Physical blog

Az elektromágneses kölcsönhatás, vagy elektromágnesesség az elektromágneses mező fizikája. Az elektromágneses mező az elektromos és mágneses mezők által létrehozott, a tér teljességét betöltő hatásmező. Míg az elektromos mező a statikus elektromosságot előidéző töltés eredménye (mely elektromos vezetőben elektromos áramot hoz létre), addig a mágneses mező az elektromos töltés mozgásából származik (mint egy elektromos vezetőben folyó áram) és az állandó mágnesekhez hasonló mágneses erőben nyilvánul meg. Az "elektromágnesesség" kifejezés az elektromosság és mágnesesség közeli kapcsolatára utal. Például a mágneses mező változása elektromágneses indukciónak nevezett elektromos mezőt hoz létre, mely lehetővé teszi olyan hétköznapi eszközök létezését, mint az áramfejlesztő generátorok (és dinamók), villanymotorok, és transzformátorok. Az elektrodinamika az elektromágnesesség és a mechanika közös területe, mely az elektromágneses mezőnek az elektromos töltésű részecskékre gyakorolt mechanikai hatásait tanulmányozza.

Elektromágneses erő:

Elektromágneses erőnek nevezik az elektromágneses mezőnek az elektromos töltésű részecskékre gyakorolt hatását. Ez a fajta erő a természet négy alap-erőinek egyike. A másik három 1) az atommagot összetartó erős nukleáris erő, 2) a radioaktív bomlás bizonyos fajtáiért (Béta-bomlás) felelős gyenge nukleáris erő 3) a tömegvonzási (gravitációs) erő. A fizikai testek közötti minden kölcsönhatás (erő) végsősoron e négy alapvető erők következménye, mégis a hétköznapi életünkben a gravitációtól eltekintve, gyakorlatilag minden jelenségért az elektromágneses erő felelős. Durva megközelítésben, az atomok közötti kölcsönhatásokban, minden erő az atom belsejében lévő elektromos töltésű protonokra és elektronokra ható elektromágneses erőre vezethető vissza. Például, mikor húzunk, vagy nyomunk valami tárgyat, az általunk kifejtett erő a testünk és a tárgy egyes molekulái közötti kölcsönhatás eredménye, sőt, az elektronok keringéséből adódó kölcsönhatásokon keresztül minden kémiai folyamat is ez erőkön keresztül zajlik le.

Elektromágneses sugárzás:

Mindezeken felül, a fény- és rádióhullámok nem mások, mint az elektrománeses mező megháborításának mozgása, amit elektromágneses hullámoknak hívunk. Tehát minden optikai, vagy rádió-frekvenciás jelenség ténylegesen elektromágneses természetű.

Az elektromágneses elmélet eredete:

William Gilbert 17. századi tudós az 1600-ban kiadott De Magnete című könyvében leírta, hogy bár mind elektromosság, mind mágnesesség képes tárgyakra vonzó-, vagy taszító hatást kifejteni, mégis meglehetősen különböző jelenségek. Tengerészek megfigyelték, hogy a villámcsapás mozgatni tudja az iránytűt, de a villám és elektromosság közötti kapcsolatot csak Benjamin Franklin 1752-ben tett kísérlete fedezte fel, amikor is viharos időben sárkányt eresztett fel, és töltést vezettett le a sárkány zsinegjén. A mesterséges villanyáram és mágnesesség kapcsolatát először Gian Domenico Romagnosi fedezte fel 1802-ben, mikoris észrevette, hogy egy Volta-elemre kapcsolt vezeték a közelben lévő iránytűt elfordítja, mégis ez a jelenség nem vált köztudottá, míg Hans Christian Ørsted 1820-ban egy hasonló kisérletet végzett el. Ez utóbbi megfigyelés alapján André-Marie Ampère formálta meg azóta híressé vált elektromágnesesség elméletét, mely a későbbi kísérleteknek matematikai alapot adott.

Egy sor különböző fizikus által a 19. század során kifejlesztett és James Clerk Maxwell által egységes elméletté formált elmélet az, amit ma klasszikus elektromágnesesség néven ismerünk. Maxwell fedezte fel a fény elektromágneses természetét. Míg az elektromágneses mezőt az úgynevezett Maxwell-egyenletek, addig az elektromágneses erőket a Lorentz-törvény írja le.

A klasszikus elektromágnesesség egyik különlegessége az, hogy nehéz a klasszikus mechanikával egyeztetni, de a speciális relativitáselmélettel összhangban áll. Maxwell egyenletei szerint a fény sebessége egy általános állandó, mely csupán a vákuum dielektromos állandójától és mágneses permeabilitástól függ. Az, hogy a fénysebesség minden rendszerben állandó, ellentmondásban van a klasszikus mechanikában elfogadott sebességösszeadással. A klasszikus mechanika és a Maxwell-elmélet megbékítésének egyik módja egy olyan közeg feltételezése, mely a fény közvetítő közege, az úgynevezett éteré, de kisérletek nem igazolták ez éter létezését. 1905-ben Albert Einstein a problémát a speciális relativitáselméletének felállításával oldotta meg, mely a klasszikus kinematika helyett a klasszikus elektromágnesességgel összeegyeztethető új kinematikai elméletet állít fel.

Érdekes módon, Einstein ugyanabban az évben kiadott korábbi művében aláásta a klasszikus elektromágnesesség alapját. A fotoelektromos hatás elmélete lerögzítette, hogy a fény nem csak hullámként, hanem diszkrét részecske-szerű minőségben is létezhet, melyet azóta fotonként ismerünk. Einstein fotoelektromos hatás elmélete jelentősen kiterjesztette Max Planck által 1900-ban bemutatott ibolyántúli katasztrófa megoldásában jelenkezett bepillantást. Munkájában Planck megmutatta, hogy forró tárgyak elektromágneses sugárzást különálló csomagokban bocsájtják ki, így a feketetest-sugárzást összenergia kibocsájtása véges. Einstein és Planck elmélete egyaránt ellentmondanak az addigi általános szemléletnek, mely a fényt folytonos hullámnak tekintette, és nagyban hozzájárultak a kvantummechanika 1925-ben való kialakulásához, mely azután egyfajta kvantumelméletet követelt elektromágnesességnek. 1940-ben fejezték be a ma kvantumelektrodinamikanak (QED) nevezett elméletet, melyet a fizika legpontosabb elméletének tekintenek. A standard modellt egyesítette a gyenge kölcsönhatással.

A gyenge kölcsönhatás a részecskefizika négy alapvető kölcsönhatásának egyike. Ez okozza a radioaktív bomlások közül a béta-bomlást: a szabad neutron bomlását, valamint egyes atomokban a proton illetve neutron bomlását. Az összes leptonra és kvarkra hat. Ez az egyedüli kölcsönhatás, amelyben a neutrínó részt vesz (eltekintve a részecskefizikában elhanyagolható gravitációtól). Közvetítő részecskéi a W- és Z-bozonok. A W⁺, W^- elektromosan töltött bozonok tömege hozzávetőlegesen 80 GeV/c², a Z⁰ semleges bozon, tömege nagyjából 91 GeV/c².

1968-ban Sheldon Glashownak, Abdus Salamnak és Steven Weinbergnek sikerült egyesíteni az elektromágneses kölcsönhatással elektrogyenge kölcsönhatás néven (fizikai Nobel-díj, 1979).

Története:

Története a radioaktivitás Becquerel általi felfedezésével kezdődött 1896-ban. 1911-ben Lise Meitner és Otto Hahn kísérletei kimutatták, hogy a β-bomlásban keletkező elektronok spektruma folytonos és nem éles, mint mondjuk az α-bomlásé, amit ekkor még nem tudtak megmagyarázni. Wolfgang Pauli feltételezte, hogy egy semleges, közel nulla tömegű részecske a neutrínó (ő először neutronnak hívta) keletkezik az elektron mellett, s ezért láthatalanul elviszi az energia kisebb-nagyobb részét. Az első részletes elméletet azután 1934-ben Enrico Fermi szolgáltatta négy-fermion kölcsönhatásával. Ez a perturbációszámítás első rendjében kielégítően jól leírta a gyenge kölcsönhatás hatáskeresztmetszeteit, azután a második rendben eltávolíthatatlan végtelen nagy járulékok léptek fel a kisebb korrekciók helyett. Az elmélet nem bizonyult renormálhatónak.

A megoldást a kvantumtérelmélet mértékelméletei hozták el a sikeres kvantumelektrodinamika mintájára, az egyesített elektrogyenge kölcsönhatás egyesített elméletével. Ez 1968-ra öltött testet Sheldon Glashow, Steven Weinberg és Abdus Salam munkájának gyümölcseként, amiért 1979-ben fizikai Nobel-díjat kaptak.

Miért gyenge a gyenge kölcsönhatás?

A töltött részecske keletkezésével járó neutronbomlás például úgy írható le, hogy a neutron kibocsát egy virtuális W-részecskét (W-bozont), miközben protonná alakul, a virtuális W-részecske pedig elbomlik elektronná és antineutrínóvá. Vegyük észre, hogy a W-bozon tömege nagyobb mint a neutroné, a klasszikus fizika szerint nem is keletkezhetne. A kvantummechanika szerint viszont a tömeg nem egy határozott szám, hanem egy Breit-Wigner eloszlás (rezonanciatömeg), úgyhogy kis valószínűséggel a keletkező részecske tömege lehet más, mint a nominális (azaz tkp. átlagos) tömege. Ilyenkor azt mondjuk, hogy a részecske nincs tömeghéjon. Az energiamegmaradás és az impulzusmegmaradás azonban mindig teljesül. A tömegeloszlás szélessége (szórása) és a részecske élettartama a határozatlansági relációnak megfelelő viszonyban állnak egymással.

A legvalószínűbb, ha energetikailag lehetséges, a tömeghéjon való keletkezés. Példa erre a LEP gyorsító, ahol az ütköző elektron-pozitron pár energiája a kívánt Z-bozon tömegének kétszeresére volt beállítva. Itt annyira megnőtt a Z-bozon keletkezésének valószínűsége, hogy hozzá képest az alacsonyabb energián sokkal erősebb elektromágneses kölcsönhatást is el lehetett hanyagolni.

 

 

A kvantum latin szó (quantum, jelentése mennyiség). Legáltalánosabban véve valami mérhetőnek az alapvető egysége.

A kvantum fizikában a legkisebb adag, amivel egy mérhető mennyiség növelhető. Az energia kvantuma például a foton, egy adott frekvenciájú hullámszerű csomag. A kvantummechanika a 20. század elején azon az alapvető feltevésen jött létre, hogy az elektromágneses sugárzás ilyen csomagokban érkezik.

M-elmélet két egymásra épülő részecskefizikai modell, mely a részecskéket nem pontszerű, hanem kiterjedt objektumokként kezeli (húrok, membránok).

 A húrelméletnek a szuperszimmetriát is tartalmazó változatát gyakran szuperhúrelméletnek nevezik. Ezeket az elméleteket azért hozták létre, hogy az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát összhangba hozzák, és elkerüljék a részecskefizikának azokat a buktatóit, melyek a pontszerű részecskék feltételezésével előbukkannak. Az M-elméletben nem csak húrokat, hanem membránokat és magasabb dimenziós objektumokat is feltételeznek. Jelenleg nincs semmilyen kísérleti tény, amely a húrelméletet igazolná.

A húrelmélet elnevezést mind a 26 dimenziós bozonikus húrelméletekre, mind a szuperszimmetria felfedezése után annak hozzáadásával nyert szuperhúrelméletre szokták használni. Újabban gyakran a szuperhúrelméletet mondjuk húrelméletnek. Az 1990-es években Edward Witten és mások meggyőző bizonyítékokat találtak arra, hogy a különböző szuperhúr elméletek (öt különböző változata van) egy M-elméletnek nevezett 11 dimenziós elmélet határesetei. Ezzel indult el a második szuperhúr-forradalom. (Az M-elméletnek még a feketelyukak termodinamikájában is sikerült olyan eredményeket elérnie, amelyek a korábbi számításokkal összhangban vannak.)

A húrelmélet főként annak köszönheti népszerűségét, hogy reményeink szerint képes az összes erőhatás leírását egyetlen elméletbe összesűríteni. A húrelméletnek köszönhető, hogy mélyebben sikerült megértenünk a szuperszimmetrikus térelméleteket, amelyek a részecskéket pontszerűnek tekintő standard modellnek lehetséges kiterjesztései.

