronszerkezet változást eredményezı reakciókkal foglalkozik. Ilyenkor a kezdeti és a végállapotban ugyanolyan atomok szerepelnek (H, Cl, Fe), csak más szerkezetben. A szén égése, a rozsdásodás, a hypo fehérítı hatása mind ilyen folyamat. A természetben vannak azonban olyan folyamatok is, ahol nem a molekulák szerkezete, hanem maguk az atomok alakulnak át. A 20. század elején Henri Becquerel francia fizikus azt a megfigyelést tette, hogy fénytı jól elzár fényképezı lemezei egy urán tartalmú kızet közelében megfeketedtek. Vizsgálatai eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy a kızet valamiféle addig ismeretlen sugárzás bocsát ki. Ezt elnevezték radioaktív sugárzásnak. Ernest Rutherford, Pierre és Marie Curie munkássága révén kiderült, hogy ez az atomok tulajdonsága (tehát nem függ az anyag kémiai, fizikai szerkezetétıl, a környezet hatásaitól), valamint három különféle csoportra tudták bontani a sugárzásokat. Az alfasugárzás két protonból és két neutronból, azaz hélium atommagokból áll. A bétasugárzást nagy energiájú elektronok alkotják. A gamma sugár, pedig nagyfrekvenciájú elektromágneses sugár (a fény, a röntgensugár, a rádióhullámok "rokona"). Az egyes típusok különbözıképpen viselkednek. Az alfa sugár áthatolóképessége kicsi, hatósugara levegıben is csak néhány cm. Egy vékony papírlapon sem tud áthatolni. A bétasugárzást már például csak egy vastagabb faréteg tudja megállítani. A gammasugárzás ellen, pedig már csak több cm vastag ólomlemez, vagy egy vastag betonfal véd. Felmerülhet bennünk a kérdés, hogy mi történik egy atommal, ha az például egy alfa sugarat bocsát ki? Az alfa részecske ugye két protonból és két neutronból áll. Ha ezek távoznak az atom magjából ott kevesebb protonnak ill. neutronnak kell lennie, mint a kibocsátás elıtt. Tehát megváltozik a tömegszám és a rendszám is. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a visszamaradó atom már egy másfajta atom, nem ugyanaz az anyag, mint korábban. Azt mondhatjuk, hogy az atom radioaktív bomlás során átalakult. Ez az új atom szintén lehet radioaktív és így tovább bomolhat, és így tovább mindaddig amíg nem keletkezik egy stabil (nem radioaktív) atom. Ha van például 1kg radioaktív "X" anyagunk, akkor a bomlás tényébıl az következik, késıbb már nem lesz 1kg "X" anyagunk, mert egy része elbomlott. Bevezethetünk minden anyagra egy felezési idı nevő mennyiséget, amely megmutatja mennyi idı alatt bomlik el az adott anyag fele. Értéke eltérı

23 lehet a 238U felezési ideje 4,5 milliárd év, a 216Ra-é pedig 7 ns (7*10-9 másodperc). A periódusos rendszer egyes elemeit (Technécium) például azért nem találjuk meg a természetben, mert mostanra már teljesen elbomlottak. Bomlás közben hı is keletkezik. A Föld magjában lévı radioaktív anyag bomlása során felszabadult hınek köszönhetı hogy a Föld még nem hőlt ki teljesen, ezért forró a magma. Az atommagok, és így az atomok átalakulásának egy másik módja az, ha egy nagyobb, sok nukleont tartalmazó atommag két kisebb atommagra és például néhány kisebb részecskére esik szét. Ez a maghasadás. Ezalatt rengeteg energia szabadulhat fel. Az is elıfordulhat, hogyha két kismérető mag egymáshoz elég közel kerül, akkor összetapadnak, mert nekik az kedvezıbb állapot. Ehhez azonban a kis atommagoknak nagyon közel kell egymáshoz kerülniük, pl. óriási sebességgel történı ütközés révén. Mivel egy anyagban a részecskék mozgását a hımérsékletük határozza meg, így több millió fokos hımérséklet szükséges ahhoz, hogy a részecskék elegendı sebességre tegyenek szert. Eközben hatalmas mennyiségő energia szabadul fel. Ezt a folyamatot magfúziónak nevezzük. A magfúzió és a maghasadás során a kiinduló atommagok tömege nagyobb, mint a keletkezı magok és részecskék tömege. A hiányzó anyag energiává alakult a relativitáselmélet E=mc2 összefüggése alapján ez biztosítja az e folyamatok lejátszódása során keletkezı hatalmas energiát. Ezen alapfogalmak áttekintése után nézzük meg milyen jelentıséggel bírnak a különbözı nukleáris folyamatok a gyakorlatban! Milyen hatással vannak például a különbözı radioaktív sugarak az élı szervezetre? Ezek a sugárzások különbözı kémiai és fizikai folyamatok révén alapvetıen károsítják az élı sejteket (a sejtek elhalását esetleg mutációját eredményezik), de biológiai hatásuk eltérı. Mivel az α-sugarak áthatoló képessége kicsi, tehát energiáját gyorsan leadja a becsapódás helyén nagy károkat okozva. Egy ilyen sugárzó anyagot azonban akár kézbe is vehetünk, mert az α részecskék már a bır legkülsı szaru rétegén elakadnak (csak azt roncsolhatják). Ám, ha ilyen anyag kerül a szervezetbe (pl. táplálék útján) akkor a védtelen belsı szövetekben komoly károsodást okozhat. A β sugarak áthatolóképessége jóval nagyobb, így akár már például érintés esetén is bejuthatnak a β-elektronok a kézbe, de csak lassan fékezıdnek le így nagyobb területet, de csak kismértékben roncsolnak. Mint korábban említettük, a γ-sugarakat csak egy ólom réteg, vagy egy vastagabb betonfal állítja meg, így gond nélkül bejutnak a szervezetbe (akár távolabbról is), de csak viszonylag kisebb károkat okoznak, egy részük gond nélkül áthalad a szervezeten. A radioaktív sugarak a fiatal sejteket nagyobb mértékben károsítják, ezért az egészségügyben a gyorsan osztódó ráksejtek elpusztítására használják. A csillagok fényét a magfúzió energiája biztosítja. A csillagok belsejében fıként hidrogén atommagok egyesülnek hélium magokká, bár több másik nehezebb elem magjai is kialakulnak (kisebb arányban). A radioaktív bomlás egyik gyakorlati alkalmazása a radioaktív kormeghatározás. A természetes szén nagy része 12C izotóp egy kisebb része viszont a radioaktív 14C izotóp. Ezek ugye kémiailag teljesen egyformán viselkednek, azonos az elektronszerkezetük. Egy cukor molekula mindegyik szén atomja elvileg lehet 12C vagy 14C, nem lesz más íze a cukornak. Az élı szervezetben a kettı aránya nem változik a folyamatos anyagcserének köszönhetıen. Viszont a halál után például a csontok nem kapnak és nem is adnak le egyik izotópból sem. Viszont a 14C 5700 év felezési idıvel elbomlik. Így a 12C és 14C arányból meg lehet mondani, hogy nagyjából mikor halt meg az a dinoszaurusz, aminek a csontját vizsgáljuk. A maghasadás során ugye egy nagy mag két kisebb magra és pár egyéb részecskére bomlik. Például az urán 235 tömegszámú (azaz 92 protont és 143 neutront tartalmazó) izotópjának a

