Fizica (din cuvântul grec physikos: natural, din physis: natură) este ştiinţa care studiază proprietăţile şi structura materiei, formele de mişcare ale acesteia, precum şi transformările lor reciproce.
Oricum se pune problema, fizica este una dintre cele mai vechi discipline academice; prin intermediul unei subramuri ale sale, astronomia, ar putea fi cea mai veche. Uneori sinonimă cu filozofia, chimia şi chiar unele ramuri ale matematicii şi biologiei,de-a lungul ultimelor două milenii, fizica a devenit ştiinţă modernă începând cu secolul al XVII-lea, iar toate aceste discipline sunt considerate acum distincte, deşi frontierele rămân greu de definit .
Fizica este poate cea mai importantă ştiinţă a naturii deoarece cu ajutorul ei pot fi explicate în principiu orice alte fenomene întâlnite în alte ştiinţe ale naturii cum ar fi de exemplu chimia sau biologia. Limitările sunt legate de incapacitatea noastră de a obţine suficient de multe date experimentale, în cazul biologiei, ori de incapacitatea (până acum) sistemelor de calcul de a analiza dinamica moleculelor foarte complexe, în cazul chimiei. Descoperirile în fizică ajung de cele mai multe ori să fie folosite în sectorul tehnologic, şi uneori influenţează matematica sau filozofia. De exemplu, înţelegerea mai profundă a electromagnetismului a avut drept rezultat răspândirea aparatelor pe bază de curent electric - televizoare, computere, electrocasnice etc.; descoperirile din termodinamică au dus la dezvoltarea transportului motorizat; iar descoperirile din mecanică au dus la dezvoltarea calculului infinitezimal, chimiei cuantice şi folosirii unor instrumente precum microscopul electronic în microbiologie.
Astăzi, fizica este un subiect vast şi foarte dezvoltat. Cercetarea este divizată în patru subcâmpuri : fizica materiei condensate; fizica atomică, moleculară şi optică; fizica energiei înalte; fizica astronomică şi astrofizică. Majoritatea fizicienilor se specializează în cercetare teoretică sau experimentală, prima ocupându-se de dezvoltarea noilor teorii, şi a doua cu testarea experimentală a teoriilor şi descoperirea unor noi fenomene. În ciuda descoperirilor importante din ultimele patru secole, există probleme deschise în fizică care aşteaptă a fi rezolvate. De exemplu, cuantificarea gravitaţiei este poate cea mai arzătoare dintre probleme şi cu siguranţă şi cea mai dificilă. Odată cu elucidarea acestei probleme, fizicienii vor avea o imagine mult mai clară despre interacţiile din natură şi cu siguranţă multe dintre fenomenele şi obiectele pe care le întâlnim în astrofizică, de exemplu găurile negre, îşi vor găsi explicaţia într-un mod natural.
Oricum se pune problema, fizica este una dintre cele mai vechi discipline academice; prin intermediul unei subramuri ale sale, astronomia, ar putea fi cea mai veche. Uneori sinonimă cu filozofia, chimia şi chiar unele ramuri ale matematicii şi biologiei,de-a lungul ultimelor două milenii, fizica a devenit ştiinţă modernă începând cu secolul al XVII-lea, iar toate aceste discipline sunt considerate acum distincte, deşi frontierele rămân greu de definit .
Fizica este poate cea mai importantă ştiinţă a naturii deoarece cu ajutorul ei pot fi explicate în principiu orice alte fenomene întâlnite în alte ştiinţe ale naturii cum ar fi de exemplu chimia sau biologia. Limitările sunt legate de incapacitatea noastră de a obţine suficient de multe date experimentale, în cazul biologiei, ori de incapacitatea (până acum) sistemelor de calcul de a analiza dinamica moleculelor foarte complexe, în cazul chimiei. Descoperirile în fizică ajung de cele mai multe ori să fie folosite în sectorul tehnologic, şi uneori influenţează matematica sau filozofia. De exemplu, înţelegerea mai profundă a electromagnetismului a avut drept rezultat răspândirea aparatelor pe bază de curent electric - televizoare, computere, electrocasnice etc.; descoperirile din termodinamică au dus la dezvoltarea transportului motorizat; iar descoperirile din mecanică au dus la dezvoltarea calculului infinitezimal, chimiei cuantice şi folosirii unor instrumente precum microscopul electronic în microbiologie.
