Modern fizika

Klasszikus fizika Olyan törvényekkel ismerkedtünk meg melyekhez tapasztalatokat a mindennapi életből is szerezhettünk. Mechanika: Newton, mechanika egyetemes törvényei Hőtan: Joule, energia megmaradás törvénye Elektromosságtan: Faraday és Maxwell , Fénytan: Snellius-Descartes törvény

Éter elmélet Ahhoz, hogy megadjuk valaminek a sebességét először fel kell vennünk egy koordinátarendszert. A teret magát, nem tekinthetjük egy abszolút koordinátarendszernek. Hogy az ellentmondást feloldják, a fizikusok a századfordulón még azt feltételezték, hogy a teret egy rendkívül híg massza tölti ki, az éter. Az éter, úgy gondolták, egy anyagi egységekből álló mozdulatlan közeg, amely a testek közötti kölcsönhatásokat közvetíti. A gyorsabb transzverzális hullámhoz keményebb étert kellett feltételezni, de ez ellentmond az égitestek akadály nélküli mozgásának a világűrben. Albert Einstein (1879-1955) német fizikus a speciális relativitás elméletében (1905) felállította a hipotézisét: nincs éter

Modern fizika születése A klasszikus fizikában volt néhány tapasztalat, amit nem lehetett összeegyeztetni a newtoni mechanika és maxwell-i elektromágnesesség alapelveivel. James Clerk Maxwell elmélete szerint bármely elektromágneses hullám (így a fény is) állandó sebességgel terjed, bármilyen körülmények közé is kerül. Ez ellentmondott a Galilei-féle sebesség-összeadási elvvel. A kényszer, hogy a fénysebességnek minden körülmények között állandónak kell lennie, látszólag óriási ellentmondásban van a tizenkilencedik század végéig kidolgozott mechanikai összefüggésekkel. A klasszikus fizika világképe fénysebesség közelében nem alkalmazható!

A relativitás elmélet születése Két egymáshoz képest mozgó megfigyelő két esemény között eltérő idő- és távolságnagyságot mér, mégis a fizikai törvények tartalmának azonosnak kell lennie. Megoldatlan kérdés: mihez viszonyítva terjed a fény c=300.000 km/s sebességgel? Hibásak az abszolút térről és időről alkotott fogalmaink, de ez csak az igen nagy sebességnél lesz nyilvánvaló. A fény bármilyen inerciarendszerhez képest . c=300.000 km/s sebességgel terjed. Albert Einstein (1879-1955) német fizikus

Speciális relativitáselmélet Tömeg-energia ekvivalencia egyelet: E - egy tetszőleges test összenergiája, m - a test tömege, c - a vákuumbeli fénysebesség Eszerint, ha egy testnek nő az energiája, a tömege is nő. A tömegből származó energia nagy része már nyugalmi állapotban is a testekben van. 1g tömegű test nyugalmi energiája: 9*1013J mely 9millió t tömegű anyagot tudna 1km magasba emelni.

Speciális relativitáselmélet következményei Idő-dilatáció: Egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó esemény egy v sebességgel mozgó koordinátarendszerben hosszabb ideig tart: Tömegformula: Ikerparadokszon Távolság kontrakció

Általános relativitáselmélet Az általános relativitáselmélet  a  gravitáció Albert Einstein által 1916-ban közzétett elmélete.  Az általános relativitáselmélet alapja az ekvivalenciaelv, mely a gravitációt és a gyorsulást ugyanannak a dolognak két látásmódjaként írja le. Az ekvivalenciaelv magyarázza azt a kísérleti megfigyelést, hogy a tehetetlen és súlyos tömeg egyenértékű. Semmilyen fizikai mérés nem képes arra, hogy egy nem gyorsuló vonatkoztatási rendszer mozgásállapotát megállapítsa. A rakétában levő megfigyelő az ekvivalencia-elv szerint nem tudja megállapítani, hogy homogén gravitációs mezőben van, vagy pedig a hajtóművek dolgoznak.  

Kísérleti bizonyítékok Gravitációs vöröseltolódás: Az általános relativitáselmélet szerint az erős gravitációs téren keresztülhaladó fény vörös vagy kékeltolódást szenvedhet. Ez az Einstein-eltolódás. Gravitációs fényelhajlás: Az első mérést 1919-ben Brazíliában végezték egy teljes napfogyatkozás során. A mérés, bár nagy hibával, de az Einstein-féle értéket mutatta. Később rádióhullámokkal is igazolták az elmélet helyességét.

Einstein-gyűrű Gravitációslencse-hatás: Az Einstein-gyűrű akkor látható, ha egy nagy tömegű, távoli galaxis vagy galaxishalmaz elhajlítja a még távolabb, mögötte elhelyezkedő galaxis által kibocsátott fénysugarakat.  Az SDP.81 jelű galaxis, az előtérgalaxis és a Föld olyan pontossággal fekszenek egy egyenes mentén, hogy a leképezett galaxis majdnem egy teljes Einstein-gyűrűt formáz a Földről nézve.

Kvantumelmélet születése Hőmérsékleti sugárzás A tárgyak – anyagi minőségüktől függetlenül – elektromágneses sugárzást, ún. hőmérsékleti sugárzást bocsátanak ki. Ez szobahőmérsékleten infravörös tartományban van, a hőmérséklet növekedésével azonban csökken a hullámhossza, és látható tartományba kerül. A melegedő test a vörös színből egyre fehérebben izzik. A hőmérsékleti sugárzás tapasztalati törvényeit a klasszikus fizika törvényeivel nem tudták megmagyarázni. A testek hőmérsékletétől függő erősségű és összetételű elektromágneses sugárzást hőmérsékleti sugárzásnak nevezzük.

A kvantumelmélet Max Planck (1858-1947) német fizikus A testek hőmérsékleti sugárzásának energiája kis adagokból, úgynevezett kvantumokból tevődik össze. El kell vetnünk a folytonosság elvének több száz éves axiómáját, a fénykibocsátás és elnyelés energetikai szempontból nem folytonos jelenség.  Max Planck (1858-1947) német fizikus Egy kvantum energiája: E=h*f  E=n*h*f f- a rezgés frekvenciája, h - Planck állandónak nevezünk. h=6,63*10-34Js elemi hatáskvantum A kvantum energiája és a frekvencia között egyenes arányosság áll fenn.

A fényelektromos jelenség Nagy frekvenciájú fény hatására a negatív töltésű cink lemezt elektronok hagyják el Az elektroszkóp lemeze elveszíti negatív töltését. A jelenség független a fény intenzitásától. 1888. Alexandr Sztoljetov ( orosz ) és Wilhelm Hallwachs ( német ) fizikusok fedezték fel a fotoeffektus jelenségét. (Fotózás: sötétkamra lámpa)

Fotoeffektus jelensége Fotóeffektusnak nevezzük azt a jelenséget, amikor fény hatására egy fémből elektronok lépnek ki.  A fotóáram nem követi Ohm törvényét, hamar eléri maximumát, amit csak a fényerősség határoz meg. Ha a fény frekvenciáját csökkentjük, akkor elérünk egy olyan küszöbfrekvenciát, amely alatt nem léptethető ki elektron, bármilyen erős fényt is használjunk.  A kilépő elektronok energiája pedig csak a frekvenciától függ, a fényerősségtől nem. 

Fotoeffektus magyarázata Klasszikus szemlélet szerint: (hullámelmélet szerint) a növekvő fényerőnek növelnie kell az elektron energiáját  Kísérleti tény: fotóelektronok maximális energiája változatlan marad a növekvő fényerősséggel.   a fény frekvenciájának a jelenségre semmilyen hatása sem lehet.  Ha csökkentjük a megvilágító fény frekvenciáját, akkor elérhető egy olyan küszöbfrekvencia, amely alatt bármilyen erős fényt is használunk, nem jelennek meg fotóelektronok.  gyenge fénnyel történő megvilágítás esetén az elektron igen hosszú idő alatt képes csak annyi energiát összeszedni  A késési idő felső határa kisebbnek bizonyult, mint 1 nanosecundum.

Fényelektromos egyenlet Einstein, 1905  június 9-én megjelent  tanulmányában, amely a fényelektromos hatással foglalkozott, adta meg a magyarázatot:  A fényelektromos folyamatban egy elektronnak egy fotont kell "elnyelnie", azaz a foton teljes egészében átadja egy párkölcsönhatás során az energiáját az elektronnak. Miután így az elektron energiára tett szert, ennek egy része fedezheti a fém belsejéből való kilépéshez szükséges kilépési munkát (W ki), és az elektron a fémből maximálisan 1/2 mv2 mozgási energiával távozhat.  Ha a frekvencia nem elég nagy, akkor a foton az elektronnak nem tud elég nagy energiát átadni ahhoz, hogy fedezze a fém belsejéből való kilépéshez szükséges munkát.

Fénynyomás Sugárnyomás: a fény által a megvilágított felületre ható nyomás. Földi viszonyok között a fénynyomás nagyon kicsi, a csillagok belsejében azonban a gravitációval azonos nagyságrendű. Foton: „fényrészecske” Vákuumbeli fénysebességgel mozog Meghatározott energiával, tömeggel és lendülettel rendelkezik E=hf = mc2 m = hf/c2 I=hf/c =E/c a fény elhajlik, gravitációs hatás

A fény kettős természete A fényjelenségek csoportosítása: I. csak a hullám modellel magyarázható: interferencia, polarizáció II. csak a részecske modellel értelmezhető: fotóeffektus III. mind a két modell alkalmas a magyarázatra: fénynyomás A fény terjedésével kapcsolatos jelenségeknél a fény hullámtermészete, míg anyagokkal való kölcsönhatásakor a részecske jelleg jut érvényre. A fotonnak tömege van, tehát ha a felületet éri, arra nyomást fejt ki.

Az elektron Thomson 1897-ben fedezte fel az elektront. Negatív töltésű Hidrogénnél 2000-szer kisebb Joseph John Thomson (1856-1940) Tömege: me=9,1*10-31kg Töltése: qe=-1,6*10-19C Minden atomi részecske töltése ennek a töltésadagnak az egész számú többszöröse. Louis de Broglie (1892-1986) Anyaghullám hipotézis: minden mikrorészecske, az elektron is mutathat hullám és részecske tulajdonságot. Elektrondiffrakciós kísérlettel igazolták.

Az anyag hullám-részecske kettőssége Louis-Victor de Broglie 1924-ben fogalmazta meg a de Broglie hipotézist, amelyben azt állította, hogy minden anyagnak van hullámtermészete. Összefüggésbe hozta a λ hullámhosszat az I impulzussal: λ=h/I, ahol h a Planck-állandó.  Broglie képletét három év múlva igazolták elektronokra az elektrondiffrakció megfigyelésével.