Edukator.pl - portal edukacyjny

Fizyka - Ciekawostki

ALFABET MORSE'a

CZY ISTNIEJE RUCH W TEMPERATURZE ZERA BEZWZGLĘDNEGO

CZY MOŻLIWA JEST UJEMNA TEMPERATURA BEZWZGLĘDNA

INFRADŹWIĘKI

KONDENSACJA BOSEGO - EINSTEINA

LEWITACJA W POLU MAGNETYCZNYM

PLOTKI i ANEGDOTY

POWIEDZENIA SŁYNNYCH FIZYKÓW

PRZYKŁADY PRZYSŁÓW, KTÓRE MOŻNA WYTŁUMACZYĆ PRAWAMI I ZJAWISKAMI FIZYKI

SKAŻENIE RADIOAKTYWNE

UDZIAŁ KOBIET NA EUROPEJSKICH WYDZIAŁACH FIZYKI

WIZERUNKI FIZYKÓW NA BANKNOTACH

WYŁADOWANIE ATMOSFERYCZNE

CZY ISTNIEJE RUCH W TEMPERATURZE ZERA BEZWZGLĘDNEGO

Potoczne wyobrażenie, jakoby w temperaturze T = 0 zamierał wszelki ruch, jest zupełnie nieprawdziwe. Oto przykłady.

Każdy oscylator harmoniczny (np. cząsteczka chemiczna) ma energię skwantowaną w następujący sposób: E = (n+1/2) hf , gdzie f oznacza częstotliwość drgań, h - stałą Plancka, n = 0, 1, 2,..Najniższy stan energii E₀ nie jest równy zeru lecz hf/2. Nosi on nazwę drgań zerowych. Jest to wartość bardzo mała, gdyż h jest rzędu 10^-34 , ale różna od zera. Drgania zerowe przypisuje się różnym układom wykonującym drgania - nawet próżni, którą niektórzy uważają jako nieograniczony rezerwuar energii.
Każdy atom w temperaturze T = 0 K znajduje się w stanie podstawowym, a to oznacza, iż elektrony nadal krążą po orbitach, tyle, że najniższych możliwych.
Elektrony przewodnictwa w metalu wypełniają pasmo przewodnictwa tak, że przyjmują kolejne wartości energii aż do tzw. energii Fermiego; powyżej tej energii nie ma elektronów, poniżej wszystkie stany są wypełnione maksymalnie. Ich ruch odbywa się na wszystkie strony, w polu elektrycznym częściowo się porządkuje. W temperaturach wyższych od zera następuje lekkie rozmycie obsadzeń - ale tylko w pobliżu energii Fermiego. Tak więc ruch elektronów przewodnictwa w kawałku żelaza w temperaturze pokojowej niewiele różni się od ich ruchu w temperaturze zera bezwzględnego.

      CZY MOŻLIWA JEST UJEMNA TEMPERATURA BEZWZGLĘDNA?

      Temperatura jest wielkością, którą wprowadza się dla określenia stanu równowagi termodynamicznej. W takich przypadkach niewątpliwie T > 0 ( w skrajnym przypadku T = 0). Niekiedy rozszerza się pojęcie temperatury na stany nierównowagowe. Klasycznym przykładem takiego stanu jest układ atomów o dwóch poziomach energii z odwróconą strukturą obsadzeń. Oznacza to, że atomów wzbudzonych jest więcej, niż atomów w stanie o niższej energii. Jest to stan niestabilny, gdyż każdy układ dąży do najniższej możliwej energii. Z taką nienaturalną inwersją obsadzeń mamy do czynienia w laserach. Niewielki impuls wystarcza, by atomy wzbudzone przeszły do stanów podstawowych emitując fotony. Można wykazać, że taki układ ma właśnie ujemną temperaturę bezwzględną.

