E-učionica za učenje fizike

Frank Hercov eksperiment

***Nobelova nagrada za fiziku 1925 godine  za otkriće zakona sudara elektrona sa atomima***

Značaj: Frank Hercov eksperiment je potvrdio da atomi mogu da se pobude samo predajom tačno određene količine energije, koja je jednaka razlici energija dva nivoa u atomu, uz odgovarajući kvantni prelaz u atomu.

Aparatura: U stakleni balon iz koga je uklonjen vazduh ugrađene su tri elektrode: katoda, rešetka i anoda. U balonu se nalazi živina para pod pritiskom od 133Pa. Sa usijane katode ( koja se zagreva ) polaze elektroni koji se ubrzavaju između anode i katode  naponom U, koji može da se menja. Rešetka se nalazi na relativno manjem naponu u odnosu na anodu (oko 0,5V). U eksperimentu je merena jačina anodne struje  elektrona I, koji polaze sa katode, sudaraju se sa atomima žive i stižu na anodu, a u zavisnosti od promene napona U.

Rezultati: Na osnovu rezultata merenja dobijen je grafik I=f(U) koji ima nekoliko maksimuma na međusobnim rastojanjima od 4,9 V.

Objašnjenje: Za vrednosti napona manje od 4,9 V elektroni se između anode i katode sudaraju sa atomima žive pri čemu praktično ne menjaju svoju kinetičku energiju zbog svoje male mase u odnosu na masu žive. Sa porastom električnog napona u tom intervalu, raste i broj elektrona koji stižu sa anode na katodu, što pokazuje i povećanje struje. Pri elastičnim sudarima sa elektronima atomi žive ostaju u osnovnom, nepobuđenom stanju. Kada napon dostigne vrednost od 4,9 V jačina struje je maksimalna. Dalje povećavanje električnog napona ima za posledicu smanjenje električne struje. Ovo se objašnjava time što svi elektroni koji imaju energiju od 4,9 eV predaju svoju energiju prilikom neelastičnih sudara atomima žive. Tada atomi žive prelaze iz osnovnog u prvo pobuđeno stanje. Isto se dešava i kada elektroni dobiju energiju od 2·4,9 eV = 9,8 eV. Tada elektroni u dva neelastična sudara ( sa dva atoma žive ) predaju svoju energiju atomima žive. Isto obrazloženje važi i za energiju elektrona od 14,7 eV kada imamo tri neelastična sudara elektrona sa atomima žive.

Predata energija elektrona pri neelastičnom sudaru sa atomom odvija se u skladu sa kvantnim zakonima:

FHerz_formula

Elektron predaje svu svoju energiju atomima žive u neelastičnom sudaru i ta energija je jednaka razlici energetskih nivoa između kojih se vrši prelaz

Advertisements

Kvantni kompjuteri

Ideja o nastanku kvantnih kompjutera prvi put se pojavila 70-ih godina prošlog veka. Ideja realizacije kvantntnih kompjutera oslanja se zapravo na znanje iz kvantne fizike.

D-Wave_300

Kvantni kompjuter D-wave  slika: http://www.newscientist.com

Kvantni bitovi – takozvani kubitovi rade na principima kvantnih osobina atoma ili jezgara i zajedno čine mikroprocesor i memoriju (jedan bit je danas moguće spakovati u 12 atoma). Prilikom međusobnih interakcija i dok su izdvojeni od eksternog okruženja, kubitovi mogu da odrade određene kalkulacije eksponencijalno brže od konvencionalnih kompjutera.

Kubitovi se ne oslanjaju na tradicionalnu binarnu prirodu kompjutera. Dok tradicionalni kompjuteri kodiraju informacije u bitove koristeći binarne brojeve 0 ili 1 i mogu da vrše izračunavanje samo na jednom setu brojeva odjednom, kvantni kompjuteri kodiraju informacije kao seriju kvantno-mehaničkih stanja. Kvantno mehaničko stanje može da se odnosi na smer spina elektrona ili polarizacionu orjentaciju fotona. Ta stanja mogu da se „ponašaju“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde između“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Upravo takva osnova za rad omogućava da kvantni kompjuter može da uradi proizvoljan proračun na više brojeva istovremeno, što binarni sistem ne može da uradi. Pored toga, za kvantni kompjuter je moguće da izazove interferenciju između različitih brojeva. Koristeći samo jednu procesnu jedinicu, kvantni računar može da obavlja prirodno bezbroj operacija paralelno.

Kvantni kompjuteri nisu pogodni za zadatke kao što je obrada teksta i e-mail ali su idealni za zadatke kao što su: kriptografija (zaštita podataka od krađe), modeliranje i indeksiranje velikih baza podataka.

tabela_KK-2

Tabela: poređenje između konvencionalnih i kvantnih kompjutera

Pojmovi i veze koje treba razumeti

Kvantna fizika je fizika sveta čije su dimenzije reda veličine dimenzija prečnika atoma i manjim. U svetu atoma, elektrona, protna, neutrona, fotona i ostalih elementarnih delova materije dominiraju zakoni kvantne fizike. Zapravo ako zamislite sebe da sedite na jednom elektronu i posmatrate svet oko sebe sve ono što je tako skriveno i nevidljivo iz našeg klasičnog ugla gledanja postalo bi kristalno jasno od zakona kvantne mehanike do Ajnštajnove teorije relativnosti…Sve prosto funkcioniše drugačije od onog što ste ikada učili iz klasične fizike. Zato je razvoj kvantne fizike ekvivalentan ekstremnom razvoju ljudske svesti i svako novo otkriće apsolutno oduzima dah.

Spin elektrona sa stanovišta kvantne fizike – kvantne vrednosti smera elektronskog spina nemaju samo 2 vrednosti ½ i -½ već mogu da imaju bilo koju vrednost u slučaju slabog kvantnog merenja. Zapravo spin elektrona u kvantnoj mehanici  predstavlja rezultat merenja u kome se elektron propušta kroz izrazito slabo magnetno polje. Upravo to je iskorišćeno kod kvantnih kompjutera jer kvantno mehaničko stanje koje se odnosi na smer spina elektrona može da se „ponaša“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde između“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Foton je čestica svetlosti. Nema masu i kreće se brzinom svetlosti. Čestice mogu da se ponašaju i kao talasi.

Svetlost  ima dvojnu prirodu: može da se ponaša i kao talas i kao čestica. Koja priroda svetlosti će doći do izražaja zavisi od energije, talasne dužine ili frekfencije.

Interferencija je dokaz talasne prirode svetlosti pa se u skladu sa tim može razumeti kako kvantni kompjuter može da izazove interferenciju između različitih brojeva, jer se brojevi predstavljaju kvantnim stanjem – polarizacionom orjentacijom fotona.

Polarizaciona orjentacija fotona  predstavlja rezultat merenja u kome se foton šalje ka polarizatoru pri čemu ispoljava svoje kvantno-mehaničko ponašanje. Slično kao i kod spina sa stanovišta kvantne mehanike rezultat merenja može biti „bilo koja vrednost“ . To je takođe iskorišćeno kod kvantnih kompjutera tako što kvantno mehaničko stanje polarizacione orjentacije fotona može da se „ponaša“ kao: 1 ili 0 ili kao kombinacija 1 i 0 ili kao stanje koje je „negde izmađu“ 1 i 0 ili čak kao superpozicija različitih brojeva odjednom.

Kubit je najmanja jedinica informacije u kvantnom računarstvu. Kubit sadrži eksponencijalno veću količinu informacija od tradicionalnih bitova.

Kriptografija je način zaštite informacija njihovim pretvaranjem u nečitljiv format. Samo onaj ko poseduje tajni ključ može da dekriptuje podatke i prebaci ih u čitljiv tekst. Kriptovana informacija može biti „probijena“ u nekim situacijama primenom kriptoanalize iako se smatra da su tehnike moderne kriptografije virtuelno neprobojne. Kriptografija se koristi u zaštiti e-mail poruke, kreditnih kartica i poslovnih podataka.

Predstavljanje prvog kvantnog kompjutera na svetu

 

D-Wave kvantni kompjuter

 

izvori:
http://www.webopedia.com/TERM/Q/quantum_computing.html
http://www.physics.metu.edu.tr/~sturgut/p507/pol.pdf
http://www.newscientist.com/article/dn24882-googles-quantum-computer-flunks-landmark-speed-test.html#.UzHOhqhdWSo
http://www.newscientist.com/article/dn23519-commercial-quantum-computer-leaves-pc-in-the-dust.html#.UzHRbKhdWSo

Nataša Ćurčić, „Slabe vrednosti elektronskog spina u kvantnoj teleologiji“, diplomski rad, 1999

 

Zvuk

Šta je zvuk, infrazvuk i ultrazvuk?

Zvuk je mehanički talas, odnosno poseban oblik mehaničkog kretanja koje opažamo pomoću čula sluha. Naše uho kao zvuk opaža oscilacije čije su frekvencije u granicama 20-20 000Hz.

Infrazvuk je mehanička oscilacija čije su frekvencije manje od 20Hz.

Ultrazvuk je mehanička oscilacija sa frekvencijom većom od 20 000Hz.

Kako nastaje zvuk?

Zvuk se u vazduhu formira na taj način što se č-ce vazduha naizmenično zgušnjavaju i razređuju u pravcu prostiranja zvuka.

Da li se zvuk prostire u vakuumu?

U vakuumu (bezvazdusnom prostoru) – zvuk se ne prostire (zato što nema č-ca koje mogu da osciluju i prenose zvuk)

U čemu je razlika između tona i šuma?

Ton – zvuk koji se obrazuje harmonijskim oscilovanjem

Šum – rezultat složenog neperiodičnog oscilovanja.

Od čega zavisi brzina zvuka?

Brzina zvuka – zavisi od osobina sredine i temperature. Brzina zvuka u vazduhu je između 340m/s-400m/s.

sredina

brzina zvuka

voda

1450 m/s

morska voda

1550m/s

aluminijum

5000m/s

bakar

3500m/s

staklo

5500m/s

Koje su osnovne karakteristike zvučnih talasa?

Karakterisitke zvučnih talasa date su u tabeli:

JAČINA(INTENZITET)ZVUKA

Objektivna jačina zvuka

Subjektivna jačina zvuka

Jedinica: W/m2 (vat po metru kvadratnom)

 

Granica bola:

Najveća jačina zvuka koju uho može da čuje je 10W/m2, zvuk preko ove jačine naše uho oseća kao bol

Jedinica: dB (decibel)

 

Koliko glasno je glasno?

20dB – tiha soba tokom noći

40dB – tiha dnevna soba

60dB-običan razgovor

80dB-vika

110dB – rad bušilice u blizini

130 dB – poletanje aviona na udaljenosti 100m

OBLAST ČUJNOSTI 20-20 000Hz

Prag čujnosti ljudskog uha zavisi od frekvencije;Najniži prag čujnosti je za zvuk frekvencije 2500 Hz

 Da li postoji rizik od oštećenja sluha zbog slušanja preglasne muzike?

Rizik od oštećenja sluha – zavisi od 2 faktora – jačine zvuka i dužine slušanja. Što glasnije slušate muziku kraći je period u kome je slušanje bezbedno. Ako vam zuji u ušima posle skidanja slušalica, to je ozbiljno upozorenje da je muzika bila dovoljno glasna da vam ošteti sluh. Ako nosite slušalica dok hodate, vozite bicikl ili auto  – to može da bude opasno jer treba da vodite računa da NE PRIGUŠITE SVE ZVUKE IZ OKOLINE.

Šta je to probijanje zvučnog zida?

Kada avion u kretanju izjadnači svoju brzinu sa brzinom zvuka u vazduhu (340m/s-400m/s) – dolazi do pojave rezonancije čestica vazduha što se čuje kao jak prasak.

probijanje zvucnog zidalasta

Probijanje zvučnog zida je zapravo pojava rezonancije čestica vazduha, kada se brzina aviona izjednači sa brzinom zvuka u vazduhu.

Kretanje naelektrisane č-ce u homogenom magnetnom polju

Kada naelektrisane č-ca uđe u homogeno magnetno polje normalno na linije magnetne indukcije kreće se po kružnoj putanji poluprečnika r=mV/qB, zbog delovanja Lorencove sile L=qVB. Vreme za koje č-ca u magnetnom polju obiđe tu kružnu putanju zavisi samo od vrednosti naelektrisanja q, mase m i intenziteta magnetne indukcije B. U homogenom magnetnom polju (B=const) vrednosti naelektrisanja q i mase m mogu se smatrati „ličnom kartom č-ce“. Na ovoj činjenici zasniva se rad uređaja za ubrzavanje č-ca i za dobijanje č-ca velikih kinetičkih energija – AKCELERATORA. Sudarači čestica se zovu kolajderi (kao što je na primer kolajder u institutu CERN).

Ciklotron.
Slika: http://www.home-edu.ru

1931. CIKLOTRON – Američki fizičar Lorenc konstruisao je akcelerator za dobijanje protona i atomskih jezgara vrlo velikih brzina. Za taj pronalazak je dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Princip rada uređaja: glavni delovi uređaja su elektromagnet čije je polje homogeno i dve magnetne komore – duanti (na slici su obeleženi brojem 3). Duanti su priključeni na izvor naizmeničnog napona visoke frekvencije (broj 4 na slici). Usled toga postoji električno polje između duanata i ono ubrzava naelektrisane č-ce. U unutrašnjosti duanata postoji samo homogeno magnetno polje. Joni se stvaraju u središtu uređaja (na slici obeleženo brojem 1). Tako stvoreni joni imaju malu brzinu V normalnu na linije magnetne indukcije B kada uđu u jedan od duanata. Pod dejstvom Lorencove sile svaki jon će opisati polukružnu putanju poluprečnika: r=mv/qB. Za to mu je potrebno vreme T/2= πm/qB . Svaki put kada jon izađe iz duanta u električno polje na njega će da deluje električna sila koja ga ubrzava i kinetička energija mu se povećava za qU , gde je U razlika potencijala između duanata. Taj proces se ponavlja nekoliko puta što povećava poluprečnik putanje jona dok on ne postane dovljno veliki da se izbaci iz ciklotrona (na slici linija označena brojem 2 pokazuje putanju jona).

1941. BETATRON – Američki fizičar Kerst konstruisao je betatron za ubrzavanje elektrona. U betatronu se koristi pojava elektromagnetne indukcije. Glavni delovi su: elektromagnet i staklena komora oblika đevreka koja se nalazi između polova elektromagneta. U komori je vakuum. Elektroni se iz posebnog izvora ubacuju u komoru koja prolazi kroz središte komore. Jako magnetno polje održava elektrone na kružnoj putanji. Magnetno polje nije konstantno i menja se promenom struje u elektromagnetu. Zbog toga se povećava magnetni fluks kroz površinu kruga omeđanog putanjom elektrona, što dovodi do indukovanja vrtložnog elektromagnetnog polja koje ubrzava elektron. Elektron ostaje na istoj putanji i kada dostigne dovoljno veliku energiju, skreće se sa putanje i izbacuje iz betatrona. Pri tome elektroni pređu istu kružnu putanju nekoliko stotina hiljada puta.

1994 – 2008 AKCELERATOR, CERN – 14 godina trajala je izgradnja LHC – Large Hadron Collider-a (česticnog akceleratora i komore za sudaranje) i ATLASA – najsavrsenijeg detektora subatomskih cestica. Vise od 10 000 naučnika i vise od 6 milijardi dolara, posle 14 godina izgradili su infrastrukturu za najsloženiji i najveci fizički eksperiment u istoriji naše civilizacije (75 hidrauličnih konektora za magnet detektora proizvedeno je 2002 u Kragujevcu u firmi Zastava alati i transportovano u Cern 2003).

Cern. Tunel dužine 27 km.
Slika: http://www.cern.ch

Tunel dužine 27 km, na 100 m ispod površine zemlje, sa supermagnetima magnetnog polja 100 000 puta jačim od magnetnog polja Zemlje (unutrašnjost tunela se održava na -271C). Cilj eksperimenta je dobiti odgovor na pitanje: Šta materiji daje masu – tj. da li postoji Higzov bozon? (takođe proučavanje antimaterije i crne materije).

2013  otkriće „Higzovog bozona“ i Nobelova nagrada za fiziku – Zahvaljujući sudaranju ubrzanih  č-ca otkriven je „Higzov bozon“ – takozvana Božja č-ca u eksperimentu veka koji je potvrdio teoriju i doneo nobelovu nagradu za fiziku (1,2 miliona dolara) belgijanacu Fransoa Engler-u i britanacu Piter Higs-u za rad o poreklu mase subatomskih č-ca. Oni su nagrađeni zbog „teorijskog otkrića mehanizma koji doprinosi našem shvatanju porekla mase subatomskih čestica“. Nagrađena teorija je centralni deo standardnog modela fizičkih čestica kojim se opisuje konstrukcija sveta.

Otkrivanje Higzovog bozona.
Slika: www. cern.ch

2014.DALJI PLANOVI: NOVI PODZEMNI SUDARAČ ČESTICA 4 PUTA VEĆI – Budući planovi CERN-a su vezani su za izgradnju novog podzemnog sudarača subatomskih čestica koji bi bio četiri puta veći od postojećeg sa ciljem da se postignu energije osam puta veće od energija koje se trenutno postižu. Podzemni tunel bi bio dug 100 kilometara. Eksperti će razmatrati i koji tip čestica će se sudarati u njemu. Novi kolajder bi mogao da bude operativan do 2035 kada bi postojeći „otišao“ u penziju.

Veza fizike i drugih nauka

Fizika kao fundamentalana prirodna nauka ima primenu u velikom broju drugih nauka. Znanja iz raznih naučnih oblasti se uzajamno prepliću i prožimaju. Fizika uslovljava razvoj drugih nauka ali i sam razvoj drugih nauka utiče na razvoj fizike.

Prikazana šema predstavlja vezu fizike sa ostalim naukama i ukazuje na povezanost razvoja nauke, tehnike i tehnologije. Nekada granična područja nauke (crveno uokvireno) brzim razvojem postala su već nove i značajne naučne oblasti.

Prema predviđanjima eksperata, 21. vek će obeležiti ekspanzija razvoja novih tehnologija (od nanotehnologija, čistih izvora energije do kvantnih kompjutera).

fizika-i-druge-nauke

Razvoj i povezanost između nauke, tehnike i industrije imaju presudan značaj za inovativna rešenja u industriji i kreiranje novih proizvoda za savremeno doba.

Fizika i matematika

Matamatika je zapravo jezik fizike i način na koji fizika opisuje prirodu egzaktno kroz zakone i principe. Formule u fizici su matematičke veze između fizičkih veličina. Posmatrajući istoriju nauke, razvoj pojedinih oblasti u fizici (kao na primer teorija relativnosti) bio je uslovljen razvojem matematike.

Fizika i biologija

Veza ove dve nauke dovela je do suštinskog razumevanje funkcionisanja složenih bioloških sistema. Kombinacija sa tehnikom dovela je do ekspanzije kreativnosti i velikog napredka u robotici – inteligentnim kopiranjem savršenih rešenja iz prirode. Jedan od primera za to je „Robot muva“.

robot muva

Robot muva: Prirodni sistemi su savršeno konstruisani. Razvoj nauke u poslednjih 10 godina doveo je do uspešnih kreacija robota po ugledu na živa bića;
slika: http://www.compadre.org

Fizika i medicina

Fizika ima značajan doprinos u modernoj medicinskoj dijagnostici ali i u lečenju. Primeri: Magnetna rezonanca, rendgen, ultrazvuk, laser, merenje ekektričnih impulsa srca -EKG, merenje električnih impulsa mozga – EEG itd.

magnetna rezonanca

Urađaj za magnetnu rezonancu koristi se za uspešnu dijagnostiku u medicini tumačenjem dobijenog snimka; slika: http://radiology.ucla.edu

Fizika i hemija

Kvantna fizika je otvorila vrata moderne hemije pružajući mogućnost kompletnog opisa sastava, unutrašnje strukture i mogućih energijskih stanja atoma i molekula.

Preklapanje fizike i hemije dovelo je do razvoja nove oblasti – fizičke hemije.

Fizika i astronomija

Fizika je napravila prve značajne korake u razvoju kosmičkog prostora a dalji napredak doveo je do razvoja astrofizike. Kao primeri metoda fizike koje se koriste u astronomskim istraživanjima mogu se navesti spektralna analiza ili fotografsko snimanje kosmičkih objekata. Veliki napredak u razvoju tehničke opreme za posmatranje kosmičkih objekata doveli su do ekspanzije naučnih otkrića u ovoj oblasti. Kao primer mogu se navesti optički teleskopi ili veštački sateliti. Danas svakodnevno možete pratiti na sajtu NASA novosti i  rad astronauta u daljem istraživanju svemira.

space teleskop

Već 10 godina u svemiru: NASA svemirski teleskop. slika:http://www.spitzer.caltech.edu/

Fizika i geografija

Brojne pojave u geografiji imaju fizičku osnovu kao što su: pojava vetra, kružni tok vode, struje u morima i okeanima, magnetna svojstva Zemlje…Proučavanje je dovelo do razvoja nove oblasti – geofizika. Geofizika znači „fizika Zemlje“ i daje veliki doprinos u opisivanju i predviđanju ponašanja vulkana.

Na kraju, potrebno je skrenuti pažnju na činjenicu da razvoj nauke i modernih tehnologija utiče na razvoj i promenu svesti čitavog čovečanstva.

Fizika proučava svojstva i strukturu materije i pojave u prirodi (mehaničke, toplotne, elektromagnetne, atomske, kvantne…).

Materija postoji u dva oblika: supstanca  i fizičko polje.

Supstanca je sve ono od čega se sastoje tela: hemijski elementi, jedinjenja i njihove smeše.

Fizičko polje je oblik materije čijim posredstvom se ostvaruje uzajamno delovanje u prirodi (na primer: privlačenje posredstvom gravitacionog polja ili naelektrisane čestice se privlače ili odbijaju posredstvom  električnog polja).

Oblasti proučavanja 

Zbog složenosti same materije i njenog kretanja nastale su različite oblasti proučavanja: mehanika, termodinamika, elektromagnetizam, talasi, optika, kvantna fizika, atomska fizika, fizika molekuka, nuklearna fizika, fizika elemntarnih čestica.

Mehanika – proučava najjednostavniji oblik kretanja materije odnosno promenu položaja tela jednih u odnosu na druge.

Primer: Na slici je predstavljen skejt park. Uz pomoć naučne simulacije možete analizirati promenu energije prilikom kretanja:

Енергија у скејт-парку: Основна верзија скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije analizirajte promenu energije prilikom kretanja u skejt parku.

Termodinamika – proučava toplotne pojave i razmenu toplote između tela.

Primer: uz pomoć naučne simulacije istražite kako zagrevanje i hlađenje utiču na gvožđe, ciglu i vodu. Saznajte kada primaju i predaju energiju i vidite kako energija prelazi sa jednog na drugi objekat:

Енергија, врсте и промене скриншот

Primer: uz pomoć naučne simulacije istražite kako toplota prelazi sa jednog tela na drugo

Elektromagnetizam – proučava elektrostatičke i magnetne interakcije između tela.

Primer: Uz pomoć naučne simulacije pokrenite tačkasto naelektrisanje i posmatrajte promene električnog polja, napona, ekvipotencijalnih linija…

Електрична поља тачкастих наелектрисања скриншот

Talasi i optika – proučavaju oscilatorna i talasna kretanja kao i svetlosne pojave.

Primer: Kako vidimo boje? Uz pomoć naučne simulacije napravite čitavu dugu kombinacijom crvene, zelene i plave svetlosti. Promenite talasnu dužinu monohromatskog zraka ili filtrirajete belu svetlost. Posmatrajte svetlost kao zrak ili fotone…

Како видимо боје скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije pokušajte da otkrijte kako vidimo boje…

Kvantna fizika, atomska fizika i fizika molekula – proučavaju kretanja u mikrosvetu.

Primer: uz pomoć naučne simulacije pokušajte da otkrijete zašto kvantne čestice tuneluju kroz barijeru (prolaze kroz prepreku kao da je nema)? Istražite talasne funkcije i osobine čestica…

КВАНТНИ ТУНЕЛ ЕФЕКАТ И ТАЛАСНИ ПАКЕТ скриншот

Primer: Uz pomoć naučne simulacije analizirajte kvantni tunel efekat i talasni paket


Nuklearna fizika i fizika elementarnih čestica – proučavaju subatomski svet odnosno pojave na nivou atomskih jezgara.

Primer: Analizirajte nuklearni raspad uz pomoć naučne simulacije. Pokrenite lančanu reakciju ili upoznajte ne-radioaktivne izotope sa ciljem da sprečite lančanu reakciju. Kontrolišite proizvodnju energije u nuklearnom reaktoru…

Нуклеарни распад скриншот

Primer: Analizirajte nuklearni raspad uz pomoć naučne simulacije

Optički kablovi

Optički kablovi predstavljaju osnovu¹ za telekomunikacione mreže. Kod optičkih kablova optička vlakna prenose digitalne signale u obliku modulisanih svetlosnih impulsa.

opticki kablovi-1

Optički kablovi su osnova za tekekomunikacione mreže, slika: http://radlovacki.users.sbb.rs/downloads/v03.Opticki.Kablovi.pdf

Karakteristike:

  1. relativno bezbedan način prenosa podataka (zato što ne prenose električne impulse i ne mogu se prisluškivati)
  2. ne podležu električnim smetnjama
  3. najmanje slabljenje signala duž kabla
  4. izuzetno velike brzine prenosa na velikim udaljenostima
  5. galvansko razdvajanje instalacija (za razliku od bakarnih kablova koji prave problem sa uzemljenjem i atmosferskim pražnjenjem)

Primena:

  1. umrežavanje više objekata
  2. kod objekata gde se predviđa veliki mrežni saobraćaj

Napomena: prilikom postavljanja kablova treba poštovati pravila o savijanju jer isuviše veliki ugao savijanja može da uspori prostiranje svetlosti.

Sistemi prenosa sa optičkim kablovima sastoje se od 3 osnovna dela:

  1. predajnik (izvor svetlosti: LED ili laserska dioda)
  2. optičko vlakno
  3. prijemnik (foto senzor)

Princip rada: Standardni električni signal se dovodi na lasersku ili LED diodu koje vrše konverziju signala u svetlost, zatim se svetlost ubacuje u optičko vlakno na čijem drugom kraju je prijemnik koji vrši opto-električnu konverziju posle koje se dobija standardni električni signak. Princip po kome se informacija prenosi po optičkom vlaknu bazira se na fizičkom fenomenu – totalnoj refleksiji.

Sastav optičkog jezgra

  1. jezgro – od stakla određenog indeksa prelamanja
  2. omotač – obavija jezgro, takođe je od stakla ali sa drugom vrednosti indeksa prelamanja. Svetlost se ubaci u jezgro pod određenim uglom potrebnim da dođe do totalne refleksije, zbog koje se svetlosni zrak neprestano odbija od granične površine jezgro-omotač putujući tako kroz vlakno do prijemnika
  3. sloj za povećanje savitljivosti
  4. zaštitni materijal
  5. izolacija
sastav-optickog-kabla

Sastav optičkog kabla: jezgro, omotač, sloj za povećanje savitljivosti, zaštitni materijal, izolacija, slika: http://radlovacki.users.sbb.rs/downloads/v03.Opticki.Kablovi.pdf

  1. monomodni (singlemode – SMF) – tanji i omogućavaju prostiranje jednog svetlosnog zraka
  2. multimodni (multimode – MMF) – deblji i omogućavaju prostiranje više zraka iz različitih izvora

Napomena: U tehnološkom procesu lakše je proizvesti vlakno većeg prečnika. Zato se multimodna vlakna češće koriste. Jeftiniji su i danas dominantni kod lokalnih računarskih mreža. Kod većih rastojanja koje je potrebno premostiti koriste se monomodna vlakna. Kod računarskih mreža svaki link zahteva 2 vlakna – jedan za predaju a drugi za prijem.

1. izvor: http://radlovacki.users.sbb.rs/downloads/v03.Opticki.Kablovi.pdf

Geometrijska optika posmatra svetlost kao – polupravu koja polazi iz svetlosnog izvora pri čemu se strelicom označava smer kretanja. Zasniva na četiri osnovna zakona:

  1. zakon pravolinijskog prostiranja svetlosti
  2. zakon nezavisnosti prostiranja svetlosti
  3. zakon odbijanja svetlosti
  4. zakon prelamanja svetlosti

Opisivanje svetlosti uz pomoć geometrije može se koristiti kod konstrukcije likova kod ogledala (ravnih i sfernih), sočiva i optičkih aparata.

zrake svjetlosti 2

Svetlosni zrak kao poluprava je najpogodniji pristup za konstrukciju likova, slika: http://www.kontaktne-lece.eu/magazin/zakoni-geometrijske-optike/

 

 

 

 

 

 

 

Pojave kao što su difrakcija, disperzija i polarizacija (kada svetlost ispoljava talasna svojstva) ili fotoefekat (kada svetlost ispoljava kvantna odnosno čestična svojstva) ne mogu se objasniti uz pomoć geometrijske optike.

OSNOVNI ZAKONI, POJMOVI I PRIMER PRIMENE

APSOLUTNI INDEKS PRELAMANJA – odnos brzine svetlosti u vakuumu i datoj sredini (co-brzina svetlosti u vakumu; c- brzina svetlosti u datoj sredini)

prelamanje svetlosti 3

Apsolutni indeks prelamanja.  slika:https://sites.google.com/site/fizikazaosnovce678/home

  1. ZAKON PRAVOLINIJSKOG PROSTIRANJA SVETLOSTI – u optički homogenoj sredini svetlost se prostire pravolinijski
  2. ZAKON NEZAVISNOSTI PROSTIRANJA SVETLOSTI- svetlosni zraci međusobno ne deluju i nema međusobnog ometanja zraka
  3. ZAKON ODBIJANJA SVETLOSTI -upadni ugao jednak je odbojnom uglu. Upadni ugao, normala i odbojni ugao leže u istoj ravni

odbijanje svetlosti 1

Zakon odbijanja svetlosti. slika: https://sites.google.com/site/fizikazaosnovce678/home

  1. ZAKON PRELAMANJA SVETLOSTI- Ako  zrak prelazi iz optički ređe u optički gušču sredinu prelama se ka normali (i obrnuto)

prelamanje svetlosti 1 (1)

Zakon prelamanja svetlosti. slika:https://sites.google.com/site/fizikazaosnovce678/home

  1. TOTALNA REFLEKSIJA – je optička pojava koja nastaje kada svetlosni zrak dolazi iz optički gušće sredine a čiji je upadni ugao veći od graničnog ugla (odbija se kao kod ravnog ogledala).

totalna refleksija 1

Totalna refleksija: granični ugao je onaj kome odgovara prelomni ugao od 90 stepeni. Ako je upadni ugao veći od graničnog ugla zrak ne prelazi u drugu sredinu već se odbija od granične površine i vraća u istu sredinu. Granični ugao za staklo – vazduh iznosi 42 stepena, a za vodu-vazduh 48,5 stepeni. slika: https://sites.google.com/site/fizikazaosnovce678/home

Primer primene totalne refleksije: OPTIČKI KABAL

OPTIČKI KABAL je osnova za telekomunikacione mreže. Optička vlakna prenose digitalne signale u obliku modulisanih svetlosnih impulsa. Princip po kome se informacija prenosi po optičkom vlaknu bazira se na fizičkom fenomenu – totalnoj refleksiji.

sastav-optickog-kabla

Sastav optičkog jezgra

1. jezgro – od stakla određenog indeksa prelamanja

2. omotač – obavija jezgro, takođe je od stakla ali sa drugom vrednosti indeksa prelamanja. Svetlost se ubaci u jezgro pod određenim uglom potrebnim da dođe do totalne refleksije, zbog koje se svetlosni zrak neprestano odbija od granične površine jezgro-omotač putujući tako kroz vlakno do prijemnika

3. sloj za povećanje savitljivosti

4. zaštitni materijal

5. izolacija

Atomi i memorija

1 bit staje u 12 atoma

Istraživajući granice memorije IBM istraživači u oblasti nanotehnologija su napravili najmanju magnetnu memoriju na svetu koristeći samo 12 atoma. To je zapanjujuće malo u odnosu na uređaje koji danas koriste 1 milion atoma da bi sačuvali 1 bit informacije. Bit je najmanja informacija koju kompjuter može da razume i ima samo dve vrednosti 1 ili 0.

Mogućnost manipulacije materijom na nivou osnovnih gradivnih komponenti – atom po atom – može voditi ka značajnom razumevanju kako izgraditi nove, brže i energetski efikasnije uređaje. Buduće aplikacije na nanostrukturi i primena nekonvencionalnog magnetizma (antiferomagnetizma) mogu omogućiti čuvanje 100 puta više informacija u istom pristoru.

Kako to radi?

Magnetizam atoma potiče od  spina elektrona. U spoljašnjem magnetnom polju spinovi se grupišu u istom smeru (što se koristi za memorisanje informacija). Feromagneti su se dobro pokazali za čuvanje podataka ali je pri proučavanju granice memorije najveći izazov bio izbeći međusobni uticaj spinova.  STM mikroskopom (Scanning Tunneling Microscope) istraživači su izdejstvovali grupisanje 12 antiferomagnetnih spojenih atoma na niskim temperaturama koji su memorisali 1 bit informacije.

Pisanje i čitanje magnetnih bitova

Slika pokazuje magnetne bitove prikazane 5 puta u različitim magnetnim stanjima za čuvanje ASCII koda za svako slovo reči THINK. Istraživački tim je to postigao sa 96 atoma gvožđa – 1 bit je sačivan u 12 atoma i ima 8 bitova u svakom bajtu.

ibm_think

ASCII kod za slova reči THINK, rezultat postignut sa 96 atoma gvožđa; 1bit je sačuvan u 12 atoma, slika: http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/36473.wss

izvor: http://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/36473.wss

Spektar atoma vodonika

Spektar atoma vodonika se objašnjava – kvantnim prelazima.

Emisioni spektar atoma vodonika

spektar av1 copy

Demonstracija: propuštanjem svetlosti vodonikove lampe kroz prizmu dobija se spektar atoma vodonika na zaklonu, slika:chemwiki.ucdavis.edu

Kada se svetlost vodonikove lampe propusti kroz prizmu na zaklonu se  dobija vidljivi deo  spektra atoma vodonika, kao na slici:

exp_linije

Eksperimentalno dobijene emisione spektralne linije atoma vodonika, slika: chemwiki.ucdavis.edu

Tanke linije predstavljaju emisioni spektar – linije nastaju pri tačno određenim frekvencijama zračenja – odnosno na tačno određenim talasnim dužinama. Kada elektron u atomu prelazi sa višeg na niži energetski nivo emituje se foton (čestica svetlosti) tačno određene energije (frekvencije i talasne dužine) – što proizvodi karakterističan spektar.

Hemission1

Emisione spektralne linije atoma vodonika i vrednosti talasnih dužina, slika: intro.chem.okstate.edu

Serije spektralnih linija koje nastaju kod vodonika su: Lajmanova (prelaz elektrona na prvi nivo), Balmerova (prelaz elektrona na drugi nivo), Pašenova (prelaz elektrona na treći nivo), Brektova (prelaz elektrona na četvrti nivo) i Pfundova (prelaz elektrona na peti nivo). Jedino Balmerova serija spada u oblast vidljivog dela spektra.

serije-spektra1

Spektralne serije kod atoma vodonika, slika: chemweb.ucc.ie

Spektralne serije sa vrednostima odgovarajućih talasnih dužina emitovanog zračenja date su na sledećoj slici:

spektralne-linije-1

Spektralne serije i vrednosti talasnih dužina atoma vodonika. U zagradama su navedene godine kada su otkrivene, slika: en.wikipedia.org

Ridbergova formula za talasnu dužinu:

ridbergovaformula-2

pri čemu je m>n.

Za n=1 govorimo o Lajmanovoj seriji, m=2,3,4…

Za n=2 govorimo o Balmerovoj seriji, m=3, 4, 5,… itd.

Ridbergova konstanta

R=10967758  1/m

Apsorpcione i emisione linije spektra

Emisioni (ili apsorpcioni) spektar je za svaki atom drugačiji – pa se može smatrati za „ličnu kartu atoma“ ali i više od toga jer otkriva informacije o uslovima koji vladaju u sistemu i oko njega.

Apsorpcioni spektar nastaje kada atom apsorbuje energiju fotona (zato što elektron prelazi sa nižeg na viši energijski nivo). Emisioni spektar nastaje kada atom emituje foton (zato što elektron prelazi sa višeg na niži energetski nivo). Svaki spektar je okarakterisan odgovarajućom spektralnom linijom. Za isti atom (npr. isti gas)  se uvek dobija isti položaj apsorpcionih ili spektralnih linija (pogledaj sliku).

Spektralna linija nastaje emisijom (ili apsorpcijom) unutar sistema (atoma) i upravo zbog toga mora da karakteriše i sam taj sistem – atom, ali i uslove u sistemu koji su prisutni u toku emisije (ili apsorpcije). Interakcije koje utiču na atom (npr. spoljašnje električno, magnetno, gravitaciono polje) utiču i na oblik spektralne linije. Zato je u obliku spektralne linije zapisano sve o uslovima koji su vladali u sistemu u trenutku nastanka linije.

apsorpcione-i-emisione-lini

Apsorpcioni i emisioni spektar paralelno pored odgovarajućih apsorpcionih i emisionih linija u spektru atoma vodonika, slika: http://www.astronomynotes.com

Ponovite gradivo uz objašnjenje spektralne emisije vodonika i helijuma na Engleskom jeziku:

Oblak oznaka

%d bloggers like this: