UTICAJ FIZIKE NA DRUGE PRIRODNE

NAUKE

UVOD

“Veliku trojku” nauka čine matematika, fizika i hemija.To su nauke bez kojih je život jednostavno nemoguć.Frederik Tarner je definisao tzv. piramidu nauke:Na dnu se nalazi matematika – jer se ne oslanja na druge naukeIza nje ide fizika – koja se oslanja jedino na matematikuTreća je hemija – koja koristi saznanja fizike i matematikeSledeća je biologija – koja ne može da funkcioniše bez fizike i hemijeSve ostale nauke nalaze se upletene negde iznad. Na kontaktnim površinama nauka nalaze se discipline nastale kombinacijom dve ili više drugih nauka: matematička fizika, fizička hemija, biohemija, biofizika, biomedicina itd.Sve je teže utvrditi gde prestaje jedna, a počinje druga nauka, sve je postalo prilično isprepleteno i multidisciplinarno.

2

FIZIKA

Fizika je nauka koja proučava prirodu u najsveobuhvatnijem smislu.Usko je povezana sa drugim prirodnim naukama kao što su astrologija, hemija, biologija, meteorologija, medicina, matematika, geografija itd.Uticaj fizike na druge prirodne nauke je veliki.Taj uticaj možemo posmatrati kroz dostignuća u pojedinim prirodnim naukama koja svakako ne bi bila moguća bez uticaja i primene fizike.Upravo taj veliki uticaj fizike na druge prirodne nauke i njena primena u praktičnom, a ne samo u teoretskom smislu, ovu temu čini obimnom, te ću iz tog razloga pokušati da vam predstavim najosnovnije primere uticaja fizike na pojedine prirodne nauke.

3

FIZIKA I HEMIJA

Hemija zauzima središnje mesto među prirodnim naukama.Bavi se molekulima, njihovom strukturom, osobinama i transformacijama i principima na kojima se osobine molekula zasnivaju.Zbog svoje sveobuhvatnosti hemija se dodiruje i značajno preklapa sa drugim prirodnim naukama. Hemija se u mnogome bazira na fizici, pogotovo na kvantnoj mehanici, termodinamici i elektromagnetizmu, a nauka nastala kombinovanjem ove četiri je fizička hemija koja se bavi vezom između mikroskopskih i makroskopskih osobina materije.Hemija i fizika se međusobno prepliću i često je veoma teško precizno odrediti gde se završava jedna, a počinje druga nauka.Zbog opširnosti ove teme, pokušaću da vam sažeto prikažem neke primere uticaja fizike, odnosno pojedinih njenih delova na hemiju.

4

FIZIKA I HEMIJA

Kvantna mehanika, kao fundamentalna grana fizike predstavlja teorijsku podlogu mnogih disciplina fizike i hemije. Zajedno sa Opštom teorijom relativnosti predstavlja jedan od stubova savremene fizike.Kvantna mehanika proučava ponašanje elektrona i ostalih elementarnih čestica u atomima, molekulima, kristalima i nuklearnim jezgrima, koji su bitni za izučavanje hemije.Kombinovanje atoma u stvaranju molekula i viših oblika organizacije materije može se dosledno objasniti primenom kvantne mehanike iz čega je izrasla kvantna hemija.Relativistička kvantna mehanika, u principu može da objasni celokupnu hemiju.Hemija se odlikuje upotrebom kvantne mehanike za tumačenje struktura i osobina supstanci, hemijskih veza u njima i međusobnog dejstva supstanci u hemijskim reakcijama. Počnimo od atoma.

5

FIZIKA I HEMIJA

“Sva tela se sastoje od sićušnih dalje nevidljivih delova koji se zovu atomi. Sva raznolikost sveta u kome živimo je samo posledica kretanja atoma” – to je bilo gledište grčkog filozofa Demokrita, tvorca prve atomske teorije.Demokritovo gledište u savremenu nauku uveo je Džon Dalton, engleski fizičar i hemičar, po kome su atomi najmanji delovi svakog elementa i više se ne mogu deliti. Postoji onoliko vrsta atoma koliko ima elemenata.Nova znanja iz oblasti fizike (elektricitet) menjaju sredinom XIX veka sliku o atomu. On se predstavlja kao izgrađen od međusobno pomešanih pozitivno i negativno naelektrisanih čestica.1896. Godine otkriven je elektron – negativno naelektrisana čestica, a nešto kasnije i proton – pozitivno naelektrisana čestica.Količina naelektrisanja koju nose proton i elektron je jednaka i iznosi 1,6 x 10-19 , i uzeta je za elementarno naelektrisanje. Broj protona i elektrona u atomu je jednaka, s tim da je masa protona približno 1389 puta veća od mase elektrona. 1977. Godine Raderford dokazuje postojanje atomskog jezgra. 6

FIZIKA I HEMIJAU to vreme Maks Plank postavlja svoju kvantnu teoriju da svaki izvor energije može zračiti energiju samo u diskretnim količinama – kvantima.Na toj osnovi izveo je zakon zračenja – Plankova formula:

h = Plankova konstantav = Frekvencija fotona (kvanta)λ = talasna dužinac = brzina svetlostiω = kružna frekvencija fotona (kvanta)

Danas usvojena vrednost Plankove konstante iznosi:h = 6,626 0693 (11) x 10-34 Js = 4,135 667 43 (35) x 10-15 eVs

7

FIZIKA I HEMIJA

Danski fizičar Nils Bor je na osnovu Plankove kvantne teorije pretpostavio da se elektroni oko jezgra kreću tačno određenim putanjama, kao planete oko sunca. Nov model atoma nazvan je planetarni.Njegov najveći doprinos hemiji jeste Borov model strukture atoma.

Borov model atoma vodonika

Zeleno – atomsko jezgroPlavo – elektronCrveno – emitovani fotonElektronske orbite predstavljene su isprekidanim linijama.Radijus orbita raste kao n2, gde je n= glavni kvantni broj.

8

FIZIKA I HEMIJA

9

FIZIKA I HEMIJA

Napred navedeno predstavlja samo “vrh ledenog brega” u teoriji o atomu.Tako je sve počelo, a razvoj teorije o atomu je trajao i traje i dalje. Danas je poznato nekoliko desetina subatomskih čestica (kvark, mion, tauron, neutrino itd.). Osim kvantne mehanike veliki uticaj na hemiju izvršili su elektromagnetizam i termodinamika, pre svega:Faradej koji je koristeći otkrića danskog hemičara Ersteda iz elektromagnetizma dao osnove moderne elektromagnetne tehnologije; otkrio nove supstance, oksidacione brojeve i način kako gasove pretvoriti u tečnost, Maksvel koji je matematički formulisao Faradejeva otkrića; napisao jednačine kretanja elektromagnetnog polja poznatije kao Maksvelove jednačine i smatra se jednim od osnivača kinetičke teorije gasova.

Brojni su primeri koje bi ovde mogli da navedemo, ali ćemo se ipak zaustaviti na ovome.

10

FIZIKA I HEMIJAKoliko je teško razgraničiti ove dve nauke možemo da uočimo na primeru oslobađanja energije iz atoma i radioaktivnosti. Da li je u ovom slučaj veći uticaj fizike na hemiju ili upravo obrnuto, veoma je teško reći.Ni jedan drugi pojedinačni događaj u nauci nije imao tolike neposredne i dalekosežne posledice kao što je to slučaj sa atomskom energijom, usled čega je došlo do razvoja nuklearne tehnologije koja je između ostalog dovela do izuma oružja za masovno uništenje.Pogledajmo kako je došlo do otkrića radioaktivnosti i koje su njegove posledice.

Anri Bekerel, francuski fizičar, je 1869. godine dok je radio na fosforoscentnim materijalima otkrio radioaktivnost.Trudeći se da ustanovi uzrok fosforescencije nekih materijala, on je na fotografsku ploču umotanu u crni papir postavio kristal uranijumove soli i onda sve izlagao sunčevoj svetlosti, nakon razvijanja pokazalo se da je ona “osvetljena”, odnosno da je ploča zacrnjena. Ubrzo je zaključio da crnjene ploče nema veze sa fosforoscencijom, jer je ona crnela i kad je mineral držan u mraku.Bilo je jasno da postoji neka nova vrsta zračenja koja je mogla da prođe kroz papir i koja je prouzrokovala crnjenje ploče.

11

FIZIKA I HEMIJA

Marija Kiri, poljska hemičarka je odmah počela da istražuje ovu neobičnu pojavu.Odlučila je da izmeri radijaciju koju emituje uran. Izradila je instrument u kome ova radijacija jonizuje vazduh između dve elektrode, pa struja počinje da teče, a jačina ove slabe struje meri količinu pritiska koje je trebalo primeniti na kristal da bi se proizvela uravnotežavajuća suprotna struja.Marija Kiri je predložila naziv “radioaktivnost” za sposobnost urana da emituje radijacije.

Marija i Pjer Kiri, zajedno sa Bekerelom primili su za svoja proučavanja radioaktivnostiNobelovu nagradu za fiziku 1903. godina, a za otkriće polonijuma i radijuma Marija Kiri jedobila 1911. godine Nobelovu nagradu za hemiju.

Ovi istraživači su takođe otkrili da mnogi drugi hemijski elementi imaju radioaktivne izotope.

12

FIZIKA I HEMIJA

Britanski fizičar Ernest Raderford je prvi uočio da se zračenje radijuma sastoji od tri vrste α, β i γ zračenja. Zajedno sa Sodijem uveo je pojam vreme poluraspada i formulisao zakone radioaktivnog raspada.Prvi je upotrebio reč proton za pozitivno naelektrisanu česticu u jezgru atoma.Raderford je bombardujući azot alfa-česticama izveo prvu transmutaciju jednog elementa u drugi jer je iz azota uspeo da dobije kiseonik. Upravo tako je izvršena prva nuklearna reakcija.1908. Godine dobio je Nobelovu nagradu za hemiju.

13

FIZIKA I HEMIJA

Opasnosti radioaktivnosti nisu odmah otkrivene. Nije se znalo da će ako se unesu u telo, radioaktivni materijali nastaviti da zrače unutar tela, često prouzrokujući kancer ili druge ozbiljne probleme.Za vreme Drugog svetskog rata došlo se na ideju da bi se energija koju radioaktivnost oslobađa mogla koristiti kao oružje za masovno uništenja.Harold Klejton Juri, američki fizikohemičar, dobitnik Nobelove nagrade za hemiju za otkriće deuterijuma, koji je izolovao uzastopnom destilacijom tečnog vodonika i demonstrirao postojanje teške vode, radio je na projektu Menhetn, odnosno na razvoju nuklearne bombe. Ovaj projekat se pokazao uspešnim i dve od prve tri bombe su bačene na Japan.I pored brojnih negativnih efekata, radioaktivni izotopi imaju i dalje brojne značajne primene, nuklearna tehnologija je i dalje u širokoj upotrebi uprkos javnoj zabrinutosti.

14

FIZIKA I BIOLOGIJA

Biologija je nauka koja se bavi proučavanjem živog sveta. Ona proučava svojstva i ponašanje organizama, njihov rast, razvoj i razmnožavanje, kao i interakcije između različitih organizama, te organizama i njihove okoline. Biologija obuhvata širok spektar akademskih područja koja se često smatraju različitim disciplinama. Ove discipline zajedno proučavaju život na različitim nivoima.Najveći uticaj fizike na biologiju, koja kao što sam već rekao ne može da se zamisli bez fizike i hemije, možemo da posmatramo u biofizici.Biofizika je fizika žive materije, na svim nivoima: molekularnom, ćelijskom, nadćelijskom, uključujući biosferu u celini. Nastala je u kontaktu biologije, fizike, fizičke hemije i matematike. Cilj biofizike je zasnivanje teorijske biologije, korišćenjem zakona fizike i metodologije prirodnih nauka.Specifičnost žive materije se prvo ispoljava na molekularnom nivou organizacije živog sveta.Savremena etapa razvoja biofizike u suštini je otpočela otkrićem Linusa Paulinga prostorne strukture proteina. 15

FIZIKA I BIOLOGIJASledeći korak je bio otkriće “spirale života” tj. dvostruke spirale DNK.Za ovo otkriće 1962. godine Nobelovu nagradu dobili su Džejms Vatson i Fransis Krik.Međutim, Rosalinda Frenklin je ta kojoj treba da odamo dužno priznanje za ovo otkriće. Naime, još 1952. godine ona je odredila strukturu DNK, čime je objasnila prenos nastalih osobina pomoću hromozoma i dala ključno objašnjenje nastanka života.U svom istraživačkom radu prva je primenila kristalografsku metodu određivanja strukture molekula pomoću x-zraka i na taj način definisala strukturu duplog heliksa DNK.Kada je svoje nepublikovane rezultate istraživanja predala na uvid Vatsonu i Kriku, ovi su ih sadržali i bez njenog znanja publikovali kao svoje. Vatson i Krik su svetu predstavljeni kao autori duplog heliksa DNK, izostavivši bilo kakvo priznanje pravom autoru Rosalindi Frenklin.

16

FIZIKA I BIOLOGIJAOsnovna tri pravca u biofizičkim istraživanjima su:1. Molekularna biologija – ima za zadatak ispitivanje strukture i funkcionalnosti bioloških makromolekula.Savremena biofizika upravo je najveći prodor napravila u molekularnoj biofizici, na planu strukture i funkcionalnosti bipolimera i proteina i nukleinskih kiselina kiselina (DNK, RNK) i njihovoj povezanosti sa genetskim kodom.Pri tome je korišćen teorijski aparat različitih fizičkih disciplina: ravnotežna termodinamika, statička fizika i kvantna mehanika.Eksperimentalne metode su obuhvatile sedimentaciju bipolimera i njihovu dalju karakterizaciju rendgenskom difrakcijom, skenirajućom tunelskom mikroskopijom, rasejavanjem svetlosi i zračenjem itd.Biofizičke eksperimentalne metode široko se kombinuju sa raspoloživim biohemijskim metodama.

2. Biofizika ćelije – je veoma važna i najstarija oblast biofizike. Proučava strukturu i funkcionalnost ćelija i njihovih organela, membrane, citoskeleti, mitohondrije.U ovoj oblasti se koriste pored pomenutih teorijskih metoda u molekularnoj biofizici i elektromagnetne metode i metode neuravnotežene termodinamike otvorenih sistema.

17

FIZIKA I BIOLOGIJAOptička i elektronska mikroskopija, optička i rezonantna spektroskopija, kao i diferencijalna kalorimetrija, primarne su eksperimentalne metode u istraživanju u ovoj oblasti biofizike.3. Biofizika složenih sistema – proučava matematičko-fizičko modeliranje biohemijskih i bioelektričnih aktivnosti nadćelijskih struktura.

U biologiji primenu imaju i radioaktivni izotopi.Prirodni radioaktivni raspad 14C omogućava radiougljenično datiranje.Kasmički zraci stvaraju izotop 14C u atmosferi tako što u sudaru sa jezgrima iz vazduha izbijaju slobodne neutrone. Ti neutroni mogu jezgro azota iz molekula azota (N2) da transformišu u izotop ugljenika 14C:

1n + 14N 14C + 1pOvaj izotop se na kraju ugradi u molekul ugljendioksida i tako dospeva u biljke, a preko njih u životinje. Izotop 14C se u prirodi stalno stvara i raspada, te je njegova koncentracija u živim organizmima konstantna. Međutim, u neživom svetu nema razmene ugljendioksida te koncentracija 14C opada sa vremenom. Dakle, merenjem preostale radioaktivnosti 14C u biološkom uzorku može se utvrditi vreme kada je kruženje ugljenika zaustavljeno (kada je životinja uginula, drvo posečeno, biljka ubrana, …)

18

FIZIKA I MEDICINA

Moderna medicina se snažno oslanja na brojne principe, tehnike i alate koje nudu fizika.Kompleksnost i preciznost potrebna pri dijagnostici i terapeutskim procedurama doveli su do razvoja medicinske fizike.Medicinska fizika intereaguje sa nekoliko specijalnih grana medicine kao što su dijagnostička radiologija, kardiologija, nuklearna medicina i druge branše medicinskog imidžinga (ultrazvuk, nuklearna magnetna rezonanca i sl.).Jedna od najvećih revolucija u medicinskim naukama desila se krajem XIX veka otkrićem rendgenskih zraka i radioaktivnosti.Dijagnostička i terapeutska upotreba jonizujućeg zračenja obeležila je doprinos fizike razvoju medicine krajem XIX i tokom XX veka, uključujući i sadašnje vreme.

Krenimo od otkrića rendgenskog zračenja.19

FIZIKA I MEDICINANemački fizičar Konrad Rendgen je 1895. godine otkrio posebnu vrstu elektromagnetnog zračenja X- zrake (kasnije nazvane rendgenske).Ustanovio je da deluju na fotografsku ploču, prolaze kroz različite materijale i jonizuju zrak kojim prolaze.Konstituisao je rendgenske cevi s konkavnom katodom i platinastom antikatodom.Rendgenski zraci spadaju u jonizujuće zračenje, odnosno elektromagnetno su aktivni i imaju naboj. Zbog svoje velike energije zraci su prodorni i u većoj dozi mogu da oštete ljudsko tkivo. Najpoznatiji i verovatno prvi rendgenski snimak

Spektar elektromagnetnog zračenja

20

FIZIKA I MEDICINAO otkriću radioaktivnosti je već bilo reči u delu “Fizika i hemija”, ali želim da napomenem da radioaktivnost, odnosno aktivni izotopi imaju i danas veliku primenu u medicini, mada ne kao u periodu kada je otkrivena i kada nije bila dovoljna ispitana.Mnogi lekari i firme su počeli da reklamiraju radioaktivne supstance kao sredstvo lečenja. Marija Kiri je pred smrt je govorila protiv ovakve vrste lečenja, upozoravajući da efekti radijacije na ljudsko telo još nisu dobro ispitani. Ona je kraj uzglavlja držala malo radijumovih soli da joj sjaje u mraku,a radeći sa radioaktivnim materijalima dobila je leukemiju, od koje je i umrla.

Danas se brojne dijagnostičke metode ne mogu zamisliti bez primene X-zraka, radioaktivnosti i magnetizma, odnosno bez aparata koji su nastali zahvaljujući dostignućima u ovim oblastima, na čemu moramo pre svega zahvaliti fizici, a bez kojih razvoj medicinskog imidžinga koji je omogućio dobijanje brojnih informacija o stanju organizma ne bi bio ovakav kakav jeste.

Ovo su samo neki od brojnih primera: 21

FIZIKA I MEDICINACT – Kompjuterizovana tomografija – je dijagnostička procedura koja koristi specijalnu opremu sa x-zracima za dobijanje slika preseka cevi. Kombinacija rendgenske cevi i detektora, pomera se translatorno i rotaciono u odnosu na pacijente, pri čemu se dobija: CT angiografija, spiralni CT ili CT pomoću elektronskog snopa.PET – Pozitronska Emisiona Tomografija – produkuje slike tela detektovanjem radijacije koju emituju radioaktivne supstance (radioaktivni izotopi: ugljenik – 11, fluor – 18, kiseonik – 15, azot – 13 sa kratkim vremenom raspadanja). PET detektuje gama zrake dobijene u sudaru pozitrona koje emituju radioaktivni izotopi i elektroni koji se nalaze u tkivu.MR – Magnetna rezonanca – daje trodimenzionalnu mapu morfoloških osobina uzorka. Koristi radiofrekfentne talase i jako magnetno polje da bi se dobile izvanredno jasne slike unutrašnjih organa i tkiva. CT snimak mozga PET snimak mozga MR snimak mozga

22

FIZIKA I MEDICINAKristijan Dopler je austrijski fizičar koji je 1842. godine obradio pojam koji nosi njegovo ime – Doplerov Efekat.To je promena posmatrane frekvencije talasa pri relativnom kretanju njihovih izvora i posmatrača.Polovinom XX veka u medicinu se uvodi primena Doplerovog frekvencionog šifta za određivanje brzine toka krvi.Primena Doplerovog efekta u medicini bazira se na primeni frekvencije između odaslatog ultrazvučnog signala i ultrazvučnog signala koji se dobija kao rezultat susreta ultrazvuka sa crvenim krvnim zrncima u pokretu.

23

FIZIKA I MEDICINADoplerova jednačina i Doplerov šift

V – brzina protoka krvic – brzina ultrazvuka u tkivu ( oko 1540 m/s)Fd – frekventni pomak (Doplerov šift)f 0 – frekvencija ultrazvukacos - kosinus ugla izmeđ ultrazvučnog talasa i pravca protoka krvi

Doplerova metoda je zbog jednostavnosti pri rukovanju, kvalitetnih rezultata, bezbedne primene i ekonomičnosti postala nezamenljiva u kardiovaskularnoj dijagnostici.Zbog opširnosti ove teme na ovome ću stati i preći na drugu nauku u nadi da sam vam bar približno na ovih par primera objasnio koliki je uticaj fizike na medicinu.

24

FIZIKA I ASTRONOMIJAAstronomija je najstarija prirodna nauka o čijim počecima svedoče i megalitski ostaci kao što je Stounhendge u Engleskoj, kultno središte i astronomska opservatorija stara više od 4000 godina.

Astronomija koristi dostignuća drugih prirdnih nauka, pa su se pored astrofizike razvile i astrohemija, kosmička biologija i kosmička medicina.

U Vasioni se nalazi materija u raznovrsnim fizičkim uslovima, nezamislivim u labaratoriji, tako da je ona za fizičare svojevrsna ogromna labaratorija u kojoj mogu da realizuju i istraže neka od najfundamentalnijjih otkrića.

Upravo su fizičari doprineli razvoju i ekspanziji astronomije kao nauke.

Pogledajmo kako:

25

FIZIKA I ASTRONOMIJANikola Kopernik je uspostavio heliocentrični sistem – čime se odbacuje geocentrični sistem po kome je Zemlja centar nebeske sfere, a Sunce i planete kruže oko nje.

Kopernikov heliocentrični sistem prepravio je Johanes Kepler, koji je predvideo sistem koji u detalje opisuje kretanje planeta oko Sunca kao središta, ali po eliptičnim, a ne kružnim putanjama, međutim konačno objašnjenje kretanja planeta dao je Isak Njutn pronalaskon nebeske dinamike i njegovim zakonom gravitacije.

26

FIZIKA I ASTRONOMIJAIsak Njutn, engleski fizičar je zakonom gravitacije – opšti zakon univerzalne gravitacije - pretpostavio da se sva tela privlače međusobno silama srazmerno njihovim masama, a obrnuto kvadratima njihovog rastojanja:

γ – gravitaciona konstantam1 – masa prvog telam2 – masa drugog telar – međusobno rastojanje dva tela (u ideoalnom rastojanje između centra dve masivne sfere)

Time je Njutn objasnio Keplerove eliptične putanje planeta oko Sunca sa izvanrednom tačnošću. 27

FIZIKA I ASTRONOMIJAGalileo Galilei je italijanski naučnik ispitivao ubrzanje tela bačenih sa krivog tornja u Pizi, kojom prilikom je došao do zaključka da na sva tela deluje privlačna sila zemljine teže, a na osnovu čega je Njutn razradio svoj opšti zakon univerzalne gravitacije, što je kasnije prihvaćen okao jedno od najvećih ljudskih dostignuća.

Galilejevi nalazi su poslužili Njutnu i da objasani zakone kretanja, čime je dao nauci ogroman doprinos preciznom metodom izračunavanja planetarnih položaja u sunčevom sistemu u bilo kom periodu najdalje prošlosti i budućnostiPrvi zakon: Zakon inercije – telo ostaje u stanju mirovanja ili se kreće konstantnom brzinom, ako na njega ne deluje nijedna sila, odnosno je rezultirana suma svih sila na telo takva da se sile potiru.

Drugi zakon: Zakon sile – sila koja deluje na neko telo srazmerna je ubrzanju i masi tog tela.

Treći zakon: Zakon akcije i reakcije – za svaku akciju na neko telo postoji i reakcija, reakcija je iste veličine, ali suprotnog smera.

28

FIZIKA I ASTRONOMIJA

Galileo Galilej je izradio poznati GALILEJEV DURBIN sa uvećanjem od 20 puta, kojim je otkrio planine na Mesecu, 4 Jupiterova satelita, koji i nose njegovo ime i zvezdanu konstrukciju Mlečene staze.

U njegovu čast svemirska sonda napravljena za istraživanje Jupitera i satelitski navigacioni sistem su nazvani njegovim imenom.

Galilejeve Beleše o posmatranju Jupitera

29

FIZIKA I ASTRONOMIJAGalilejev durbin je imao problem aberacije, odnosno dolazi do pojave lažnih boja, zamućivanja slike i pada kontrasta.Prvo je Kepler pokušao da reši ovaj problem upotrebom konveksnih sočiva, tako je dobio mutniju, ali obrnutu sliku s većim vidnim poljem.Problem aberacije pokušao se rešiti i teleskopima sa dugim fokusima. Tako su konstruisani i teleskopi sa fokusima do 45 m.Tek je Njutn koji je proučavao svetlost pomoću prizmi uspeo da reši ovaj problem, korišćenjem teleskopa reflektora - newtonian.

Galilejev durbin Njutnov teleskop

30

FIZIKA I ASTRONOMIJARazvojem fizike, a pre svega optike kao njene grane, od pronalaska Galilejevog durbina 1609. godine konstruisani su brojni teleskopi, tako da danas osim optičkih postoje i radio teleskopi, teleskopi za gama-zrake, teleskopi smešteni u Zemljinoh orbiti (Galex, Hubble), VLT teleskop smešten u pustinji Atakam u Čileu i koji se sastoji od četiri povezana teleskopa. Teleskop je jedan od najvažnijih astronomskih optičkih instrumenata, koji je razvijen i usavršen upravo zahvaljujući fizici i njenim dostignućima.

Teleskop reflektor Galex teleskop Hubble teleskop VLT teleskop

31

FIZIKA I GEOGRAFIJA

Obzirom na to da fizika kao jedna od osnovnih nauka utiče na sve druge nauke bile one prirodne ili društvene, nemoguće je taksativno navesti i nabrojati sve nauke na koje ona utiče i koje su se zahvaljujući njoj razvile i danas su ono što jesu, želim još samo da se osvrnem na nauku koja je veoma kompleksna i proučava i prirodne i društvene pojave, te se iz tog razloga svrstava u obe kategorije nauka, a to je geografija. Kao posebna grana geografije razvila se fizička geografija tj. fizika zemlje, nauka koja se bavi proučavanjem fizičkih pojava, stanja i procesa vezanih za Zemlju kao planetu ili pojedine njene delove, počevši od centra Zemlje, pa se do krajnjih granica Zemljine atmosfere.Ona obuhvata: geologiju, geomagnetizam, meteorologiju, klimatologiju, fizičku okeanografiju, aeronomiju, fiziku zemljine unutrašnjosti, seizmologiju, taktonofiziku, geotermiku, fizičku geodeziju, hidrologiju, vulkanologiju i glaciologiju.

32

FIZIKA I GEOGRAFIJAGeologija je nauka koja proučava Zemlju i koja pokušava objasniti kako je Zemlja formirana i kako se menja. Veliki problem geologije bio je određivanje starosti stena, ali otkrićem radioaktivnosti geolozi su dobili moćan alat za rešavanje tog problema. Naime, pre toga geološka skala nije imala brojke i nije se znalo kad je koje razdoblje Zemljine prošlosti počelo ili završilo, nego su se samo određivali relativni odnosi.

Počeci meteorologije i klimatologije, koje su usko povezane, leže u promatranju trenutnog vremena i nagađanja kakvo bi ono moglo biti u vrlo bliskoj budućnosti. Tako je bilo do XVII veka kada Dekart, Galilei (konstruisao termometar na tečnost), Toričeli (konstrituisao živin termometar) Hok (konstruisao enemometar sa klatnom), de Sasur ( konstruisao higrometar na nit ) uvode instrumente za promatranje i merenje. Spajanje teorije i eksperimenata uključivalo je Njutnove zakone kretanja, oglede Paskala, Mariotena, Hoka, Hejlija i ostalih na hipsometriji – preciznom određivanju nadmorske visine, zatim istraživanja Bojla sa gasovima i sl.U XVIII veku standardizovani su termometri, Bendžamin Frenklin proučavao je munje i izumio gromobran, Dalton je postavio temelje za podatke i pratiti vremenske prilike.

33

FIZIKA I GEOGRAFIJANakon izuma telegrafa 1837. godine, zemlje Evrope i Severne Amerike započele su ozbiljne pokušaje skupljanja podataka o vremenu na mnogo mesta istovremeno.Izumljeni su anometri, a uskoro je za održavanje i očitavanje uređaja uvedena i električna energija. S razvojem prometa baloni, zmajevi i avioni su na svojim letovima nosili i meteorološke instrumente, a stalna merenja na visini počela su oko 1920. godine nakon što je izumljen radio uređaj na baterije.Razvoj termodinamike omogućio je veliki broj novih formula koje opisuju atmosferu i promene u njoj. Oko 1920. godine emprijska iskustva prepuštaju mesto fizici, a naučnici Vilhem i Jakom Bjerknes se sve te ideje oblikovali u teoriju o polarnoj fronti.Moderna dinamička meteorologija rođena je 1948. godine kada je Džul Šarnej uspeo redukovati dinamičke jednačine na jednostavniji, ali korisni oblik. Istovremeno naglo se razvija i radarska tehnologija koja je omogućila razlikovanje sastava oblaka po količini vode u njima i tako detektovati oluje. Kasnije su otkriveni radari koji su Doplerovim efektom davali informacije i o brzini oblaka. Nakon 1960. godine sateliti su počeli slati detaljnije slike cele Zemljine površine.Meteorologija se najčešće opisuje kao fizika atmosfere jer u modernoj meteorologiji fizika ima ogroman značaj.

34

FIZIKA I GEOGRAFIJANeke od geofizičkih metoda su:geoelektrična – zasniva se na korišćenju prirodnih i veštačkih fizičkih polja – električnih i elektromagnetnih; geotermička – obuhvata posmatranje temperature i gustine prostora roplote;gravimetrijska – koristi se kod istraživanja ležišta nafte i drugih mineralnih sirovina, a odnosi se na ubrzanje Zemljine teže ili razlike tog ubrzanja;elektromagnetna – primenjuje se pri istraživanju ruda, vode i sl., a u geofizici se sreće elektromagnetno polje Zemlje i veštačko elektromagnetno polje, stvoreno protokom naizmenične struje kroz kalemove omče ili uzemljene kablove mehanizmom elektromagnetne indukcije;seizmička – zasniva se na fenomenu prenošenja elastičnih deformacija u vidu elastičnih talasa kroz ograničene neprekidne sredine – stenske mase koje grade Zemljinu koru, itd.

35

FIZIKA I GEOGRAFIJANama najpoznatiji instrument koji se koristi u geografiji svakako je kompas.Kompas je instrument koji reaguje na magnetizam Zemlje. Služi za određivanje strana sveta.Pokretna magnetna igla kompasa uvek se okreće prema severu.Ne zna se ko je izumio kompas, ali su ga Kinezi prvi upotrebili magnetnu iglu za pokazivanje smera.Tek krajem XVI veka počelo se ozbiljnije istraživati zašto vrh magnetske igle uvek pokazuje prema severu.Vilijam Gilbert je 1600. godine postavio temelje današnjih saznanja o magnetizmu. On je zaključio kako je Zemlja golemi magnet sa polovima i da se sva druga magnetna tela na Zemlji ravnaju prema njoj.

Magnetna deklinacijaZemlja predstavlja magnet čiji se magnetni polovi nalaze u blizini geografskih polova. Između magnetnih polova prostiru se tzv. magnetni meridijani. Slobodno obešena magnetna igla u čijoj se blizini ne nalaze nikakvi metalni predmeti ili elektroprovodnici pod naponom, postavlja se uvek u pravcu lokalnog magnetnog meridijana.

36

FIZIKA I GEOGRAFIJAZa razliku od geografskih meridijana koji se prostiru direktno u pravcu sever – jug, pravac magnetnih meridijana nije svugde isti, već se menja u zavisnosti od geografskog položaja. Promenu njihovog pravca izazivaju lokalna magnetna polja u Zemljinoj kori (metalne rude, magnetni minerali i sl.). U stvari, pravac magnetnih meridijana predstavlja rezultantu Zemljinog magnetnog polja i lokalnih polja. Ugao koji na nekom mestu zatvaraju lokalni geografski i magnetni meridijani naziva se uglom deklinacije. U zavisnosti od toga da ili magnetna igla skreće u pravcu zapada ili istoka, razlikuje se zapadna i istočna deklinacija.

Razlikujemo nekoliko vrska kompasa, i to: magnetni (suvi i sa tečnošću), žiromagnetni, geološki, pilotski i radio kompas. Ruža kompasa Magnetni kompas Žiromagnetni kompas Geološki kompas

37

ZANIMLJIVOSTI

Polarna svetlost – aurora

Sunce nam između ostalih komponenti elektromagnetnog zračenja, šalje čestice visokih energija koje čine tzv. Sunčev vetar. Za nas, Zemljino magnetno polje predstavlja štit koji ne dozvoljava da ove čestice ulaze u zemljinu atmosferu i na izazivaju destruktivne posledice po ćelije i organizme.Kada čestice ulete u magnetno polje Zemlje, osciluju duž linija polja između severnog i južnog magnetnog pola. Posmatrajući oblik linija polja, postaje jasno da su čestice najbliže Zemlji upravo u blizini magnetnih polova gde je pojava najizraženija. Prilikom takvog kretanja intereaguju sa molekulima kiseonika i azota, pobuđujući njihove atomske elektrone ili ih jonizuju. Kada se pobuđeni atomi vrate u prethodno stanje ili kada jonizovani atomi zahvate elektrone da bi opet postali stabilni, emituje se elektromagnetno zračenje – polarna svetlost.Atomi azota emituju svetlost plave i crvene boje, dok kiseonikovi atomi emituju zelenu i braon-crvenu boju. Intenziteti i oblici aurora zavise od energija čestica koje dolaze sa Sunca.Polarna svetlost se najčešće javlja u oblastima blizu polova, ali ukoliko je energija čestica solarnog vetra velika pojava se može videti i u oblasti bliže ekvatoru na drugi način (npr. kao požar na horizontu). Aurore se uglavnom javljaju na visinama u rasponu od 90km do 150km, mada se mogu javiti na manjim, odnosno većim visinama.

38

ZANIMLJIVOSTILuminol

Svi mi gledamo filmove u kojima detektivi pronalaze tragove krvi i kada oni nisu vidljivi golim okom. O čemu se ovde radi?Ovaj metod se zasniva na luminesenciji – pojavi da neka tela emituju elektromagnetno zračenje kada su njihovi atomi (molekuli) pobuđeni, pa se u procesu vraćanja u niža energetska stanja emituje pomenuto zračenje.Za luminesenciju ne važe zakoni toplotnog zračenja. Postoji više tipova liminesencije, a reakcija luminola sa ljudskom krvi spada u hemluminesenciju. Kod nje+ se javlja emitovanje svetlosti usled postojanja hemijskih reakcija.Da bi se dobilo jedinjenje u obliku gasa koje koriste policajci, luminol (C8H7O3N3) u obliku praha se meša sa tečnim vodonik-peroksidom (H2O2), OH-grupom i još nekim jedinjenjima. Da bi ova smesa mogla da svetli potreban je katalizator, a to je hemoglobin, tj. gvožđe u njemu. Dolazi do reakcije:

C8H7O3N3 + H2O2 + 2OH 3aminoftalat – 2H2O + N2

3aminoftalat se nalazi u pobuđenom stanju tj. njegovi elektroni su na višim energetskim nivoima. Prilikom prelaska u niže stanje emituje se zračenje, koje smo imali prilike da vidimo u filmovima.

39

ZANIMLJIVOSTIPlazma televizor

Prednost plazma televizora je što su tanki i što omogućavaju dobru sliku gledajući je iz bilo kog ugla.Atomi ksenona i neona ovde imaju glavnu ulogu. Gas se nalazi u jonizovanom stanju. Ti atomi su smešteni u ćelijama kojih ima stotine, a sve ćelije su prožete rešetkama elektroda kojih ima dve vrste.Elektrode su pod naponom omogućavaju sudare između jona i elektrona u ćelijama što izaziva pobuđivanje jona. Pobuđeni joni se deekscituju i emituju UV zračenje. To UV zračenje pada na unutrašnjost ćelije koja je obložena fosforom i izaziva pobuđivanje tog atoma. Atomi fosfora u procesu deeksitacije emituju vidljivo zračenje u tri moguće boje – crvene, plava, zelena. Kod katodnih televizora imamo interakciju elektrona sa atomima fosfora, a ovde su to fotoni.Boja svakog piksela na ekranu, koga čine 3 subpiksela, je mešavina ove tri boje. Različiti intenziteti pojedinih boja (ćelija) daju različite boje.

40

ZANIMLJIVOSTI

Detektor laži

Ovde se meri više fizioloških reakcija na postavljena pitanja. Mere se: krvni pritisak, promene prilikom disanja i znojenje kože.Pored ovoga negi detektori kontrolišu pomeranja npr. nogu. Analogni detektori koriste pisače da zebeleže reakcije organizma i njih su zamenili digitalni.Znojenje se detektuje preko dve elektrode na prstima ruku. To je galvanometar. Kao što je poznato znojava ruka bolje provodi struju od suve (jer sadrži elektrolite), pa se povećanje pomenute struje kod modernijih detektora pretvara u električni signal koji se vidi na ekranu.Na grudnom košu i abdomenu nalaze se gumene tube ispunjene vazduhom. Kada ispitanik udahne, vazduh izlazi iz tube. Kod novijih detektora taj vazduh aktivira električni signal, a kod starijih promenu kod pisača.

41

ZANIMLJIVOSTISenzori kretanja

Kao zaštita od lopova postavljaju se senzori koji alarmiraju policiju ako detektuje “neželjenog” gosta. Ovaj senzor svetluca kada neko prođe blizu njega i spada u tip PIR (passive infrared) detektora.Ljudsko telo emituje infracrveno zračenje i ovaj senzor to detektuje. To je razlog zašto on radi na opsegu talasnih dužina od 8 do 12 mikrometara. Da vidimo kako se vrši ta detekcija.Senzor je pasivan jer ne emituje energiju. Čini ga jedan piroelektrični materijal koji, kada na njega padne IC energija ljudskog tela, postaje dipol (jedan deo je naelektrisan sa +, a drugi sa -). To razdvajanje naelektrisanja može da se detektuje posebnim uređajem.Da bi osetljivost detektora bila dovoljna IC energija se sakuplja jednim konvergentnim sočivom. Inače ovaj detektor meri samo promene, pa tako ako bi od trenutka uključivanja bio stalno izložen konstantnom IC zračenju, bio bi van funkcije.Ovakav senzor treba razlikovati od onih u npr. prodavnicama koji otvaraju i zatvaraju vrata, jer ti spadaju u aktivne (emituju energiju u okolinu i detektuju refleksije te energije).

42

ZANIMLJIVOSTIDetektor dima

Jedna moguća varijanta ovog detektora koristi svetlosni snop i senzor. Kada u uređaju ne postoji dim svetlost se kreće pravolinijski i ne upada u senzor. Ali, kada se javi dim svetlost se rasejava na česticama dima i jednim delom upada u senzor. To aktivira alarm.Drugi tip detektora ima u sebi radioaktivni izvor Americijuma sa periodom poluraspada većim od 400g. Americijum je izvor alfa čestica (jezgra atoma helijuma) i jonizuje vazduh, odnosno stvaraju se elektroni i pozitivni joni. Americijum i vazduh se nalaze u komori u kojoj je električno polje. Pozitivni joniputuju ka negativnoj elektrodi, a elektroni ka pozitivnoj. Stvara se struja koja može da se registruje. Kada uđe dim u detektor struje počinje da slabi jer čestice dima reaguju sa pozitivnim jonima i neutrališu ih i to aktivira alarm. Iako ovaj detektor ima u sebi radioaktivni izvor smatra se bezopasnim, i to jer je količina Americijuma mala i alfa zračenje ima kratak put kroz vazduh, a koža ih efikasno zaustavlja. Problem može nastati ako se progutaju ove čestice, jer su krupne i naelektrisane, pa prilično intereaguju sa molekulima našeg organizma. Međutim pošto je izvor alfa čestica dobro oklopljen šanse za to su male.Svaki od ovih detektora ima i prednost i mane. Npr. drugi detektor je osetljiv na dim tj. treba mu manje dima da bi aktivirao alarm.

43