Astăzi, fizica este un subiect vast şi foarte dezvoltat. Cercetarea este divizată în patru subcâmpuri : fizica materiei condensate; fizica atomică, moleculară şi optică; fizica energiei înalte; fizica astronomică şi astrofizică. Majoritatea fizicienilor se specializează în cercetare teoretică sau experimentală, prima ocupându-se de dezvoltarea noilor teorii, şi a doua cu testarea experimentală a teoriilor şi descoperirea unor noi fenomene. În ciuda descoperirilor importante din ultimele patru secole, există probleme deschise în fizică care aşteaptă a fi rezolvate. De exemplu, cuantificarea gravitaţiei este poate cea mai arzătoare dintre probleme şi cu siguranţă şi cea mai dificilă. Odată cu elucidarea acestei probleme, fizicienii vor avea o imagine mult mai clară despre interacţiile din natură şi cu siguranţă multe dintre fenomenele şi obiectele pe care le întâlnim în astrofizică, de exemplu găurile negre, îşi vor găsi explicaţia într-un mod natural.
FIZICA cuprinde :
* FIZICA clasica
*FIZICA atomica
*FIZICA teoretica
*FIZICA medicala
*FIZICA nucleara
Fizica clasică cuprinde ramurile fizicii datând de dinainte de "revoluţiile" de la începutul secoluluiXX, datorate mecanicii cuantice şi teoriei relativităţii. Fizica clasică, denumită şi Fizica newtoniană, se defineşte prin opoziţie cu fizica modernă sau fizica secolului XX. Dezvoltări recente ale vechilor teorii din fizică se subsumează tot fizicii clasice, spre exemplu noi descoperiri în fizica fluidelor sau electromagnetism.
Un statut ambiguu îl au ramuri ale fizicii care derivă din discipline "clasice" dar prezintă aspecte calitativ noi. Un astfel de exemplu îl constituie teoria haosului ("chaos theory"), care reprezintă o extensie a mecanicii clasice, însă ale cărei idei sunt chintesenţial moderne.
Un statut ambiguu îl au ramuri ale fizicii care derivă din discipline "clasice" dar prezintă aspecte calitativ noi. Un astfel de exemplu îl constituie teoria haosului ("chaos theory"), care reprezintă o extensie a mecanicii clasice, însă ale cărei idei sunt chintesenţial moderne.
Fizica atomică este o ramură a fizicii ce se ocupă cu studiul atomilor ca un sistem izolat de electroni şi un nucleu atomic. În principal se studiază aranjarea electronilor în jurul nucleului. De asemenea, se studiază şi procesul prin care aranjarea electronilor se modifică. Aceasta include şi ionii şi atomii neutrii.
Termenul de fizică atomică este cel mai des asociat cu fizica nucleară, deoarece în general atomic şi nuclear sunt sinonime pentru majoritatea populaţiei. Specialiştii fizicieni diferenţiază fizica atomică şi fizica nucleară. În cazul fizicii nucleare se studiază strict numai nucleul atomului.
Termenul de fizică atomică este cel mai des asociat cu fizica nucleară, deoarece în general atomic şi nuclear sunt sinonime pentru majoritatea populaţiei. Specialiştii fizicieni diferenţiază fizica atomică şi fizica nucleară. În cazul fizicii nucleare se studiază strict numai nucleul atomului.
În cadrul fizicii atomice, atomii sunt întotdeauna consideraţi izolaţi – un singur nucleu înconjurat de unul sau mai mulţi electroni legaţi. Din acest motiv nu se studiază formarea moleculelor, nici nu se examinează atomii în stadiu solid sau în materie condensată. Se studiază procese precum ionizarea şi excitarea de către fotoni sau coliziunea cu particule atomice.
Modelarea atomilor în izolare nu pare realistă, însă atomii din gaz şi plasmă interacţionează între ei pe o durată de timp enormă în comparaţie cu procesele atomice studiate. Astfel, atomii pot fi consideraţi izolaţi. Fizica atomică oferă bazele teoriei ce se foloseşte în fizica plasmei şi fizica atmosferei.
Modelarea atomilor în izolare nu pare realistă, însă atomii din gaz şi plasmă interacţionează între ei pe o durată de timp enormă în comparaţie cu procesele atomice studiate. Astfel, atomii pot fi consideraţi izolaţi. Fizica atomică oferă bazele teoriei ce se foloseşte în fizica plasmei şi fizica atmosferei.
