Elméleti kérdések és válaszok

Elméleti kérdések és válaszok 11. évfolyam

Tartalomjegyzék 1.

Mikor beszélünk rezgőmozgásról?............................................................................................................................ 4

2.

Milyen fajtái vannak a rezgőmozgásnak? ................................................................................................................. 4

3.

Mikor beszélünk harmonikus rezgőmozgásról?........................................................................................................ 4

4.

Mit nevezünk, periódusnak, periódusidőnek és frekvenciának? Mi a kapcsolat közöttük? .................................... 4

5.

Mit nevezünk kitérésnek, amplitúdónak és körfrekvenciának? ............................................................................... 4

6.

Milyen összefüggés írja le a rezgő test kitérését, sebességét és gyorsulását? ......................................................... 4

7.

Mit nevezünk rugóállandónak?................................................................................................................................. 4

8.

Mi a harmonikus rezgőmozgás dinamikai feltétele? ................................................................................................ 4

9.

Milyen tényezőktől függ a rezgésidő és a frekvencia? Milyen összefüggéssel számíthatók ki? ............................... 5

10. Hogyan adható meg egy vízszintesen harmonikus rezgőmozgást végző rendszer mechanikai energiája? ............. 5 11. Milyen tényezőktől függ a fonálinga rezgésideje? Milyen összefüggéssel számíthatók ki? ..................................... 5 12. Mikor végez kényszerrezgést egy rugó? ................................................................................................................... 5 13. Mikor jön létre a rezonancia jelensége? ................................................................................................................... 5 14. Mit nevezünk hullámnak? ......................................................................................................................................... 5 15. Mit nevezünk mechanikai hullámnak? ..................................................................................................................... 5 16. Mikor beszélünk harmonikus hullámról?.................................................................................................................. 5 17. Hogyan csoportosítjuk a hullámokat?....................................................................................................................... 6 18. Melyek a hullám jellemzői?....................................................................................................................................... 6 19. Mit tudunk az egydimenziós hullámok visszaverődéséről? ...................................................................................... 6 20. Mikor beszélünk koherens hullámokról? .................................................................................................................. 7 21. Mit tudunk az egydimenziós hullámok interferenciájáról? ...................................................................................... 7 22. Mit tudunk a felületi és a térbeli hullámok visszaverődéséről? ............................................................................... 7 23. Mit tudunk a felületi és a térbeli hullámok töréséről? ............................................................................................. 8 24. Hogyan valósul meg a teljes visszaverődés? ............................................................................................................. 8 25. Mit tudunk a felületi és térbeli hullámok interferenciájáról?................................................................................... 8 26. Hogyan keletkeznek az állóhullámok? ...................................................................................................................... 8 27. Hogyan jönnek létre az állóhullámok? ...................................................................................................................... 9 28. Hogyan keletkezik a hang? ........................................................................................................................................ 9 29. Melyek a hanghullám jellemzői és mi határozza meg őket? .................................................................................. 10 30. Mi a Doppler effektus?............................................................................................................................................ 10 1

31. Hogyan jön létre a visszhang? ................................................................................................................................. 10 32. Mit nevezünk elektromos rezgőkörnek? ................................................................................................................ 10 33. Hogyan jön létre a dipólantenna?........................................................................................................................... 10 34. Hogyan változtatható egy elektromos rezgőkör periódusideje és frekvenciája? ................................................... 10 35. Hogyan jönnek létre az elektromágneses hullámok? ............................................................................................. 11 36. Milyen jellemzői vannak az elektromágneses hullámoknak és mi a kapcsolat közöttük? ..................................... 11 37. Mit nevezünk elektromágneses színképnek (spektrumnak)? ................................................................................. 11 38. Mi a fény és milyen tartományát képes az ember érzékelni? ................................................................................ 11 39. Milyen fényjelenségeket ismerünk? Milyen mennyiségekkel jellemezzük?........................................................... 11 40. Mit nevezünk elsődleges és mit másodlagos fényforrásnak?................................................................................. 11 41. Mit nevezünk árnyéknak és milyen fajtái vannak? ................................................................................................. 12 42. Milyen tükröket ismerünk? ..................................................................................................................................... 12 43. A fény viselkedése két közeg határán. .................................................................................................................... 12 44. Mikor beszélünk valódi illetve látszólagos képről? ................................................................................................. 13 45. Szerkesztési alapfogalmak ismertetése .................................................................................................................. 13 46. Mit jelent az, hogy a fehér fény összetett? ............................................................................................................. 13 47. Mit nevezünk optikai lencsének és milyen fajtái ismeretesek? .............................................................................. 13 48. A leképezési törvény ............................................................................................................................................... 13 49. A színképek osztályozása ........................................................................................................................................ 14 50. Sorolj fel legalább 3 db optikai eszközt! ................................................................................................................. 14 51. A klasszikus fizika eredményei és hiányosságai ...................................................................................................... 14 52. A speciális relativitáselmélet néhány megállapítása .............................................................................................. 14 53. A kvantumfizika születése ....................................................................................................................................... 14 54. A fényelektromos jelenség (fotoeffektus) .............................................................................................................. 15 55. A fotoeffektus problémájának megoldása. ............................................................................................................. 15 56. A foton részecsketulajdonságai .............................................................................................................................. 15 57. A fény kettős természete ........................................................................................................................................ 15 58. Az anyaghullámok ................................................................................................................................................... 16 59. Klasszikus atommodellek, a Thomson-modell ........................................................................................................ 16 60. Rutherford szórási kísérlete ................................................................................................................................... 16 61. Rutherford-féle atommodell ................................................................................................................................... 16 62. A Bohr-féle atommodell létrejöttének körülményei .............................................................................................. 16 63. A Bohr-féle atommodell jellemzői .......................................................................................................................... 17 64. Az atomok hullámmodellje ..................................................................................................................................... 17 65. Az atommagok fizikai jellemzői ............................................................................................................................... 17 66. Az atommagok felépítése, részei ............................................................................................................................ 17 2

67. Mit nevezünk izotópoknak? .................................................................................................................................... 18 68. A mag alkotórészei között ható erők. ...................................................................................................................... 18 69. Az erős kölcsönhatás jellemzői ............................................................................................................................... 18 70. Az atommag kötési energiája. ................................................................................................................................. 18 71. Tömegdefektus (tömeghiány) ................................................................................................................................. 18 72. A nukleáris energia felszabadulásának lehetőségei................................................................................................ 19 73. A radioaktív bomlás és fajtái ................................................................................................................................... 19 74. A radioaktív atommagok bomlásának törvényszerűségei. ..................................................................................... 20 75. Az exponenciális bomlási törvény, bomlási sorok .................................................................................................. 20 76. A maghasadás és a láncreakció ............................................................................................................................... 20 77. A láncreakció fajtái .................................................................................................................................................. 20 78. Az atomerőmű felépítése és működése ................................................................................................................. 21 79. Az atomerőművek előnyei, illetve hátrányai a hagyományos erőművel szemben! .............................................. 22 80. A magfúzió .............................................................................................................................................................. 22 81. A magfúzió mesterséges megvalósítása ................................................................................................................. 22 82. A csillagfejlődés szakaszai ....................................................................................................................................... 23 83. A világegyetem szerkezete és fejlődése.................................................................................................................. 24

3

TARTALOM

1. Mikor beszélünk rezgőmozgásról? Rezgőmozgásról akkor beszélünk, ha egy testet az egyensúlyi helyzetéből kimozdítunk, és ennek köszönhetően a test két szélső helyzet között periodikus mozgást végez. 2. Milyen fajtái vannak a rezgőmozgásnak? A rezgőmozgás maximális kitérését vizsgálva két fajta rezgőmozgást különböztetünk meg: Csillapítatlan rezgőmozgás: Időben állandó a maximális kitérés (idealizált eset). Csillapított rezgőmozgás: A maximális kitérés időben csökken. 3. Mikor beszélünk harmonikus rezgőmozgásról? A harmonikus rezgőmozgást végző anyagi pont kitérésének időbeli változása szinusz függvény segítségével írható le. 4. Mit nevezünk, periódusnak, periódusidőnek és frekvenciának? Mi a kapcsolat közöttük? Periódus: A mozgás egy periódusának nevezzük a pályának azt a szakaszát, amikor a test a pálya egy pontjából elindul, a két szélső helyzetet érinti, és visszatér a kiindulási pontba. Periódus idő: Egy periódus megtételéhez szükséges idő. Jele: T [T] = s Frekvencia: Egy s alatt megtett periódusok száma. Jele: f [f] = 1/s (Hz) 5. Mit nevezünk kitérésnek, amplitúdónak és körfrekvenciának? Kitérés: Az egyensúlyi helyzettől mért pillanatnyi távolság előjeles értéke. Jele: x [x] = m Amplitúdó: Az egyensúlyi helyzethez viszonyított maximális kitérés. Jele: A [A] = m Körfrekvencia: A rezgőmozgás frekvenciájának 2π szeresét nevezzük körfrekvenciának. Jele: ω [ω] = 1/s 6. Milyen összefüggés írja le a rezgő test kitérését, sebességét és gyorsulását? kitérés: sebesség: gyorsulás:

x = A ∙ sin α = A ∙ sin ∙ t = A ∙ sin 2π∙f ∙ t = A ∙ sin 2π/T ∙ t v = A ω ∙ cos ω ∙ t = A ω ∙ cos 2π∙f ∙ t = A ω ∙ cos 2π/T ∙ t a= - A ω2 ∙ sin α = - A ω2 ∙ sin ω ∙ t = - A ω2 ∙ sin 2π∙f ∙ t = - A ω2 ∙ sin 2π/T ∙ t

7. Mit nevezünk rugóállandónak? Az alakváltozást létrehozó erő (F) és a hatására bekövetkező hosszúságváltozás ( ) hányadosaként értelmezett fizikai mennyiség. [ ]

[ ] [ ]

A rugóállandó számértéke megmutatja, hogy a rugó vagy rugalmas test egységnyi hosszúságváltozását mekkora eredőerő hozza létre. 8. Mi a harmonikus rezgőmozgás dinamikai feltétele? Amikor a testet érő erők eredőjének nagysága egyenesen arányos a kitéréssel és iránya ellentétes ⃗⃗⃗ azzal, a test harmonikus rezgőmozgást végez. 4

TARTALOM

9. Milyen tényezőktől függ a rezgésidő és a frekvencia? Milyen összefüggéssel számíthatók ki? A rezgésidő egyenesen arányos a rezgő test tömegének négyzetgyökével és fordítottan arányos a √

rugóállandó (direkciós erő) négyzetgyökével. Kiszámítása: A frekvencia:

√

10. Hogyan adható meg egy vízszintesen harmonikus rezgőmozgást végző rendszer mechanikai energiája? Az egyensúlyi helyzetben: E =

(Itt csak mozgási energiája van, amely maximális.)

Egy köztes helyzetben, ha a kitérés x: E =

(Ebben a helyzetben mozgási

energia és rugalmas energia összege lesz a mechanikai energia.) Szélső helyzetben: 11. Milyen tényezőktől függ a fonálinga rezgésideje? Milyen összefüggéssel számíthatók ki? A lengésidő egyenesen arányos az inga hosszának négyzetgyökével és fordítottan arányos a a gravitációs gyorsulás négyzetgyökével. Kiszámítása:

√

12. Mikor végez kényszerrezgést egy rugó? Kényszerrezgést akkor végez a test, ha egy periodikusan változó külső erő is hat rá. 13. Mikor jön létre a rezonancia jelensége? A kényszerrezgés speciális formája a rezonancia. Rezonancia akkor következik be, ha a gerjesztőerő frekvenciája megegyezik a rezgőképes rendszer saját frekvenciájával. Ilyenkor a rezgő rendszer megfelelő ütemben kap energia-adagokat, amely az amplitúdó növekedésében figyelhető meg. 14. Mit nevezünk hullámnak? A fizikában minden olyan változást (zavart), amely valamilyen közegben tovaterjed, hullámnak nevezzük. 15. Mit nevezünk mechanikai hullámnak? Ha a rugalmas közeg egyik részén valamilyen mechanikai feszültséget hozunk létre, akkor ez a változás (zavar) tovaterjed a térben. Ekkor a rugalmas közeg részecskéinek rezgésállapota terjed. 16. Mikor beszélünk harmonikus hullámról? Ilyen hullámok akkor jönnek létre, ha a rugalmas és rezgőképes közegben a deformációs állapotot harmonikus rezgőmozgás hozza létre.

5

TARTALOM

17. Hogyan csoportosítjuk a hullámokat? Kiterjedés szerinti csoportosítás   

Egydimenziós hullámok vagy vonal menti hullámok. Pl.: gumikötélen terjedő hullám. Kétdimenziós hullám vagy felületi hullám. Pl.: vízfelületén kialakuló hullám. Háromdimenziós vagy térbeli hullám. Pl.: hanghullám.

Rezgésirány szerinti csoportosítás 



Tranzverzális hullám: A részecskék rezgésének iránya merőleges a zavar terjedésének irányára. Egy tranzverzális hullámban hullámhegyek és hullámvölgyek váltogatják egymást. Csak szilárd közegben alakul ki. Longitudinális hullám: A részecskék rezgőmozgásának iránya megegyezik a zavar terjedésének irányával. A longitudinális hullámban egymás mellett lévő sűrűsödés és ritkulás alkotja a hullámhosszt. Mindhárom halmazállapotban kialakul.

18. Melyek a hullám jellemzői? Amplitúdó: A hullámmozgásban résztvevő részecskék rezgőmozgásának legnagyobb kitérése. Jele: A Mértékegysége: [ ] Hullámhossz: A közegben egymás mellett lévő azonos fázisú pontok távolsága egy adott pillanatban. Jele: λ Mértékegysége: [ ] Periódusidő: Az az időtartam, amely alatt a közegben lévő zavar hullámhossznyi utat tesz meg. A periódusidő alatt a közeg minden pontja egy teljes rezgést végez. Jele: T Mértékegysége: [ ] Rezgésszám (frekvencia): A hullámmozgásban részt vevő pontok rezgésének a frekvenciája. Ez megegyezik a hullámforrás frekvenciájával. Jele: f Mértékegysége: [ ] A hullám terjedési sebessége:A hullámterjedési sebességét fázissebességnek is nevezzük. A terjedési sebesség számértéke megmutatja, hogy egy másodperc alatt a közegben terjedő zavar milyen távolságot tesz meg. Jele: c Mértkegysége: [ ] 19. Mit tudunk az egydimenziós hullámok visszaverődéséről? Rögzített végről a hullám ellentétes fázisban verődik vissza. Ennek azaz oka, hogy a hullámban terjedő energiának a visszaverődés után is meg kell maradnia. Amikor a deformációs állapot a rögzített véghez érkezik, akkor a gumikötél erőt fejt ki a falra, a fal ugyanilyen nagyságú, de ellentétes irányú erőt fejt ki a gumikötélre. Ez az erő lesz az, ami a gumikötelet ellentétes fázisba lendíti át.

6

TARTALOM

Szabad végről a hullám azonos fázisban verődik vissza, mert amikor a zavar elérkezik a szabad véghez, akkor a rugalmatlan kapcsolat miatt nincs olyan erő, amely ellentétes fázisba lendítené a gumikötelet. 20. Mikor beszélünk koherens hullámokról? Az interferenciaképet létrehozó hullámokat koherens hullámoknak nevezzük. Két hullám akkor koherens, ha időben állandó fáziskülönbséggel találkoznak. 21. Mit tudunk az egydimenziós hullámok interferenciájáról? Vonal menti hullámok interferenciája során eredő hullám jön létre. Ilyenkor a pontok kitérése mindenütt és minden pillanatban a találkozó hullámok adott pontbéli kitérésének előjeles összege. Interferenciájuk során akkor erősítik egymást, ha azonos fázisban találkoznak (hullámhegyek találkoznak) egymással. Amennyiben ellentétes fázisban találkoznak (hullámhegy találkozik hullámvölggyel), akkor gyengítik, vagy kioltják egymást. Kioltás akkor valósul meg, ha a találkozó hullámok amplitúdói megegyeznek.