      INFRADŹWIĘKI

      Dźwięki o częstotliwościach mniejszych od 20 Hz nie są słyszane przez normalne ucho ludzkie. Są jednak generowane i odbierane przez uszy (?) niektórych zwierząt, jak np. słonie, wieloryby czy szczury.
Przyjmuje się, że zakres częstotliwości fal infradźwiękowych zawiera się w przedziale od 0,01 do 20 Hz. Przy częstotliwości 0,01 Hz okres drgań wynosi 100 sekund, są to więc drgania niezwykle powolne. Mają one jednak jedną niezwykłą cechę: ich tłumienie jest bardzo słabe. Poniższa tabelka pokazuje, na jakiej odległości następuje zanik fali o 90%.

            1000 Hz       7 km
               1 Hz       3000 km
            0,01 Hz       więcej niż obwód Ziemi

Tak więc infradźwięki mogą rozchodzić się na bardzo duże odległości, dzięki czemu możliwe jest wykrycie ich źródła znajdującego się bardzo daleko. W ten sposób można wykryć zbliżające się trzęsienie ziemi, tornado, wybuch bomby atomowej, wybuch chemiczny, ruch meteorytu, wyładowania atmosferyczne itp. Infradźwięki towarzyszące wichurom są być może odbierane przez organizm ludzki; niektórzy sugerują nawet, że wzrost liczby samobójstw w okresie silnych wiatrów jest efektem działania tych fal na układ nerwowy. Nie można wykluczyć podobnego działania żył wodnych...

      KONDENSACJA BOSEGO - EINSTEINA

      Normalna kondensacja następuje jako efekt oddziaływań międzycząsteczkowych, których pochodzenie jest zasadniczo natury elektromagnetycznej. Współczesna teoria przewiduje jeszcze inny rodzaj kondensacji, której mechanizm jest ściśle kwantowy. Otóż w bardzo niskich temperaturach może pojawić się "kondensat", którego atomy zachowują się tak, jakby stanowiły jedną całość. Ich funkcje falowe rozmywają się tak, że obejmują cały układ; wszystkie atomy są całkowicie skorelowane tworząc zgrany kolektyw. Wyrazem tego jest np. zjawisko nadciekłości pojawiające się w ciekłym helu poniżej temperatury 2,2 K.
      Ostatnio okazało się możliwe otrzymanie takiego kondensatu w fazie gazowej. Najodpowiedniejszymi do tego celu okazały się pary metali alkalicznych (sodu, cezu itp.). W eksperymencie wyodrębniono układ 2000 atomów, które schłodzono do temperatury niższej niż 10 - 11 K (!). Chłodzenie takie wykonuje się przy pomocy lasera. Atomy biegnące naprzeciw wiązki laserowej zderzają się z fotonami i wytracają swą energię kinetyczną. W wyniku tego wypełniły one pewną niewielką przestrzeń i część z nich utworzyła kondensat - rozmytą plamę, w której nie udało się wyodrębnić żadnej struktury ziarniste. Był to właśnie kondensat Bose'go - Einsteina.

      LEWITACJA W POLU MAGNETYCZNYM

      Lewitację można wywołać działaniem pola magnetycznego. O ile jednak łatwo zrozumieć działanie takiego pola na przedmioty stalowe, wykazujące silne własności magnetyczne (o podatności rzędu 100 i więcej), to w przypadku ciał niemagnetycznych lewitacja wydaje się mało prawdopodobna (ich podatność jest bliska zeru). Dzięki istnieniu magnesów nadprzewodzących udało się jednak doprowadzić do uniesienia ciał takich jak orzechy, krople wody, czy całe organizmy (np. żaby).
      Próbka diamagnetyczna umieszczona w jednorodnym polu magnetycznym lekko się magnesuje, tworząc dipol magnetyczny o pewnym momencie M. Wypadkowa siła działająca na próbkę jest równa zeru, gdyż działa na nią para sił przeciwnie skierowanych, które się znoszą. Różny od zera jest tylko moment tej pary sił. Zmierza on do obrócenia próbki do stanu, gdy jej magnetyzacja będzie równoległa do pola zewnętrznego. Środek masy próbki pozostaje przy tym nieruchomy.
Inaczej dzieje się w przypadku pola niejednorodnego. Oprócz sił skręcających pojawia się różna od zera siła wypadkowa, powodująca ruch środka masy. Jest ona tym większa, im szybsze są zmiany pola B ze zmianą położenia. Siła ta wyraża się wzorem:

