UTICAJ FIZIKE NA DRUGE PRIRODNE NAUKE

UVOD

Veliku trojku nauka ine matematika, fizika i hemija. To su nauke bez kojih je ivot jednostavno nemogu. Frederik Tarner je definisao tzv. piramidu nauke:Na dnu Iza

se nalazi matematika jer se ne oslanja na druge nauke

nje ide fizika koja se oslanja jedino na matematiku je hemija koja koristi saznanja fizike i matematike

Trea

Sledea

je biologija koja ne moe da funkcionie bez fizike i hemije

Sve ostale nauke nalaze se upletene negde iznad. Na kontaktnim povrinama nauka nalaze se discipline nastale kombinacijom dve ili vie drugih nauka: matematika fizika, fizika hemija, biohemija, biofizika, biomedicina itd. Sve je tee utvrditi gde prestaje jedna, a poinje druga nauka, sve je postalo prilino isprepleteno i multidisciplinarno.

2

FIZIKA

Fizika je nauka koja prouava prirodu u najsveobuhvatnijem smislu.Usko je povezana sa drugim prirodnim naukama kao to su astrologija, hemija, biologija, meteorologija, medicina, matematika, geografija itd. Uticaj fizike na druge prirodne nauke je veliki. Taj uticaj moemo posmatrati kroz dostignua u pojedinim prirodnim naukama koja svakako ne bi bila mogua bez uticaja i primene fizike. Upravo taj veliki uticaj fizike na druge prirodne nauke i njena primena u praktinom, a ne samo u teoretskom smislu, ovu temu ini obimnom, te u iz tog razloga pokuati da vam predstavim najosnovnije primere uticaja fizike na pojedine prirodne nauke.

3

FIZIKA I HEMIJA

Hemija zauzima sredinje mesto meu 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 znaajno preklapa sa drugim prirodnim naukama. Hemija se u mnogome bazira na fizici, pogotovo na kvantnoj mehanici, termodinamici i elektromagnetizmu, a nauka nastala kombinovanjem ove etiri je fizika hemija koja se bavi vezom izmeu mikroskopskih i makroskopskih osobina materije. Hemija i fizika se meusobno prepliu i esto je veoma teko precizno odrediti gde se zavrava jedna, a poinje druga nauka. Zbog opirnosti ove teme, pokuau da vam saeto prikaem 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 Optom teorijom relativnosti predstavlja jedan od stubova savremene fizike. Kvantna mehanika prouava ponaanje elektrona i ostalih elementarnih estica u atomima, molekulima, kristalima i nuklearnim jezgrima, koji su bitni za izuavanje hemije.

Kombinovanje atoma u stvaranju molekula i viih oblika organizacije materije moe se dosledno objasniti primenom kvantne mehanike iz ega je izrasla kvantna hemija.Relativistika kvantna mehanika, u principu moe da objasni celokupnu hemiju. Hemija se odlikuje upotrebom kvantne mehanike za tumaenje struktura i osobina supstanci, hemijskih veza u njima i meusobnog dejstva supstanci u hemijskim reakcijama. Ponimo od atoma.5

FIZIKA I HEMIJASva tela se sastoje od siunih dalje nevidljivih delova koji se zovu atomi. Sva raznolikost sveta u kome ivimo je samo posledica kretanja atoma to je bilo gledite grkog filozofa Demokrita, tvorca prve atomske teorije. Demokritovo gledite u savremenu nauku uveo je Don Dalton, engleski fiziar i hemiar, po kome su atomi najmanji delovi svakog elementa i vie 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 izgraen od meusobno pomeanih pozitivno i negativno naelektrisanih estica. 1896. Godine otkriven je elektron negativno naelektrisana estica, a neto kasnije i proton pozitivno naelektrisana estica. Koliina 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 priblino 1389 puta vea 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 moe zraiti energiju samo u diskretnim koliinama kvantima. Na toj osnovi izveo je zakon zraenja Plankova formula:

h = Plankova konstanta v = Frekvencija fotona (kvanta) = talasna duina c = brzina svetlosti = kruna 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 eVs7

FIZIKA I HEMIJADanski fiziar Nils Bor je na osnovu Plankove kvantne teorije pretpostavio da se elektroni oko jezgra kreu tano odreenim putanjama, kao planete oko sunca. Nov model atoma nazvan je planetarni. Njegov najvei doprinos hemiji jeste Borov model strukture atoma.

Borov model atoma vodonika Zeleno atomsko jezgro Plavo elektron Crveno emitovani foton Elektronske 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 poelo, a razvoj teorije o atomu je trajao i traje i dalje. Danas je poznato nekoliko desetina subatomskih estica (kvark, mion, tauron, neutrino itd.).Osim kvantne mehanike veliki uticaj na hemiju izvrili su elektromagnetizam i termodinamika, pre svega:

Faradej koji je koristei otkria danskog hemiara Ersteda iz elektromagnetizma dao osnove moderne elektromagnetne tehnologije; otkrio nove supstance, oksidacione brojeve i nain kako gasove pretvoriti u tenost, Maksvel koji je matematiki formulisao Faradejeva otkria; napisao jednaine kretanja elektromagnetnog polja poznatije kao Maksvelove jednaine i smatra se jednim od osnivaa kinetike teorije gasova.

Brojni su primeri koje bi ovde mogli da navedemo, ali emo se ipak zaustaviti na ovome.10

FIZIKA I HEMIJAKoliko je teko razgraniiti ove dve nauke moemo da uoimo na primeru oslobaanja energije iz atoma i radioaktivnosti. Da li je u ovom sluaj vei uticaj fizike na hemiju ili upravo obrnuto, veoma je teko rei. Ni jedan drugi pojedinani dogaaj u nauci nije imao tolike neposredne i dalekosene posledice kao to je to sluaj sa atomskom energijom, usled ega je dolo do razvoja nuklearne tehnologije koja je izmeu ostalog dovela do izuma oruja za masovno unitenje. Pogledajmo kako je dolo do otkria radioaktivnosti i koje su njegove posledice.

Anri Bekerel, francuski fiziar, je 1869. godine dok je radio na fosforoscentnim materijalima otkrio radioaktivnost.Trudei se da ustanovi uzrok fosforescencije nekih materijala, on je na fotografsku plou umotanu u crni papir postavio kristal uranijumove soli i onda sve izlagao sunevoj svetlosti, nakon razvijanja pokazalo se da je ona osvetljena, odnosno da je ploa zacrnjena. Ubrzo je zakljuio da crnjene ploe nema veze sa fosforoscencijom, jer je ona crnela i kad je mineral dran u mraku. Bilo je jasno da postoji neka nova vrsta zraenja koja je mogla da proe kroz papir i koja je prouzrokovala crnjenje ploe.

11

FIZIKA I HEMIJAMarija Kiri, poljska hemiarka je odmah poela da istrauje ovu neobinu pojavu. Odluila je da izmeri radijaciju koju emituje uran. Izradila je instrument u kome ova radijacija jonizuje vazduh izmeu dve elektrode, pa struja poinje da tee, a jaina ove slabe struje meri koliinu pritiska koje je trebalo primeniti na kristal da bi se proizvela uravnoteavajua suprotna struja. Marija Kiri je predloila naziv radioaktivnost za sposobnost urana da emituje radijacije. Marija i Pjer Kiri, zajedno sa Bekerelom primili su za svoja prouavanja radioaktivnosti Nobelovu nagradu za fiziku 1903. godina, a za otkrie polonijuma i radijuma Marija Kiri je dobila 1911. godine Nobelovu nagradu za hemiju. Ovi istraivai su takoe otkrili da mnogi drugi hemijski elementi imaju radioaktivne izotope.12

FIZIKA I HEMIJA

Britanski fiziar Ernest Raderford je prvi uoio da se zraenje radijuma sastoji od tri vrste , i zraenja.Zajedno sa Sodijem uveo je pojam vreme poluraspada i formulisao zakone radioaktivnog raspada. Prvi je upotrebio re proton za pozitivno naelektrisanu esticu u jezgru atoma.

Raderford je bombardujui azot alfa-esticama izveo prvu transmutaciju jednog elementa u drugi jer je iz azota uspeo da dobije kiseonik. Upravo tako je izvrena prva nuklearna reakcija.1908. Godine dobio je Nobelovu nagradu za hemiju.

13

FIZIKA I HEMIJAOpasnosti radioaktivnosti nisu odmah otkrivene. Nije se znalo da e ako se unesu u telo, radioaktivni materijali nastaviti da zrae unutar tela, esto prouzrokujui kancer ili druge ozbiljne probleme. Za vreme Drugog svetskog rata dolo se na ideju da bi se energija koju radioaktivnost oslobaa mogla koristiti kao oruje za masovno unitenja. Harold Klejton Juri, ameriki fizikohemiar, dobitnik Nobelove nagrade za hemiju za otkrie deuterijuma, koji je izolovao uzastopnom destilacijom tenog vodonika i demonstrirao postojanje teke vode, radio je na projektu Menhetn, odnosno na razvoju nuklearne bombe. Ovaj projekat se pokazao uspenim i dve od prve tri bombe su baene na Japan. I pored brojnih negativnih efekata, radioaktivni izotopi imaju i dalje brojne znaajne primene, nuklearna tehnologija je i dalje u irokoj upotrebi uprkos javnoj zabrinutosti.

14

FIZIKA I BIOLOGIJABiologija je nauka koja se bavi prouavanjem ivog sveta. Ona prouava svojstva i ponaanje organizama, njihov rast, razvoj i razmnoavanje, kao i interakcije izmeu razliitih organizama, te organizama i njihove okoline. Biologija obuhvata irok spektar akademskih podruja koja se esto smatraju razliitim disciplinama. Ove discipline zajedno prouavaju ivot na razliitim nivoima. Najvei uticaj fizike na biologiju, koja kao to sam ve rekao ne moe da se zamisli bez fizike i hemije, moemo da posmatramo u biofizici. Biofizika je fizika ive materije, na svim nivoima: molekularnom, elijskom, nadelijskom, ukljuujui biosferu u celini. Nastala je u kontaktu biologije, fizike, fizike hemije i matematike. Cilj biofizike je zasnivanje teorijske biologije, korienjem zakona fizike i metodologije prirodnih nauka. Specifinost ive materije se prvo ispoljava na molekularnom nivou organizacije ivog sveta.

Savremena etapa razvoja biofizike u sutini je otpoela otkriem Linusa Paulinga prostorne strukture proteina.15

FIZIKA I BIOLOGIJASledei korak je bio otkrie spirale ivota tj. dvostruke spirale DNK. Za ovo otkrie 1962. godine Nobelovu nagradu dobili su Dejms Vatson i Fransis Krik. Meutim, Rosalinda Frenklin je ta kojoj treba da odamo duno priznanje za ovo otkrie. Naime, jo 1952. godine ona je odredila strukturu DNK, ime je objasnila prenos nastalih osobina pomou hromozoma i dala kljuno objanjenje nastanka ivota. U svom istraivakom radu prva je primenila kristalografsku metodu odreivanja strukture molekula pomou x-zraka i na taj nain definisala strukturu duplog heliksa DNK. Kada je svoje nepublikovane rezultate istraivanja predala na uvid Vatsonu i Kriku, ovi su ih sadrali i bez njenog znanja publikovali kao svoje. Vatson i Krik su svetu predstavljeni kao autori duplog heliksa DNK, izostavivi bilo kakvo priznanje pravom autoru Rosalindi Frenklin.16

FIZIKA I BIOLOGIJAOsnovna tri pravca u biofizikim istraivanjima su: 1. Molekularna biologija ima za zadatak ispitivanje strukture i funkcionalnosti biolokih makromolekula. Savremena biofizika upravo je najvei 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 korien teorijski aparat razliitih fizikih disciplina: ravnotena termodinamika, statika fizika i kvantna mehanika. Eksperimentalne metode su obuhvatile sedimentaciju bipolimera i njihovu dalju karakterizaciju rendgenskom difrakcijom, skenirajuom tunelskom mikroskopijom, rasejavanjem svetlosi i zraenjem itd. Biofizike eksperimentalne metode iroko se kombinuju sa raspoloivim biohemijskim metodama. 2. Biofizika elije je veoma vana i najstarija oblast biofizike. Prouava strukturu i funkcionalnost elija i njihovih organela, membrane, citoskeleti, mitohondrije. U ovoj oblasti se koriste pored pomenutih teorijskih metoda u molekularnoj biofizici i elektromagnetne metode i metode neuravnoteene termodinamike otvorenih sistema.17