22. Mit tudunk a felületi és a térbeli hullámok visszaverődéséről? Ha a hullám egy olyan közeg határfelületéhez érkezik, amely nem rugalmas és rezgőképes, akkor erről a határfelületről viszszaverődik. A visszaverődés törvényszerűségei: A haladó és a visszaverődő hullám frekvenciája is f, így viszszaverődés során a hullám hullámhossza (λ) sem változik.  A visszavert hullám terjedési iránya a beeső sugár és a beesési merőleges egy síkban van.  A merőlegesen beeső hullám merőlegesen verődik vissza.  Nem merőlegesen beeső hullám esetén a beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel. 

7

TARTALOM

23. Mit tudunk a felületi és a térbeli hullámok töréséről? A hullámok törése akkor következik be, ha az egyik közegben terjedő hullám átlép egy másik olyan rugalmas és rezgőképes közegbe, amelyben más lesz a terjedési sebesség. Ilyenkor a hullám terjedési iránya megváltozik, ha nem merőlegesen érkezett a határfelületre. Az első közegben c1 a másodikban c2 a hullám terjedési sebessége.

A hullám törésére a Snellius-Descartes-törvény igaz, mely szerint: A hullám törésénél a beesési és a törési szög szinuszának a hányadosa megegyezik az egyes közegekben mérhető terjedési sebességek hányadosával, ami a második közegnek az első közegre vonatkoztatott törésmutatóját adja.

24. Hogyan valósul meg a teljes visszaverődés? Teljes visszaverődés akkor következik be, ha a hullám a sűrűbb közegből halad ritkábba és egy bizonyos nagyságú szöggel esik be, az úgynevezett határszöggel. Ekkor a törési szöge 90 fok lesz, azaz nem hatol be a ritkább közegbe, hanem teljes mértékben visszaverődik.

25. Mit tudunk a felületi és térbeli hullámok interferenciájáról? Felületi és térbeli hullámok is létrehozhatnak interferenciaképet, ha a találkozó hullámok koherensek. Két hullám a hullámtér azon pontján hoz létre maximális erősítést, ahol a hullámok azonos fázisban találkoznak (hullámhegy hullámheggyel, hullámvölgy hullámvölggyel, sűrűsödés sűrűsödéssel, ritkulás ritkulással) Ilyen feltételek mellett induló hullámok akkor találkoznak azonos fázisban, ha a hullámok által megtett utak különbsége a félhullámhossz páros számú többszöröse. Maximális gyengítés akkor következik be, ha a hullámok által megtett utak különbsége a félhullámhossz páratlan számú többszöröse. 26. Hogyan keletkeznek az állóhullámok? Az állóhullámok az interferencia gyakran előforduló speciális esetei. Akkor keletkezhetnek, ha egymással szemben haladó azonos frekvenciájú és amplitúdójú hullámok találkoznak, s interferálnak.

8

TARTALOM

Ha rugalmas kötélen állóhullám jön létre, a kötél egyes pontjai különböző amplitúdóval rezegnek. Vannak olyan pontok, ahol ez az amplitúdó maximális. Ezeket duzzadóhelyeknek nevezzük. Két duzzadóhely között félúton olyan pont található, amely nem is rezeg, nyugalomban van. Az ilyen pontot csomópontnak nevezzük. 27. Hogyan jönnek létre az állóhullámok?

28. Hogyan keletkezik a hang? A hang nem más, mint a hallószervünk által felfogott, a levegőben mechanikai hullámként terjedő rezgés. Hangkeltéshez minden olyan eszköz megfelel, ami rezgésbe hozható, és ezáltal a vele érintkező levegőrészek szintén rezgésbe tudnak jönni.

9

TARTALOM

29. Melyek a hanghullám jellemzői és mi határozza meg őket? A hang erőssége: A hangerősség a keltett rezgés amplitúdójával, ezen keresztül a hanghullámokkal együtt áramló energiával hozható kapcsolatba. A kicsi amplitúdó halk, a nagy amplitúdó erős hangot eredményez. A hang magassága: A hangmagasság a frekvenciával jellemezhető. Egy hangot annál magasabbnak hallunk, minél nagyobb a rezgésszáma. A hangszín: A hangszínt a hang összetevői, azaz az alaphangok és a felharmonikusok aránya adja meg. A felhangok az alaphanggal összetevődnek, így bonyolult, az adott hangforrásra jellemző rezgések keletkeznek. 30. Mi a Doppler effektus? A Doppler-effektus vagy magyarosabban Doppler-hatás a hullám frekvenciájában és ezzel együtt hullámhosszában megjelenő változás, mely amiatt alakul ki, hogy a hullámforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog. A felénk közeledő autó hangja magasabb, és mélyebb, amikor már távolodik. 31. Hogyan jön létre a visszhang? Az emberi fül két egymást követő hangimpulzust akkor érzékel különállónak, ha köztük legalább 0,1 s idő telik el. A hang levegőben 340 m/s sebességgel terjedve ennyi idő alatt 34 m-t tesz meg. Ha egy legalább 17 m-re lévő akadályról (fal, szikla) visszaverődve a fülünkbe jut, visszhangot hallunk. 32. Mit nevezünk elektromos rezgőkörnek? Nagyfrekvenciás váltakozó áram előállítására a generátorok (mechanikai berendezések) nem alkalmasak. Erre a célra az elektromos alkatrészekből (kondenzátor és tekercs) álló berendezést, a rezgőkört használják. Energetikailag vizsgálva a folyamatot, azt mondhatjuk, hogy a kondenzátor elektromos terének az energiája alakult át a tekercs mágneses terének energiájává és fordítva. 33. Hogyan jön létre a dipólantenna? Ahogy egyre jobban kinyitjuk az eredetileg energia szempontjából zárt rendszernek tekinthető rezgőkört, egyre nagyobb energia áramlik ki a rendszerből egy periódus alatt. A rezgőkör "teljes kinyitása" után úgynevezett dipólust, vagy más néven dipólantennát kapunk, amely folyamatosan sugároz ki energiát. 34. Hogyan változtatható egy elektromos rezgőkör periódusideje és frekvenciája? a rezgőkörben elektromos és mágneses energia alakul át egymásba periodikusan, ugyanúgy, mint ahogy a harmonikus rezgésnél a helyzeti és a mozgási energia. periódusideje: T  2

LC Thompson-formula

frekvenciája:

f 

1 2 LC

Minél nagyobb frekvenciájú rezgést akarunk létrehozni, annál kisebb kapacitású kondenzátorra és induktivitású tekercsre van szükségünk 10

TARTALOM

35. Hogyan jönnek létre az elektromágneses hullámok? A nyitott rezgőkörben az elektromágneses rezgés leválik a forrásáról, térben és időben terjed. A térben tovaterjedő elektromágneses mező (tér) a transzverzális hullámok tulajdonságaival rendelkezik, terjedési sebessége vákuumban c = 3 ∙ 108 m/s. 36. Milyen jellemzői vannak az elektromágneses hullámoknak és mi a kapcsolat közöttük? Transzverzális hullámok, melyekben a ⃗ és ⃗ vektorok egymásra merőlegesek és mindkettő merőleges a terjedés sebességére (c). Térbeli hullámok, terjedéséhez nem szükséges anyag, terjedési sebességük vákuumban megegyezik a fénysebességgel: Az elektromágneses hullámok egyenes vonalban terjednek, új közeg határára érve részben visszaverődnek, részben megtörnek, fémek felületéről visszaverődnek, interferenciára, elhajlásra és képesek, polarizálhatók. A három jellemző mennyiség, a hullámhossz (λ), a terjedési sebesség (c) és a frekvencia (f) közötti kapcsolatot a c = λ . f összefüggés határozza meg. 37. Mit nevezünk elektromágneses színképnek (spektrumnak)? Az elektromágneses hullámok frekvencia vagy hullámhossz szerinti sorozatát teljes elektromágneses színképnek nevezzük. 38. Mi a fény és milyen tartományát képes az ember érzékelni? A fény elektromágneses hullám, amely vákuumban sebességgel halad. A látható fény az elektromágneses spektrum kereken 400 nm-től 800 nm-ig terjedő hullámhossztartományában található. 39. Milyen fényjelenségeket ismerünk? Milyen mennyiségekkel jellemezzük? A mechanikai, transzverzális hullámoknál megismert hullámjelenségek és törvényszerűségek alkalmazhatók a fényhullám esetében is. A fény hullámjelenségei: visszaverődés (teljes visszaverődés), törés, elhajlás, interferencia és polarizáció. A fény jellemző mennyiségei: terjedési sebesség (c) , hullámhossz (λ), frekvencia (f) A közöttük lévő kapcsolat: c = λ . f 40. Mit nevezünk elsődleges és mit másodlagos fényforrásnak? Elsődleges fényforrások: A fényt kibocsátó testeket elsődleges fényforrásnak (valódi fényforrásnak) nevezzük. Elsődleges fényforrás a Nap, a csillagok, a gyertya lángja, a lámpa izzószála, az előzetesen megvilágított foszforeszkáló kapcsoló, a szentjánosbogarak utolsó potrohszelvényei és folytathatnánk még a sort egészen a lézerig. Elsődleges fényforrásnak tekintjük, az optikai kísérleteknél gyakran használt, erősen megvilágított kis kerek nyílást vagy keskeny rést is.

11

TARTALOM

Másodlagos fényforrások: Minden testet, amely csak a rá eső fény hatására látható, másodlagos fényforrásnak nevezünk. A tárgyakon kívül ilyen például a Hold is, amely a Nap fényét veri vissza. Ezt az is bizonyítja, hogy újhold esetén a Nap a Holdnak a Földdel átellenes oldalát világítja meg, ezért a Hold felénk nem „világít”, nem látszik. 41. Mit nevezünk árnyéknak és milyen fajtái vannak? Az árnyékjelenségek fény egyenes vonalú terjedésének következményei. A teljes árnyék az a rész, amelyet a fényforrás egyetlen pontja sem világít meg. Teljesen világos az a terület, amelyet a fényforrás minden pontja megvilágít. A kettő között helyezkednek el azok a pontok, amelyeket a fényforrásnak csak bizonyos pontjai világítanak meg. Ezek a csak részben megvilágított pontok alkotják a félárnyékot. Árnyékjelenség a napfogyatkozás és a holdfogyatkozás is. Napfogyatkozásnál a Hold árnyéka vetül a Földre. Holdfogyatkozásnál pont fordítva, a Föld árnyéka vetődik a Holdra.

42. Milyen tükröket ismerünk? Síktükröt és gömbtükröket. A gömbtükör lehet homorú és domború.

43. A fény viselkedése két közeg határán. Amikor a fény két közeg (anyag) határához érkezik, a párhuzamos fénynyaláb részben visszaverődik, részben behatol a közegbe. A másik közegbe belépő fény terjedési iránya megváltozik, megtörik. A közegek és a határfelület tulajdonságaitól függ, hogy a fény csak visszaverődik, vagy egy része behatol az új közegbe, s ilyenkor a visszaverődés és a fénytörés közül melyik az erőteljesebb.

12

TARTALOM

44. Mikor beszélünk valódi illetve látszólagos képről? Valódi képről beszélünk, ha a szemünkbe jutó fénysugarak valóban metszették egymást. Az ilyen kép az odahelyezett ernyőn felfogható. Rajzban folytonos nyíllal jelöljük. Látszólagos vagy virtuális képről beszélünk, ha csak a sugarak visszafelé történő meghosszabbításai metszik egymást. A látszólagos kép ernyőn nem fogható fel, hiszen fénysugarak ott valójában nem metszik egymást. Rajzban szaggatott nyíllal jelöljük. 45. Szerkesztési alapfogalmak ismertetése Tárgytávolság (t): a tárgypont optikai tengelyre eső vetülete és az optikai középpont távolsága. Képtávolság (k): a képpont optikai tengelyre eső vetülete és az optikai középpont távolsága. Ha a kép nagyobb, mint a tárgy, nagyított képről, ha kisebb, mint a tárgy, kicsinyített képről beszélünk. Ha a kép és a tárgy állása azonos, egyenes állású képről beszélünk. Ha a kép és a tárgy állása fordított, fordított állású képről beszélünk. Az egyenes állású kép mindig látszólagos, a fordított állású pedig valódi. 46. Mit jelent az, hogy a fehér fény összetett? Tapasztalatunk szerint a „fehér fény” összetett, a színkép színeinek a keveréke. A prizma a különböző színeket különböző mértékben téríti el, így a fehér fényt színeire bontja. Ez a színszóródás jelensége. A jelenséget úgy magyarázhatjuk, hogy a különböző anyagok (pl. az üveg) a különböző színű fényt másképpen törik meg, a vörös színt a legkevésbé, az ibolyát a legjobban. 47. Mit nevezünk optikai lencsének és milyen fajtái ismeretesek? Az optikai lencsék gömbfelületdarabokkal, esetleg egyik oldalán síkkal határolt átlátszó testek. Optikai lencsék fajtái: Az üvegből készült gyűjtőlencsék a közepükön vastagabbak, mint a szélükön, a szórólencsék meg a közepükön vékonyabbak. Az alak azonban nem feltétlen függ össze az optikai viselkedéssel. Optikai szempontból gyűjtő lencsékről és szóró lencsékről beszélünk. 48. A leképezési törvény A gömbtükröknél és vékony lencséknél a t tárgytávolság, k képtávolság és az f fókusztávolság között azonos törvény érvényes: Ezt a leképezési törvénynek nevezzük. Az összefüggésben következetesen használjuk az előjeleket. Azok a távolságok, amelyek olyan pontokhoz tartoznak, amelyekben fénysugarak metszik egymást, pozitívak lesznek (homorú gömbtükör és gyűjtőlencse fókusztávolsága, valódi kép és tárgy távolsága), amelyekhez tartozó pontokban csak a fénysugarak meghosszabbításai metszik egymást, negatívak lesznek (domború gömbtükör és szórólencse fókusztávolsága, látszólagos kép és tárgy távolsága). 13

TARTALOM

49. A színképek osztályozása A spektrumok keletkezésük szerint lehetnek: a) Kibocsátási vagy emissziós spektrumok, amikor a vizsgált minta által kibocsátott fényt bontjuk fel hullámhosszak szerint. b) Elnyelési vagy abszorpciós spektrumok, amikor a fehér fényt az anyagon átbocsátva a fehér fény spektrumából az adott anyagra jellemző vonalak vagy sávok hiányoznak. A spektrumok szerkezetük szerint lehetnek: a) Vonalas színképek (ezek atomok, egyszerűbb molekulák elnyelési vagy kibocsátási színképei). b) Sávos szerkezetű színképek (összetettebb molekulák, szilárdtestek és folyadékok színképei). c) Folytonos színképek (izzó testek hőmérsékleti sugárzásának színképei). 50. Sorolj fel legalább 3 db optikai eszközt! Nagyító, tükrök (sík, domború, homorú), különböző távcsövek (Kepler-, Galilei-, Newton féle), fényképezőgép, diavetítő, mikroszkóp, szem. 51. A klasszikus fizika eredményei és hiányosságai Newton munkássága nyomán a mechanikát egyetemes törvények foglalták logikus rendszerbe. Ezek összhangban vannak a világról kialakult szemléletünkkel. Volt azonban néhány tapasztalat, amit nem lehetett összeegyeztetni az alapelveivel. Ezek az ellentmondások olyan területekhez kapcsolódtak, ahol az embernek nem volt lehetősége érzékszervi tapasztalatszerzésre. Néhány példa:  A hőmérsékleti sugárzás eloszlásának értelmezése.  A fotoeffektus (fényelektromos hatás) értelmezése.  A Compton-effektus magyarázata. 52. A speciális relativitáselmélet néhány megállapítása A test összenergiája és tömege egymással egyenesen arányos. Eszerint, ha egy testnek nő az energiája (például gyorsítjuk), akkor nő a tömege is (de ez csak a fénysebesség közelében válik jelentőssé). E = m . c2 A klasszikus fizika a tömeget állandónak tekintette. A tömeg azonban függ a sebességtől, de ez csak a fénysebesség közelében válik mérhetővé. A test m tömege és v sebessége közötti összefüggés: √ ahol m0 a nyugalmi tömeget, c pedig a fénysebességet jelenti. 53. A kvantumfizika születése Sokan próbálták a hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a klasszikus fizika törvényeivel magyarázni, sikertelenül. Max Planck (1858–1947) német fizikus 1900-ban olyan matematikai összefüggést vezetett le, amely pontosan összhangban volt a tapasztalatokkal. Planck feltételezte, hogy a sugárzás energiája kis adagokból, ún. kvantumokból tevődik össze. Egy energiakvantum nagysága: , ahol f a rezgés frekvenciája, h pedig egy állandó, amit azóta Planck-állandónak nevezünk. Értéke: h = 6,63·10–34 Js. Az energiakvantum nagysága tehát egyenes arányban áll a hullám frekvenciájával.

14

TARTALOM

54. A fényelektromos jelenség (fotoeffektus) A fotoeffektus jelenségét a német W. Hallwachs és tőle függetlenül az orosz A. Sztoletov fedezte fel 1888-ban. A fémekből izzítással (termikus emisszió), elektronok bombázásával (hidegemisszió) vagy megvilágítással (fotoemiszszió) lehet szabad elektronokat kiléptetni. A fény hatására történő elektronkiléptetést fényelektromos jelenségnek vagy fotoeffektusnak nevezzük. A fotoeffektus kísérletileg megállapított jellemzői:  Erősebb megvilágításnál több elektron lép ki a fotokatódból.  A kilépő elektronok maximális mozgási energiáját csak a fény frekvenciája befolyásolja.  A fotoeffektus nem jön létre, ha a fény frekvenciája kisebb – egy a fotokatód anyagára jellemző – határfrekvenciánál: f < fh.  A fényelektromos hatás mindig pillanatszerűen következik be. 55. A fotoeffektus problémájának megoldása. A fény hullámmodellje* és a kísérleti eredmények közötti ellentmondást Albert Einstein oldotta meg 1905-ben. Alkalmazta Planck kvantumhipotézisét a fotoeffektusra. Einstein feltette, hogy a fény ε = h·f energiájú kvantumokból, azaz fotonokból* áll. A fotoeffektusra a következő energiaegyenletet írta fel: A fényelektromos egyenlet szerint a fénysebességgel haladó h·f energiájú fotonok teljes energiájukat átadják az elektronoknak. Azok a fotonenergia egy részét Wki kilépési munkára fordítják, a fennmaradó rész pedig mozgási energia formájában marad meg. A fotonmodell alapján értelmezett fényelektromos jelenség ellentmondásai megszűnnek. Einstein a fényelektromos jelenség értelmezéséért elnyerte az 1921. évi fizikai Nobel-díjat. 56. A foton részecsketulajdonságai A modern fizika elméletileg és kísérletileg is igazolta, hogy a fény is az anyag egyik megjelenési formája. Így a fotont olyan fényrészecskének tekinthetjük, amely vákuumbeli fénysebességgel mozog és meghatározott energiával, tömeggel és lendülettel rendelkezik. A foton energiája: ϵ = h f , így az Einstein-féle ϵ = m c2 tömeg – energia ekvivalencia egyenlet alapján a fotonhoz is rendelhető tömeg. A foton tömege a fenti két összefüggésből: A foton lendületét (impulzusát) úgy kaphatjuk meg, ha az I = m v képletet alkalmazzuk v = c helyettesítéssel. Így nyerjük az =h/λ 57. A fény kettős természete A fényjelenségek és az azokra vonatkozó törvényszerűségek egy része (például az interferencia és a polarizáció) csak a fény hullámmodellje alapján értelmezhetők. Más jelenségek (pl. a fotoeffektus) és törvényszerűségeik viszont csak a részecskemodell segítségével írhatók le. Ugyanakkor vannak olyan jelenségek is, amelyek értelmezésére mindkét modell alkalmas. Ilyen például a fény nyomása. Általánosan megállapítható, hogy a fény terjedésével kapcsolatos jelenségeknél a fény hullámtermészete, atomos anyaggal való kölcsönhatásakor pedig a részecskejellege jut érvényre. 15

TARTALOM

58. Az anyaghullámok Louis de Broglie francia fizikus 1924-ben felállította az anyaghullám hipotézist. Elgondolása szerint minden mikrorészecske, így az elektron is mutathat hullám- és részecsketulajdonságot. De Broglie feltevése szerint az E energiával és I impulzussal rendelkező részecskéhez rendelt anyaghullám frekvenciája (f) és hullámhossza (λ) az alábbi, ún. de Broglie-összefüggésekből határozható meg:

=

λ=

1928-ban G. P. Thomson a megtervezett kísérletében a mikrokristályokon áthaladó elektronnyalábok a fényérzékeny lemezen vagy fluoreszkáló ernyőn koncentrikus interferenciagyűrűket hoztak létre. Az elektron hullámtermészetét igazoló interferenciás kísérletek megvalósításáért G. P. Thomson és C. Davisson 1937-ben megosztott Nobel-díjat kaptak. 59. Klasszikus atommodellek, a Thomson-modell A fizikusok az atomok belső szerkezetének és törvényszerűségeinek feltárására atommodelleket alkotnak. A klasszikus fizikán – vagyis a newtoni mechanikán és a Maxwell-féle elektromágneses elméleten – alapuló kezdeti modelleket klasszikus atommodelleknek nevezzük. Ide sorolható a Thomson-modell és a Rutherford-féle atommodell.  Thomson-modell : Az első atommodellt Joseph John Thomson fizikus – az elektron felfedezője – alkotta meg 1902-ben. Thomson úgy képzelte, hogy az atomok tömör képződmények. Az atomok egyenletes pozitív töltéseloszlású (rugalmas természetű) anyagába vannak szétszórtan beágyazódva a negatív töltésű elektronok. A modell mazsolás pudinghoz (vagy görögdinnyéhez) hasonlít, innen kapta a puding-modell vagy görögdinnye-modell elnevezést. 60. Rutherford szórási kísérlete Rutherfordék azt vizsgálták, hogy a pozitív töltésű a-részecskék (He2+ atommagok) hogyan haladnak át a vékony aranylemezen. A kísérletek során azt tapasztalták, hogy a részecskék nagy hányada szinte eltérülés nélkül haladt át a fólián. Azonban – igen ritkán – megfigyeltek nagy szögben eltérülő részeket is. 61. Rutherford-féle atommodell A szórási kísérletek eredményét új feltevéssel értelmezte Rutherford. Feltételezte, hogy az alfarészek szóródását az atom közepén elhelyezkedő, pozitív elektromos töltésű, kis méretű atomi rész okozza. Ezt atommagnak nevezték el. A kísérleteken alapuló pontos számítások szerint az atommag elektromos töltésére Q = Z·e érték adódott. A Z egész szám az atom rendszámával egyezett meg. Az atommag tömegéről pedig kiderült, hogy az atom tömegének több mint 99,9%-át teszi ki. Az alfarészek visszaszóródási arányából arra lehetett következtetni, hogy az atommagok mérete 10–15 m nagyságrendű (az atomi méreteknek mintegy százezred része). A modell a Naprendszerhez hasonlóan képzeli el az atomot, amelyben az atommag körül körpályán keringenek az elektronok. A Rutherford-féle atommodell nem tudta értelmezni a világunkban tapasztalt atomi állandóságot. Emiatt a modell további módosításra szorult. 62. A Bohr-féle atommodell létrejöttének körülményei A XIX. század végén a fizikusok légritkított, különféle gázzal töltött csövekben elektromos kisülésekkel létrehozott fényjelenségeket tanulmányoztak. Vizsgálták a kisülések hatására világító gázok fényének színképeit, amelyek vonalas szerkezetűnek mutatkoztak. A vonalak elrendeződése a gáz anyagára volt jellemző. Az 1913-ban megalkotott Bohr-modell nagy előrelépést jelentett az atommodellek fejlődésében. Hiszen olyan alapvető problémát tudott kiküszöbölni, mint az atomok 16

TARTALOM

sugárzásos „összeomlása”. A modell alapján értelmezhetővé vált bizonyos egyszerű atomok vonalas színképe is. 63. A Bohr-féle atommodell jellemzői Modelljének megalkotásakor Bohr néhol gyökeresen szakított a klasszikus fizikai felfogással. Kvantált elektronpályákat vezetett be, alkalmazta a fotonelméletet. Bohr a Naprendszer-modellt elfogadta, de az alábbi alapfeltevésekkel (posztulátumokkal) egészítette ki:  Az atommag körül az elektronok csak meghatározott sugarú pályákon keringhetnek. A kiválasztott ún. stacionárius (állandósult) pályákon keringve az elektronok nem sugároznak.  Az atomok fénykibocsátásakor illetve fényelnyelésekor az elektronok az egyik pályáról a másikra kerülnek. Eközben az atomok egy fotont bocsátanak ki illetve nyelnek el. A kibocsátott (vagy elnyelt) foton energiája megegyezik a pályák közötti energiakülönbséggel: h f = Em − En Ezt az összefüggést frekvenciafeltételnek nevezzük. Bohr a feltevései alapján teljes mértékben értelmezni tudta az egy elektront tartalmazó hidrogénatom és egyszerű – egy elektront tartalmazó – ionok vonalas színképét. 64. Az atomok hullámmodellje A Bohr-modell legfőbb hiányossága az volt, hogy nem vette figyelembe az atomi elektron hullámtermészetét. Ebből egyrészt elvi, másrészt a kísérleti tapasztalatokkal szembeni ellentmondások keletkeztek. A hidrogénatomra vonatkozóan a hullámmodell és a Bohr-modell alkalmazásával adódó legfontosabb eredmények megegyeznek. A Bohr-modell a lehetséges energiaszinteket azonban önkényes feltevésből vezeti le, a hullámmodell viszont az elektron hullámtermészetén alapuló állóhullám állapotokból kapja. A Bohr-modell szerint a hidrogénatom az egyetlen elektronjával lapos korongként viselkedne, a hullámmodell térbeli állóhulláma viszont gömbszerű, amely megfelel a kísérleti tapasztalatoknak. 65. Az atommagok fizikai jellemzői • Az atommag töltésére az e pozitív elemi töltés egész számú többszöröse adódott. A mérések szerint a Z egész szám az atom periódusos rendszerbeli rendszámával egyezik meg: Qmag = Z e . Így a Z számot a mag rendszámának nevezzük. • A nagyobb rendszámú atommagok tömege közelítőleg a legkisebb atommag – a proton – tömegének egész számú többszöröse: Mmag ≈ A mp • Az A egész számot az atommag tömegszámának nevezzük. Az atommag tömege az egész atom tömegének több mint 99,9%-át teszi ki, ugyanakkor térfogata az atom térfogatának mintegy 10–14-ed része. Ebből adódik a mag rendkívül nagy (1017 kg/m3 nagyságrendű) sűrűsége. 66. Az atommagok felépítése, részei Az A tömegszámú és Z rendszámú atommag Z számú protonból és N = A – Z számú neutronból tevődik össze. Az atommag összetétele: Z számú pozitív e töltésű proton, A – Z számú semleges, a protonnal közel azonos tömegű neutron. A magot alkotó részecskéket (a protont és a neutront) közös néven nukleonoknak nevezzük. Az atommagokat – a tömegszám és a rendszám felső, illetve alsó indexben való feltüntetésével a következőképpen jelöljük: ahol X helyére konkrét esetben az elem vegyjelét írjuk.

17

TARTALOM

67. Mit nevezünk izotópoknak? Egy adott kémiai elem atomjai különböző tömegűek is lehetnek. A természetben előforduló elemek ezek keverékéből tevődnek össze. Az egyes elemek relatív atomtömege az egész értéktől eltérő törtszám is lehet. A különböző tömegű, de azonos rendszámú atomokat (vagy atommagokat) izotópoknak nevezzük. (izotóp = azonos hely) Az izotópok tömegspektroszkóppal választhatók szét. Az izotópmagok azonos (Z) számú protont, de különböző számú (A–Z) neutront tartalmaznak. Az eltérő magszerkezet miatt az izotópmagok fizikai tulajdonságaikban (stabilitás, kötési energia) jelentős eltérések lehetnek. 68. A mag alkotórészei között ható erők. Az atommagok alkotórészei, a nukleonok közötti kölcsönhatás vizsgálata során mindenekelőtt az alapvető kölcsönhatásokat: a protonok között fellépő elektromos taszítást (Coulomb-erő), valamint a minden nukleon között fellépő gravitációs vonzást kell figyelembe venni. A vonzó jellegű gravitációs erő sok nagyságrenddel kisebb a taszító elektromos erőnél. Ezért a két fundamentális kölcsönhatástípus nem elegendő ahhoz, hogy értelmezni tudjuk az atommagok nagyfokú stabilitását és energiaviszonyait. A magstruktúra elméleti leírásához fel kell tételezni, hogy a természetben létezik egy további, alapvető kölcsönhatástípus, amely az atommagon belül a nukleonok között lép fel, ezért a nukleáris kölcsönhatás (más néven magerő) elnevezést kapta. 69. Az erős kölcsönhatás jellemzői A magfizikai kísérletek és elméleti számítások szerint a nukleáris kölcsönhatás legfontosabb jellemzői az alábbiak:  A kölcsönhatás vonzó jellegű és igen rövid hatótávolságú (kb. 10–15 m). Ezért a sok nukleont tartalmazó nagyobb magoknál csak az egymáshoz közeli, szomszédos nukleonok között működik.  Rövid hatótávolságon belül igen erős, kb. néhány százszor erősebb az ugyanekkora távolságban működő elektromos taszítónál. Ezért a kölcsönhatást erős kölcsönhatásnak is nevezik.  A magerő az elektromos töltéstől független, azaz éppen úgy hat proton-proton között, mint neutron-neutron vagy neutron-proton között. Úgy is mondható, hogy a magerő a kétfajta nukleont nem különbözteti meg egymástól. 70. Az atommag kötési energiája. Egy atommag kötési energiáján azt az energiát értjük, melynek befektetésével az atommag egymástól távol lévő, szabad nukleonokra bontható fel. A kötési energia jele: Ek Az energia-megmaradás elve szerint a szabad nukleonok atommaggá való egyesülésekor (fúziójakor) a kötési energiának megfelelő nagyságú nukleáris energia szabadul fel. Az atommagok kötési energiájának kísérleti mérését tömegmérésre vezethetjük vissza. 71. Tömegdefektus (tömeghiány) Az A tömegszámú atommag kísérletileg meghatározott ma tömege kisebbnek bizonyul az A számú nukleon együttes tömegénél. A jelenséget tömegdefektusnak, vagy tömeghiánynak nevezzük, amely az Einstein-féle tömeg–energia egyenértékűséggel értelmezhető.