1             Mechanika
1.1          Egyenes vonalú, egyenletes mozgás
1.1.2       Egyenes vonalú, egyenletesen változó mozgás
1.1.3       A szabadesés
1.1.4       Merev test
1.1.5       Egyszerű gépek
1.1.6       Rögzített tengely körül forgó merev test - Egyenletes forgómozgás
1.1.7       Merev test síkmozgása
1.1.8       A forgómozgás alaptörvénye
1.1.9       A forgási energia és munkatétel
1.1.10      A perdület
1.1.11      Deformálható testek mechanikája
1.2.1       Newton I. törvénye
1.2.2       Newton II. törvénye – a dinamika alaptörvénye
1.2.3       Newton III. hatás-ellenhatás törvénye
1.2.4       Függőleges hajítás
1.2.5       Vízszintes hajítás
1.2.6       Ferde hajítás
1.2.7       Pontrendszerek mozgásának leírása
1.2.8       A körmozgás
1.2.9       A munka és az energia
1.3          A rezgőmozgás
1.3.1       A rezgőmozgás dinamikai leírása
1.3.2       Hullámok: Mechanikai hullámok
1.3.3       A hang
1.4         Folyadékok és gázok mechanikája
1.5         A tömegvonzás
1.5.1       Kepler törvényei
2           Hőtan
2.1         A hőmérséklet fogalma és mérése
2.1.1      Hőmérők, hőmérsékleti skálák, hőtágulás
2.2        Gáztörvények
2.2.1      Gay-Lussac első törvénye
2.2.2      Gay-Lussac második törvénye
2.2.3      Boyle-Mariotte törvény
2.3        Általános gáztörvény, ideális gázok állapotegyenlete
2.4        Ideális gázok állapotváltozásai
2.5        A kinetikus gázelmélet
2.6        A hőmérséklet molekuláris értelmezése. a gázok belső energiája
2.7        A termodinamika első főtétele
2.8        A hő mértéke, A hőmennyiség, a hőkapacitás
2.9         Halmazállapot-változások, fázisátalakulás
2.10      A hőfolyamatok iránya, a termodinamika második és harmadik főtétele
3          Elektromágnesesség-tan
3.1       Az elektromos mező
3.1.1     Alapjelenségek
3.1.2     Az elektromos tér és térerősség
3.1.3     Kapacitás, Kondenzátorok
3.1.4     Az elektromos áram fogalma, az áramerősség
3.1.5     A vezetők ellenállása, Ohm törvénye
3.1.6     Feszültségforrás, rövidzárási áram
3.1.7     Elektromos munka és teljesítmény
3.2        A mágneses mező
3.2.1     A mágnesség – alapjelenségek
3.2.2     Mágneses törvények és összefüggések
3.2.3     A váltakozó áram
3.2.4     A feszültségrezonancia
3.2.5     Az áramrezonancia
3.2.6     Rezgőkörök vizsgálata
3.3        Elektromágneses hullámok
3.4        Geometriai optika
3.4.1     Optikai leképezés
4          Atom- és magfizika
4.1        Atomfizika
4.1.1     Az atomos felépítésre utaló megfigyelések
4.1.2     Az elektron felfedezése
4.1.3     Az energiakvantum megjelenése
4.1.4     Az elektromágneses hullám adagossága
4.1.5     Az elektron, mint hullám
4.1.6     A részecske-hullám kettősség
4.1.7     Atommodellek
4.1.8     Kémiai kötések
4.2       Magfizika
4.2.1     Az atommag létezése
4.2.2     Az atommag felépítése
4.3        Energiaviszonyok a magban
4.3.1     A tömegdefektus
4.3.2     A héjmodell (1934)
4.3.3     A cseppmodell (1936)
4.3.4     A fajlagos kötési energia
4.4        A radioaktivitás
4.4.1     A radioaktív sugárzás
4.4.2     A radioaktív sugárzások jellemzői
4.4.3     A természetes radioaktivitás
4.4.4     Az indukált radioaktivitás
4.5        A magenergia felhasználása
4.5.1     Hasadásos reaktor
4.5.2     A fúziós energia
5          Részecskefizika
5.1       Az elemi részecskék természete
5.1.1     Hullám és részecske
5.1.2     Vizsgálati eljárások
5.2       Nagy energiák
5.3       Az első részecskék felfedezései
5.3.1     Az elektron és a foton
5.3.2     A proton
5.3.3     A neutron
5.3.4     Kozmikus sugárzás
5.3.5     Antirészecskék
5.3.6     Mezonok
5.4       Részecskegyorsítók
6          Relativitáselmélet
6.1       A klasszikus relativitás
6.2       A fénysebesség állandóságának elve
6.3       Az egyidejűség relativitásának elve
6.4       A speciális relativitás elmélete
6.5       A speciális relativitás néhány következménye
6.6       Az energia és a tömeg ekvivalenciája
6.7       Az általános relativitáselmélet alapja
7         Csillagászat
7.1      A csillagászat rövid története
7.2      A naprendszer
7.3      A Nap, a legközelebbi csillag
7.4      A csillagok keletkezése és fejlődése
7.5      Galaxisunk és szomszédai
7.6      A világegyetem kialakulásának elmélete