gdzie x jest kierunkiem, w którym zmienia się zewnętrzne pole magnetyczne B. Z kolei M jest proporcjonalne do B (M~cB, c - podatność magnetyczna będąca rzędu 10 - 5 ), zatem siła F jest z grubsza proporcjonalna do kwadratu pola zewnętrznego. Stosując zatem silne pole możemy istotnie zwiększyć wartość siły.
      W opublikowanych eksperymentach stosowano pola o indukcji B rzędu 20 T. Jest to zaledwie 10 - 20 razy więcej od pola wytwarzanego przez magnesy trwałe. Aby otrzymać takie pola użyto elektromagnesów nadprzewodzących, w których wywoływano prąd o natężeniu ok. 20 000 A. Gdy na końcu kanału biegnącego wzdłuż osi elektromagnesu umieszczono kawałek materiału niemagnetycznego - unosił się on bez trudu w powietrzu.
      Organizmy żywe są szczególnie interesującym obiektem badań. Ta sztuczna antygrawitacja działa na każdą cząstkę organizmu, na każdy jego atom. Stwarza to warunki do badania wzrostu tych organizmów w warunkach nieważkości, bez konieczności wysyłania ich w kosmos. Obiecujące są zastosowania tego zjawiska także w technice.

PLOTKI i ANEGDOTY

Albert Einstein (1879-1955) - nie strzygł się, nie nosił skarpetek, szelek, paska....aby uwolnić się od codziennych trosk. Chodził w znoszonym garniturze, w przykrótkich spodniach z żelaznym łańcuszkiem u zegarka...

Isaac Newton (1643-1727) - był członkiem Brytyjskiej Izby Lordów, ale tylko raz zabrał głos na posiedzeniu tego gremium - poprosił o otwarcie okna

Podczas egzaminu Newton zadał pewnemu studentowi pytanie:
- Proszę mi powiedzieć, dlaczego Ziemia się obraca?
Stremowany młodzieniec po długim namyśle wyjąkał:
- Ja... ja wiedziałem, panie profesorze, ale zapomniałem i nie mogę sobie wcale przypomnieć...
- Nieszczęsny człowieku! - zawołał wielki uczony. - Na całym świecie pan jeden wiedział dlaczego Ziemia się obraca i właśnie pan musiał zapomnieć.

Maria Skłodowska - Curie (1967-1934) - bardzo skromna, pracowała do drugiej, trzeciej w nocy siedząc na podłodze otoczona papierami. Podczas spotkania z prezydentem Polski, Stanisławem Wojciechowskim, Prezydent spytał: "Czy pamięta Pani jasiek, który mi pożyczyła na drogę, gdy jechałem z Paryża do Warszawy?" - odpowiedziała - "Pamiętam nawet, że pan mi go zapomniał zwrócić".

POWIEDZENIA SŁYNNYCH FIZYKÓW

1. "Panta rei" - wszystko płynie - Heraklit z Efezu
2. "Dajcie mi punkt podparcia a dźwignę świat" i "Eureka" - Archimedes (ok.287-212 pne)
3. "A jednak się kręci" - Galileo Galilei (1564-1642)

PRZYKŁADY PRZYSŁÓW, KTÓRE MOŻNA WYTŁUMACZYĆ PRAWAMI I ZJAWISKAMI FIZYKI

1. Baba z wozu koniom lżej - II zasada dynamiki
2. Jak Kuba Bogu tak Bóg Kubie - III zasada dynamiki
3. Oliwa sprawiedliwa, zawsze na wierzch wypływa - bo ma mniejszą gęstość od wody
4. Jak nie posmarujesz to nie pojedziesz - zależność tarcia od gładkości powierzchni