Configuraţia electronilor se referă la aranjarea electronilor în cadrul unui atom. Precum alte particule elementare, electronii sunt supuşi legilor mecanicii cuantice. Stările cuantice ale unui electron sunt date de funcţia undă cu valori în spaţiu şi timp.
Electronii se mută dintr-un nivel de energie în altul numai prin emisia sau absorbţia de energie cuantică – sub forma de foton.
Cunoaşterea configuraţiei electronilor într-un atom are aplicaţii în înţelegerea structurii tabelului periodic din chimie. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ce fac atomii să se ţină apropiaţi. În acelaşi fel se pot explica şi unele proprietăţi ciudate ale laserelor şi a semiconductoarelor.
Electronii se mută dintr-un nivel de energie în altul numai prin emisia sau absorbţia de energie cuantică – sub forma de foton.
Cunoaşterea configuraţiei electronilor într-un atom are aplicaţii în înţelegerea structurii tabelului periodic din chimie. De asemenea, aceste date se folosesc pentru descrierea legăturilor chimice ce fac atomii să se ţină apropiaţi. În acelaşi fel se pot explica şi unele proprietăţi ciudate ale laserelor şi a semiconductoarelor.
Un sistem mecanic cuantic poate avea numai anumite stări. În consecinţă numai anumite nivele de energie sunt posibile. Nivelul de energie se referă, în general, la configuraţia electronilor în atomi sau molecule. Spectrul de energie poate fi cuantificat. Deci, nivelul de energie este o cantitate măsurabilă utilizată pentru descriere ansamblului de sisteme mecanice cuantice în fizică. Nivelul de energie poate fi numit „degenerat” dacă acelaşi nivel este obţinut de mai multe stări ale sistemului mecanic cuantic.
Nivelul de energie este întotdeauna definit. Măsurarea valorii în sine nu are sens. Ceea ce are sens este măsurarea diferenţei dintre două nivele de energie A şi B. Astfel se poate determina câtă energie este necesară pentru trecerea din starea A în starea B. Diferenţa de nivel de energie între electroni ne permite să calculăm spectrul de emisie şi de absorbţie a atomilor în interacţiunea cu fotoni.
Cu ajutorul funcţiei de undă se poate determina probabilitatea de a găsi o particulă în regiunea dorită a spaţiului. Funcţia este folosită pentru descrierea oricărui sistem fizic. Cu aceasta se face maparea posibilelor stări ale sistemului în numere complexe. Evoluţia în timp poate fi calculată folosind legea mecanicii cuantice: ecuaţia lui Schrödinger. Valorile funcţiei sunt numere complexe ce reprezintă amplitudini de probabilitate ca sistemul să se găsească în oricare stare posibilă. În cadrul atomilor, funcţia ne dă configurările posibile ale electronilor.
Orbitalul atomic este o funcţie de undă ce determină regiunea în care un electron se poate găsi în jurul unui atom izolat, într-o stare energetică particulară. Rezultatul se mai numeşte şi lista de stări cuantice posibile ale electronului.
Starea unui electron într-un atom este dată de patru numere cuantice. Aceste numere sunt proprietăţile orbitalului în care se găseşte electronul:
Numărul cuantic principal, notat n ≥ 1. Acesta cuantifică energia per total a orbitalului şi distanţa electronului faţă de nucleul atomului. În funcţie de acesta, nivelurile electronice se împart în pături K, L, M, etc.
Numărul cuantic azimutul, notat l, cu valori între 0 şi n-1. Acesta împarte o pătură în subpături, determinând tipul orbitalului, cunoscut şi ca numărul de noduri în graficul densităţii.
Numărul cuantic magnetic, notat m, cu valori între - şi +, inclusiv 0. Determină transferul de energie al unui orbital atomic datorat câmpului magnetic extern (efectul Zeeman). Acest număr indică orientarea în spaţiu a momentului magnetic.
Numărul cuantic de spin , notat ms, cu valorile -½ sau +½ (numite uneori „jos” sau „sus”). Spinul este o proprietate intrinsecă a electronului, independentă de celelalte numere cuantice.
Conform principiului de excludere al lui Pauli, nu există doi electroni într-un atom cu acelaşi set de valori ale celor patru numere cuantice.
Starea unui electron într-un atom este dată de patru numere cuantice. Aceste numere sunt proprietăţile orbitalului în care se găseşte electronul:
Numărul cuantic principal, notat n ≥ 1. Acesta cuantifică energia per total a orbitalului şi distanţa electronului faţă de nucleul atomului. În funcţie de acesta, nivelurile electronice se împart în pături K, L, M, etc.
Numărul cuantic azimutul, notat l, cu valori între 0 şi n-1. Acesta împarte o pătură în subpături, determinând tipul orbitalului, cunoscut şi ca numărul de noduri în graficul densităţii.
Numărul cuantic magnetic, notat m, cu valori între - şi +, inclusiv 0. Determină transferul de energie al unui orbital atomic datorat câmpului magnetic extern (efectul Zeeman). Acest număr indică orientarea în spaţiu a momentului magnetic.
Numărul cuantic de spin , notat ms, cu valorile -½ sau +½ (numite uneori „jos” sau „sus”). Spinul este o proprietate intrinsecă a electronului, independentă de celelalte numere cuantice.
Conform principiului de excludere al lui Pauli, nu există doi electroni într-un atom cu acelaşi set de valori ale celor patru numere cuantice.
Fizica teoretică foloseşte modele matematice şi abstracţii ale fizicii, în loc de procese experimentale, în încercarea de a înţelege natura. Miezul său central îl constituie fizica matematică, deşi sunt uneori folosite şi alte tehnici conceptuale. Scopul este raţionalizarea, explicarea şi predicţia fenomenelor fizice. Progresul ştiinţei depinde în general de interacţiunea dintre studiile experimentale şi teorie. În unele cazuri, fizica teoretică aderă la standardele de rigurozitate matematică dând observaţiilor şi experimentelor o pondere redusă. De exemplu, în timp ce a dezvoltat teoria relativităţii restrânse, Albert Einstein s-a preocupat de transformările Lorentz care lăsau ecuaţiile lui Maxwell invariante, dar nu a fost interesat de experienţa Michelson-Morley privind viteza Pământului printr-un eter luminifer ipotetic. Pe de altă parte, Einstein a primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru faptul că a explicat efectul fotoelectric, care la acea vreme era un rezultat experimental fără o formulare teoretică.
Fizica medicală foloseşte concepte şi metode din fizică pentru a ajuta în diagnosticarea şi tratarea unor boli.
Aplicaţii ale fizicii medicale:
-Radioterapie
-Diagnostic cu radiaţii X
-Medicină nucleară
-Radiaţie neionizanta (Laseri, Ultraviolete etc.)
-Diagnostic cu ultrasunete
-Protecţia împotriva radiaţiei
Aplicaţii ale fizicii medicale:
-Radioterapie
-Diagnostic cu radiaţii X
-Medicină nucleară
-Radiaţie neionizanta (Laseri, Ultraviolete etc.)
-Diagnostic cu ultrasunete
-Protecţia împotriva radiaţiei
Fizica nucleară este disciplina din domeniul fizicii care se ocupă de structura şi proprietăţile nucleelor atomice. In cadrul fizicii nucleare aparţine partea teoretică şi practică care se ocupă cu studiul reacţiilor nucleare de dezintegrare radioactivă.
Structura unui atom este formată din:
-câmp electromagnetic unde se găsesc Z electroni grupaţi în jurul unui nucleu
-nucleu, format din nucleoni – denumire generică pentru:
-protoni (Z)
2 up quarkuri şi 1 down quark
-neutroni (N = A – Z)
1 up quark şi 2 down quarkuri
Protonii sunt particule încărcate cu energie elementară pozitivă şi sunt compuşi din două up quarkuri şi un down quark. Numărul acestora în atom determină elementul chimic. Masa protonului este de 938 MeV. Sarcina electrica este 1,60x10-19 columbi.
Neutronii nu au valenţă energetică, valenţă nulă şi sunt compuşi dintr-un up quark şi două down quarkuri. Numărul de neutroni, determină izotopul elementului chimic. Masa neutronului este de 940 MeV.
-câmp electromagnetic unde se găsesc Z electroni grupaţi în jurul unui nucleu
-nucleu, format din nucleoni – denumire generică pentru:
-protoni (Z)
2 up quarkuri şi 1 down quark
-neutroni (N = A – Z)
1 up quark şi 2 down quarkuri
Protonii sunt particule încărcate cu energie elementară pozitivă şi sunt compuşi din două up quarkuri şi un down quark. Numărul acestora în atom determină elementul chimic. Masa protonului este de 938 MeV. Sarcina electrica este 1,60x10-19 columbi.
Neutronii nu au valenţă energetică, valenţă nulă şi sunt compuşi dintr-un up quark şi două down quarkuri. Numărul de neutroni, determină izotopul elementului chimic. Masa neutronului este de 940 MeV.
În interiorul atomului există un câmp electric în jurul nucleului. Protonii şi neutronii (nucleoni) se află în interioriul nucleului. În câmpul electromagnetic se găsesc un număr Z de electroni pentru a se asigura neutralitatea electrică a nucleului. Dacă numărul electronilor nu este egal cu cel al protonilor, atunci este un ion, pozitiv sau negativ. Numărul nucleilor în atom determină masa atomică a acestuia, notată cu A.
Protonii, neutronii şl electronii fac parte din clasa de fermioni, având spin semiîntreg. Interacţiunea nucleară forte / tare, cea mai puternică din cele patru forţe naturale ale fizicii, are rolul de a menţine o coeziune în interiorul nucleului. Cuantica chromodinamică se ocupă cu studiul forţei exercitate în interiorul nucleilor. Datorită scalei microscopice, pentru fizica nucleară este folosită mecanica cuantică – ştiinţa care se ocupă cu studiul fenomenelor la scară atomică.
Atomii cu acelaşi număr de ordine dar cu masă atomică diferită se numesc izotopi, care au proprietăţi chimice identice. Pe când prorietăţile fizice ale izotopilor sunt diferite acestea fiind influenţate de numărul atomic diferit.
Unitate de măsură utilizată în fizica nucleară:
In lungime: 1 fermi = 1 fm = 10-15 m
Energie: 100 keV - 100 MeV
Protonii, neutronii şl electronii fac parte din clasa de fermioni, având spin semiîntreg. Interacţiunea nucleară forte / tare, cea mai puternică din cele patru forţe naturale ale fizicii, are rolul de a menţine o coeziune în interiorul nucleului. Cuantica chromodinamică se ocupă cu studiul forţei exercitate în interiorul nucleilor. Datorită scalei microscopice, pentru fizica nucleară este folosită mecanica cuantică – ştiinţa care se ocupă cu studiul fenomenelor la scară atomică.
Atomii cu acelaşi număr de ordine dar cu masă atomică diferită se numesc izotopi, care au proprietăţi chimice identice. Pe când prorietăţile fizice ale izotopilor sunt diferite acestea fiind influenţate de numărul atomic diferit.
Unitate de măsură utilizată în fizica nucleară:
In lungime: 1 fermi = 1 fm = 10-15 m
Energie: 100 keV - 100 MeV
Prin aprofundarea practică a fizicii nucleare, s-au identificat mai multe tipuri de reacţii nucleare:
*fuziune nucleară
Fuziunea nucleară constă în contopirea a două sau mai multe nuclee atomice mai uşoare, într-unul mai mare şi mai greu.
*fisiune nucleară
Un nucleu greu se scindează în mai multe fragmente – nuclee atomice – mai uşoare, având o *masă comparabilă.
*difuzie nucleară
*radioactivitate
*fuziune nucleară
Fuziunea nucleară constă în contopirea a două sau mai multe nuclee atomice mai uşoare, într-unul mai mare şi mai greu.
*fisiune nucleară
Un nucleu greu se scindează în mai multe fragmente – nuclee atomice – mai uşoare, având o *masă comparabilă.
*difuzie nucleară
*radioactivitate
Aplicaţiile fizicii nucleare sunt foarte diverse. Aceasta este folosită în:
*Astrofizică: doar pentru explicarea formării corpurilor în univers şi a apariţiei materiei – nucleosinteza.
*Arheologie: se face datare radioactivă a artefactelor.
*Medicină: se studiază interacţiunea radioactivă cu ţesuturile umane în vederea găsirii de tratamente sau diagnosticare: radioterapie şi radiologie.
*Producţia de energie nucleară: centrale nucleare, sau tokamak şi propulsie nucleară termică.
*Cadru militar: bombe atomice şi cu hidrogen şi arme.
*Astrofizică: doar pentru explicarea formării corpurilor în univers şi a apariţiei materiei – nucleosinteza.
*Arheologie: se face datare radioactivă a artefactelor.
*Medicină: se studiază interacţiunea radioactivă cu ţesuturile umane în vederea găsirii de tratamente sau diagnosticare: radioterapie şi radiologie.
*Producţia de energie nucleară: centrale nucleare, sau tokamak şi propulsie nucleară termică.
*Cadru militar: bombe atomice şi cu hidrogen şi arme.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu