Zemlja

Slika svetaNebesna telesa – Atomi in molekule – Snovnespremembe – Elektroni in jedra – Elektromagnetnivalovi – Protoni, nevtroni in nevtrini – Razvojsveta

Svet okoli nas je poln teles. Bližnjih se lahkodotaknemo z roko, oddaljena zgolj vidimo z očmi.S svojo lego označujejo telesa prostorske točke ins spremembami lege določajo časovne trenutke.Od okolja niso ločena, ampak z njim izmenjujejovplive, sile. Nekatera telesa povzročajo v okolicivečje spremembe kot druga: rečemo, da imajovečjo energijo. Povzemimo, kakšna telesanajdemo v svetu, kako so zgrajena in kakšne silevladajo med njimi!

Nebesna telesaPregled sveta začnimo doma: ljudje živimo napovršini velike krogle, Zemlje. Gore in doline, kijih vidimo okrog sebe, so le drobne praske nanjenem obličju. Zemlja je pokrita s plitvimi morjiin obdana s tanko plastjo ozračja, ki se z višinohitro redči.

Pogled na Zemljo izvesoljske ladje. PolmerZemlje znaša 6,4 tisočkilometrov. Mesec je trikratmanjši od nje in jo obkrožana oddaljenosti 60 njenihpolmerov. Svetlobapotrebuje za pot do Meseca1 sekundo. (NASA –National Aeronautics andSpace Administration)

1

Sončni sistem

Galaksije in jate

Sonce, Mesec in zvezde – nebesna telesa – sotudi snovne krogle, nekatere večje in drugemanjše. Vse plavajo po prostoru.

Zemlja ni pri miru, ampak kroži okrog Sonca vizbrani ravnini, ekliptiki. Hkrati se vrti okoli osiskozi svoje središče. Os je usmerjena poševno, nepravokotno, iz ekliptike. Zaradi vsega tegaimamo na Zemlji sever in jug, sončne vzhode inzahode, dneve in noči, zime in poletja. Z enimvrtljajem je določen naš dan in z enimobkroženjem naše leto. Na svoji krožni potiZemlja ni sama, ampak se okrog nje giblje manjšispremljevalec, Mesec.

Poleg Zemlje potujejo okrog Sonca še drugaokrogla telesa, planeti, vsi približno v ekliptiki invsi v isti smeri, eni bližje in drugi bolj daleč. Nanebu jih vidimo kot zvezde premičnice. Čim daljeso, tem počasneje se gibljejo in tem več časapotrebujejo za en obhod. Okoli nekaterihplanetov krožijo njihove lune. Mesec je Zemljinaluna. Sonce je mnogo večje in masivnejše odplanetov, in ti so večji in masivnejši od svojih lun.

Prehod planeta Venere čez Sonce,gledan z Zemlje. Razdalja Sonce-Zemlja znaša 150 milijonovkilometrov. Venera je tako velikakot Zemlja in je od Soncaoddaljena za 0,7 njene razdalje.Svetloba potrebuje od Sonca doZemlje 8 minut. Najbližja zvezdaje 4 svetlobna leta daleč.(European Southern Observatory)

Zvezde so zelo oddaljena sonca. Okrog mnogihkrožijo planeti. Po prostoru niso posejane kartako, ampak skupaj z našim Soncem sestavljajo

2

Gravitacijskopolje

orjaško in številčno gručo, ki ima obliko diska inse vrti, Galaksijo. Vzdolžni pogled skoznjo se nanebu kaže kot Mlečna cesta. Razdalje medzvezdami so mnogo večje od razsežnosti njihovihplanetarnih sistemov. V središču Galaksije sopraviloma številčnejše in na obrobju redkejše.

Naša Galaksija ni edina svoje vrste, marveč je leena izmed neštevilnih drugih. Galaksije sorazličnih oblik in velikosti. Skoraj vsaka je vpetav lasten kroglast oblak iz nevidne snovi. Vsredišču mnogokatera skriva še nevidno masivnokroglo, črno luknjo. Tako se kaže kot morski valponoči: viden je le njegov beli greben. Tudigalaksije niso raztrosene enakomerno, ampak sozdružene v večje enote, jate. Te se med sebojoddaljujejo. Čim bolj so narazen, tem hitrejebežijo. Pravzaprav se širi sam vesoljski prostor.Galaksije in planetarni sistemi zvezd, ki jih nosi ssabo, pa se pri tem ne večajo.

Najbližja sosednjagalaksija. Vsebuje100 milijard zvezd, njenpolmer znaša 100 tisočsvetlobnih let, od nas paje oddaljena 2,5 milijonasvetlobnih let. (NASA –National Aeronautics andSpace Administration)

Vsako telo, na primer Zemlja, spreminja prostorv svoji okolici. Ta se pokaže kot gravitacijskopolje, ki določa drugim telesom v njem, kako najse gibljejo. Polje točkastega telesa (takega, ki jemajhno v primerjavi z opazovanimi razdaljami) jekrogelno simetrično in privlači druga telesa ksvojemu izvoru. Učinek pojema z oddaljenostjo.

3

Svetlobni žarki

Masivnejša telesa so obdana z močnejšimi polji.Polje razsežnega telesa je sestavljeno iz poljnjegovih točkastih delov. Izven slojevite krogle –zvezde ali planeta – je takšno, kot da bi bila vsamasa združena v njenem središču.

Zemljin vpliv na njenem površju občutimo zmišicami kot težo predmetov ali vidimo njegoveučinke ob metanju kamnov. Podobno je naMesecu, le da so telesa tam lažja in padanjepočasnejše. Mesec in Sonce povzročata na Zemljiplimovanje morja. Sonce ukrivlja poti planetov,da ne odletijo proč. Planeti počnejo isto z lunami.Gravitacija je odgovorna tudi za kroglasto oblikoplanetov in zvezd, za združevanje zvezd vgalaksije in jate ter za nasprotovanje širjenjuvesolja.

Gibanje teles v težnem poljuZemlje. Čim hitreješi jevodoravni izstrelek, tem daljeproč pade na tla. S hitrostjo 8kilometrov na sekundo Zemljože povsem obkroži. Za topotrebuje dobro uro. Mesec sev šibkejšem polju gibljepočasneje in potrebuje za enobhod 27 dni. (Newton, I.:Principia)

Sonce in ostale zvezde sevajo v vse smerisvetlobne žarke. Tiste, ki vpadejo v naše oči,vidimo, to je, vidimo njihove sevalce. Drugatelesa vidimo zato, ker se žarki od njih odbijajo.Kaj sta snov in svetloba in kako sta med sebojpovezani, bo po korakih prikazano vnadaljevanju. Žarki se po praznem prostoru širijopremočrtno; pravzaprav ravne črte utelešajo. Vbližini masivnih teles, recimo Sonca, se rahlo

4

Delci snovi

ukrivijo, podobno kot tiri planetov. Kar se kažekot ukrivljena pot skozi ravni prostor, jepravzaprav ravna pot skozi ukrivljeni prostor.Prostor se torej ne le razteza, ampak (ponekod)tudi ukrivlja. Ukrivljeni prostor, to jegravitacijsko polje.

Hitrost svetlobnih žarkov je zelo velika in niodvisna od gibanja izvora ali opazovalca. Nobenotelo ali vpliv sil v naravi se ne more gibatihitreje. S takšno hitrostjo potujejo tudispremembe v gravitacijskem polju, na primerproč od dvojice zvezd, ki krožita druga okolidruge. Oddaljena nebesna telesa zmeraj vidimovzdolž žarkov in takšna, kot so bila, ko so jihizsevala ali odbila. Bolj kot so oddaljena, mlajšavidimo. Nebo je okno v preteklost.

Atomi in molekuleTelesa so sestavljena iz zelo drobnih okroglihdelcev, atomov. Ti se pri kratkih razdaljahmedsebojno privlačijo, ko pa se dovolj stisnejodrug ob drugega, se odbijajo. Atomov je okrogsto vrst. Istovrstni atomi so med seboj (skoraj)popolnoma enaki. Enaki ali različni atomi sezdružujejo v gruče, molekule. Pri tem so zeloizbirčni: nekateri se spajajo in drugi ne; in kadarse spajajo, delajo to le v izbranih številskihrazmerjih in nobenih drugih. Različne snovi sosestavljene iz različnih molekul. Posebejpreproste so prvinske snovi, elementi: tivsebujejo zgolj istovrstne atome. Čiste snovivsebujejo le molekule ene vrste, zmesi pamolekule več vrst. Marsikatero vrsto okusimo zjezikom ali zavohamo z nosom.

5

Delci v gibanju

Molekule vode, prikazane z modeli. Molekula vode jesestavljena iz enega atoma kisika (rdeč) in dveh atomovvodika (bel). V ledu (levo) so molekule med seboj trdnopovezane, v tekoči vodi (sredina) drsijo druga ob drugi in vpari (desno) so razpršene. Premeri atomov imajo velikostnostopnjo 0,1 nanometra (milijardinke metra). (Campbell, N.)

Molekule se neprestano gibljejo. To gibanjeobčutimo s kožo kot temperaturo. Pri počasnemgibanju molekule ne spreminjajo medsebojnelege, nihajo le njihovi atomi okrog ravnovesnihleg: snov je trdna. Pri močnejšem gibanjumolekule spreminjajo medsebojno lego, vendarse držijo druga druge: snov je tekoča. Pri šemočnejšem gibanju se molekule medsebojnoločijo in razpršijo: snov je plinasta. Nekatererahlo zvezane molekule prej razpadejo. Gibanjemolekul – v trdnini, tekočini ali plinu – se s trkiprenaša iz bolj živahnih območij v manj živahna:toplota se širi in temperature se izenačujejo. Vdoseženem ravnovesju se lažje molekule gibljejohitreje od težjih.

Kaotično gibanje drobnihdelcev v vodi. Delci sokroglice s premerom 1mikrometra (milijoninkemetra). Prikazane so legetreh delcev vsakih 30sekund. Mrežni razmikznaša 3 mikrometre.(Perrin, J.: Ann. de Chemieet de Physique)

6

Snovi na Zemlji

Pri udaru dveh kosov snovi, na primer ob padcukamna na tla ali pihanju vetra skozi krošnjedreves, se molekule na mestu stika zbližajo inzgostijo. Zgoščina se nato prenaša s trki pookolišnji snovi, večinoma po zraku. To so zvočnivalovi. Če pridejo v uho, jih slišimo. Različnodolge valove slišimo kot različne tone. Zveni inšumi so njihove mešanice. Predolgih inprekratkih valov ne slišimo.

V razmerah, kakršne vladajo na zemeljskipovršini, so nekatere snovi plinaste, drugetekoče in tretje trdne. Zrak, ki ga dihamo, jemešanica plinov. Večino tvorijo dvoatomnedušikove molekule in manjšino dvoatomnekisikove. Morja, jezera in reke so iz vode; njenemolekule vsebujejo po en atom kisika in dvaatoma vodika. Na morski obali najdemo kristalesoli, ki so prepletene skladovnice natrijevih inklorovih atomov, in v vulkanskih žrelihbrezoblično ali kristalno žveplo. Talne kamenineso mešanica najraznovrstnejših snovi. Začloveštvo sta pomembna črni premog, večinomasestavljen iz ogljikovih atomov, in rude, kivsebujejo kovine, zlasti spojine bakra ali železa skisikom ali žveplom.

Pri običajnih zemeljskih temperaturah soraznovrstni atomi že zadovoljno združeni ssvojimi partnerji v razne spojine in vlada splošnimir. Če se pa kje iz kakršnegakoli razloga povišatemperatura, se vezi med partnerji zrahljajo inlahko pride do njihovih prerazporeditev: snovimedsebojno reagirajo.

7

Stiskanje inraztezanje

Snovne spremembeMolekule zraka, zaprte v posodi s premičnimbatom na vrhu, trkajo obenj in se odbijajo; to sekaže kot pritisk nanj. Da ostane bat pri miru,mora z druge strani nanj delovati enako velikpritisk; povzročata ga teža bata in teža zračnegastolpca nad njim. Pritisk je tem večji, čim večmolekul je stlačenih v prostorninsko enoto in čimhitreje se gibljejo. Če potisnemo bat navzdol,zgostimo molekule in jim povečamo hitrost: zrakse segreje. Če ga povlečemo navzgor, razredčimomolekule in jim zmanjšamo hitrost: zrak seohladi. Tudi obratno je res: če zrak segrevamo,se bat premakne navzgor, in če ga ohlajamo, sepomakne navzdol.

Plin v posodi s premičnim batom.Bat miruje. Navzdol ga tišči težauteži (in zračnega stolpca nadnjim), navzgor pa trkanje inodbijanje zaprtih molekul plina.(Bernoulli, D.: Hydrodynamica)

Majhen del ozračja je pravzaprav tudi "zaprt" vposodi, katere stene tvori kar okolišnji zrak.Njegova teža je enaka vzgonu zaradi razlikepritiskov na dnu in vrhu. Če se segreje ob vročihtleh, se raztegne, zredči in zaradi vzgona začnedvigovati. Ob tem se razbremenjuje težezračnega stolpca nad seboj in se še naprejrazteza, hladi in dviguje, dokler ne dosežetemperature okolice. To je zračna konvekcija, kijo izkoriščajo ptice. Če so v zraku vodne

8

Izhlapevanje inkondenzacija

Gorenje inoksidacija

molekule, se tudi one ohlajajo in kondenzirajo vkapljice. Tako nastajajo kopasti oblaki.

Konvekcija je posebej razsežna in močna obvročem ekvatorju. Tam povzroča prizemnostekanje in višinsko raztekanje zraka. Zaradivrtenja Zemlje se stekajoči zrak odklanja vstranin na vsaki strani ekvatorja ustvarja pas vzhodnihvetrov, pasatov. Severneje in južneje pa se tvoripas planetarnega zahodnika. Oboje s pridomizkoriščajo čezoceanski jadralci.

Na gladini morja so nekatere molekule vodedovolj hitre, da se iztrgajo privlaku sosed inodletijo proč: voda izhlapeva. Čim bolj topla jevoda, tem izdatnejše je izhlapevanje. Kerodhajajo le najhitrejše molekule, se zmanjšujepovprečna hitrost preostalih: voda se ohlaja. Čeje prostor nad gladino odprt, se izhlapevanjenadaljuje. Mokre na vetru nas zato zebe. Če pa jeprostor zaprt, se tam nabira čedalje več vodnepare; njene molekule pogosteje trkajo ob gladinoin se vračajo nazaj v tekočino, dokler se nevzpostavi ravnotežje med izhlapevanjem inkondenzacijo. Pritisk vodne pare je odvisen le odtemperature.

Izhlapevanje vode. Spodajje gladina vode in nad njozrak. V zraku so molekuledušika, kisika in izhlapelevode. Kisikovi atomi sočrni, dušikovi sivi invodikovi beli.(Feynman, R.: Lectures onPhysics)

Tudi kos ogljika na zraku nima miru: nenehno gabombardirajo molekule kisika. Če obenj trči

9

Zgradba atoma

dovolj "vroča" molekula, se njena atoma vsakzase povežeta s po enim ogljikovim atomom innastaneta dve molekuli ogljikovega monoksida.Privlak med kisikovim in ogljikovim atomom jenamreč precej močnejši kot privlak med dvemakisikovima ali dvema ogljikovima atomoma; njuntlesk skupaj strese, to je segreje, vso okolico.Obe monoksidni molekuli nato odletita proč. Kokatera od njiju trči s prosto molekulo kisika, iznje izruva en atom in zraste v dioksidnomolekulo. Preostali atom kisika se pripoji kakidrugi monoksidni molekuli.

Gorenje oglja v kisiku.Atomi ogljika so beli inatomi kisika črni.Nastajajo molekuleogljikovega monoksida indioksida. (Feynman, R.:Lectures on Physics)

Pri opisani reakciji med ogljikom in kisikom sesprošča toplota, ki začeto reakcijo pospešuje invzdržuje, dokler ne zmanjka surovin. Toplote jetoliko, da nastaja plamen: vroča plinskamešanica atomov in molekul, ki trkajo in sevajosvetlobne žarke. To je gorenje, burno spajanjesnovi s kisikom. Tudi druge snovi se spajajo skisikom iz zraka, oksidirajo; primer je rjavenježeleza, ki pri tem pridobiva na teži.

Elektroni in jedraAtomi, gradniki snovi, so tudi sami sestavljeni.Vsak atom je zgrajen iz drobnega in težkegajedra ter iz okolišnjega oblaka lahkih delcev,elektronov. Vsi elektroni so med seboj enaki.Različni atomi jih imajo različno število.

10

Najpreprostejši je vodik, ki ima le en elektron.Sledi mu helij z dvema. Zadnji je uran zdvaindevetdesetimi elektroni. Atomi so povsodpo vesolju enaki. Sonce in njemu podobne zvezdeso sestavljene večinoma iz vodika in helija,Zemlja in njej slični planeti pa večinoma iz težjihelementov.

Na prvi pogled je atom pomanjšana slikaplanetarnega sistema. Razlika je v tem, da seplaneti gibljejo po ostrih tirih, gibanje elektronovpa je razmazano v oblake. Vsak elektron namrečkaže svoj obstoj z "razpršeno" lego in z"razpršeno" hitrostjo. Manjši kot je razsip lege,večji je razsip hitrosti. Pri gibanju okrog jedra jerazsip lege tako velik, da tira ni. Vsak snovnidelec, ne le elektron, kaže tovrstnonedoločenost: lažji kot je, bolj jo kaže. Vendar sokamni in planeti tako težki, da so njihovi razsipinezaznavni.

Izračunane elektronskeorbitale v vodikovematomu v osnovnem (levozgoraj) in nekaterihvzbujenih stanjih.Elektron je bolj pogostotam, kjer je oblaktemnejši. (McQuarrie, D.:Quantum Chemistry)

Atomi niso nezdrobljivi, kakor bi sklepali ponjihovem imenu. Če dovolj močno trkajo, senekaj elektronov odcepi iz oblaka: snov postaneplazma, mešanica elektronov in okleščenihatomov, ionov. Taka je površina zvezd. Vnotranjosti zvezd so trki tako siloviti, da atomi

11

Električno polje

izgubijo vse elektrone. Tamkajšnja snov jemešanica golih jeder in prostih elektronov.

Elektroni in jedra so obdani s polji električnesile: elektroni in jedra se zaradi nje privlačijo,elektroni med seboj in jedra med seboj pa seodbijajo. Rečemo, da imajo elektroni negativninaboj in jedra pozitivnega ter da se raznoimenskinaboji privlačijo in istoimenski odbijajo. Večji kotje naboj, močnejše je njegovo polje. Vsi elektroniimajo enak naboj. Naboj jedra je nasprotno enakvsoti nabojev na elektronih. Električna silapojema z oddaljenostjo od svojega izvora,podobno kakor gravitacija, a je od njeneprimerno močnejša. Daleč proč od atoma seučinki njegovega pozitivnega in negativneganaboja medsebojno izničujejo, v bližini pa nepovsem. Tu prevladuje polje zunanjih elektronovin je odgovorno za tvorjenje molekul. V kovinahatomi oddajo zunanje elektrone v skupnoelektronsko morje, kjer se prosto gibljejo.

Električno polje meddvema nasprotnonabitima kroglama. Poljeje vidno zaradi natrosenihopilkov iz mavca, kipostanejo električni dipoliin se obrnejo v smerelektričnih silnic. (Pohl, R.:Einführung in die Physik)

Pri stiku ali drgnjenju dveh snovi se lahko nekajelektronov preseli iz ene v drugo: snovipostaneta nasprotno naelektreni ter seprivlačita. Ko s plastičnim glavnikom češemolase, se glavnik naelektri negativno in privlačipozitivno naelektrene lase. Privlači pa tudi

12

Magnetno polje

drobna nevtralna telesa, na primer padajočekapljice v curku vode. V vodni molekuli stanamreč središči pozitivnega in negativneganaboja razmaknjeni; pravimo, da tvori molekulaelektrični dipol oziroma da je polarna. Pozitivnidel molekule se zato obrne proti glavniku. In kernjegovo polje pojema z oddaljenostjo, je privlakna pozitivnem delu molekule večji od odboja nanegativnem delu.

V atomskem oblaku gibajoči se elektron ustvarjapoleg električnega polja še eno, magnetno polje:to se kaže kot magnetna sila, ki deluje na drugeelektrične naboje, vendar samo tedaj, ko segibljejo. Sila je odvisna od smeri in hitrostigibanja. Magnetno polje krožečega elektrona imapodobno obliko kot polje električnega dipola.Njegov izvor si zato predstavljamo kot magnetnidipol. Različno oblikovani elektronski oblakipredstavljajo različno velike in različnousmerjene magnetne dipole.

Magnetno polje krožnezanke, po kateri tečeelektrični tok, ki ga poganjagalvanski člen izza slike.Polje je vidno zaradi opilkoviz železa, ki postanejomagnetni dipoli in seobrnejo v smer magnetnihsilnic. (Pohl, R.: Einführungin die Physik)

Poleg orbitalnega magnetnega polja ustvarjaelektron še drugo, spinsko magnetno polje, pravkakor da bi se vrtel okrog svoje osi. To polje jevedno enako močno: vsi elektroni imajo enake

13

Izvori sevanja

spinske magnetne dipole. Tudi jedra imajomagnetne dipole, ki pa so mnogo manjši odelektronskih. Izvori posameznih polj sesestavljajo v celoten magnetni dipol atoma. Pritem so paroma usmerjeni v nasprotnih smereh inse zato večinoma izničujejo.

Če je snov plinasta ali tekoča, kažejo magnetnidipoli njenih molekul v vse smeri. V nekaterihtrdninah, na primer v magnetitu, pa so delnoporavnani. Palica iz magnetita, magnet, jeutelešenje magnetnega dipola. Dva takšnamagneta se med seboj pritegneta, odbijeta alizasučeta, kakor pač sta že postavljena. Komagnetu približamo kos čistega železa, se v njemprisotni magnetni dipoli deloma poravnajo:železo se namagneti in začuti privlak.

Tudi Zemlja je velik magnet, usmerjen približnovzdolž vrtilne osi. Izvor njenega polja sokonvektivni tokovi staljenega železa vnotranjosti, v katerih se vzbujajo in vzdržujejoelektrični tokovi. To je električni dinamo. Prostoobešena magnetna igla, kompas, se zato postaviv smer sever-jug. Tudi Sonce je obdano zmagnetnim poljem, ki ga povzročajo tokovi vplazmi. Polja zvezd se združujejo v galaktičnapolja.

Elektromagnetni valoviKadar je snov dovolj vroča, recimo v plamenuognja ali na Soncu, se ob trkih elektronski oblakmarsikaterega atoma deformira in se natopovrne v prejšnjo obliko. Rečemo, da elektron strkom preide iz osnovnega v vzbujeno stanje inpotem spontano nazaj. Pri vračanju njegovoelektrično in magnetno polje vzvalovita. Motnja

14

ima obliko valovnega paketa, v katerem se obepolji prepletata, in zapusti atom. Rečemo, daelektron izseva delec elektromagnetnegavalovanja, foton. Poleg atomov sevajo fotone šemolekule, kadar se jim zmanjšata nihanje atomovali hitrost vrtenja, ter prosti elektroni v plazmi,kadar se upočasnjujejo ob trkih z atomi in ioni.Tako seva, na primer, ionizirani medzvezdni plinblizu vročih zvezd.

Strela iz nevihtnegaoblaka v tla. Spodnji deloblaka je naelektrenpozitivno in tla negativno.Med njima steče električnitok, ki ionizira molekule vzraku. Ob rekombinaciji tesevajo svetlobo. (Anon)

Fotoni se med seboj razlikujejo po tem, kakohitro valovijo, to je, kakšno frekvenco imajo.Višja kot je frekvenca fotona, krajša je njegovavalovna dolžina in več energije nosi s seboj.Nekatere frekvence vidimo z očmi; to je vidnasvetloba različnih barv. Bela svetloba je njihovapravšnja mešanica. Rdeča svetloba ima nižjofrekvenco kot vijolična. Rahlo nižje (infrardeče)frekvence začutimo s kožo kot toploto in rahlovišje (ultravijolične) nas porjavijo. Preostalihfrekvenc, nizkih (radijski valovi) in visokih (žarkigama), s čutili ne zaznavamo. Vse vrsteelektromagnetnih valov poimenujemo karsvetloba. Svetlobni žarki, to so dež fotonov.

Frekvenca izsevane svetlobe je odvisna odgibanja sevalca in opazovalca: če se oddaljujeta,je zmanjšana, in če se približujeta, je povečana.Sprememba frekvence narašča s hitrostjo.

15

Svetlobni spektri

Sevanje iz oddaljenih galaksij, ki se hitrooddaljujejo, je že močno spremenjeno.

Segreta gosta telesa, kjer so trki med atomi/ionipogosti, na primer žareč kos oglja ali Sonce,sevajo fotone vseh frekvenc. Energija izsevanihfotonov na ploščinsko in časovno enoto ternjihova porazdelitev po frekvencah sta odvisna leod temperature telesa. Največ fotonov se izsevapri vršni frekvenci, ki s temperaturo narašča.Kos oglja v ognju žari najprej rdeče, potemrumeno in končno belo. Bolj je vroč, več fotonovoddaja. Sonce seva najmočneje zeleno in rumenosvetlobo, vendar ga – zaradi pravšnje primesidrugih barv – z vrhov gora vidimo belega. Boljvroče zvezde so modrikaste in bolj hladne sordečkaste.

Sončni spekter. Bela sončna svetloba je mešanica izraznobarvnih sestavin, od rdeče do vijolične. Njihovevalovne dolžine znašajo med 800 in 400 nanometri. Priprehodu skozi trikotno stekleno prizmo se valovi razlomijo vspekter. Temne črte v njem kažejo, kateri valovi manjkajo,ker so se absorbirali v Sončevi zunanji plasti. (CanadianSpace Agency)

Segreti razredčeni plini, kjer so trki medatomi/ioni redki, recimo izparjeni kristali soli vplamenu sveče, ne sevajo vseh frekvenc, ampakle izbrane. Vsaka vrsta atomov ali molekul imasvoj značilni nabor sevanih frekvenc, po katerihjih prepoznamo; to je njihov prstni odtis.Posamična frekvenca pripada ustreznemuprehodu sevalca iz višjega vzbujenega stanja vkakšno nižje stanje. Natrijeva para seva lepo

16

Svetloba in snov

Zgradba jedra

rumeno svetlobo. Ko zvezni spekter svetlobeprehaja iz notranjosti zvezde skozi njen plinskiovoj, tamkajšnji atomi absorbirajo svoje značilnefrekvence in jih potem izsevajo na vse strani; vprepuščeni svetlobi zato umanjkajo. S tem kažesnov svojo prisotnost.

Ko prehaja svetloba skozi snov, njeno električnoin magnetno polje vplivata na nabite delce, dapovečajo svoje gibanje in nato preko trkov zokolico snov segrevajo. Kako to poteka, jeodvisno od frekvence valov in od vrste snovi.Radijski valovi v kovinah poganjajo električnetokove in v nekovinah vrtijo polarne molekule.Infrardeča svetloba vzbuja nihanja atomov vmolekulah in vidna svetloba elektronske prehodev atomih. Ultravijolična svetloba in žarki gamapa izbijajo proste elektrone iz kovin ter zunanjein notranje elektrone iz vseh vrst atomov. Kolikorvečje so spremembe, toliko več fotonov se pritem porabi in izgine. Pravimo, da se svetlobaabsorbira.

Zemeljsko ozračje je prepustno za vidno sončnosvetlobo. Ko ta vpada na tla, se večinomaabsorbira. Segreta tla sevajo predvseminfrardeče valove, vendar je ozračje zanjepovečini neprepustno in se zato od njih segreva.Najbolj so za to krive molekule vodne pare inogljikovega dioksida. Brez njih bi bilo na Zemljiprecej bolj mrzlo.

Protoni, nevtroni in nevtriniJedra so sestavljena iz drobnih okroglih delcev,nukleonov. Vsak nukleon je obdan s poljemjedrske sile, ki privlači druge nukleone. Sila imakratek doseg. Ali je to prava sila ali morda zgolj

17

Radioaktivnost

zunanji preostanek kakšne druge sile mednotranjimi deli nukleonov, na tej gradniškistopnji ni pomembno. Nukleonov je dvoje vrst:prvi, protoni, so obdani še s poljem električnesile, drugi, nevtroni, pa ne. Tako se protoni inelektroni privlačijo z električno silo, nevtroni inelektroni pa drug na drugega ne vplivajo. V jedruje natanko toliko protonov, kot je elektronov voblaku. Naboj protona je nasprotno enak nabojuelektrona. Nevtronov je približno toliko, kot jeprotonov. So malta, ki preprečuje, da bi sepozitivno nabiti zidaki razleteli na vse strani.Jedra istega elementa imajo enako številoprotonov, po številu nevtronov pa se lahkorazlikujejo. Pravimo, da so to njegovi izotopi.Najmočneje so zvezana jedra železa. Takoprotoni kot nevtroni imajo lastne magnetnedipole, ki prispevajo k dipolu jedra.

Atomsko jedro ogljika, kakorsi ga zamišljamo. Jedro jesestavljeno iz 6 protonov in6 nevtronov. Premeriatomskih jeder sostotisočkrat manjši odpremerov atomov.(Morrison, P.: Powers of Ten)

Ker ima jedrska sila kratek doseg, so velika jedrašibko zvezana in spontano razpadajo. Uran 238(številka pove, koliko ima nukleonov) v kamninahrazpade tako, da izstreli stabilno gručo dvehprotonov in dveh nevtronov, helijevo jedro. To jeradioaktivnost alfa, ki segreva notranjost Zemlje.Podobno razpadajo tudi nekateri drugi težkielementi. Nastali element je lahko tudi sam

18

nestabilen in razpada naprej. Tako nastanejorazpadne verige vse do zadnjih, stabilnihproduktov.

Žarki alfa. Koščekradioaktivne snovi oddajadelce alfa (helijeva jedra),ki puščajo kondenzacijskesledi v meglični komori.Sled izgine, ko se deleczaradi trkov z okolicoupočasni in ustavi.(Cavendish Laboratory,Cambridge)

Nevtroni niso obstojni, ampak občasno razpadajona protone in elektrone. To v večini jeder ni ničhudega, saj bližnji protoni sproti polovijo nastaleelektrone ter se spremenijo v nevtrone. Sestavajedra zato ostaja nespremenjena. Če pa jedrovsebuje velik presežek nevtronov nad protoni,kakšen nevtron le uspe razpasti. Jedro sespremeni (dobi nov proton), pri čemer izsevaelektron ter (skoraj) brezmasni in električnonevtralni delec, nevtrino. Tako razpada naprimer ogljik 14 v odmrlih rastlinah. To jeradioaktivnost beta.

Po razpadu alfa ali beta je jedro ponavadi vvzbujenem stanju. Ko se povrne v osnovnostanje, izseva visokofrekvenčni foton gama.Primer je kobalt 60 po razpadu beta. To jeradioaktivnost gama. Pri njej se jedra nespreminjajo.

Pri vsaki radioaktivnosti se število začetnihradioaktivnih jeder počasi zmanjšuje. Čas, vkaterem pade na polovico, je neodvisen odzačetnega števila jeder in je značilnost

19

Zlivanje jeder

Veliki pok

posameznega elementa. To je njegov razpolovničas.

V notranjosti Sonca in zvezd so temperatureplazme tako visoke, da gola vodikova jedra,protoni, ob trkih premagujejo medsebojnoelektrično odbojnost in prihajajo v doseg jedrskesile. Ta jih združuje – zliva – z velikim tleskom inokolica se segreva. Končni izid po večraznovrstnih trkih je, da iz štirih protonov indveh elektronov nastane helijevo jedro. Pri temse rodijo žarki gama in nevtrini. Plazma senajprej segreva in nato ohlaja z izsevanjemfotonov; ti si izkomolčijo svojo pot na površje intako zvezde sevajo. Z nadaljnjimi trki v sredicinastajajo tudi težja jedra.

Razvoj svetaNekoč je bilo celotno vesolje majhna, gosta invroča kepa protonov, nevtronov, elektronov,nevtrinov in fotonov, ki se od takrat širi in ohlaja.

Najprej so se nukleoni zaradi jedrske sile začelizdruževati v jedra: večina protonov je ostalaprostih, manjšina pa se je z nevtroni združila vhelijeva jedra. Pri tem nastali nevtrini so sepridružili že obstoječim in odtlej živeli brezomembe vrednih stikov s preostalo snovjo. Natoso se jedra in elektroni zaradi električne silezdružili v atome. S tem je postala snov prosojnaza svetlobo in obstoječi fotoni so, po zgledunevtrinov, tudi zaživeli bolj ali manj svobodno.Slednjič so se plinski oblaki iz atomov zaradigravitacijske sile zgostili v galaksije, zvezde inplanete.

20

Življenje zvezd

S širjenjem vesolja so se raztezali tudi prvobitnifotoni in iz fotonov gama postali mikrovalovi.Danes prežemajo vse vidno vesolje kot ostanekvelikega poka.

Mikrovalovno sevanje iz celotnega neba. Sevanje jezgoščeno okrog valovne dolžine 2 milimetra. Prikazana soodstopanja od povprečne jakosti. Ta odstopanja so manjšaod tisočinke. Sevanje je preostanek velikega poka pred14 milijardami let. (NASA – National Aeronautics and SpaceAdministration)

Kakor vidimo okrog sebe otroke, odrasle inostarele ljudi, tako vidimo v vesolju tudi zvezdevseh starosti. Pri veliki večini sta izsev – energijaizsevanih fotonov iz celotne površine na časovnoenoto – in temperatura tesno povezana: boljvroče zvezde imajo tudi večji izsev. To so odraslezvezde, ki se dolgo časa ne spreminjajo. Večinapreostalih zvezd pa je dveh vrst: prve imajo nizkotemperaturo in velik izsev (rdeče velikanke) indruge visoko temperaturo in nizek izsev (belepritlikavke). Oboje so ostarele zvezde.

Zvezde nastajajo iz plinskih oblakov, ki sezgostijo zaradi lastne gravitacije in pri tem tolikosegrejejo, da se v njih vžgejo jedrske reakcije.Tedaj je gravitacijski privlak ustavljen znasprotnim pritiskom plazemskega in fotonskegaplina. Usoda zvezde je povsem določena z njeno

21

Razvoj planetov

začetno maso. Če je masa premajhna, senastajajoča zvezda sploh ne prižge. Večja kot jemasa, močneje zvezda seva in krajše je njenoživljenje. Zvezda z maso Sonca se proti koncuživljenja napihne v hladno rdečo velikanko zvročim jedrom; ko zmanjka goriva (najprejvodika, potem helija in nazadnje ogljika), sejedro sesede v belo pritlikavko z golimi atomi,ovojnico pa odpihne kot meglico v medzvezdniprostor. Bela pritlikavka še nekaj časa sveti in nakoncu ugasne; postane črna pritlikavka. Zvezda zdosti večjo maso od Sončeve pa se na koncu, koporabi gorivo, najprej sesede in segreje, nato paeksplodira s silno močjo. Pri tem nastajajonajtežji elementi. To je supernova, ki za kratekčas zasveti kot cela galaksija. Njen preostanek jegosta nevtronska zvezda. V njej so vsi elektronipotisnjeni v protone. Zelo masivne supernovekončajo kot črne luknje: prostor okoli sebe takoukrivijo, da iz njega ne more pobegniti nitisvetloba.

Eksplozija supernove.Leta 1054 je na nebu zakratek čas zablestelanova zvezda. Njenpreostanek je danesviden kot razpenjajoča semeglica s premerom 10svetlobnih let. (NASA –National Aeronautics andSpace Administration)

Planetni sistem zvezde se rojeva skupaj z njo izistega vrtečega se oblaka. Hladni delci vzunanjem delu oblaka se ob trkih sprijemljejo inrastejo. Ko so dovolj veliki, z gravitacijo privlačijomanjše kose in pometajo svojo pot. Končno jih

22

povečana gravitacija stisne v krogle, pri čemerse njihova notranjost segreje. Nastanejo planeti.Kamniti planeti, kakršna je Zemlja, se zaradivročine stalijo, lažje snovi se dvignejo na površjein težje potonejo. Sčasoma se površina ssevanjem ohladi in strdi. Medtem se osrednjesonce prižge, izpari preostali prah v svoji okoliciin z vetrom iz nabitih delcev odpihne pline. Če jekakšen planet pravšen, se na njem polagomarazvije življenje. In vsaj na enem planetu vvesolju se je izoblikovala tehnološko naprednacivilizacija ter spoznala dobršen del sveta insvoje mesto v njem. Lahko nas veseli, da smonjen del. □

Ponatis iz: Življenje in tehnika, 2013, No. 11,pp. 34–40 in No. 12, pp. 28–35.

23