24 magja egy neutron becsapódás hatására kéz kisebb magra (92Kr, 141Ba) hasad és eközben keletkezik 3 újabb neutron. Ha ezek a neutronok újabb 235U magokat találnak el a hasadások során keletkezı még több neutron még több hasadást vált ki, és így tovább. Láncreakció alakul ki. Az egyedi hasadások során keletkezı energia megsokszorozódik így hatalmas energia tud hirtelen felszabadulni. Ha elég sok 235U van egy helyen és a folyamat beindul akkor az robbanásszerő hıenergia felszabadulással jár. Ez a folyamat játszódik le a hagyományos atombombában (pl. Hirosima, 1945. augusztus 6.). A természetben található urán csak kis arányban tartalmaz 235U-t, de ezt lehet dúsítani. Ahhoz, hogy a láncreakció beinduljon elég csak megfelelı mennyiségő uránnak egy helyen lenni (kritikus tömeg). Ha két kritikus tömegnél kisebb dúsított urándarabot egymásnak „lövünk” és együttesen nagyobb a tömegük, mint a kritikus érték, akkor kész a „házi atombomba”. A bomba ereje abban rejlik, hogy a felszabaduló energia hatására a központi rész több millió Celsius fok hımérséklető lesz. Ez a forró, nagynyomású levegı egy lökéshullámot generál, ami szinte mindent elsöpör. Másrészt a hatalmas hımérséklet hatására a közvetlen környezetben lévı anyag elpárolog. A robbanás egy fény és hıhullámot is generál, ami mindent lángba borít. Emellett még figyelembe kell venni a közvetlen radioaktív sugárzást és azt, hogy a környéken lerakódó radioaktív hulladék másodlagos, tartós sugárzását. Említettük, hogy kisebb magok egyesülésével nagyobb magok jöhetnek létre, ez a magfúzió jelensége, ami szintén hatalmas energia felszabadulással jár. Ezt az emberiség egy másik pusztító fegyver fúziós-, avagy hidrogénbomba megalkotásával „használta” ki. Az ilyen bombákban többnyire lítium-deuteridet használnak. Azaz 3-as rendszámú lítium 6-os tömegszámú izotópját (6Li) és a hidrogén 2-es tömegszámú (3H vagy D) izotópját a deutériumot. A bombában a fúzió beindulásához szükséges hımérséklet elérését egy hasadási- vagyis atombomba felrobbantásával érik el. A pusztítóerı így jelentısen fokozható, ám a radioaktív szennyezés csak a (gyújtó) atombomba méretétıl függ. A nukleáris fegyverek pusztító hatását a hagyományos robbanóanyagokhoz képest mérik. Például a Hirosimára dobott bomba 20kt-s azaz 20kilotonnás erejő volt. Ez azt jelenti, hogy akkora rombolást végzett, mint amit 20 000 tonna TNT (dinamit) robbanása okozna. Az eddig felrobbantott legnagyobb erejő bomba a Szovjetúnió „Cár-bombája” mely 50 Mt-s (azaz 50 millió tonna TNT) erejő volt. Olyan bomba is készíthetı, amelynek nincs ekkora mechanikai pusztító hatása, de nagyon jelentıs mértékő rövid ideig tartó neutronsugárzást eredményez. Így például az ellenséges tankok, felszerelések, épületek teljesen épek maradnak, „csak” a katonák, az emberek halnak meg. Ez a neutronbomba. A pusztítás „legaljasabb” eszköze a kobalt bomba. Ennek sem túl nagy a mechanikai romboló ereje, de a hasadási folyamat során keletkezı rendkívül radioaktív izotópok hosszú ideig lakhatatlanná teszik a környéket. Ha el tudjuk érni, hogy a 235U hasadása során keletkezı 3 neutron közül csak az egyik váltson ki újabb hasadást, akkor a láncreakció nem áll le és nem is szalad meg. Így egyenletesen, hosszabb idı alatt szabadul fel az energia, ami a maghasadás békés célokra történı felhasználásának, vagyis az atomerımővek mőködésének az alapja. Az atomreaktorban szabályozott keretek között a maghasadás során keletkezı hıenergiáját nagynyomású gız elıállítására használják, amely turbinákat meghajtva elektromos áramot termel. Sokan félnek az atomreaktoroktól, indokolatlanul. A paksi atomerımő teljesítménye közel 20-szorosa az ajkai (széntüzeléső) hıerımőnek. Azonban az ajkai erımő kb 1000-szer több sugárzást juttat a környezetbe, mint az atomerımő, mert a fosszilis eredető szénben relatíve nagy mennyiségő urán található, ami nem ég le és a füsttel együtt a külvilágba jut. Ráadásul emellett még sok már mérgezı és üvegházhatást fokozó anyagot is kibocsát. Az atomerımővekben a

25 hulladékot nagyon szigorú feltételek mellett gondosan tárolják (nem engedik ki a kéményen). Nem is beszélve arról, hogy a hatalmas szénigényt rengeteg bányász kemény munkája árán tudják csak kielégíteni. Az esetleges balesetek veszélye is kicsi köszönhetıen modern megoldásoknak és a szigorú emberi- és mőszaki feltételeknek. Míg a csernobili baleset hosszú távú hatásait figyelembe véve sem éri el az áldozatok száma a 30000 fıt, addig Kínában egy gátszakadás során órák alatt 250000 ember vesztette életét.

Az Univerzum története A csillagászok egy alapvetı fizikai jelenség segítségével meg tudják mondani, hogy a galaxisok merre és mekkora sebességgel haladnak. Ilyen mérésekbıl azt állapították meg, hogy a galaxisok távolodnak egymástól. Ez azt jelenti, hogy korábban közelebb voltak, még korábban még közelebb. Ez csak úgy magyarázható, ha elfogadjuk azt, hogy valamikor nagyon régen pedig egy egészen kicsiny térfogatban helyezkedtek el. Ez az alapja az ısrobbanás (big bang) elméletnek. Vizsgálatok azt az eredményt adták, hogy az Univerzum kb. 13,7 milliárd évvel ezelıtt keletkezett. Kezdetben a teljes világmindenség egy pontba zsúfolódott. Az összes anyag, sıt még a téridı (tehát a tér és az idı is) ebben a pontban létezett csak. (Így annak a kérdésnek, hogy mi volt az ısrobbanás elıtt, nincs is értelme, mert akkor még nem is létezett idı.) Ezután a téridı fénysebességgel kezdett tágulni. Az elsı 10-43 másodpercrıl (roppant rövid idı) még nem sokat tudunk. Ekkor a hımérséklet 1032°C körül lehetett. 10-35 másodperc elteltével az Univerzum elektronok, kvarkok és ezek antirészecskéinek forró, sőrő keveréke volt. 10-10 másodperces korára az univerzumban található összes antianyag és az anyag többsége annihiláció során megsemmisül, de marad ki egy kevés anyag (kvark, elektron). Az elsı ezredmásodperc elteltével az összes kvark neutronokká és protonokká állt össze. 10 perc elteltével a fokozatosan táguló Univerzumban a hımérséklet néhány száz millió fokra csökkent és így a protonok és neutronok összetapadásával létrejönnek az elsı kis atommagok (deutérium, hélium). Eztán 300000 évnek kellett eltelnie ahhoz, hogy a tovább táguló világegyetemben a hımérséklet elérje a pár ezer fokot. Ez azért fontos mert így az atommagok meg tudják kötni az elektronokat, létrejöhetnek az elsı stabil atomok (hidrogén, hélium) amelyek már olyan „hidegek” (pár ezer fok), hogy a hımozgást végzı (izgı-mozgó) atomok ütközésük során nem esnek szét ismét atommagra és elektronokra. Így ezután a teljes világegyetem nem volt más, mint egy kizárólag hidrogént és héliumot tartalmazó gázkeverék, amely azonban nem teljesen egyenletesen sőrő. A sőrőbb részei a gravitáció hatására összehúzódtak, fokozatosan tovább sőrősödtek. Mint fizikából tudjuk az összenyomódó gáz felmelegszik. Így ezekben a sőrősödı gázgömbökben egyre nagyobb lesz a hımérséklet, míg végül el nem éri azt az értéket, amelyen már beindul a hidrogén magfúziója. Ezek válnak így az elsı csillagokká, kb. fél milliárd évvel az ısrobbanás után. A továbbiakban az Univerzum történelmét a csillagok fejlıdése határozza meg, ezért most megnézzük milyen állapotai vannak a csillagok életének. Miután a nagytömegő összehúzódó gáztömegben beindul a magfúzió táplálta energiatermelés a csillag „felfénylik”, és a belsejében lévı meleg megakadályozza, hogy a tömegvonzás tovább zsugorítsa a csillagot. Ez az állapot addig tart, amíg a csillag hidrogénkészlete ki nem merül. Ezután a csillag gyorsan zsugorodni kezd, egyre nagyobb lesz benne a nyomás és a hımérséklet, ami kedvez (a hidrogén fúziója során keletkezı) hélium atommagok fúziójának. Így újra hatalmas mennyiségő energia termelıdik, aminek a melege óriásira fújja fel a csillagot. Ezt az állapotot nevezzük vörös óriásnak. Az, hogy mi történik ezután a csillaggal azt a tömege határozza meg. A kis tömegő csillagokban a hélium fúziójának leállása után a csillag ismét elkezd összehúzódni, ne már nem

26 indulnak be újabb folyamatok. A Nap tömegével összemérhetı csillag Föld méretővé zsugorodik, közben felmelegszik. Ezt az állapotot nevezzük fehér törpének. Ezután a csillag nagyon lassan kihől. A nagyobb tömegő csillagok a hélium fúziójának leállása után ismét összehúzódnak, belsejük nagyon nagy hımérsékletre melegszik, ahol már hirtelen további fúziós folyamatok sorozata indul be. Ez nagyon rövid idı alatt hatalmas energiájú robbanást, az ún. szupernóvát eredményez. Ekkor a csillag fényessége összemérhetı egy teljes galaxis fényességével. Közben a csillag anyagának nagy része szétlökıdik a világőrben. A megmaradó rész sorsát ismét a tömege határozza meg. Kisebb tömeg esetén a szuperóriás gravitációja olyan erıs, hogy az atomok elektronjait az atommagba préseli, ahol azok a protonokkal kombinálódva neutronokká alakulnak. Megszőnik az elektromágneses erı, amely az egyes atommagokat távol tartja, és a csillag teljes magvából csupán egy neutronokból álló sőrő gömb jön létre (tulajdonképpen egyetlen nagy atommagból). Az ilyen csillagokat hívjuk neutroncsillagnak. Ezek atommag sőrőségő és csak néhány 10 km átmérıjő gyorsan forgó égitestek. Ha a csillag tömege elég nagy a gravitáció hatására a neutronok is összepréselıdnek. Végül a csillag olyan sőrő lesz, olyan erıs lesz a gravitációja, hogy az ottani szökési sebesség meghaladja a fénysebességet. Így az égitestet semmi (még a fény sem) hagyhatja el. Ez az állapot a fekete lyuk, melyet a relativitáselmélet is megjósolt. A csillagok megjelenésének és halálának óriási szerepe van a fejlıdés további menetére. A csillagok megjelenése elıtt a teljes Univerzumot csak és kizárólag hidrogén és hélium alkotta. Viszont a csillagokban lezajló magfúzió nagyobb magokat is létrehoz. A vörös óriásokban szén, oxigén, a szupernóva robbanás elıtt nátrium, alumínium, kalcium, vas keletkezik, míg a szupernóva robbanás a vasnál nehezebb atomokat (jód, arany, ólom, urán) is létrehozza és ráadásul szétszórja a világőrben. Az, hogy ma arany és ezüst ékszereket viselhetünk, mind annak a következménye, hogy a közelben a Föld keletkezése elıtt csillagok robbantak fel. Közel 5 milliárd évvel ezelıtt a szupernóvák által létrehozott nagyobb atomokat is tartalmazó anyagfelhı elkezdett zsugorodni, sőrősödni. Középpontjában alakult ki a Napunk és körülötte egyéb égitestek kezdtek kialakulni és folyamatos ütközések és összetapadás révén növekedni. Így alakult ki a Föld kb. 4,6 milliárd évvel ezelıtt. A Föld történelmét 4 eon-ra oszthatjuk: hadaikum, archaikum proterozoikum, phanerozoikum. Ez utóbbi továbbit három idı alkotja: paleozoikum, mezozoikum, cenozoikum (vagy kainozoikum). Ezek idıszakokra oszthatóak. Paleozoikum: kambrium, ordovicium, szilúr, devon, karbon, perm. Mezozoikum: triász, júra, kréta. Cenozoikum: harmadidıszak, negyedidıszak. A cenozoikum idıszakai pedig korokra oszlanak. Harmadidıszak: paleocén eocén, oligocén, miocén, pliocén. Negyedidıszak: pleisztocén és holocén. A hadaikum 4600 millió évvel ezelıtt kezdıdött és 3900 millió évvel ezelıttig tartott. A folyamatos meteor becsapódások miatt a felszín kb. 1000°C-os, majd a becsapódások ritkulásával, lassan elkezdett hőlni és megszilárdult. Ahogy a hımérséklet tovább csökkent a légkörbıl a vízgız lecsapódott, de mielıtt a még pár száz fokos felszínt elérte volna újra elpárolgott (évezredes esızések idıszaka). A következı eon az archaikum, mely 2500 millió évvel ezelıttig tartott. Ekkor a légkör még nem tartalmazott oxigént (O2), csak ammóniát (NH3), metánt (CH4), vízgızt (H2O) és széndioxidot (CO2). Az ekkor kialakult ısóceánban közel 3,5 milliárd évvel ezelıtt kialakultak az elsı, még sejtmag nélküli (prokarióta) élılények, például baktériumok. Az archaikum után következett a proterozoikum, amely 570 millió évvel ezelıttig tartott. Az elsı sejtmagvas egysejtőek 1,4 milliárd, a többsejtő élılények kb. 1 milliárd évvel ezelıtt jelentek meg, majd pedig hamarosan a csalánozók, győrősférgek, és tengeri ízeltlábúak.

27 A Föld történetének utolsó eonja a phanerozoikum három idıre oszlott: paleozoikum, mezozoikum, cenozoikum vagy más néven kainozoikum. Ezek tovább oszthatóak idıszakokra. A kambriumban (570-550 millió évvel ezelıtt (m.é.e.)) az élılények elterjedésével a légkör oxigéntartalma elkezdett rohamosan növekedni, majd ennek hatására kialakult az ózonréteg. Közben megjelentek a gerinctelen vázas állatok (pl. trilobita). A devon idıszakban (408-360 m.é.e.) A növények (ısharasztok) és az állatok (ízeltlábúak) meghódították a szárazföldeket. A karbon idıszakban (360-286 m.é.e.) jellemzı mocsárerdık maradványai alkotják a mai kıszén lelıhelyeket. Ekkor terjednek el a kétéltőek. A földkéreg lemeztektonikai mozgásai miatt kialakul a Pangea az összes szárazföldet magába foglaló egységes ıskontinens. A paleozoikum (ısidı) végét jelentı triász idıszakban (286-245 m.é.e.) elterjedtek a hüllık és a nyitvatermık. Az idıszak végén az állatvilág 50%-a kihalt. A mezozoikumban (középidı) található júra (208-144 m.é.e) és kréta (144-66 m.é.e) idıszak a nyitvatermık (fenyık) és a hüllık (dinoszauruszok) virágkora, bár megjelennek a zárvatermık, a madarak és az emlısök is. Az egységes Pangea feldarabolódik, az északi kontinenst Laurázsiának a délit Gondwanának nevezzük. A kréta korszak végén az állatvilág jelentıs része (70%) kihal egy meteor becsapódás következtében. A középidıt követı Kainozoikum (újidı) két idıszakra osztható. A harmadidıszakban (66-2 m.é.e.) elterjednek a zárvatermık, és az emlısök. A harmadidıszak az alábbi korokra osztható: paleocén, eocén, oligocén, miocén, pliocén. Az oligocén korban, kb. 30 m.é.e. jelentek meg az emberszabásúak. A harmadidıszak végére a kontinensek nagyjából a mai helyükre kerültek. A negyedidıszak (2 millió évvel ezelıttıl máig) két korra osztható: pleisztocén és holocén. Erre az idıszakra tehetı az ember evolúciója. Az emberszabásúak fokozatos felegyenesedésével egyre jobban felszabadult a mellsı végtagjuk és így azokat eszközök készítésére tudta használni, megjelent a Homo Habilis, az ügyes ember (1,8 m.é.e.). Végül az emberelıdök 1,5 m.é.e. teljesen felegyenesedtek kialakult a Homo Erectus, a felegyenesedett ember, majd 0,5 m.é.e. megjelent az értelmes ember (Homo Sapiens), majd pedig az utolsó jégkorszak végén jelent meg a mai ember (Homo Sapiens Sapiens). Ekkor, kb 10000 évvel ezelıtt kezdett el az ember mezıgazdasággal, állattenyésztéssel foglalkozni. Kb. 8000 évvel ezelıtt jelentek meg ez elsı nagyvárosok (Babilon, Jerikó). 6000 évvel ezelıtt találta fel az ember az írást. Nagyjából 200 évvel ezelıtt az ipari forradalom idején jelentıs társadalmi és technikai változások következtek be. Durván 50 évvel ezelıtt pedig az ember elhagyta azt az égitestek, ahol született, megkezdıdött az őrkorszak. Így az Univerzum történetének áttekintésében eljutottunk az ısrobbanástól a mai napig. Hogy az idıtartamok nagyságrendjét érzékeltessük képzeljük el, hogy az ısrobbanás óta eltelt idı egy nap, azaz 24 óra. Tehát az univerzum 0 óra 0 perckor született meg. Ebben az esetben a Föld 16 óra 07 perckor alakult ki, az élet 17 óra 52 perckor jelent meg a Földön, az elsı emlısök 23 óra 39 perckor jelentek meg, a mai emberrıl pedig csak az utolsó óra utolsó percének utolsó másodpercében beszélhetünk. Hogy mit rejt a jövı, azt nem tudhatjuk, de pár eseményrıl már van sejtésünk. Ha az ember abba is hagyja az önpusztító viselkedést (háborúk, környezetszennyezés, stb.) és külsı tényezık (pl. egy meteor) sem szólnak közbe és mondjuk, így a civilizáció mondjuk még pár ezer évig fennmarad, az is elhanyagolható idıtartam az Univerzum történelmében. Ma a Nap még a hidrogén fúzió révén termel energiát, de a hidrogénkészlete kb. 5 milliárd évig elegendı. Ekkorra héliumégetı vörös óriássá fog nıni. Ekkor a Földön a hımérséklet kb. 1000 fokra növekszik, az élıvilág elpusztul, az óceánok elpárolognak. Végül a Nap annyira is megnıhet, hogy a Földet is bekebelezi (100-szoros átmérı). Ezután a Napból egy fehér törpe lesz. Most még az egész Univerzum tágul, de azt, hogy ez meddig fog tartani, az attól függ, hogy mennyi az univerzum

28 teljes tömege. Ha ugyanis egy kritikus érték alatt van, akkor a gravitáció nem tudja megállítani a tágulást és a Világegyetem örökké tágulni fog. Közben minden csillag kihől, a galaxisok szétesnek végül egy egyensúlyi állapot következik be, ahol nem lesznek hidegebb-melegebb pontok, nem lesznek égitestek. Ha azonban az Univerzum tömege nagyobb a kritikus értéknél, akkor a tömegvonzás megállítja a tágulást és elkezdıdik egy összehúzódás, melynek a végén (kb. 80 milliárd év múlva a világegyetem úja egy ponttá zsugorodik össze. Egyszer késıbb ebbıl újra indulhat egy ısrobbanás egy új világegyetemet létrehozva.

29

Összegzés E jegyzet tartalma, mint látható, a természettudományos ismeretek elég széles körét lefedte. Ezen ismeretek elsajátítása közben az olvasóban (remélhetıleg) egy újfajta világszemlélet bontakozik ki. Ezután talán jobban megérhetıvé válnak a természet jelenségei, kritikusabb szemmel figyelheti az ember a körötte lévı világot. Látható, hogy az ismeretek felépítése nem lineáris. Valószínőleg sok embernél ez váltja ki az ellenszenvet a természettudományokkal szemben, és sajnos a közoktatásban nem fordítanak elég hangsúlyt ennek elterjesztésére. Mit is jelent ez a lineáris felépítés. Például egy vers megtanulása nem jelent mást, mint hogy ismerjük a verssorokat és ismerjük ezeknek a fix sorrendjét, azaz hogy melyik sor után melyik következik, melyik versszak a következı. Ha valaki egy versnek az elsı versszakát nem ismeri a többit gond nélkül meg tudja tanulni. A természettudományokban az ismeretek egymásra épülnek, mindegyik összefügg más elemekkel. Ha kihagyjuk az alapokat nem tudunk tovább haladni, és hiába ismerünk minden tényt, ha a köztük lévı kapcsolatok ismeretlenek nem érünk velük semmit. Hogy könnyebben elsajátítsuk e jegyzet ismeretanyagát és átláthassuk a benne rejlı összefüggéseket, tekintsük át a témák kapcsolódását szemléltetı ábrát!

Remélem sikerült jegyzetemmel új ismereteket bemutatni, összefüggéseket megértetni, felkelteni az érdeklıdést a természettudományok iránt, a következetes, logikus gondolkodás magjait elhinteni.

30

Kislexikon • alapvetı kölcsönhatások A természetben összesen négy féle kölcsönhatás (erı) létezik: gravitációs kölcsönhatás, elektromágneses kölcsönhatás, erıs kölcsönhatás, gyenge kölcsönhatás. • általános relativitáselmélet A tér, az idı és a tömeg kapcsolatát elíró elmélet. Alapvetı állításai: 1) a tömegek közelében a téridı meggörbül (pl. az idı lassabban telik), 2) a gravitáció a téridı görbület következménye, 3) a tömeg-energia ekvivalencia. Lásd még: speciális relativitáselmélet. • annihiláció Az a folyamat, mely során részecske-antirészecske pár kölcsönösen megsemmisíti egymást és eközben két nagyenergiájú foton keletkezik. Az ellenkezı folyamat a párkeltés. • antianyag Olyan részecskék együttese, melyek az anyag részecskéire hasonlítanak, csak egyetlen tulajdonságuk ellentétes. Lásd még: pozitron, annihiláció, párkeltés. • antielektron Lásd: pozitron. • aszteroida Lásd: kisbolygó. • atom Az anyagok kémiai egysége. Atommagból és elektron burokból áll. Mérete 10-10m nagyságrendő. Elektromosan semleges. Kémiai tulajdonságát az elektronok száma határozza meg, amely egyenlı a protonszámmal, azaz a rendszámmal. • atombomba Nukleáris fegyver, mely maghasadás során felszabaduló energiával ér el hatalmas pusztítást. Robbanó ereje néhányszor tíz kilótonna. Hasadóanyaga urán vagy plutónium. Háborús körülmények között „csak” kétszer vetették be (1945 Japán). • atommag Az atom központi része, amelyet protonok és neutronok. Pozitív töltéső. Az atom tömegének több mint 99,999%-a itt található. Mérete 10-14m nagyságrendő. • atomreaktor Szabályozott maghasadási láncreakció során keletkezı energiát hasznosító erımő. • big-bang Lásd még: ısrobbanás. • bolygó Csillagok körül keringı nagymérető égitest. A Naprendszerben 8 bolygó található (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars, Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz). Mozgásukat a Kepler-törvények írják le. • csillag Nagymérető forró égitest, melynek energiája magfúzióból származik. Felszíne néhány ezer Celsius fokos, magja több millió fokos. Fejlıdésének különbözı fázisai vannak: fehér törpe, vörös óriás, szupernóva, neutroncsillag, fekete-lyuk, stb. • elektromágneses kölcsönhatás Az elektromágnesség az az erı, amely az elektromosan töltött részecskék között hat. Magában foglalja az elektrosztatikai erıt (azonos töltések taszítják egymást, különbözıek vonzzák), mely

31 két nyugvó töltés között hat, valamint az elektromosság és a mágnesség összetett hatásait, melyek az egymáshoz képest mozgó töltött testek között hatnak. Hatótávolsága végtelen, de árnyékolható. Ez felelıs egy csomó hétköznapi jelenségért, mint amilyen az izzólámpa, a rádió mőködése, a molekulák szerkezete, a súrlódás és a szivárvány. Lásd még: alapvetı kölcsönhatások. • elektromágneses sugárzás Az elektromos és mágneses tér hullámszerően terjedı rezgése. A kvantumemélet szerint az egysége (kvantuma) a foton. Legfıbb jellemzıi a frekvencia és a hullámhossz (fordítottan arányosak). A természetben elıforduló elektromágneses sugárzások a következı csoportokba sorolhatók növekvı frekvencia (csökkenı hullámhossz) szerint rendezve: rádióhullám, mikrohullám, infravörös, látható fény (vörös, narancs, sárga, zöld, kék, ibolya), ultraibolya (UV), röntgen, γ-sugárzás. • elektron Az atomok magon kívüli burkát alkotó negatív elektromos töltéső részecske. Töltése egyenlı nagyságú (de ellentétes) a proton töltésével, míg tömege kb. 1840-szer kisebb, mint a protoné. A leptonok csoportjába tartozik. Jele: e . Lásd még: proton, neutron. • elektron szerkezet Az elektronok elhelyezkedését jelenti az atomon belül. Az elektronszerkezet határozza meg az atomok, molekulák kémiai viselkedését, meghatározza, milyen kémiai kötésekben vehetnek részt. Az elektronok elektronhéjakba rendezıdnek. Minden héj meghatározott számú elektront tartalmazhat. Az energetikailag legkedvezıbb állapot az, amikor minden elektronhéj zárt. Erre törekedve jönnek létre a kémiai kötések. A le nem zárt elektronhéjon található elektronokat vegyértékelektronoknak nevezzük. • erı A testek mozgását befolyásoló tényezı. Olyan dolog, amely tömeggel rendelkezı testet gyorsulásra kényszerít. Lásd még: Newton törvények, gravitációs kölcsönhatás, elektromágneses kölcsönhatás, erıs kölcsönhatás, gyenge kölcsönhatás. • erıs kölcsönhatás Ez a kölcsönhatás tartja össze a nukleonokat. Rövid hatótávolságú, csak az atommagon belül van hatása. Lásd még: alapvetı kölcsönhatások. • év Az az idıtartam, amely ahhoz szükséges, hogy egy bolygó megkerülje a központi csillagát. A Föld esetén 365,25 nap, a Merkúron 88 földi nap, a Neptunuszon 60190 nap. Lásd még: nap. • évszak Mivel a Föld forgástengelye és pályasíkja nem derékszöget zár be és a tengely mindig ugyanabba az irányba mutat a Nap sugarai nem egyforma szögben érik a Föld felszínt az év minden szakában. Amikor nagyobb szögben érkeznek a napsugarak az egyik féltekére akkor ott nyár van. • fehér törpe Kisebb csillagok fejlıdésének végállapota. Ha a kisebb vörös óriásban a Hélium magfúziója leáll a gravitáció hatására a csillag összehúzódik, sőrővé válik. • fekete lyuk Nagy szupernóvák maradványa, mely a gravitáció hatására összehúzódik. Sőrősége kb 1013kg/cm3 nagyságrendő. Sőrősége és tömege olyan nagy, hogy belıle még fénysebességgel sem lehet kilépni. • felezési idı

32 Radioaktív anyagok tulajdonsága, azt mutatja meg, hogy egy anyag radioaktív bomlás során mennyi idı alatt bomlik a felére. A 235 tömegszámú urán felezési ideje 700 millió év, a 216 tömegszámú rádium felezési ideje 7 milliárdod másodperc. • fémes kötés Az atomok vegyértékelektronjai egy közös „elektrontengert” alkotnak, ez tartja össze az atomtörzseket. • fényév Az a távolság, amelyet fénysebességgel 1 év alatt lehet megtenni. Értéke közel 9,5 billió km. • fénysebesség Az elérhetı legnagyobb sebesség. Értéke c=300000km/s. Tömeggel rendelkezı test nem érheti el ezt a sebességet. Ez a kiindulópontja a speciális relativitáselméletnek. • fizikai mennyiség A fizikai mennyiség mindig egy mérés eredménye. Egy mérıszám és egy mértékegység együttese, például: 23,5 kg; 1,25 kg m/s2. • foton A fény (elektromágneses sugárzás) egysége (kvantuma). Nyugalmi tömege nincs. Fénysebességgel halad. Lásd még: kvantáltság. • fotoszintézis Az a napfény hatására lejátszódó folyamat, mely során a zöld növények széndioxidból és vízbıl szénhidrátot és oxigént állítanak elı. Ez a Föld egyetlen természetes széndioxid nyelı és egyetlen természetes oxigén termelı folyamata. Továbbá ez az egyetlen természetes folyamat, mely során a Nap fényenergiája kémiai energiává alakul, így a tápláléklánc révén minden élılény energiaforrása. • Föld A Naptól számítva a 3. bolygó, a Naptól 150 millió km távolságra kering. Keringési ideje 365,25 nap, tengelyforgási ideje 23,93 óra, átmérıje 12756 km, tömege 6*1024kg, sőrősége 5,5 kg/cm3. Forgástengelye a pályasíkkal 66,4° szöget zár be, ez okozza az évszakokat. Egy holdja van, a Hold. Lásd még: Föld szerkezete, Föld felszíne, Föld légköre, Földtörténet. • Föld szerkezete A Föld belsı szerkezetét legbelül a mag, majd a köpeny és az azt burkoló kéreg alkotja. Utóbbin nyugszik az óceánok és felszíni vizek alkotta hidroszféra. A magon kívüli régió az alkotó elemek keménységi foka szerint mezoszférára, asztenoszférára és litoszférára, összetételük és sőrőségük alapján pedig alsó köpenyre, felsıköpenyre és kéregre osztható. A mag felelıs a Föld mágneses teréért, melynek tengelye nem esik egybe a forgástengellyel. • Föld felszíne A Föld felszínének 30%-át szárazföld 70 %-át pedig óceánok alkotják. A változatos felszíni formákért a lemeztektonika, a vulkáni tevékenység, az erózió (csapadék, szél) felelısek. • Föld légköre A Föld légköre fıként nitrogénbıl (78%) és oxigénbıl (21%) áll. Ezen kívül tartalmaz vízgızt, argont és széndioxidot. A légkör alsó 10 km vastag rétege a troposzféra, ahol az idıjárási jelenségek (csapadék, felhıképzıdés, stb.) lezajlanak. 10-50km-es magasságban található a sztratoszféra, ebben helyezkedik el az ózonréteg, ami megvédi a bioszférát az UV sugaraktól. Ezen felül található a mezoszféra, a termoszféra, az ionoszféra és az exoszféra. • Föld-típusú bolygó

33 A Naphoz közeli bolygók (Merkúr, Vénusz, Föld, Mars) győjtıneve. Kisméretőek, sőrőségük nagy, szilárd felszínük van, kevés holddal rendelkeznek, sok nehéz elemet tartalmaznak. Lásd még: óriásbolygó. • földtörténet A Föld 4,6 milliárd évvel ezelıtt alakult ki. Hadaikum (4600-3900 millió évvel ezelıtt): Földkéreg, ısóceánok kialakulása, kémiai evolúció. Archaikum (3900-2500 millió év): prokatióták (ısbaktériumok, kék-zöld algák). Proteozoikum (2500-570 millió év): ıskontinensek, eukatióták (sejtmagvas élılények), többsejtőek, oxigénszint emelkedés. Szilur, devon (438-360 millió év): elsı szárazföldi növények, állatok. Jura, kréta (208-65 millió év): nyitvatermık, hüllık (dinoszauruszok), mai kontinensek. Harmadidıszak (65-2 millió év): zárvatermık, emlısök. Negyedidıszak (2 millió évtıl napjainkig): emberi evolúció. • galaxis Csillagok és egyéb égitestek halmaza. Egy tipikus galaxis néhány tízmilliótól több billió darab csillagot tartalmaz. Méretük 10000 fényév nagyságrendő. Átlagos távolságuk több millió fényév. Milliárdnyi galaxis létezik, melyek galaxis csoportokat alkotnak. A galaxisok távolodnak egymástól lásd: ısrobbanás. A mi galaxisunk a Tejút rendszer. • gravitációs kölcsönhatás Hatására minden tömeggel rendelkezı test vonzza egymást. Ez a leggyengébb kölcsönhatás. Hatótávolsága végtelen. Hatására mozognak az égitestek a Kepler törvényeknek megfelelıen. Lásd még: alapvetı kölcsönhatások, általános relativitáselmélet. • gyenge kölcsönhatás Ez a kölcsönhatás felelıs néhány atomi skálán fellépı jelenségért, mint például egyes radioaktív sugárzással kapcsolatos folyamatok. Lásd még: alapvetı kölcsönhatások. • határozatlansági elv A kvantumelmélet szerint bizonyos mennyiség párokat nem lehet (elvileg sem) egyszerre tetszıleges pontossággal megmérni. Például, ha pontosan ismerjük egy részecske helyét nem lehet pontosan megmondani milyen sebességgel halad, illetve ha ismerjük a sebességét, akkor men tudhatjuk pontosan hol van. • hidrogénbomba Nukleáris fegyver, mely magfúzió során felszabaduló energia révén ér el óriási (az atombombánál jóval nagyobb) pusztítást. Robbanóereje több megatonna. Begyújtásához atombomba szükséges. Háborús körülmények között még nem vetették be. • hidrogénkötés Hidrogént tartalmazó (nagyobb) molekulák között a hidrogén ion (proton) által létesített másodlagos kémiai kötés. Ez a kötés okozza azt, hogy a víz (jég) sőrősége 4°C alatt csökken. • Hold A Föld holdja. Átlagos pályasugara 384400 km, keringési ideje 27,3 nap, átmérıje 6950km, nincs légköre, felszínét krátermezık és (szilárd) lávamezık borítják. Mivel keringési ideje és tengelyforgási ideje megegyezik a Földrıl mindig ugyanazt az oldalát láthatjuk. Lásd még: holdfázis, holdfogyatkozás. • hold Bolygók körül keringı nagyobb égitest. A Föld-típusú bolygóknak 1-2 holdjuk van vagy egyáltalán nincs holdjuk. Az óriásbolygóknak több holdjuk is van (Pl. a Szaturnusznak több, mint 20 db). • holdfázis

34 A Földhöz közel keringı Holdnak a Nap csak az egyik féltekét világítja meg, a másik sötét marad. A Hold-Föld-Nap egymáshoz képest változó helyzete miatt a Földrıl mindig különbözı mértékben megvilágított Hold felszínt látunk. Ha a teljes napos oldalt látjuk azt teliholdnak nevezzük ez után következik az utolsó negyed, majd az újhold és végül az elsı negyed. Az egyes fázisokat eltérı napszakban láthatjuk. • holdfogyatkozás Ha a Hold a Föld árnyékába kerül (a Föld a Nap és a Hold között van, egy egyenes mentén) az addig telihold pár órára elsötétül. Lásd még: napfogyatkozás. • hullócsillag Lásd: meteor. • idı dilatáció A speciális relativitáselmélet szerint két esemény között eltelt idı függ attól, hogy honnan nézzük. A megfigyelıhöz képest nagy sebességgel mozgó rendszerben az idı lassabban telik. Nincs abszolút idı. Kis (hétköznapi) sebességeknél ez az effektus elhanyagolható mértékő. • ion Ha egy atom elektron(oka)t veszít vagy többlet elektron(oka)t szerez, elveszti elektromos semlegességét, ekkor ionnak hívjuk. Az elektronszám nem egyenlı a rendszámmal. • ionos kötés Az egyik atom elektron(ok)at ad át a másik atomnak, hogy az elektronszerkezeteiket energetikailag optimalizálják, így ionná alakulnak, és a köztük fellépı elektromos vonzás eredményezi a kémiai kötést. • izotóp Ugyanannak az atomnak (azonos rendszám) különbözı tömegszámú változata. Azaz kémiailag ugyanaz az atom, de a neutronok száma eltérı. • Jupiter-típusú bolygó Lásd: óriásbolygó. • kémiai elem Azonos atomokból álló anyag. Lásd még: periódusos rendszer. • kémiai kötés Az atomok között kialakuló kötés. Alapja az, hogy az atomok próbálják optimalizálni az elektronszerkezeteiket. A kötésekben leggyakrabban a vegyértékelektronok játszanak szerepet. Elsıdleges kötéstípusok: kovalens kötés, ionos kötés, fémes kötés. Másodlagos kötés: pl. hidrogénkötés. • Kepler törvények A bolygók mozgását írják le. I. törvény: a bolygók ellipszis alakú pályán keringenek. II. törvény: Amikor a bolygók a Naphoz közelebb keringenek mozgásuk gyorsabb. III. törvény: A Naptól távolabbi bolygók lassabban mozognak, mint a közeliek. A Kepler törvények levezethetıek a Newton törvényekbıl. • kisbolygó A Nap körül keringı kisebb-nagyobb szabálytalan alakú égitestek. Többségük a Mars és a Jupiter pályája között kering a kisbolygó-övezetben. Ma több ezret tartunk számon. A legnagyobb ismert kisbolygók mérete néhány száz km. • kovalens kötés Közös, megosztott elektron párokkal kialakított kémiai kötés. • kozmikus sebesség

35 I. kozmikus sebesség: az a sebesség, amellyel haladó test egy égitest körüli körpályára tud állni. A Földön 7,9 km/s. Lásd pédául: mőhold, őrállomás. II. kozmikus sebesség (szökési sebesség): egy égitest és vonzáskörzetének elhagyásához szükséges sebesség. A Föld esetén 11,2 km/s. Lásd például: őrszonda. • kvantáltság A kvantumelmélet szerint bizonyos fizikai mennyiségek csak diszkrét (jól meghatározott) értékeket vehetnek fel (nem lehet bármennyi az értékük). Például a fényhullámok (elektromágneses sugárzás) kis határozott energiacsomagokként (foton) kezelhetıek. • kvantumelmélet Fıbb állításai: 1) kvantáltság, 2) határozatlansági elv, 3) részecske-hullám kettısség. • kvark A protonokat és neutronokat alkotó elemi részecskék. Köztük lép fel az erıs kölcsönhatás. Lásd még: lepton. • lemeztektonika A folyékony Föld köpenyben kialakuló áramlások a litoszférát tucatnyi lassan úszó szilárd lemezre tördelik. Ezek mozgása nagyléptékő Föld felszíni változásokat okoz (pl. győrt lánchegységek). Lásd még: Föld szerkezete. • lepton Az elemi részecskék egyik csoportja. Ide tarozik az elektron, a müon, neutrínók. Lásd még: kvark • litoszféra Lásd: Föld szerkezete. • magfúzió Olyan reakció, amely során két atommag egyesül és egy nagyobb magot hoz létre. Kis magok fúziója óriási mennyiségő energia felszabadulásával jár. Ez a folyamat játszódik le a csillagokban, hidrogénbombában, szupernóvákban. Lásd még: maghasadás. • maghasadás Olyan reakció, amely során egy nagyobb atommag két vagy több kisebbre hasad. Közben radioaktív sugárzás is felléphet. Közben óriási mennyiségő energia szabadul fel. Egy atommag hasadása több másik atommag hasadását is elıidézheti, így láncreakció alakulhat ki. Ez a folyamat játszódik le az atomreaktorokban, atombombában, a Föld magjában. Lásd még: magfúzió. • mértékegység Egy fizikai mennyiség értékének meghatározásához használt egység. A mértékegységekhez elıtagokat lehet tenni, hogy az eredeti egység többszöröseihez jussunk. A leggyakoribb elıtagok: mega- (106), kilo- (103), milli- (10-3), mikro- (10-6), nano- (10-9). • meteor Az őrbıl Föld légkörébe lépı kisebb kıdarab, mely a súrlódás hatására felizzik, elég 1-2 másodpercig látható csóvát húzva maga után az égen (hullócsillag). Általában néhány cm nagyságúak. • meteorit Olyan meteor, amelyik nem ég el teljesen a légkörben és becsapódik a felszínre. • molekula Kémiai kötésekkel összekapcsolt atomokból álló atomcsoport. • mőhold

36 Olyan ember alkotta eszköz, amely a Föld körül kering az ember jelenléte nélkül. Különbözı feladatokat lát el: megfigyelés, mérés, távközlés, stb. Az elsı mőhold a Szputnyik-1 (1957.10.04). Lásd még: őrszonda, őrhajó, őrrepülı, őrállomás. • Nap A Tejútrendszer központi csillaga. Átmérıje 1393000km, tömege 2*1030kg, felszíni hımérséklete 5500°C magjában a hımérséklet kb 15 millió °C. Felületén vannak apró sötétebb (hidegebb) foltok ún. napfoltok melyeknek száma 11 éves periódussal változik. Anyaga 73% Hidrogén, 25% Hélium. Energiaforrása a Hidrogén magfúziója. Felszínén látványos robbanásszerő események (napkitörések) játszódnak le. Lásd még: napfogyatkozás, napfolt, napkitörés. • nap Az az idıtartam, amely alatt egy bolygó megfordul a saját tengelye körül. A Jupiteren 9 óra 40 perc, a Vénuszon 243 földi nap. Lásd még: év. • napfogyatkozás Ha a Hold a Föld és a Nap közzé kerül (egy egyenes mentén) a Hold kitakarja a napot egy kis részén a földfelszínnek néhány percre. Lásd még: holdfogyatkozás. • napfolt A Nap felszínén megfigyelhetı sötétebb (pár száz fokkal hidegebb) foltok, melyek száma változó, 11 éves periódust mutat. • napkitörés A Nap felszíne felett megfigyelgetı óriási, lángnyelvszerő anyagkilökıdés. • Naprendszer A Napot körülvevı térrész, amelyik a Napon kívül bolygókat, holdakat, kisbolygókat, üstökösöket foglal magába. • neutron Semleges elektromos töltéső részecske, mely az atommagban található. Tömege közel egyenlı a o proton tömegével. 3 kvark alkotja, melyeket az erıs kölcsönhatás tart össze. Jele: n .Lásd még: elektron, proton. • neutroncsillag A kisebb szupernóvák maradványa. Neutronokból álló, az atommag sőrőségével megegyezı sőrőségő kismérető csillag. • Newton törvények A klasszikus mechanika alapja. I. törvény: Egy test megırzi mozgásállapotát (áll vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez) mindaddig, amíg egy másik test ennek megváltoztatására nem kényszeríti. II. törvény (a dinamika alaptörvénye): A test gyorsulását a környezete határozza meg (F=ma). III. törvény (hatás-ellenhatás): Ha egy test erıt fejt ki a másikra, akkor a másik is erıt fejt ki az egyikre, és a két erı azonos nagyságú, ellentétes irányú. IV. törvény: Ha egy testre egyszerre több erı hat akkor úgy fog mozogni, mintha csak ez erı eredıje hatna rá. • nukleáris fegyver Olyan fegyver, amely atommag reakció (maghasadás, magfúzió) során felszabaduló energiával és sugárzással pusztítanak. Fıbb típusok: atombomba, hidrogénbomba, neutron bomba. Pusztító erejüket kilótonnában vagy megatonnában adják meg, annak megfelelıen, hogy hány tonna hagyományos robbanóanyaggal (TNT) lehet ugyanakkora hatást elérni. Lásd még: erıs kölcsönhatás. • nukleon A protonok és neutronok győjtıneve.

37 • óriásbolygó A Naprendszer külsı bolygóinak (Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz) győjtıneve. Nagyméretőek, sőrőségük kicsi, vastag légkörük, több holdjuk, győrőrendszerük van. Lásd még: Föld-típusú bolygó. • ısrobbanás Tudományos elmélet, mely szerint a Világegyetem egy rendkívül sőrő és rendkívül forró állapotból fejlıdött ki nagyjából 13,7 milliárd évvel ezelıtt. Bizonyítékai: a galaxisok távolodása, kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás. Ekkor jött létre a tér, az idı és az anyag is. • párkeltés Az a folyamat, mely során két nagyenergiájú fotonból egy anyag-antianyag részecske pár keletkezik. Ellenkezı folyamat az annihiláció. • pármegsemmisítés Lásd: annihiláció. • periódusos rendszer A kémiai elemek rendszámaik szerint növekvı sorrendben és tulajdonságaik alapján periódikusan elrendezett összefoglaló táblázata. Az elrendezés alapja az atomok elektronszerkezete. A táblázat sorai (periódus) az elektronhéjak számára utal, az oszlopok (csoport) pedig a külsı, betöltetlen héjon lévı elektronok (vegyértékelektron) számát jelzi. • pozitron Anitelektron (tehát antianyag), azaz olyan részecske, mely minden tulajdonságában megegyezik az elektronnal, csak ellentétes töltéső. Elektronnal ütközve kölcsönösen megsemmisítik egymást (annihiláció). Például párkeltés és egyes radioaktív bomlás során keletkezhet. • proton Pozitív elektromos töltéső részecske, mely az atommagban található. Töltése egyenlı nagyságú (de ellentétes) az elektron töltésével, míg tömege kb. 1840-szer nagyobb, mint az elektroné. 3 + kvark alkotja, melyeket az erıs kölcsönhatás tart össze. Jele: p . Lásd még: elektron, neutron. • radioaktív bomlás Az a folyamat, amely során egy nem stabil (radioaktív) atommag átalakul egy másik atommaggá, és közben radioaktív sugárzást bocsát ki. • radioaktív sugárzás Radioaktív bomlás során fellépı (ionizáló) sugárzás. Alapvetıen három típusát különböztetjük meg: α(alfa), β(béta) γ(gamma). Az α sugár hélium atommagot (2 proton és 2 neutron) jelent. Áthatoló képessége kicsi (levegıben max 1 cm), ionizáló hatása nagy. A β sugár valójában elektron sugár. Áthatoló képessége levegıben pár 10 cm, közepesen ionizáló. A γ sugárzás nagy frekvenciájú, nagy energiájú elektromágneses sugárzást (foton) jelent. Áthatolóképessége ólomban is több milliméter. • relativitáselmélet Lásd: speciális relativitáselmélet, általános relativitáselmélet. • rendszám Az atom protonjainak a száma. Lásd még: tömegszám. • részecske-hullám kettısség A kvantumelmélet szerint bizonyos körülmények között a részecskék hullámként viselkednek más körülmények között részecskeként, és ugyanez vonatkozik a hullámokra is. Pl. a fény lehet hullám (elektromágneses sugárzás) és részecske (foton) is. • speciális relativitáselmélet

38 Alapját az képezi, hogy a (vákuumbeli) fénysebesség bárhonnan nézve álladó. Következményei: 1) távolság kontrakció, 2) idı dilatáció, 3) tömegnövekedés. Lásd még: általános relativitáselmélet. • szerves vegyület Azok a szénvegyületek, amelyek tartalmaznak szén-szén, illetve szén-hidrogén kötést. Gyakran tartalmaznak szén, hidrogén, oxigén, nitrogén atomokat. Fehérjék, szénhidrátok, zsírok, szénhidrogének, mőanyagok, stb. • szervetlen vegyület Azok a vegyületek, amelyek nem tartoznak a szerves vegyületek csoportjába. • szökési sebesség Lásd: kozmikus sebesség. • sztratoszféra Lásd: Föld légköre. • szupernóva A Napnál nagyobb tömegő csillag végsı nagy robbanása, mely során a csillag fénye (körülbelül egy éven keresztül) egy galaxis teljes fényével vetekszik. A csillag a vörös óriás állapot után összehúzódik, felhevül, újabb magfúziós folyamatok indulnak be, melynek eredményeképpen a vasnál nehezebb atommagok kialakulhatnak. • távolság kontrakció A speciális relativitáselmélet szerint egy test (menetirányba esı) hossza függ a test és a megfigyelı közötti sebességkülönbségtıl. Minél nagyobb a sebességkülönbség a test annál rövidebb lesz. Kis (hétköznapi) sebességeknél ez az effektus elhanyagolható mértékő. • Tejútrendszer A Naprendszert tartalmazó galaxis, amelyben a Napon kívül kb. 300 millió csillag található. Az égen szabad szemmel látható csillagok mind a Tejútrendszer tagjai. Átmérıje 100000 fényév. Korong alakú, mely spirális karokból áll. • téridı A relativitáselmélet a teret és az idıt egyesíti, így a téridı egy négydimenziós (3 tér- és 1 idı dimenzió) koordinátarendszerként fogható fel, amelyben a pontok eseményeket jelentenek. Ennek a hagyományos (Euklideszi) tértıl eltérı tulajdonságai vannak. • tömeg A testek tehetetlenségének mértéke, kifejezi, hogy mennyire áll ellen egy test a rá ható erı gyorsító hatásának. Másrészt a tömeg a gravitációs kölcsönhatás forrása. Harmadrészt az általános relativitáselmélet szerint a testben tárolt energia mértéke. Lásd még: speciális relativitáselmélet. • tömegnövekedés A speciális relativitáselmélet szerint a tömeg nem egy állandó mennyiség. Nagy sebességgel mozgó test tömege növekszik. Kis (hétköznapi) sebességeknél ez az effektus elhanyagolható mértékő. • tömeg-energia ekvivalencia A relativitáselmélet szerint a tömeg és az energia egyenértékő (ekvivalens). Ezt fejezi ki a híres E=mc2 egyenlıség. Ennek köszönhetı a maghasadás és a magfúzió során keletkezı hatalmas energia. Ugyanis e folyamatok során keletkezı anyag tömege kisebb, mint a kiinduló anyagoké mert a hiányzó tömeg energiává alakul. • tömegszám Az atom protonjainak és neutronjainak együttes száma, azaz a nukleonok száma.

39 • troposzféra Lásd: Föld légköre. • üstökös A Naprendszerben található szabálytalan alakú jégbıl és porból álló égitest. A Nap közelében felmelegedve csóvát húz maga után. • őrállomás Olyan ember alkotta eszköz, amely a Föld körül kering, rajta emberek hosszabb távon tartózkodhatnak, dolgozhatnak. Hozzá személy- és teherszállító őrhajók és őrrepülık kapcsolódhatnak, így a személyzet cserélıdhet, a hosszabb távú élet feltételei biztosíthatóak. Jelentısebb őrállomások: Mir, Skylab, ISS (Nemzetközi Őrállomás). • őrhajó Olyan őrjármő, mely az ember világőrbe jutását, kint tartózkodását és visszatérését biztosítja. Lásd még: őrrepülı, őrállomás, mőhold. • őrrepülı Olyan újrahasznosítható őrjármő, amely az ember világőrbe jutását, kint tartózkodását és visszatérését biztosítja. A Föld elhagyását rakéták segítik, visszatéréskor siklórepülıként mőködik. Az elsı őrrepülı a Columbia (1981), továbbiak Challenger, Discovery, Atlantis, Endeavour. Lásd még: őrhajó, őrállomás, mőhold. • őrszonda Olyan ember alkotta eszköz, amely más égitesteket (bolygók, holdak, üstökösök, kisbolygók) közelít meg, ott vizsgálatokat, megfigyeléseket végez, esetleg leszáll a felszínre. Lásd még: mőhold, őrhajó, őrrepülı, őrállomás. • üvegházhatás A légkör hımegtartó hatása. A Napból a Földre érkezı sugárzás nagy része visszaverıdik a világőrbe, azonban egyes légkörbeli gázok megakadályozzák ezt a folyamatot így a Föld nem tud hőlni, felmelegszik. Ilyen gázok a szén-dioxid (CO2), metán (CH4), dinitrigén-oxid (N2O), stb. Lásd még: Föld légköre. • vegyérték elektron Az atom elektronszerkezetének azon (külsı) elektronjai, amelyek a kémiai kötésekben részt vesznek. • vörös óriás A csillagfejlıdés egyik fázisa. Ha a magfúzió során a csillag elégeti Hidrogén készletét, újabb fúziós folyamatok indulnak be, mely során felfúvódik, kissé lehől (vörössé válik). Ezután tömegétıl függıen fehér törpévé válik, vagy szupernóva robbanáson megy át.