18

TARTALOM

Az atommagok mérhető tömegdefektusa a speciális relativitáselmélet egyik döntő kísérleti bizonyítékának is tekinthető. Ha az atommag tömegének mérésével kapott Δm = Z mp + (A−Z) mn − ma tömegkülönbséget szorozzuk a fénysebesség négyzetével, megkapjuk az atommag kötési energiáját: Ek=[Z mp + (A−Z) mn−ma] c2 ahol mp és mn az alkotórészek – a proton és a neutron – tömege, ma pedig az atommag megmért tömege. Pontosabb képet kapunk azonban a magok energiaviszonyairól, ha képezzük az egy nukleonra jutó Eka hányadost, amelyet átlagos vagy fajlagos kötési energiának nevezünk. 72. A nukleáris energia felszabadulásának lehetőségei. A nukleáris energia kétféle módon szabadulhat fel: •

•

A vasnál kisebb tömegszámú ún. könnyű atommagok valamilyen módon egyesülnek (amit magfúziónak nevezünk). Az urán körüli ún. nehéz atommagok valamilyen módon könnyebb atommagokra bomlanak fel. Ha a felbomlás két közel azonos tömegszámú magra történik, akkor maghasadásról, ha pedig egy A = 4 tömegszámú héliumatommag kibocsátásával történik, akkor radioaktív bomlásról beszélünk.

73. A radioaktív bomlás és fajtái A természetes radioaktív sugárzások tanulmányozása során kiderült, hogy a sugárzások forrásai az atommagok, melyek a sugárzás során átalakulnak. A magok belső szerkezetének ilyen átalakulását nevezzük radioaktív bomlásnak. Az atommagok bomlásának elméletét Ernest Rutherford dolgozta ki 1903-ban. Az elmélet szerint az atommagok bomlásának módját az alábbi reakcióegyenletekkel írhatjuk le: Alfa-bomlás: Az elbomló X atommagból egy α -részecske, azaz héliumatommag távozik. Így a keletkező Y atommag tömegszáma 4-gyel, rendszáma 2-vel kisebb lesz az X atommag tömeg- és rendszámánál. Béta-bomlás: Az elbomló X atommagból egy β -részecske, azaz elektron távozik. Így az új Y magban a protonok száma (és ezzel együtt a Z rendszám is) 1-gyel nő, az A tömegszám pedig nem változik. Az elektron egy neutronnak protonra való elbomlásából jön létre: Gamma-sugárzás: A gamma-sugárzásnál a reakcióegyenlet szerint egy (*-gal) jelzett gerjesztett Y* atommag bocsát ki egy nagy energiájú γ -fotont. Itt az atommag belső szerkezetében nem történik változás.

19

TARTALOM

A természetes radioaktív bomláskor a γ-sugárzás csak a másik két sugárzásfajta kísérőjelenségeként léphet fel, amikor az atommagok alfa- vagy béta-bomlásakor létrejövő új mag gerjesztett állapotban marad, amelyből γ -foton kibocsátásával jut vissza alapállapotba. 74. A radioaktív atommagok bomlásának törvényszerűségei. •

Aktivitás: Az időegység alatt elbomlott atommagok száma egyenesen arányos a meglévő (el nem bomlott) magok számával. Az atommagok bomlásának időbeli jellemzésére ló

•

•

hányadost aktivitásnak nevezzük. A hányados elé a negatív előjelet azért szokás

tenni, hogy az A aktivitás értéke pozitív legyen, mivel az atommagok számának ΔN csökkenését negatívnak vesszük. Az aktivitás egysége: 1s , neve: becquerel, jele: Bq (1 Bq = 1 1/s ). Bomlási állandó: Az A aktivitás és a radioaktív anyagban meglévő atommagok N száma között fennálló egyenes arányosságot az A = λ · N alakban írhatjuk fel, ahol a λ arányossági szorzót bomlási állandónak nevezzük. A λ-állandó a radioaktív atommagra jellemző, csak annak belső szerkezetétől függ. Számértéke megmutatja, hogy másodpercenként az atommagok hányad része bomlik el, egysége 1/s Felezési idő: Azt az időt, amely alatt az atommagok fele elbomlik nevezzük felezési időnek. Jelölése: T mértékegysége: [T]= s

75. Az exponenciális bomlási törvény, bomlási sorok Tetszőleges t idő elteltével az el nem bomlott magok N számát az

( ) exponenciális kifejezéssel

adhatjuk meg, ahol az kitevő a t idő alatt bekövetkező feleződések számát jelenti. A fenti öszszefüggést exponenciális bomlási törvénynek nevezzük Ha a radioaktív magok bomlásakor keletkezű új atommag is radioaktív, majd annak ún. „leánymagja” úgyszintén, akkor ún. bomlási sorozatok alakulnak ki. A természetben előforduló radioaktív elemek többsége radioaktív bomlási sorozatba sorolható. 76. A maghasadás és a láncreakció A magátalakulási folyamatok egyik fajtája az atommaghasadás vagy fisszió. A nehéz atommagok energia-felszabadulással járó folyamat eredményeként könnyebb atommagokká hasadnak szét Ha elegendő hasadó anyagunk van (kritikus tömeg), akkor létre jöhet a folyamatos maghasadás, a láncreakció. A lassú neutronok eltalálják a nehéz atommagot. Az kettő vagy több könnyű atommagra hasad és mindig keletkeznek újabb neutronok is (kettő vagy három). Ha ezeket a keletkezett neutronokat lelassítjuk, akkor képesek ismét atommagot hasítani, a láncreakció beindul. 1934-ben Szilárd Leó szabadalmaztatta az elvet.

77. A láncreakció fajtái szabályozatlan láncreakció: Ha a maghasadások száma hírtelen, rohamosan növekszik és a felszabaduló energia mennyisége ellenőrizhetetlen, akkor beszélünk szabályozatlan láncreakcióról. Ilyen folyamat működteti az atombombát. 20

TARTALOM

szabályozott láncreakció: A hasadásos reaktorokban a láncreakció ellenőrzött formában zajlik. A hasadást létrehozó neutronok számának változtatásával lehetséges a láncreakció szabályozása. 78. Az atomerőmű felépítése és működése A paksi atomerőmű felépítésének a vázlata:

Az erőmű részei és szerepük: 1. Reaktor: A reaktorban zajlik a szabályozott láncreakció. A dúsított uránt a fűtőrudak tartalmazzák. A hasadás során felszabaduló és újabb hasadást okozó neutronok számát a közöttük mozgatható, neutronelnyelő anyagot (például bort vagy kadmiumot) tartalmazó rudakkal lehet szabályozni. Minél mélyebbre tolják a rudakat, annál több neutron nyelődik el, anélkül, hogy újabb hasadást okozna. A neutronok lassítását a reaktort kitöltő moderátoranyag végzi (például víz). 2. Primer kör: A hasadások során felszabaduló energia a primer körben keringő anyagot (az ábrán szereplő erőműben a nagy nyomású vizet, ami egyben a moderátor is) felmelegíti, jelen esetben több mint 200 °Cra. A primer kör vize viszont hűti a reaktort. 3. Gőzfejlesztő: Itt történik a hőcsere a primer kör és a szekunder kör anyaga között. A szekunder körben keringő vízből itt keletkezik gőz, amely a turbinát hajtja. 4. Szekunder kör: szekunder körben keringő víz a gőzfejlesztőben felforr, gőzzé alakul, meghajtja a turbinát, majd a hűtőkör hatására lecsapódik, és újra kezdi a ciklust. 5. Turbina: turbina forgatja a generátor forgórészét. 6. Generátor: generátorban - mozgási indukció révén - a mechanikai (forgási) energia elektromos energiává alakul, itt jön létre a váltakozó áram.

21

TARTALOM

79. Az atomerőművek előnyei, illetve hátrányai a hagyományos erőművel szemben! Az atomerőmű előnyei például:  kevesebb fűtőanyag szükséges, mint a szén- vagy olajtüzelésű erőművekben, ezáltal kisebb mértékű á

szükséges bányászat;  nem szennyezi a levegőt az égéstermékekkel;  nagyobb a hatásfoka;  építésekor nem szükséges olyan jellegű környezet-átalakítás, mint a vízi erőműveknél (víztározó, völgyzá-

rógát stb.). Az atomerőmű hátrányai például:  a kiégett fűtőanyag továbbra is radioaktív marad, ezért problematikus a tárolása;  különleges technikai megoldásokra van szükség, hogy a radioaktív anyagok ne juthassanak ki a reaktor-

térből, illetve a primer körből;  a hűtőkör a környezettel (általában egy folyóval) van kapcsolatban, ezáltal olyan hőmérséklet-változást

okozhat, amely káros lehet az élővilág egyensúlyára.

80. A magfúzió A magfúzió olyan magreakció, ami során két kisebb atommag egyesül egy nagyobbat eredményezve. Ha a fúzióban résztvevő elemek könynyebbek a vasnál, akkor a folyamat energiafölszabadulással jár, ellenkező esetben energiát kell befektetni. Ez a folyamat játszódik le a csillagokban és a hidrogénbomba robbanásakor. A vasnál nehezebb elemek fúziója szélsőséges feltételeket követel, mint például a szupernóva-robbanás. A természetben található elemek mind csillagokban és szupernóva-robbanás közben jöttek létre. 81. A magfúzió mesterséges megvalósítása Szabályozatlan formában történő termonukleáris reakciót már sikerült megvalósítani az ún. hidrogénbomba formájában. Itt a reakcióhoz szükséges magas hőmérsékletet a hasadóanyagot tartalmazó atombomba felrobbanása szolgáltatja. A kontrollált energiatermelő fúziós folyamatok megvalósítására irányuló, kísérletek évtizedek óta folynak több-kevesebb sikerrel. A fúziós reaktorok energiatermelését ipari méretekben mind ez ideig nem sikerült megoldani. Ennek elsősorban technikai akadályai vannak.

22

TARTALOM

82. A csillagfejlődés szakaszai Első: keletkezési szakasz A meginduló gravitációs összehúzódás során a felszabaduló energia felforrósítja a csillag belsejét. Ekkor a gázgömb lassan világítani kezd. Ezt az állapotot nevezzük protocsillagnak*. Ha a gázgömb tömege elegendően nagy, akkor a gravitációs összehúzódás tovább folytatódik, a csillag középső magja kb. 10-15 millió fokos hőmérsékletre forrósodik fel. Ezen a hőmérsékleten már megindul a protonok héliummaggá történő egyesülése. A magfúzió beindulásával születik meg a csillag. Második: stabilitás, egyenletes sugárzás szakasza A stabil sugárzási szakasz hossza a csillag tömegétől függ. Minél nagyobb tömegű a csillag, annál rövidebb életű. Ugyanis a nagyobb tömegű csillagok nagyobb teljesítményű sugárzásukkal hamarabb elfogyasztják a középpontjukban lévő hidrogént. Harmadik: ismétlődő fúziós szakaszok Amikor a csillag a magfúzióval elfogyasztotta a középpontjában található hidrogénkészletének nagy részét, akkor a sugárzási teljesítménye csökken. Az ezzel járó belső nyomáscsökkenés nem képes ellenállni a gravitációs összehúzódásnak, a csillag belső része összenyomódik, ez viszont a központi rész felforrósodásával jár. Kb. 100 millió K hőmérsékleten megindul a héliummagok berilliummagokká és szénatommagokká történő fúziója. Az ismét beinduló fúziós folyamatok révén jelentősen megnövekszik a belső nyomás, amely a gravitációt legyőzve a csillag méretét óriás méretűre fújja fel: a csillag vörösóriás-állapotba kerül. Az égitest óriási mértékben megnőtt felszíne kissé lehűl, ezért lesz a csillag eddigi sárgásfehér színe vörös színű. A csillagok a felfúvódásuk után vörös óriásként sugározva ismét stabil állapotba kerülnek – a tömegüktől függően – mindaddig, míg a korábban termelődött héliumkészlet nagy része el nem fogy. Ekkor az újabb gravitációs összehúzódást követően a még nagyobb töltésszámú könnyű magok egyesülése indul be (C, O, N) még nagyobb hőmérsékleten. Ez újabb felfúvódást okoz. Ha a csillag tömege elég nagy, akkor ezek az ismétlődő összehúzódás-felfúvódás periódusok addig tartanak, míg a fúzió el nem éri a legstabilabb atommagot: a vasat. További fúzió már nem járna energia-felszabadulással. A csillag fúziós energiatermelése leáll. Negyedik: a végső szakasz A csillagok végső sorsának három, egymástól különböző végkimenetele lehetséges: a) fehértörpe-állapot: Az elnevezést a kisméretű csillag magas hőmérsékleten fehéren izzó felszínéről kapta. Az összehúzódás során felszabadult energiát a csillag viszonylag hosszú idő alatt sugározza ki, és megszűnik tovább világítani. A csillagból kb. Föld-méretű, nagy sűrűségű láthatatlan égitest lesz. b) neutroncsillag-állapot: Ha a csillag tömege egy bizonyos határt meghalad (ez a Nap tömegének kb. 7-8-szorosa), akkor a nagy gravitációs nyomásnak az összesűrűsödött belső rész, amely atommagokból és elektronokból álló plazma, nem tud ellenállni. Az elektronok az atommagokba préselődnek, és ott a protonokkal neutronokká egyesülnek. Így egy hatalmas, neutronokból álló, atommag-sűrűségű neutroncsillag keletkezik. c) feketelyuk-állapot: A csillagok pusztulásának harmadik lehetséges befejező szakasza a feketelyuk-állapot. Ez akkor következik be, ha a csillag tömege olyan nagy, hogy a gravitációs összehúzódás még a neutroncsillag-állapotban sem szűnik meg. Az anyagnak ebben a különleges állapotában a nagy tömeg és a rendkívül kis térfogat miatt olyan erős gravitációs tér alakul ki, hogy a rendkívüli módon összesűrűsödött anyagi objektum felületéről még a fény sem tud kilépni. Erre utal találóan a fekete lyuk elnevezés.

23

TARTALOM

83. A világegyetem szerkezete és fejlődése A csillagok eloszlása a világűrben nem egyenletes. A csillagok csillagrendszerekbe, más néven galaxisokba tömörülnek. A mi csillagunk, a Nap is egy ilyen galaxisban foglal helyet, amelyet Galaktikának vagy Tejútrendszernek nevezünk. A galaxisok sok milliárd csillagból tevődnek össze. A kvazárok a világegyetem korai szakaszában keletkezett galaxisok erős sugárzást kibocsátó magjai. A Táguló univerzum: Edwin P. Hubble amerikai csillagász 1929-ben a távoli extragalaxisok fényének vizsgálata során észrevette, hogy a színképben a földi elemeknek megfelelő színképvonalak a laboratóriumban mért hullámhossztól kissé a vörös felé tolódtak el. A jelenséget vöröseltolódásnak nevezzük. A vöröseltolódás legvalószínűbb magyarázata, hogy a távoli extragalaxisok nagy sebességgel távolodnak a megfigyelőtől, és így fellép a Doppler-effektusnak nevezett hullámhossznövekedés, ez a színképvonalak a vörös – hosszú hullámhosszú – szín felé történő eltolódását eredményezi. Az univerzum kialakulása:A galaxisok egymástól való távolodása alapján feltételezhetjük, hogy valamikor a múltban – kb. 13-14 milliárd évvel ezelőtt – kellett lennie egy ősrobbanásnak, amely a ma is megfigyelhető tágulást okozta. Ezt az elképzelést nevezzük ősrobbanás-elméletnek.

24