      SKAŻENIE RADIOAKTYWNE

      W otaczającym nas środowisku znajduje się spora ilość substancji promieniotwórczych. Można je wykryć w każdym materiale, z jakim mamy na co dzień do czynienia. Ponadto dociera do nas wiele takich substancji z kosmosu. Średnio każdego dnia dostaje się do każdego organizmu blisko miliard cząstek promieniotwórczych.
      Naturalne promieniowanie powoduje, że każdy z nas otrzymuje rocznie pewną dawkę promieniowania. Mierzy się ją w jednostkach zwanych grejami (Gy). Jeden grej odpowiada dawce o energii 1 dżula na 1 kilogram masy ciała. Jednostka sto razy mniejsza nazywa się radem: 1 rad = 0,01 Gy = 0,01 J/kg. Jest to obiektywna miara dawki, jednak skutki biologiczne zależą także od kilku innych czynników, dlatego wprowadzono jednostkę siwert (Sv), będącą równoważnikiem dawki pochłoniętej. Dawkę równoważną otrzymuje się przez pomnożenie dawki rzeczywistej przez pewien czynnik Q, zależny od rodzaju promieniowania. Orientacyjne wartości tego czynnika wynoszą:

         1 dla promieni Röntgena (X), gamma, beta
      10 dla neutronów, protonów, cząstek alfa
      20 dla ciężkich jonów

      Czynnik ten uwzględnia fakt, że cząstki o tej samej energii mogą powodować bardzo różne skutki. Jak widać z tabelki, cząstki ciężkie powodują znacznie większe szkody, niż fotony X lub gamma.
      Średnia dawka roczna promieniowania naturalnego na Ziemi wynosi ok. 2,2 mSv 0,002 Sv. W różnych rejonach może się ona bardzo różnić. I tak, w Brazylii, Indiach czy Iranie jest ona blisko 100 razy większa niż w Europie. Za dawkę śmiertelną uważa się dawkę 10 Sv na osobę na dzień. Dawka 10 siwertów na rok może przyczynić się do powstania choroby (najczęściej raka). Dawka bezpieczna to 2,2 milisiverta na rok. Przy takiej dawce powstaje średnio 5 uszkodzeń DNA w każdej komórce w ciągu roku. Uszkodzenia radiacyjne są jednak szybko naprawiane przez organizm - pod tym względem jesteśmy wyjątkowo dobrze wyposażeni przez naturę w środki regenerujące. Dzięki temu zachorowalność na raka w Indiach, czy Brazylii nie jest większa niż w Europie.
      Działalność człowieka spowodowała wzrost promieniowania o ok. 20%. Największy udział ma w tym medycyna, a konkretnie - prześwietlenia rentgenowskie. Elektrownie jądrowe i wybuchy bomb atomowych przyczyniły się do wzrostu promieniowania o ok. 0,1 % w stosunku do promieniowania naturalnego. W pewnych okolicach (np. Ukraina) liczby te są oczywiście większe, w innych - mniejsze.

      UDZIAŁ KOBIET NA EUROPEJSKICH WYDZIAŁACH FIZYKI

      Przeprowadzone w ostatnich latach ankiety na ok. stu uniwersytetach europejskich pokazały interesujący udział kobiet na wydziałach fizyki. Poniższa tabelka pokazuje procentowy udział studentek fizyki w różnych krajach.

Rumunia	54 %
Chorwacja	40 %
Hiszpania	40 %
Polska	39%
Włochy	32 %
Węgry	29 %
Portugalia	28 %
Francja	27 %
Dania	25 %
Belgia	24 %
Norwegia	23 %
Czechy	20 %
Słowacja	20 %
Anglia	18 %
Finlandia	18 %
Szwecja	18 %
Holandia	11 %
Niemcy	11 %
Łotwa	8 %
Szwajcaria	5 %

WIZERUNKI FIZYKÓW NA BANKNOTACH

Do tej pory uhonorowano 21 fizyków przez umieszczenie ich wizerunków na banknotach. Są to (w kolejności alfabetycznej):

Nazwisko	Kraj	Rok emisji	Rodzaj banknotu
Bohr	Dania	1997	100 koron
Boskoviè	Chorwacja	1993	1 - 100 000 dinarów
Curie Maria i Pierre	Francja	1994	500 franków
Demokryt	Grecja	1955, 1967	10 i 100 drachm
Einstein	Izrael	1968	5 szekli
Euler	Szwajcaria	1979	10 franków
Faraday	Anglia	1991, 1993	20 funtów
Franklin	USA	1874	50 dolarów
		1879	10 dolarów
		1929, 1996	100 dolarów
Galileusz	Włochy	1973, 1976, 1983	2000 lirów
Gauss	Niemcy	1989, 1991	10 marek
Huygens	Holandia	1955	25 guldenów
Kartezjusz	Francja	1942 - 44	100 franków
Kelvin	Anglia	1978 -82	1 funt
Kopernik	Polska	1965, 1982	1000 złotych
Örsted	Dania	1961 - 70	100 koron
Pascal	Francja	1968 - 92	500 franków
Rřmer	Dania	1950 - 70	50 koron
Rutherfor	Nowa Zelandia	1993	100 dolarów
Schrödinger	Austria	1983 - 97	1000 szylingów
Skłodowska-Curie	Polska	1989	20 000 złotych
Volta	Włochy	1984	10 000 lirów

Zupełnie nieznane jest nazwisko Boskovièa (Chorwacja). Z kolei Einstein jako jedyny został uhonorowany przez kraj, którego nie był obywatelem.

      WYŁADOWANIE ATMOSFERYCZNE

      Przy powierzchni Ziemi istnieje dość silne pole elektryczne. Jego natężenie E zawiera się w granicach 100 - 300 V/m, tzn. na odległości 1 m napięcie wynosi 100 - 300 V. Tak silne pole jest jednak przez nas niezauważalne. Organizmy żywe są bowiem dobrymi przewodnikami elektryczności. Są to przewodniki jonowe, a nie elektronowe - w wodzie stanowiącej przeważającą część organizmu rozpuszczone są różne sole, które uległy dysocjacji na jony. Jak wiadomo, pole elektryczne nie wnika do wnętrza przewodnika i tak też dzieje się z organizmami żywymi.
      Na wysokości 5 - 7 km znajduje się jonosfera, która razem z powierzchnią Ziemi stanowi rodzaj kondensatora kulistego. Powierzchnia Ziemi posiada ładunek ujemny, jonosfera jest naładowana dodatnio. Pojemność takiego kondensatora jest bliska wartości 1 F. Napięcie między tymi "okładkami" wynosi ok. 260 000 V.
      Ponieważ powietrze atmosferyczne może - w małym stopniu - przewodzić prąd elektryczny, toteż nawet w czasie ładnej pogody płynie stały prąd w kierunku ziemi. W skali całej Ziemi jego wartość jest rzędu 1000 A. W czasie burz z wyładowaniami zachodzi proces odwrotny: pioruny powodują rozładowywanie się tego gigantycznego kondensatora. Tak więc mamy do czynienia z powtarzającymi się procesami: rozładowanie podczas burzy i doładowywanie - podczas ładnej pogody. Okres tych drgań można obliczyć rozpatrując obwód RC. Wynosi on T = 2pRC, gdzie R jest całkowitym oporem atmosfery ziemskiej poniżej jonosfery; jest on rzędu 200 W. Wobec tego na okres dostajemy wartość ok. 1200 s. Orientacyjna częstotliwość wyładowań atmosferycznych w skali całej atmosfery jest więc równa 3 na godzinę.

ciekawostki