FIZIKA I BIOLOGIJAOptika i elektronska mikroskopija, optika i rezonantna spektroskopija, kao i diferencijalna kalorimetrija, primarne su eksperimentalne metode u istraivanju u ovoj oblasti biofizike. 3. Biofizika sloenih sistema prouava matematiko-fiziko modeliranje biohemijskih i bioelektrinih aktivnosti nadelijskih struktura. U biologiji primenu imaju i radioaktivni izotopi. Prirodni radioaktivni raspad 14C omoguava radiougljenino datiranje. Kasmiki zraci stvaraju izotop 14C u atmosferi tako to u sudaru sa jezgrima iz vazduha izbijaju slobodne neutrone. Ti neutroni mogu jezgro azota iz molekula azota (N2) da transformiu u izotop ugljenika 14C:1n

+ 14N

14C

+ 1p

Ovaj izotop se na kraju ugradi u molekul ugljendioksida i tako dospeva u biljke, a preko njih u ivotinje. Izotop 14C se u prirodi stalno stvara i raspada, te je njegova koncentracija u ivim organizmima konstantna. Meutim, u neivom svetu nema razmene ugljendioksida te koncentracija 14C opada sa vremenom. Dakle, merenjem preostale radioaktivnosti 14C u biolokom uzorku moe se utvrditi vreme kada je kruenje ugljenika zaustavljeno (kada je ivotinja uginula, drvo poseeno, biljka ubrana, )

18

FIZIKA I MEDICINA

Moderna medicina se snano 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 to su dijagnostika radiologija, kardiologija, nuklearna medicina i druge brane medicinskog imidinga (ultrazvuk, nuklearna magnetna rezonanca i sl.). Jedna od najveih revolucija u medicinskim naukama desila se krajem XIX veka otkriem rendgenskih zraka i radioaktivnosti. Dijagnostika i terapeutska upotreba jonizujueg zraenja obeleila je doprinos fizike razvoju medicine krajem XIX i tokom XX veka, ukljuujui i sadanje vreme. Krenimo od otkria rendgenskog zraenja.

19

FIZIKA I MEDICINANemaki fiziar Konrad Rendgen je 1895. godine otkrio posebnu vrstu elektromagnetnog zraenja X- zrake (kasnije nazvane rendgenske). Ustanovio je da deluju na fotografsku plou, prolaze kroz razliite materijale i jonizuju zrak kojim prolaze. Konstituisao je rendgenske cevi s konkavnom katodom i platinastom antikatodom. Rendgenski zraci spadaju u jonizujue zraenje, odnosno elektromagnetno su aktivni i imaju naboj. Zbog svoje velike energije zraci su prodorni i u veoj dozi mogu da otete ljudsko tkivo.Najpoznatiji i verovatno prvi rendgenski snimak

Spektar elektromagnetnog zraenja

20

FIZIKA I MEDICINAO otkriu radioaktivnosti je ve bilo rei u delu Fizika i hemija, ali elim 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 poeli da reklamiraju radioaktivne supstance kao sredstvo leenja.Marija Kiri je pred smrt je govorila protiv ovakve vrste leenja, upozoravajui da efekti radijacije na ljudsko telo jo nisu dobro ispitani. Ona je kraj uzglavlja drala malo radijumovih soli da joj sjaje u mraku,a radei sa radioaktivnim materijalima dobila je leukemiju, od koje je i umrla. Danas se brojne dijagnostike metode ne mogu zamisliti bez primene X-zraka, radioaktivnosti i magnetizma, odnosno bez aparata koji su nastali zahvaljujui dostignuima u ovim oblastima, na emu moramo pre svega zahvaliti fizici, a bez kojih razvoj medicinskog imidinga koji je omoguio 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 dijagnostika 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 emu se dobija: CT angiografija, spiralni CT ili CT pomou 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 morfolokih osobina uzorka. Koristi radiofrekfentne talase i jako magnetno polje da bi se dobile izvanredno jasne slike unutranjih organa i tkiva.CT snimak mozga PET snimak mozga MR snimak mozga

22

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

23

FIZIKA I MEDICINADoplerova jednaina i Doplerov ift

V brzina protoka krvi c brzina ultrazvuka u tkivu ( oko 1540 m/s)

Fd frekventni pomak (Doplerov ift)f 0 frekvencija ultrazvuka cos - kosinus ugla izme ultrazvunog talasa i pravca protoka krvi Doplerova metoda je zbog jednostavnosti pri rukovanju, kvalitetnih rezultata, bezbedne primene i ekonominosti postala nezamenljiva u kardiovaskularnoj dijagnostici. Zbog opirnosti ove teme na ovome u stati i prei na drugu nauku u nadi da sam vam bar priblino na ovih par primera objasnio koliki je uticaj fizike na medicinu.24

FIZIKA I ASTRONOMIJAAstronomija je najstarija prirodna nauka o ijim poecima svedoe i megalitski ostaci kao to je Stounhendge u Engleskoj, kultno sredite i astronomska opservatorija stara vie od 4000 godina. Astronomija koristi dostignua drugih prirdnih nauka, pa su se pored astrofizike razvile i astrohemija, kosmika biologija i kosmika medicina. U Vasioni se nalazi materija u raznovrsnim fizikim uslovima, nezamislivim u labaratoriji, tako da je ona za fiziare svojevrsna ogromna labaratorija u kojoj mogu da realizuju i istrae neka od najfundamentalnijjih otkria. Upravo su fiziari doprineli razvoju i ekspanziji astronomije kao nauke.

Pogledajmo kako:

25

FIZIKA I ASTRONOMIJANikola Kopernik je uspostavio heliocentrini sistem ime se odbacuje geocentrini sistem po kome je Zemlja centar nebeske sfere, a Sunce i planete krue oko nje.

Kopernikov heliocentrini sistem prepravio je Johanes Kepler, koji je predvideo sistem koji u detalje opisuje kretanje planeta oko Sunca kao sredita, ali po eliptinim, a ne krunim putanjama, meutim konano objanjenje kretanja planeta dao je Isak Njutn pronalaskon nebeske dinamike i njegovim zakonom gravitacije.26

FIZIKA I ASTRONOMIJAIsak Njutn, engleski fiziar je zakonom gravitacije opti zakon univerzalne gravitacije - pretpostavio da se sva tela privlae meusobno silama srazmerno njihovim masama, a obrnuto kvadratima njihovog rastojanja:

gravitaciona konstanta m1 masa prvog tela m2 masa drugog tela r meusobno rastojanje dva tela (u ideoalnom rastojanje izmeu centra dve masivne sfere) Time je Njutn objasnio Keplerove eliptine putanje planeta oko Sunca sa izvanrednom tanou.27

FIZIKA I ASTRONOMIJAGalileo Galilei je italijanski naunik ispitivao ubrzanje tela baenih sa krivog tornja u Pizi, kojom prilikom je doao do zakljuka da na sva tela deluje privlana sila zemljine tee, a na osnovu ega je Njutn razradio svoj opti zakon univerzalne gravitacije, to je kasnije prihvaen okao jedno od najveih ljudskih dostignua. Galilejevi nalazi su posluili Njutnu i da objasani zakone kretanja, ime je dao nauci ogroman doprinos preciznom metodom izraunavanja planetarnih poloaja u sunevom sistemu u bilo kom periodu najdalje prolosti i budunosti Prvi zakon: Zakon inercije telo ostaje u stanju mirovanja ili se kree 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. Trei zakon: Zakon akcije i reakcije za svaku akciju na neko telo postoji i reakcija, reakcija je iste veliine, ali suprotnog smera.28

FIZIKA I ASTRONOMIJAGalileo Galilej je izradio poznati GALILEJEV DURBIN sa uveanjem od 20 puta, kojim je otkrio planine na Mesecu, 4 Jupiterova satelita, koji i nose njegovo ime i zvezdanu konstrukciju Mleene staze.Galilejeve Belee o posmatranju Jupitera

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

29

FIZIKA I ASTRONOMIJAGalilejev durbin je imao problem aberacije, odnosno dolazi do pojave lanih boja, zamuivanja slike i pada kontrasta. Prvo je Kepler pokuao da rei ovaj problem upotrebom konveksnih soiva, tako je dobio mutniju, ali obrnutu sliku s veim vidnim poljem. Problem aberacije pokuao se reiti i teleskopima sa dugim fokusima. Tako su konstruisani i teleskopi sa fokusima do 45 m. Tek je Njutn koji je prouavao svetlost pomou prizmi uspeo da rei ovaj problem, korienjem 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 optikih postoje i radio teleskopi, teleskopi za gama-zrake, teleskopi smeteni u Zemljinoh orbiti (Galex, Hubble), VLT teleskop smeten u pustinji Atakam u ileu i koji se sastoji od etiri povezana teleskopa. Teleskop je jedan od najvanijih astronomskih optikih instrumenata, koji je razvijen i usavren upravo zahvaljujui fizici i njenim dostignuima.Teleskop reflektor Galex teleskop Hubble teleskop VLT teleskop

31

FIZIKA I GEOGRAFIJA

Obzirom na to da fizika kao jedna od osnovnih nauka utie na sve druge nauke bile one prirodne ili drutvene, nemogue je taksativno navesti i nabrojati sve nauke na koje ona utie i koje su se zahvaljujui njoj razvile i danas su ono to jesu, elim jo samo da se osvrnem na nauku koja je veoma kompleksna i prouava i prirodne i drutvene pojave, te se iz tog razloga svrstava u obe kategorije nauka, a to je geografija. Kao posebna grana geografije razvila se fizika geografija tj. fizika zemlje, nauka koja se bavi prouavanjem fizikih pojava, stanja i procesa vezanih za Zemlju kao planetu ili pojedine njene delove, poevi od centra Zemlje, pa se do krajnjih granica Zemljine atmosfere. Ona obuhvata: geologiju, geomagnetizam, meteorologiju, klimatologiju, fiziku okeanografiju, aeronomiju, fiziku zemljine unutranjosti, seizmologiju, taktonofiziku, geotermiku, fiziku geodeziju, hidrologiju, vulkanologiju i glaciologiju.

32

FIZIKA I GEOGRAFIJAGeologija je nauka koja prouava Zemlju i koja pokuava objasniti kako je Zemlja formirana i kako se menja. Veliki problem geologije bio je odreivanje starosti stena, ali otkriem radioaktivnosti geolozi su dobili moan alat za reavanje tog problema. Naime, pre toga geoloka skala nije imala brojke i nije se znalo kad je koje razdoblje Zemljine prolosti poelo ili zavrilo, nego su se samo odreivali relativni odnosi. Poeci meteorologije i klimatologije, koje su usko povezane, lee u promatranju trenutnog vremena i nagaanja kakvo bi ono moglo biti u vrlo bliskoj budunosti. Tako je bilo do XVII veka kada Dekart, Galilei (konstruisao termometar na tenost), Torieli (konstrituisao ivin termometar) Hok (konstruisao enemometar sa klatnom), de Sasur ( konstruisao higrometar na nit ) uvode instrumente za promatranje i merenje. Spajanje teorije i eksperimenata ukljuivalo je Njutnove zakone kretanja, oglede Paskala, Mariotena, Hoka, Hejlija i ostalih na hipsometriji preciznom odreivanju nadmorske visine, zatim istraivanja Bojla sa gasovima i sl. U XVIII veku standardizovani su termometri, Bendamin Frenklin prouavao 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 zapoele su ozbiljne pokuaje skupljanja podataka o vremenu na mnogo mesta istovremeno. Izumljeni su anometri, a uskoro je za odravanje i oitavanje ureaja uvedena i elektrina energija. S razvojem prometa baloni, zmajevi i avioni su na svojim letovima nosili i meteoroloke instrumente, a stalna merenja na visini poela su oko 1920. godine nakon to je izumljen radio ureaj na baterije. Razvoj termodinamike omoguio je veliki broj novih formula koje opisuju atmosferu i promene u njoj. Oko 1920. godine emprijska iskustva preputaju mesto fizici, a naunici Vilhem i Jakom Bjerknes se sve te ideje oblikovali u teoriju o polarnoj fronti.

Moderna dinamika meteorologija roena je 1948. godine kada je Dul arnej uspeo redukovati dinamike jednaine na jednostavniji, ali korisni oblik. Istovremeno naglo se razvija i radarska tehnologija koja je omoguila razlikovanje sastava oblaka po koliini 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 poeli slati detaljnije slike cele Zemljine povrine. Meteorologija se najee opisuje kao fizika atmosfere jer u modernoj meteorologiji fizika ima ogroman znaaj.34

FIZIKA I GEOGRAFIJANeke od geofizikih metoda su:

geoelektrina zasniva se na korienju prirodnih i vetakih fizikih polja elektrinih i elektromagnetnih;

geotermika obuhvata posmatranje temperature i gustine prostora roplote;gravimetrijska koristi se kod istraivanja leita nafte i drugih mineralnih sirovina, a odnosi se na ubrzanje Zemljine tee ili razlike tog ubrzanja; elektromagnetna primenjuje se pri istraivanju ruda, vode i sl., a u geofizici se sree elektromagnetno polje Zemlje i vetako elektromagnetno polje, stvoreno protokom naizmenine struje kroz kalemove ome ili uzemljene kablove mehanizmom elektromagnetne indukcije; seizmika zasniva se na fenomenu prenoenja elastinih deformacija u vidu elastinih talasa kroz ograniene 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. Slui za odreivanje strana sveta.

Pokretna magnetna igla kompasa uvek se okree prema severu.Ne zna se ko je izumio kompas, ali su ga Kinezi prvi upotrebili magnetnu iglu za pokazivanje smera. Tek krajem XVI veka poelo se ozbiljnije istraivati zato vrh magnetske igle uvek pokazuje prema severu.

Vilijam Gilbert je 1600. godine postavio temelje dananjih saznanja o magnetizmu. On je zakljuio kako je Zemlja golemi magnet sa polovima i da se sva druga magnetna tela na Zemlji ravnaju prema njoj.Magnetna deklinacija

Zemlja predstavlja magnet iji se magnetni polovi nalaze u blizini geografskih polova. Izmeu magnetnih polova prostiru se tzv. magnetni meridijani. Slobodno obeena magnetna igla u ijoj 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, ve se menja u zavisnosti od geografskog poloaja. 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 skree u pravcu zapada ili istoka, razlikuje se zapadna i istona deklinacija.

Razlikujemo nekoliko vrska kompasa, i to: magnetni (suvi i sa tenou), iromagnetni, geoloki, pilotski i radio kompas.Rua kompasa Magnetni kompas iromagnetni kompas Geoloki kompas

37

ZANIMLJIVOSTIPolarna svetlost aurora Sunce nam izmeu ostalih komponenti elektromagnetnog zraenja, alje estice visokih energija koje ine tzv. Sunev vetar. Za nas, Zemljino magnetno polje predstavlja tit koji ne dozvoljava da ove estice ulaze u zemljinu atmosferu i na izazivaju destruktivne posledice po elije i organizme. Kada estice ulete u magnetno polje Zemlje, osciluju du linija polja izmeu severnog i junog magnetnog pola. Posmatrajui oblik linija polja, postaje jasno da su estice najblie Zemlji upravo u blizini magnetnih polova gde je pojava najizraenija. Prilikom takvog kretanja intereaguju sa molekulima kiseonika i azota, pobuujui njihove atomske elektrone ili ih jonizuju. Kada se pobueni atomi vrate u prethodno stanje ili kada jonizovani atomi zahvate elektrone da bi opet postali stabilni, emituje se elektromagnetno zraenje 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 estica koje dolaze sa Sunca. Polarna svetlost se najee javlja u oblastima blizu polova, ali ukoliko je energija estica solarnog vetra velika pojava se moe videti i u oblasti blie ekvatoru na drugi nain (npr. kao poar na horizontu). Aurore se uglavnom javljaju na visinama u rasponu od 90km do 150km, mada se mogu javiti na manjim, odnosno veim visinama.

38

ZANIMLJIVOSTILuminol Svi mi gledamo filmove u kojima detektivi pronalaze tragove krvi i kada oni nisu vidljivi golim okom. O emu se ovde radi? Ovaj metod se zasniva na luminesenciji pojavi da neka tela emituju elektromagnetno zraenje kada su njihovi atomi (molekuli) pobueni, pa se u procesu vraanja u nia energetska stanja emituje pomenuto zraenje. Za luminesenciju ne vae zakoni toplotnog zraenja. Postoji vie 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 mea sa tenim vodonik-peroksidom (H2O2), OH-grupom i jo nekim jedinjenjima. Da bi ova smesa mogla da svetli potreban je katalizator, a to je hemoglobin, tj. gvoe u njemu. Dolazi do reakcije: C8H7O3N3 + H2O2 + 2OH 3aminoftalat 2H2O + N2 3aminoftalat se nalazi u pobuenom stanju tj. njegovi elektroni su na viim energetskim nivoima. Prilikom prelaska u nie stanje emituje se zraenje, koje smo imali prilike da vidimo u filmovima.

39

ZANIMLJIVOSTIPlazma televizor Prednost plazma televizora je to su tanki i to omoguavaju dobru sliku gledajui je iz bilo kog ugla. Atomi ksenona i neona ovde imaju glavnu ulogu. Gas se nalazi u jonizovanom stanju. Ti atomi su smeteni u elijama kojih ima stotine, a sve elije su proete reetkama elektroda kojih ima dve vrste. Elektrode su pod naponom omoguavaju sudare izmeu jona i elektrona u elijama to izaziva pobuivanje jona. Pobueni joni se deekscituju i emituju UV zraenje. To UV zraenje pada na unutranjost elije koja je obloena fosforom i izaziva pobuivanje tog atoma. Atomi fosfora u procesu deeksitacije emituju vidljivo zraenje u tri mogue boje crvene, plava, zelena. Kod katodnih televizora imamo interakciju elektrona sa atomima fosfora, a ovde su to fotoni. Boja svakog piksela na ekranu, koga ine 3 subpiksela, je meavina ove tri boje. Razliiti intenziteti pojedinih boja (elija) daju razliite boje.

40

ZANIMLJIVOSTIDetektor lai

Ovde se meri vie fiziolokih reakcija na postavljena pitanja. Mere se: krvni pritisak, promene prilikom disanja i znojenje koe.Pored ovoga negi detektori kontroliu pomeranja npr. nogu. Analogni detektori koriste pisae da zebelee reakcije organizma i njih su zamenili digitalni. Znojenje se detektuje preko dve elektrode na prstima ruku. To je galvanometar. Kao to je poznato znojava ruka bolje provodi struju od suve (jer sadri elektrolite), pa se poveanje pomenute struje kod modernijih detektora pretvara u elektrini signal koji se vidi na ekranu. Na grudnom kou i abdomenu nalaze se gumene tube ispunjene vazduhom. Kada ispitanik udahne, vazduh izlazi iz tube. Kod novijih detektora taj vazduh aktivira elektrini signal, a kod starijih promenu kod pisaa.

41

ZANIMLJIVOSTISenzori kretanja Kao zatita od lopova postavljaju se senzori koji alarmiraju policiju ako detektuje neeljenog gosta. Ovaj senzor svetluca kada neko proe blizu njega i spada u tip PIR (passive infrared) detektora. Ljudsko telo emituje infracrveno zraenje i ovaj senzor to detektuje. To je razlog zato on radi na opsegu talasnih duina od 8 do 12 mikrometara. Da vidimo kako se vri ta detekcija.

Senzor je pasivan jer ne emituje energiju. ini ga jedan piroelektrini materijal koji, kada na njega padne IC energija ljudskog tela, postaje dipol (jedan deo je naelektrisan sa +, a drugi sa -). To razdvajanje naelektrisanja moe da se detektuje posebnim ureajem.Da bi osetljivost detektora bila dovoljna IC energija se sakuplja jednim konvergentnim soivom. Inae ovaj detektor meri samo promene, pa tako ako bi od trenutka ukljuivanja bio stalno izloen konstantnom IC zraenju, 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 mogua varijanta ovog detektora koristi svetlosni snop i senzor. Kada u ureaju ne postoji dim svetlost se kree pravolinijski i ne upada u senzor. Ali, kada se javi dim svetlost se rasejava na esticama dima i jednim delom upada u senzor. To aktivira alarm. Drugi tip detektora ima u sebi radioaktivni izvor Americijuma sa periodom poluraspada veim od 400g. Americijum je izvor alfa estica (jezgra atoma helijuma) i jonizuje vazduh, odnosno stvaraju se elektroni i pozitivni joni. Americijum i vazduh se nalaze u komori u kojoj je elektrino polje. Pozitivni joniputuju ka negativnoj elektrodi, a elektroni ka pozitivnoj. Stvara se struja koja moe da se registruje. Kada ue dim u detektor struje poinje da slabi jer estice dima reaguju sa pozitivnim jonima i neutraliu ih i to aktivira alarm. Iako ovaj detektor ima u sebi radioaktivni izvor smatra se bezopasnim, i to jer je koliina Americijuma mala i alfa zraenje ima kratak put kroz vazduh, a koa ih efikasno zaustavlja. Problem moe nastati ako se progutaju ove estice, jer su krupne i naelektrisane, pa prilino intereaguju sa molekulima naeg organizma. Meutim poto je izvor alfa estica dobro oklopljen anse 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