Fysikkens lover [14] 8290388993, 8290388403 [PDF]

Zitiervorschau

VITENSKAPENS VERDEN

FYSIKKENS LOVER I redaksjonen: Dr. Martin Sherwood og Dr. Christine Sutton

Norsk oversettelse og bearbeiding: Steinar A. Gundersen

ILLUSTRERT VITENSKAPS BIBLIOTEK

Innhold Forord 1

3

Studiet av den materielle verden 5

Fysikkens grunnbegreber

2 3 4 5 6 7 Q

9 10

Kraft, energi og bevegelse Lyd Molekyler og stoff Lys Magnetisme Elektrisitet Elektromagnetisme Atomer og grunnstoff Grunnstoffenes virkemåter

11 21 25 35 45 49 57 65 73

Atomenes verden 11 12 13 15 16

Kjernens struktur Kvantenes verden Elementærpartikler Urkrefter Stråling og radioaktivitet Fisjon og fusjon

Ordliste Register

79 87 97 105 111 119 125 126

■Ib

■ VITENSKAPENS VERDEN L «Fysikkens lover» □ Norsk utgave © Norsk Fogtdal A/S 1989 Z Norsk redaksjon: Marte Askeland □ Engelsk original­ tittel «Encyclopedia of Science in Everyday Life» □ © Equinox (Oxford) Ltd. 1988 Redaksjon: Dr. Martin Sherwood og Dr. Christine Sutton □ Konsu­ lenter: Sir Alan Cottrell og Steven Weinberg □ Forfattere: David Bickerton, Dr. M. G. Bowler, Nigel Davis, Dr. John Emsley, Dr. John Fry, Richard Jones, Giil Lacey, Professor Jack Meadows, Dr. Christine Sutton □ Sats: Laursen Tønder Trykk: Dansk Heatset Rotation 1/S, Odense □ ISBN 82-90388-99-3 (24 bind komplett) Z. ISBN 82-90388-40-3 (bind 14, «Fysikkens lover»)

Forord Den vitenskap vi i dag kjenner som fysikk, har en lang og brokete historie. Det er vanskelig å tidfeste opprin­ nelsen, men med en vid definisjon kan fysikken føres tilbake til den gang menneskene begynte å orientere seg i verden omkring seg. De ønsket å gjøre tilværelsen enklere og tryggere ved hjelp av redskaper og kontroll av ild. Det kan kanskje være vanskelig å se sammen­ hengen mellom det som den gang var en ren dyd av nødvendighet og den moderne fysikk som i dag fore­ går i laboratorier, på regnemaskin og på papiret, uten noen spesiell tanke på umiddelbare anvendelser. Men sammenhengen er der. Mennesket er ikke bare opptatt av det praktiske, men også av å søke kunnskap om verden og vår rolle i den store sammenhengen. Fysikk er vitenskapen om vår fysiske omverden. Kunnskap i fysikk har gitt oss mange av de tekniske hjelpemidler som i dag er i bruk innen ingeniørkunst, medisin, kommunikasjon, husholdning, underhold­ ning, forsvar, etc. Fysikken handler om alle størrelser, fra materiens minste byggesteiner, som er så små at de moderne maskinene som brukes for å registrere dem ikke kan måle at de har noen utstrekning i rom­ met - for alle praktiske formål er de punktpartikler - til universet som helhet, som er det absolutt største som finnes. På denne skalaen har fysikken sitt spille­ rom, og her vil naturens fundamentale krefter manife­ stere seg og virke på til dels kompliserte måter. Fysikkens historie viser at årsakssammenhenger ik­ ke nødvendigvis er slik man forventer. Tidligere trod­ de man at Jorden var sentrum i solsystemet, og at de andre planetene, inkludert solen, gikk i bane rundt Jor­ den. Dette førte til et uhyre komplisert system av bevegelsesbaner. Da Kopernicus fikk den brilliante ide at kanskje solen var det sentrale himmellegemet, falt bitene på plass. Dette enklere systemet var et grunnlag å gå videre på, og slik fant man teorien om vekselvirk­ ningen mellom massive legemer, en gravitasjonsteori. Likeledes visste man fra Aristoteles' tid (500 f.Kr.) at et tungt legeme faller hurtigere mot jorden enn et lett legeme. Gjør man et forsøk ved å slippe en ham­ mer og en fjær fra samme høyde, vil man se at Aristo­ teles fortsatt har rett. Trekker man konklusjonen at Jorden gir en tung gjenstand større akselerasjon enn en lett gjenstand, kan man muligens få en brukbar beskrivelse av dette enkle eksperimentet. Men man vil raskt komme i vanskeligheter dersom man vil bygge vi­ dere på disse resultatene for å beskrive andre systemer. I fysikken søker man etter en rasjonell beskrivelse i takt med tidligere oppnådd kunnskap. Hvis ikke

gammel og ny kunnskap går sammen, må både de nye og de gamle resultatene revurderes. Feilen vi har begått i eksperimentet over, er at vi har glemt at Jorden har en atmosfære, luften, og at den vil forårsake en motstand mot bevegelsen. Et legeme med stor overfla­ te i forhold til vekt, som fjæren, vil være utsatt for en større luftmotstand enn hammeren, i forhold til til­ trekningen fra Jorden. Hadde hammeren og fjæren falt mot Jorden i et lufttomt rom, ville de ha nådd bakken samtidig. En av de viktigste egenskapene hos en hvil­ ken som helst forsker, er å gjennomskue slike feil og bygge opp modeller som så langt som mulig gir en korrekt beskrivelse av observerte fenomener. I fysikk forsøker man å finne sammenhengen mel­ lom målbare størrelser. I laboratoriet bruker man en rekke måleinstrumenter, en del er kjent fra dagliglivet; uret, meterstokken, wattmeteret, termometeret etc. Disse måleenhetene er knyttet til hverandre, og deres relasjoner kan uttrykkes matematisk. Derfor er lærebø­ ker i fysikk fulle av matematiske formler og utledninger. For fysikerne er matematikken et fantastisk red­ skap, og en veldig forenkling når man skal beregne eller forutsi resultater. I prinsippet kan man godt tenke seg at all fysikk kunne presenteres uten bruk av mate­ matikk, men da ville man være nødt til å bruke mange ord på å forklare ting som kan presenteres veldig kort ved bruk av matematiske symboler. Denne boken bru­ ker ikke matematikk til forklaring, men det har vært nødvendig å uttrykke en del sammenhenger med ord som burde være kjent fra grunnskolen, selv om de færreste benytter seg av dem til daglig. Boken er ganske vågal i så måte. Den beskriver fenomener som langt fra er enkle å formidle. Derfor passer den for en leser som ønsker å vite mer om et bredt spekter av fysikken, men som ikke nødvendigvis har mer enn allmenn ma­ tematisk bakgrunn. Fysikk er kanskje den mest fundamentale av alle naturvitenskaper, men det er vanskelig å avgjøre hvor en vitenskap begynner, og en annen slutter. De griper inn i hverandre, og fysikere, som andre naturvitenskapsfolk, har stort utbytte av hverandres kunnskaper. Det finnes mange eksempler på at et samarbeid mel­ lom naturvitere med forskjellig bakgrunn har vært gjensidig berikende. Fag som ligger nær fysikken er natuvitenskapene; astrofysikk, kjemi, biologi, medisin, geofysikk og mekanikk, samt to fag som egentlig ikke er naturvitenskapelige i seg selv, men som er svært viktige; matematikk og informatikk. Steinar A. Gundersen

Studiet av den materielle verden Oldtidens syn på materien, de tidligste teoriene... Gresk vitenskap... Islamsk astronomi, fysikk og alkymi... Middelalderens vitenskap... Dalton og moderne atomisme... Moderne fysikk og kjemi... PERSPEKTIV... Gresk atomisme... Kinesisk vitenskap... Hva gjør fysikere og kjemikere?

De første forsøkene på å forstå verden rundt oss begynte for flere tusen år siden. De forklaringene man kunne gi på den tiden, måtte naturlig nok inneholde forskjellige former for guddommelige krefter. I det gamle Hellas, for omkring 2 000 år siden, hadde forsøkene nådd et svært avansert nivå. De var karakterisert ved ønsket om å finne en enkel forklaring som kunne anvendes på alle hendelser i den fysiske verden. En vel anerkjent beskrivelse av verden antok eksistensen av fire grunnleggende elementer - jord, vann, luft og ild. Dette kan virke rart på oss, men vi kan se dem som en analogi til den moderne inndelingen av stoffer i fast form, væske og gass. Disse fire elementene hadde visse steder hvor de naturlig hørte hjemme. Jord befant seg helst på eller under Jordens overflate, vann befant seg oppå Jordens overflate, luft dannet atmosfæren over overflaten og ilden befant seg utenfor og rundt atmosfæren. Denne lagdelingen av elementene ble brukt til å forklare hvor­ dan ting beveger seg på Jorden. En stein som blir kastet opp i luften vil falle tilbake til Jorden fordi det er dens naturlige tilholds­ sted. Flammer strekker seg oppover fordi de ønsker å nå sitt naturli­ ge tilholdssted over atmosfæren, og så videre. Greske filosofer stimulerte senere studier av den materielle ver­ den ved å skille mellom forskjellige teorier om materien og stoffe­ nes oppbygning. Grekerne mente at det fantes to mulige teorier. Den ene gikk ut på at materien er kontinuerlig, slik at man alltid kan dele et materiale i stadig mindre deler. Den andre teorien hev­ der at materien består av små udelelige partikler som er pakket tett sammen. Disse var udelelige, slik at oppdeling av materien bare kan foretas til et visst punkt hvor det bare er én slik partikkel tilbake. Grekerne kalte dem atomer, etter «atomas» - det greske ordet for udelelig. De fire temperamenter De fire grunnleggende stoffene, de kjemiske elementene, kunne settes sammen og danne nye stoffer. Spesielt kunne de danne tem­ peramenter - «sinnstilstander». Hvert menneske inneholdt sin blan­ ding av de fire temperamenter som var satt sammen av de fire elementene. Blandingsforholdet mellom disse temperamentene be­ stemte hvert individs natur. En del av de greske begrepene brukes i vår tid også, for eksempel melankoli, svartsyn, som er et av de fire temperamentene. De kjemiske stoffene til de gamle grekerne ble derfor forbundet med forklaringen av bevegelse, en fundamental gren av fysikken, og i bestemmelse av menneskenes egenskaper, i dag kjent som biokjemi og psykologi. Den klassiske verden skilte ikke mellom fysikk og kjemi, men betraktet alt vi i dag kaller vitenskap som et sammenhengende hele, kjent som naturfilosofi. Ved slutten av den greske tidsalder begynte man å skille mellom de to områdene, i takt med at utviklingen i praktisk alkymi skilte ut kjemien som et eget fag.

Det greske synet på materien Diskusjonen om hvorvidt materien var sammenhen­ gende og ensartet eller besto av udelelige bygges teine r, begynte med den vi kjenner som den første greske tenker, Thales (624-547 f.Kr.), som hevdet at all materie besto av vann. Med «vann» mente han en type væske uten form og farge. Senere påsto Anaximenes (570 f.Kr.) at denne grunnleggende substansen faktisk var luft. Med «luft» mente han ikke bare det man finner i atmosfæren, men en ikkemateriell substans som gir livspust til universet. Disse aller tidligste synspunktene på materien ga opphav til det kjente greske synet på materien, først beskrevet av den sicilianske grekeren Empedokles (500-430 f.Kr.), som regnet med fire elementerjord, vann, luft og ild. Alle forslagene forutsatte at materien var sammenhengende og ensartet. Det motsatte synet ble fremsatt senere av den mindre kjente Leukippos (474 f.Kr) og videreutviklet av hans elev Demokritos (460-400 f.Kr.). De hevdet at materien besto av harde partikler kalt atomer med tomt rom mellom seg. Ideen om tomrommet var like revolusjonerende som ideen om atomer fordi den er overflødig når man betrakter materien som en sammenhengende materie. Man fant begge synspunktene blant de gamle grekerne, men troen på en sammenhengende materie var mest utbredt. Debatten kom i gang igjen på 1600-tallet i Europa, fremdeles med bakgrunn i de gamle greske speku­ lasjoner, men da slo et atomistisk materiesyn igjennom, dvs. at ideen om atomene ble akseptert. ▼ Mange av oldtidens studier var konsentrert om Solen, Manen og planetenes bevegelser. Monumenter som Stonehenge i SørEngland ble tatt i bruk som observatorier. På bildet under ser vi en delvis måneformørkelse over Stonehenge.

6 Kinesernes søken etter livseliksiren førte til oppdagelsen av kruttet

En alkymisMra Iran, der forsk­ ningen fortsatt legger vekjpå de åndelige fremfor de -viterh skapelige aspekter. Også tidligere var alkymi i like stor grad en filosofisk retning, som et kjemisk forsøk på å frem­ stille et grunnstoff av et annet

STUDIET AV DEN MATERIELLE VERDEN

Tidlig kinesisk fysikk og kjemi Det tidlige kinesiske synet på verden var forskjellig fra det greske på mange viktige områder. Kineserne betraktet verden som en levende organisme, mens grekerne hadde et mer mekanistisk syn. På mange måter spilte ikke dette noen rolle. Grekerne antok at verden besto av fire elementer, kineserne mente det var fem - vann, jord, metall, tre og ild. I likhet med de fleste grekere trodde kineserne også at materien var kontinuerlig. Kanskje var det deres syn på verden som en levende organisme som hindret dem i å overveie muligheten for en atomistisk materie. Kineserne var de ledende innen fysikk og kjemi i mange århundrer. Deres kunnskap om magnetisme gjorde raske fremskritt. De lærte tidlig å magne­ tisere jern ved først å varme det opp, og der­ etter avkjøle det samtidig som det ble holdt i en nord-sør retning. De visste, 700 år før vestlige vitenskapsfolk, at magnetisk nord og sør ikke falt sammen med jordrotasjonens nord og sør. Innen kjemien var de også kommet lenger. Eksperi­ menter for å finne frem til livseliksiren ledet i stedet til oppdagelse av en blanding av saltpeter, kull og svovel som utgjør det kjente sprengstoffet krutt. Hvorfor oppsto så ikke moderne fysikk og kjemi i Kina? Forklaringer kan være: begrensningene i kinesisk matematikk, samfunnets struktur eller til og med strukturen i språket.

▲ En rekonstruksjon av Galileo Galileis pendelur. Utviklingen av nøyaktige klokker var avgjørende for vitenskapelige fysiske målinger, og satte Galilei i stand til å studere kraft og bevegelse. Grunnlaget for vår tids moderne fysikk.

7

Skillet mellom fysikk og kjemi Et av de store problemene som ble diskutert i forbindelse med bevegelse var hvordan man skulle beskrive hvordan Solen, Månen og planetene beveget seg over himmelhvelvingen. Dette problemet var blitt behandlet av filosofer og vitenskapsmenn i det gamle Grekenland, og deres arbeid var videreført av araberne. Men i begge tilfeller antok man at disse legemene beveget seg rundt Jorden, og at Jorden sto stille. Både grekerne og araberne trodde at himme­ len var laget av et femte element - kalt eter - som ikke hadde noe felles med de jordiske elementene. På grunn av dette kunne ikke bevegelse på himmelen forklares på samme måte som beve­ gelse på Jorden. Så studiet av himmellegemene hadde ingen rele­ vans for bevegelse på Jorden, og fikk derfor heller ingen konse­ kvenser for sammenhengen mellom fysikk og kjemi. På samme tid oppsto det en form for kjemi som tok oppmerk­ somheten bort fra forbindelsen med fysikk. Denne ble kalt alkymi og la stor vekt på eksperimentering, sammen med en uklar teori uttrykt i mystiske symboler. Selv om alkymi først oppsto mot slut­ ten av den klassiske verden i Alexandria (nå i Egypt), blomstret den spesielt hos araberne. En av hovedoppgavene for alkymien var å kunne omdanne et metall til et annet. Spesielt var det interes­ sant å omdanne simple metaller til gull. Alkymistene trodde dette kunne gjøres ved en passende substans - ofte kalt «de vises sten» - som bare ved sin tilstedeværelse skulle forårsake endringen. Opp gjennom århundrene har arabiske studier gitt en rekke praktiske resultater i fysikk og kjemi, men disse ble ikke satt inn i noen ny teoretisk sammenheng. Araberne holdt fast ved mye av det samme teoretiske innholdet som grekerne. Fra det tolvte århundret begynte lærde i Vest-Europa å oversette og studere de greske tekstene som araberne hadde reddet fra ødeleggelse, sam­ men med den videreføringene araberne hadde stått for. Etterhvert som den arabiske verden stadig ble mindre opptatt av naturviten­ skap, øket interessen i den vestlige verden, som i det femtende århundret tok igjen både araberne og grekerne. Det første europeiske gjennombruddet skjedde innenfor astrono­ mien. Den polske munken Nicolaus Kopernicus (1473-1543) regnet ut hvordan bevegelsen til himmellegemene kunne forklares dersom man antok at Jorden beveget seg rundt Solen og ikke omvendt. Hans initiativ førte i de neste 150 årene til en forklaring på planetbevegelse, en forklaring som fortsatt er akseptert. Denne teorien gikk ut på at bevegelse på himmelhvelvingen og på Jorden ikke er så grunnleggende forskjellig som man til da hadde antatt. Den kullkastet også ideen om en forbindelse mellom de kjemiske ele­ mentene og bevegelse. Et skille mellom fysikk og kjemi vedvarte derfor, fordi fysikk ble knyttet til astronomi mens kjemi ble knyttet til alkymi. Den engelske vitenskapsmannen Isaac Newton (16421726) var for eksempel ikke bare en av tidenes største matematike­ re og fysikere, han var også en ivrig alkymist, og det virker som om han ikke så noen sammenheng mellom disse aktivitetene. Den fornyede interessen for en atomteori i det syttende århun­ dret ga noe håp om en ny forbindelse mellom fysikk og kjemi. Ideen om at all materie er bygget opp av små usynlige partikler kalt atomer, kommer fra de gamle grekerne, men har alltid vært mindre populær enn troen på de fire elementer. Den ble nå fornyet med forslaget om at alle stoffer i verden kan bestå av atomer som henger sammen på forskjellig måte. Dette virker som en veldig moderne forklaring, men den var ikke særlig nyttig på 1600-tallet. På den tiden hadde man ingen mulighet til å studere atomer eller bestemme deres egenskaper. Så fysikk og kjemi fortsatte å utvikle seg i hver sin retning og uavhengig av hverandre.

8 Ved midten av det tyvende århundret begynte teoretisk fysikk og kjemi å stille de samme spørsmål, men med litt forskjellig innfallsvinkel

< ▲ John Dalton var den første kjemikeren som beskrev molekyler som en rekke grunnstoff arrangert på en spesiell måte. Her er Daltons modell for organiske syrer (1810-1815).

► Bildet av DNA-molekylet, som bestemmer den gene­ tiske koden. Bildet er laget av en datamaskin.

Det nittende århundret Opp til det attende århundret hadde fysikken utviklet seg raskere enn kjemien, men nå begynte det å skje ting innenfor faget kjemi også. Alkymiens teorier ble forkastet, men videre eksperimentell forskning ble iherdig bedrevet. Et spesielt interessant område var analyse av gasser, sammensetningen av luftarter. Det var etterhvert blitt klart at det gamle elementet «luft» faktisk besto av flere gasser. Studiet av andre gasser som ikke fantes i atmosfæren, førte til to store gjennombrudd. Først ute var franskmannen Antoine Lavoisier (1743-1794), som introduserte den moderne definisjonen av et grunnstoff, samt ideen om at disse grunnstoffene forbinder seg med hverandre og danner sammensatte stoffer. Deretter viste John Dal­ ton (1766-1844) i England og Amadeo Avogadro (1776-1856) i Ita­ lia at grunnstoffene opptrer i forbindelser i enkle forhold - avhen­ gig av vekt. Noe som man kunne forvente dersom materien besto av atomer. Forståelsen av kjemiske sammensetninger som en rekke atomer som var bundet sammen, førte til et av de mest fundamentale vi­ tenskapelige fremskritt i det nittende århundret. Hvert atom ble tilegnet et visst antall bånd - kalt valensbånd - og ved hjelp av disse kunne de danne forbindelser med andre atomer. Resultatene fra kjemisk analyse kunne tolkes med valenser, og teorien dannet også grunnlaget for fremstilling av nye stoffer. Kjennskapet til kje­ miske bånd ble utvidet gjennom resten av dette århundret. Karbon har for eksempel fire valensbånd, og fra studier av egenskapene til karbonforbindelser har kjemikerne funnet den relative romlige orienteringen til disse båndene. Dette førte til at man ble i stand til å forklare fysiske observasjoner som tilsynelatende ikke hadde noen forbindelse. Man visste også at en del egenskaper ved lys endrer seg når det går gjennom en del organiske materialer, og kjemikernes teorier og kjennskap til valensbåndene kunne også gi en forklaring på disse lysendringene. I disse tilfellene var kjemien mer egnet enn fysikken til å beskrive materiens natur. De fleste fysikerne i det nittende århundret betraktet atomer som ørsmå biljardkuler. Kjemikerne innså at atomene måtte være mer komplisert enn som så, men var ikke i stand til å gi en bedre

STUDIET AV DEN MATERIELLE VERDEN

9

beskrivelse. Det var fysikerne som sto for dette viktige gjennom­ bruddet, og igjen skjedde det gjennom studier av gasser. I dette tilfellet fra observasjoner av elektrisk gjennomgang i fortynnete gasser. Eksperimenter utført av den britiske fysikeren JJ. Thomson (1856-1940) viste at katodestråler gjennom en gass besto av subatomære partikler. Dette ga en viss innsikt i atomenes indre struktur. Thomson oppdaget at atomene inneholdt partikler med lav masse og negativ ladning som han kalte «elektroner». Ikke lenge etter kom newzealenderen Ernest Rutherford (1871-1937) frem til at ato­ mene besto av en elektronsky som sirklet rundt en langt mer mas­ siv, positivt ladet kjerne. Dette var fantastiske fremskritt, men det var det neste steget fremover som fikk størst betydning for kjemien. Nå kom selve for­ klaringen. Kvantemekanikken begynte med Niels Bohr (1885-1962) like før første verdenskrig, men fikk ingen praktisk betydning før i 1920-årene. Kvantemekanikken viste hvordan elektronene i for­ skjellige atomer kunne påvirke hverandre slik at atomene ble bun­ det sammen. Nå kunne man forklare kjemikernes valensbånd og valensbindinger ved hjelp av fysikernes elektroner i atomene.

Fysikk, kjemi og industri I 1920-årene ble felleskapet mellom fysikk og kjemi teoretisk etab­ lert, men de to fagenes praktiske bruksområder tok forskjellig ret­ ning. En seriøs kjemisk industri oppsto først på slutten av det atten­ de århundret. Den forble en småindustri på et elementært nivå, og var hovedsakelig opptatt av å fremstille enkle kjemikalier til husholdningsbruk, som for eksempel kaustisk soda, natriumhydroksid (NaOH). Mot slutten av det nittende århundret ble man mer opptatt av å produsere organiske stoffer (karbonforbindelser). Den vellykkete fremstillingen av kunstige farvestoffer førte til en rask vekst i den kjemiske industrien, og denne veksten har fortsatt siden. En indu­ stri basert på fysiske nyvinninger kom i gang senere, men ved slutten av det nittende århundret hadde kjennskapet til elektrisitet og magnetisme gitt opphav til fremgangsrik industriell virksomhet, som for eksempel fremstilling av elektriske apparater og innen kommunikasjon. Disse fysikk-baserte industriene hadde lite til fel­ les med den kjemiske industrien, og avstanden ble ikke mindre i den første halvdelen av det tyvende århundret. Mye har endret seg i de siste tiår. Vitenskap, industri og militær­ vesen er blandet sammen på mange måter som involverer anven­ delse av fysikk og kjemi. Et godt eksempel er Jordens øvre atmo­ sfære. Dette er et område som er svært interessant både for romfart og militære formål. Hvordan det kan utnyttes, er avhengig av hvil­ ken gass som befinner seg der, og bestemmelsen av disse gassene har ført til felles vitenskapelige anstrengelser innen fagene fysikk og kjemi. Det mest slående eksemplet på den gjensidige avhengigheten er molekylærbiologi. Egenskapene ved biologiske materialer har lenge vært studert ved ulike kjemiske og fysiske teknikker. Den viktigste er deres vekselvirkning med røntgenstråler. Det tok lang tid å komme frem til resultater fordi biologisk materiale er svært komplisert. Men forskere, hovedsakelig i Storbritannia og USA, har gradvis øket vår forståelse av biologiske systemer. Et av de viktigste fremskrittene ble gjort i 1953 da Francis Crick (f. 1916) og James Watson (f. 1928) klarte å beskrive strukturen i det viktigste geneti­ ske molekylet DNA. Fra denne oppdagelsen oppsto den nye bio­ teknologiske industrien. I dag har vi fått bekreftet de gamle greker­ nes tro på at disse tre vitenskapene henger sammen, men på en måte som går langt utover deres forventninger.

10 I dag er det en flytende grense mellom fysikk og kjemi

Fysikk

Rekkevidden av fysikk og kjemi Dagens fysikere og kjemikere kan bruke sine kunnskaper innen nesten alle vitenskapelige og tek­ nologiske områder. Dette er ingen overraskelse. Pro­ blemstillinger som involverer fysikk og kjemi er grunnleggende for ethvert forsøk på å forstå verden omkring oss. Det finnes forskere som studerer fysikken og kjemien til stjernene og planetene, mens andre undersøker fysikken og kjemien til planter og dyr. Listen over forskningskombinasjonene er uendelig. Fysikken er vanligvis inndelt i områder som for eksempel lydlære, varmelære og lyslære. Disse ka­ tegoriene gjenspeiler ikke hvor sammensatt og innviklet moderne fysikk er, men sier noe om fysikkens anvendelsesmuligheter. Utforming og design av musikkinstrumenter krever for eksempel inngående kunnskap om lyd. Det gjør også bygging av konsertbygg og fremstilling av moderne musikk­ anlegg hvor man dessuten gjør bruk av den omfattende mikroelektronikken som er basert på elektromagnetisme og faste stoffers fysikk. Fysikerne i denne industrien er i forskjellig grad opptatt av elektronikk, som datamaskiner, regnema­ skiner og biosensorer (som måler de fysiske egen­ skapene ved levende organismer). Elektromagnetis­ me finner man i de fleste former for kommunikasjon,

Kjemi

og fysikere arbeider med forbedring av telefon, radio og fjernsyn. Laser er blitt laget for flere formål, fra kommunikasjon på den ene siden til medisin på den andre. Laser brukes også i et meget viktig område av moderne fysikk - forsøket på å finne nye energikilder, for eksempel ved fusjon. Kjemien har også sin tradisjonelle inndeling fysikalsk, uorganisk og organisk kjemi - men som i fysikken har disse skillelinjene sklidd ut på samme måte som grensene mellom fysikk og kjemi. Både kjemikere og fysikere er ofte opptatt av energikilder. Oljeindustrien benytter kjemikere til forskjellige oppgaver, fra oljeleting til utviklingen av brennstoff og forbrenningsmotorer. Andre kjemikere overvåker forurensningen fra disse forbrenningsmotorene. Miljøkjemi er et stadig mer aktuelt område. Studier av forurensning involverer ofte leting etter små mengder av et stoff, en problemstilling som deles med rettskjemikere som samarbeider med politiet. Mye av dette arbeidet består av analyse å finne bestanddelene i et stoff - men mange kjemikere er mer opptatt av å finne frem til nye stoffer. Store mengder tid og penger blir brukt til dette i legemiddelindustrien. Både fysikere og kjemikere er ansvarlig for sitt fags fremtid, så mange av dem arbeider med undervisning.

▲ Sammen utgjør fysikk og kjemi et nettverk av fagområder som står i forbin­ delse med hverandre og som brukes til å forklare materie, energi og universet. Fysikken har størst rekkevidde og inkluderer alt fra de minste subatomære partiklene på den ene siden og hele universet på den andre siden. Kjemien derimot må begrense seg til nivået for atomer og molekyler, men disse er byggesteiner i all materie. På en del områder, i midten av diagrammet over, studerer fysikere og kjemikere de samme fenomener, men under forskjellig angrepsvinkel. De fleste av fagområdene i disse boksene er oppstått så sent som i de siste femti årene. Grensen mellom flere av disse fagområdene er svært flytende.

____ __________ L Kraft, energi og bevegelse Hvorfor beveger legemer seg?... Newtons bevegelseslover... Friksjon... Energi i virksomhet... Omdannelse av energi... Svingende systemer... PERSPEKTIV... Vektorer, hastighet og akselerasjon... Sirkulær bevegelse... Gravitasjon... Newton og eplet... Tidevannet... Fysikk og biljard... Definisjon av arbeid... Resonans

La oss tenke oss en ball som blir slått med for eksempel en golfkølle. Dette setter ballen i en bevegelse som etter en stund vil avta og ballen vil igjen ligge i ro. De gamle greske filosofer var ganske forundret over slike fenomen. De kunne ikke se noen grunn til at ballen skulle fortsette sin bevegelse etter at kontakten mellom den og stokken var brutt. Aristoteles (384-322 f.Kr.) mente at det medium som ballen beveget seg gjennom fortsatte å puffe ballen. Dette problemet ble forstått på denne måten inntil den italienske vitenskapsmannen Galileo Galilei (1564-1642) kom frem til at pro­ blemet ble angrepet fra feil utgangspunkt. Han argumenterte med at konstant, rettlinjet bevegelse var en like vanlig tilstand som det å være i ro, men at den vedvarende virkning av friksjonen på lege­ mer i bevegelse skjuler dette. Uten friksjon ville ballen rullet i en rett linje uten å stoppe, med mindre den traff et annet legeme og dermed skiftet retning. Det er derfor kun endring av bevegelse som fortjener spesiell oppmerksomhet.

Hastighet og akselerasjon Fysikerne skiller mellom de to begrepene fart og hastighet. Fart er et mål på den veilengde et legeme tilbakelegger i et gitt tidsintervall, uavhengig av hvilken retning det beveger seg i. Den kan måles i meter per sekund eller kilometer per time. Hastighet er derimot en såkalt vektorstørrelse: Med det menes en størrelse som angir både retning og størrelse. To skip som tilbakelegger like stor distanse i det samme tidsrom har samme fart, men de har samme hastighet kun når de også beveger seg i samme retning. Fordi man også inkluderer retning, må man ved addisjon av hastigheter, og andre vektorstørrelser, bruke spesielle regneteknikker. Disse innebærer å tegne parallellogram hvor hver linje angir både størrelsen og retningen til en vektor. Akselerasjonen (en annen vektorstørrelse) er definert som endringen i hastighet pr.sekund, og den er målt i meter/sekund2. En satellitt i sirkulær bane vil bevege seg med konstant fart, men dens bevegelsesretning vil hele tide endre seg. Av denne grunn vil hastigheten forandre seg på samme måte slik at man i dette tilfellet har akselerert bevegelse. Akselerasjonen er rettet mot banens sentrum, og er forårsaket av gravitasjonskraften. ▼ Bevegelse er ikke en tilstand som er mer uvanlig enn det å være i ro. Det er endringen av bevegelsestilstand som er av avgjørende betydning. Når en hest plutselig stopper, vil rytteren ha en tendens til å fortsette sin bevegelse.

12 Newtons første lov forklarer hvorfor en kunstløperske trekker armene inn mot kroppen når hun utfører en piruett

Galileo Galilei studerte også bevegelsen til fallende legemer, og beviste at to legemer i fritt fall i samme avstand fra Jordens overfla­ te har samme akselerasjon. Han utledet det fundamentale grunnlag for dynamikken ved å vise at hastigheten til et legeme med kon­ stant akselerasjon øker proporsjonalt med tiden, mens avstanden det tilbakelegger er proporsjonal med kvadratet av tiden. Grunnen til at alle fallende legemer har samme akselerasjon forble et ube­ svart spørsmål. Da den engelske vitenskapsmannen Isaac Newton (1642-1727) begynte å arbeide med denne problemstillingen, kom han frem til tre «bevegelseslover». Disse ble det grunnlag han bygget sin re­ volusjonerende gravitasjonsteori på. Første lov sier at «et legeme vil forbli i ro eller fortsette i rettlinjet jevn bevegelse hvis det ikke virker krefter på det». Newton introdu­ serte begrepet treghet som et mål på et legemes motvilje mot å forandre sin bevegelsestilstand. Med sin andre lov: «Endringen pr. tidsenhet i et legemes masse­ fart er proporsjonal med de krefter som virker på legemet, og har samme retning som denne kraften», forsøkte Newton å beskrive et legemes endring av bevegelsestilstand ved påvirkning av ytre krefter. Han introduserte størrelsen «massefart» som produktet mel­ lom masse og hastighet. Der massen er konstant, kan man uttrykke denne loven som «kraft er lik masse ganger akselerasjon». Den tredje lov sier at «hvis legeme A virker på legeme B med en gitt kraft, vil legeme B virke på legeme A med en like stor, men motsatt rettet kraft». Newton illustrerte sin tredje lov med et eksempel hvor en hest trekker en stein ved hjelp av et tau. Steinen opplever en kraft som virker i hestens retning mens hesten derimot opplever en kraft som virker motsatt, i steinens retning. Strekket i tauet vil bevirke at steinen blir satt i bevegelse samtidig som den forsøker å hindre hestens bevegelse. En konsekvens av Newtons andre og tredje lov er at når to lege­ mer kolliderer uten at ytre krefter virker på dem, vil den totale massefart før kollisjonen være lik den totale massefart etter kollisjo­ nen. Dette kalles «bevarelse av massefart» og er svært viktig i analy­ se av kollisjoner eller andre former for vekselvirkninger. Når man f.eks. avfyrer et gevær vil rekylens massefart være lik og motsatt rettet kulens massefart. Legger man sammen disse får man at den totale massefarten er null - det samme som før man skjøt. Sirkulær bevegelse Et legeme, for eksempel en karusellstol, som beveger seg i en slrkelbane kan virke som om den er i jevn bevegelse. Men I virkeligheten forandrer hastigheten seg hele tiden. For å forstå dette tar vi i betraktning at hastighet er en vektorstørrelse som angir både retning og størrelse. Ved ethvert tidspunkt vil stolens hastighet ha samme retning som sirkelbanens tangent. Når stolen beveger seg vil denne retningen, og derfor også hastigheten, forandre seg. I følge Newtons første lov har man derfor at stolen er utsatt for en kraft og at den hele tiden virker på stolen via snoren som forbinder den med karusellen. Hvis snoren røk, slik at kraften som virker gjennom den plutselig ble borte, ville stolen fare bortover i en rett linje. Dette er i samsvar med Newtons første lov. En kraft som forårsaker en sirkulær bevegelse på denne måten kalles en sentripetalkraft. Den virker i retning av sirkelbanens sentrum, og danner derfor en rett vinkel med banebevegelsens hastighet. Kraftens størrelse er lik legemets masse multiplisert

▲ En ishockey-puck demon­ strerer Newtons første lov ved at den vil bevege seg i en rett linje etter at den er truffet. I følge hans andre lov har vi at jo tyngre et legeme er desto større kraft trengs det for å sette det i bevegelse. Det vet alle som har prøvd å puffe eller trekke (høyre) en varebil. Newtons tredje lov setter likhet mellom kraft (her repre­ sentert med trekket utført av mannen) og motkraft (kraften forårsaket av varebilens vekt i motsatt retning).

► Folkene i karusellen beveger seg ikke i en rett linje. De er utsatt for en sentripetal kraft som virker mot sentrum for deres sirkelbevegelse. Denne kraften er et resultat av stolens masse og personen som virker mot bakken, og strekket i snoren som forbinder stolen med karusellen.

med kvadratet av farten, dividert med sirkelbanens radius. Som nevnt er fart hastighetens størrelse. Et objekt som befinner seg i en krum bane eller i rotasjonsbevegelse rundt sin egen akse har en «banefart». Det er den vinkel et legeme tilbakelegger i forhold til sentrum for sin banebevegelse pr. tidsen­ het. Et legeme som beveger seg i jevn sirkelbeve­ gelse, slik som karusellstolen, har konstant banefart, på tross av at dens hastighet endrer seg hele tiden. Legemer med banefart har «bane-impuls moment» på linje med massefart som også kan kalles «lineær impuls» for legemer i rettlinjet bevegelse. Baneimpuls er lik masse multiplisert med fart, multiplisert med banebevegelsens radius. I ethvert fysisk system vil den totale baneimpuls være bevart hvis systemet ikke utsettes for krefter som påvirker rotasjonsbevegelsen, såkalt torsjon. Vi har altså at hvis radiusen minker så vil hastigheten øke - dersom massen holdes konstant. Dette er grunnen til at for eksempel en kunstløper roterer langsommere når han holder armene utstrakt og raskere når han trekker dem inn.

KRAFT, ENERGI OG BEVEGELSE

13

14 Innføring av begrepet gravitasjon satte vitenskapsfolk i stand til å beskrive planetenes baner, tidevannets rytmer, fallende legemer og mange andre fenomen

Gravitasjon Gravitasjonen er den tydeligste av naturens funda­ mentale krefter. Den gjør at vi holder oss på bakken, og den styrer universets oppførsel. Planetenes, stjernenes og galaksenes struktur og bevegelse er alle styrt av gravitasjonskrefter. Newton var den første som forsto at alle massive legemer tiltrekker hverandre. Han viste at tiltrek­ ningskraften mellom to legemer er proporsjonal med produktet av deres to masser multiplisert med en konstant, og omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden mellom dem. Den nevnte konstant kalles den universelle gravitasjonskonstant. Den er vanligvis angitt med G, og er lik 6.673x10'11 newton meter2 pr. kilogram2. Ved å erklære denne som universell konstant, antok Newton at himmellegemene - Månen og stjernene - fulgte de samme lover som legemene på Jorden. Dette var et revolusjonerende fremskritt. Siden den greske filosofen Aristoteles (384-322 f.Kr) hadde folk trodd at jordiske legemer og himmellegemer fulgte forskjellige lover. Etter Newton derimot kunne fysikerne betrakte universet som deres laboratori­ um, og hans synspunkter forble enerådende helt til slutten av det nittende århundret.

◄ ▼ Galileo er velkjent for at han til stadighet slapp legemer med forskjellig masse fra det skjeve tårn i Pisa. Han utførte også en del andre eks­ periment, som for eksempel å rulle stålkuler ned en svakt skrånende planke og måle distansen de la bak seg i et gitt tidsintervall målt med en vannklokke. Dette viste at ha­ stigheten økte jevnt med tiden ettersom kulen beveget seg nedover planken som en følge av gravitasjonskraften.

KRAFT, ENERGI OG BEVEGELSE

15

«Gud sa: La Newton bli til, og alt ble lyst»

4 Luftakrobater vil oppleve en kraft fra luftmotstanden som er proporsjonal med farten. Når farten blir stor nok, vil luft­ motstanden utligne gravita­ sjonskraften, og de vil falle med konstant fart i pakt med Newtons 1. lov.

▼ Ved lavvann ligger fiske­ båter tørre på sanden utenfor en havn fordi havet er påvirket av Månens skiftende gravita­ sjonene tiltrekning når den beveger seg rundt Jorden.

▲ Den engelske fysikeren Henry Cavendish (1731-1810) gjorde de første målinger av gravitasjonskonstanten ved å bruke en torsjonsvekt. Denne vekten består av to små kuler som er festet til hver sin ende av en stang. Stangen er hengt opp i en snor fra sitt midt­ punkt. Det var plassert store kuler i begge ender, men på hver side av stangen som tiltrekker de små kulene med sin gravitasjonskraft og får stangen til å rotere.

Isaac Newton ble født i januar 1643 i Woolsthorpe, Lincolnshire. Som ung gutt var han fascinert av mekaniske innretninger, og han begyndte å studere ved universitetet i Cambridge i 1660 hvor han ble uteksaminert i 1665. Da byllepest nådde Cambridge i 1665 dro han tilbake til sin mors gård. Denne påtvungne ferien ga ham tid til å utvikle sine ideer om gravitasjonsloven som han publiserte senere i sin bok «Principia Mathematica». På samme tid gjorde han en hel rekke optiske eksperimenter, og oppdaget blant annet at hvitt lys var en blanding av farger. Newton var distré og mislikte kritikk. Han førte en internasjonal debatt med den tyske matematike­ ren Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716) om hvem som først hadde utviklet den matematiske funk­ sjonsanalysen. På mer hjemlige trakter kranglet han i årevis med den britiske fysikeren Robert Hooke (1635-1703). Hooke hevdet at Newton hadde stjålet ideer og brukt dem i «Principia». Newton ble til slutt tvunget til å ta med et lite avsnitt hvor han anerkjen­ ner at Hooke og en del andre hadde utviklet en del ting som han nå gjennomgikk i større detalj. Disse uoverensstemmelsene gjorde Newton meget forarget og har nok bidratt til hans nervesammenbrudd i 1692. En stor del av sitt liv brukte Newton til å forsøke å produsere gull og til teologiske spekulasjoner. På tross av dette er han æret og respektert som få andre vitenskapsfolk.

Gravitasjon og tidevann Jorden og Månen roterer rundt sitt felles massesenter (det punkt i rommet der en utenforstående ville kunne anta at all massen var samlet). Fordi Jordens masse er så mye større enn Månens, vil massesenteret være mye nærmere Jorden enn Månen. Newton viste at et legeme vil bevege seg i rett linje med konstant fart medmindre en ytre kraft virker på det. Det må altså finnes en kraft som holder Jorden i bane rundt massesenteret til jordmånesystemet. Denne kraften, som er sentripetal, er forårsaket av Månens gravitasjonelle påvirkning. Kraften har den størrelse som må til for å holde Jorden i bane rundt massesenteret. Månens gravitasjonskraft avtar når avstanden fra Månen øker. For punkter på Jorden som er nærmere Månen enn Jordens senter, vil gravitasjonskraften være større enn nødvendig for banebevegelsen. Her vil Jorden «strekke» seg mot Månen. Havet, som er friere til å bevege seg, vil bule ut mot Månen. For punkter på den andre siden av Jorden er gravita­ sjonskraften svakere enn nødvendig, og havet buler ut i retning bort fra Månen. Jorden roterer rundt sin egen akse «under» disse utbulningene som beveger seg over Jordens overflate. Dette fører til at man har høyvann to ganger om dagen. Også gravitasjonskraften fra solen forårsaker tidevann, men den er så mye lenger borte enn månen slik at gravitasjonskraften endres mindre over Jordens diameter. Tidevannet er høyest (springflo) når solen, Månen og Jorden forsterker hverandre og lavest når de tre legemene danner en 90 graders vinkel slik at tidevannseffekten fra solen og Månen virker mot hverandre.

Påfølgende skudd Rullende støtkule

Fremoverspinn

Sidespinn

Friksjon

Overført bevegelse forover

Støtkulen spinner i ro

Bakoverspinn

Venstre

Friksjon

Friksjonen demper spinnet og aksellererer

Objektkulen ruller bort

Friksjon

Støtkulen begynner å rulle igjen

Et ekspertskudd ► I dette biljardskuddet er målet å få alle seks kulene ned i en lomme. En erfaren spiller ville treffe køkulen over og til venstre for sentrum mot kule 2. Virkningen (se detalj) er slik at kule 2 treffer kule 5 og spretter ned i lommen. Kule 3 rekylerer bort fra siden mot den motsatte lommen og skrur seg litt mot høyre på grunn av friksjon med kule 2. Nettokraften på kule 5 sender den mot den øverste lommen, mens kule 1 og 4 går i lommen samtidig. Fremoverspinnet til støtkulen gir den mulighet til å fortsette sin bevegelse med litt krumning på grunn av sidespinn. Slik vil den rikosjere av fra sidene tre ganger, for til slutt å slå kule 6 inn i den nederste lommen.

Nettokraft

Friksjon

a

◄ I et biljardspill treffer en kø kulen litt over senteret (lengst til venstre) og gir den frem­ overspinn, med rotasjon i samme retning som bevegelsen. Treffer køen under sentrum, får man bak­ overspinn. Treffer man til høyre eller venstre for sentrum får man sidespinn og kulen skrur seg i riktig retning. I detalj vil skudd være avhengig av samvirket mellom en kules bevegelse og friksjonen mellom kulen og bordet (venstre).

KRAFT, ENERGI OG BEVEGELSE

Fysikk og biljard Bevegelseslovene blir ofte beskrevet ved hjelp av kollisjoner mellom biljardkule r. Dette blir gjort fordi man i et todimensjonalt plan kan beregne impuls og retningsforskjell etter en kollisjon på grunnlag av kulenes impuls og retningsforskjell før kollisjonen. Det er bekvemt å tenke seg at biljardkuler oppfører seg sånn, men i virkeligheten vil friksjonen føre til at deres oppførsel ikke er så enkel. Når en kule beveger seg over et biljardbord, har den to typer bevegelse. Den ene er en forover «translasjonsbevegelse», og den andre er en rotasjon rundt kulens sentrum. Når man betrakter rullebevegelsen alene, har man et forhold mellom disse to. I andre tilfeller vil man ha en sklibevegelse på bordflaten. For å unngå at kulen sklir, må man sørge for at ballen blir satt i bevegelse med riktig tilpasset rotasjon. Dette kan man få til ved å treffe den litt over midtpunktet slik at man får fremoverspinn. Si­ dekantene på bordet når ikke helt ned til bordplaten, men stopper litt mer enn en kuleradius over dette for å oppnå denne effekten. Når en rullende kule treffer en som ligger i ro, vil dens bevegelse og bevegelsesretning bli overført til den som ligge i ro. Denne vil begynne å skli fremover fordi den er truffet i sitt midtpunkt. Hvis kulene er tilstrekkelig glatte, vil det ikke være nevneverdig friksjon mellom dem, og noen rotasjonsbevegelse vil ikke bli overført i kollisjonen. Den innkomne kulen vil øyeblikkelig ligge i ro, men fremdeles rotere rundt sin egen akse. Friksjonskraften som sinker denne rotasjonen vil også gi den innkomne kulen ny foroverrettet bevegelse (og hvis den har stor nok hastighet, kan den også slå støtkulen ned i lommen). Hvis den innkomne kulen fremdeles spinner når den treffer en annen, vil spilleren ha en del kontroll over resultatet. Hvis den ikke roterer i det hele tatt, men bare sklir over bordplaten, vil den ligge helt i ro etter kollisjon med en annen kule. Hvis den derimot er truffet av køen under sitt midtpunkt, får den bakoverspinn i motsatt retning av translasjonsbevegelsen. Dette medfører at den vil bevege seg bakover etter å truffet en annen kule. Hvis kollisjonen ikke er rett på, men noe på skrå, vil ikke den innkomne kulen miste all sin transla­ sjonsbevegelse, men bevege seg unna i en annen retning med lavere fart. Friksjonskraften som virker mot sklibevegelsen er nå ikke nødvendigvis i samme retning som bevegelsen. Som et resultat av dette vil kulen også ha skru samtidig som den sklir helt til den begynner å bevege seg i en rett linje når en trillebevegelse inntrer. Dette gjør at spilleren til en viss grad kan forutse kulens endelige retning. Det er viktig for ham når han skal planlegge sitt neste skudd. På samme måte kan en spiller skru kulen. Ved å treffe til høyre eller venstre for midtpunktet, vil spinnet man oppnår være på tvers av bevegelses­ retningen. Friksjonskraften vil virke fra siden og gi kulen en skrubevegelse så lenge den sklir bortover bordplaten. Disse teknikkene forutsetter at den innkomne kulen ikke har begynt å trille. For et typisk kontant skudd betyr dette at kulen Ikke har tilbake­ lagt mer enn ca. 1 m før den treffer en annen.

17

Newton hadde kjennskap til to typer av krefter. Den ene typen er de kreftene som involverer kontakt i en eller annen form, som for eksempel friksjon, strekk og kompresjon. Den andre typen er de kreftene som virker over avstand, slik som magnetisme eller elektrostatiske krefter, og den kraften som Newton var spesielt opptatt av, gravitasjon. På bakgrunn av dette begynte vitenskaps­ folk å beskrive krefter ved hjelp av vekselvirkninger mellom partik­ ler. For eksempel beskrev de lufttrykk ved å betrakte det som kolli­ sjoner mellom luftmolekyler og flater, eller kreftene mellom mole­ kyler som gjør at et tau ikke ryker når det blir strukket. Begrepet «felt» ble innført for å forklare krefter som virker over avstand. I dag kan alle de tilsynelatende forskjellige krefter forklares ut fra fire fundamentale krefter. Alle de fysiske egenskaper ved vår hverdag handler om samspill av krefter. Når to flater glir mot hverandre, må man ta friksjon med i betraktningen. I en del tilfeller kan det være ønskelig å redu­ sere dens innvirkning så mye som mulig (ved bruk av smøring i maskiner etc.). Uten friksjon kan vi hverken gå eller stå. Friksjonens virkemåter kan på enkelt vis demonstreres ved å un­ dersøke den kraft som trengs for å trekke en metallkloss over en horisontal metallflate. Friksjonskraften vil alltid virke i motsatt ret­ ning av klossens bevegelse. Den kan ha en hvilken som helst verdi som er nødvendig for å forhindre bevegelsen, fra null og opp til sin maksimale verdi som er når klossen begynner å skli. Dens mak­ simalverdi er avhengig av kraften som virker vinkelrett på flaten klossen ligger på, men ikke på størrelsen av kontaktflaten mellom dem. Den er også avhengig av egenskapene til de to flatene. Når klossen begynner å skli, vil friksjonskraften vanligvis avta noe. Når man ser mer i detalj på overflaten finner man at det ikke finnes noe sånt som en helt glatt metallflate. Det vil alltid være bare et par kontaktpunkter mellom klossen og overflaten. I disse vil man finne at det lokale trykk er veldig høyt, og kreftene mellom molekylene forsøker å holde de to sammen. For at klossen skal begynne å skli, må disse lokale båndene brytes og dette gir opphav til friksjonskraften. Samtidig som man bryter noen sånne bånd, vil nye stadig danne seg. Antallet lokale bånd vil ikke endres nev­ neverdig når den tilsynelatende kontaktflaten endres, men vil gjøre det hvis kraften mellom klossen og underlaget endres.

▲ Selv den polerte overflaten til aluminium virker ujevn i et mikroskop.

18

Energiens bevarelse Et hydroelektrisk kraftverk tapper den potensielle energien som er lagret i vannreservoaret. Når vannet får falle, vil dets potensielle energi bli omdannet til kinetisk energi.

Det er et kontinuerlig samspill mellom forskjellige former energi. Et av de enkleste eksemplene er en ball i en brønn. Hvis ballen slippes fra toppen av en av sidene, vil den trille til bunnen og opp på den andre siden. Der vil den omsider stoppe for så å rulle tilbake mot bunnen og opp på den første siden igjen. Hvis det ikke var noen friksjon mellom ballen og brønnens vegger, ville denne periodiske bevegelsen kunne fortsette i det uendelige. I praksis vil ballen gå kortere og kortere opp langs brønnveggen for hver gang, til den til slutt legger seg til ro i bunnen av brønnen. Hva er det egentlig som skjer med ballen? Den øker sin kinetiske energi - bevegelsesenergi - når den ruller ned i bunnen av brønnen og bruker denne energien for å rulle opp på den andre siden til den snur og ruller ned igjen. Den kinetiske energien øker når ballen ruller ned gjennom Jordens gravitasjonsfelt. Arbeidet som ballen utfører mot gravitasjonen er definert som kraften som virker på ballen (på grunn av gravitasjonen) multiplisert med den vertikale distansen den tilbakelegger (det vil si avstanden mellom ballens høyeste punkt og bunnen av brønnen). Ballens energiforandringer står i forhold til det utførte arbeidet. Den kinetiske energien blir omdannet til arbeid når ballen beveger seg opp langs brønnveggen. Men dette er ikke en fullstendig beskri­ velse av ballens bevegelse. Når ballen har brukt opp sin kinetiske energi og stopper, begynner den umiddelbart å rulle ned igjen. Da den beveget seg opp langs veggen, ble en annen type energi - den gravitasjonelle potensielle energi - øket. Det er lett å påvise at den mottatte potensielle energi er lik den tapte kinetiske energi.

UJ

? gUJ □ i

, \

I fjellet under dammen driver vannet store turbiner og vannets lineære kinetiske energi blir omformet til rotasjonsenergi. Denne prosessen utnytter ikke all energien i vannet fordi vannet ikke stanser helt, men renner videre etter at det har gått gjennom turbinene.

▲ Hvis en ball blir sluppet ned fra en høy brannvegg, vil den rulle frem og tilbake, og opp og ned langs veggene. Den vil rulle kortere og kortere opp langs veggen, for til slutt å legge seg til ro i det laveste punktet i bunnen av brannen. Energien vil hele tiden skifte mellom kinetisk energi og potensiell energi. Gradvis vil ballen miste all energi og falle til ro på bunnen av brannen. Energien er ikke forsvunnet, men ført bort fra ball/brønnsystemet og blitt omdannet til blant annet bølger og støy.

► For en fysiker er arbeid at en kraft beveger et legeme, eller sagt på en annen måte: Når energi blir omdannet fra en form til en annen. Jo større avstand et objekt flytter seg jo mer arbeid utføres. James Joule var en av de første som forsto sammenhengen mellom varme og mekanisk arbeid. Enheten joule er et mål på utført arbeid. Når man løfter 1 kg 10 cm opp, har man utført et arbeid på ca 1 joule. Dette tilsvarer arbeidet med å løfte en pose sukker fra en hylle til en annen på kjøkkenet.

Når elektrisiteten kommer frem til forbrukeren blir den elektriske energien omdannet til andre former for energi. Spesielt energi som varme, lys og lyd - alle nødvendige be­ standdeler ved en rockekonsert. I hjemmene vil omdanning til mekanisk energi foregå i alt fra vaskemaskiner til gressklip­ pere. Når man baker kan den elektriske energien utløse kjemiske endringer, som f.eks. når en kake hever seg.

KRAFT, ENERGI OG BEVEGELSE

Den totale energi - den kinetiske energien pluss den potensielle energien, vil forbli uforandret. En type energi vil ganske enkelt omdannes til en annen type energi. Omdanningen fra en type energi til en annen er et helt grunnleg­ gende prinsipp i alle maskiner. Fra helt enkle innretninger som boksåpnere til de avanserte prosessene som finner sted i et hydroelektrisk kraftverk. Selv det menneskelige legeme kan betraktes som en maskin som hele tiden omdanner energi fra en form til en annen. Kroppen forvandler energien som finnes i maten til kje­ misk energi som lagres i musklene. Den energien kan deretter utlø­ ses som kinetisk energi i en løper eller til potensiell energi i en høydehopper. Ingen av disse maskinene, hverken kroppen eller kraftverket, er 100 prosent effektive når det gjelder å omforme en type energi til en annen. I alle prosesser vil det være energitap. Prinsippet om bevaring av energi er en fundamental fysisk lov som gjelder for alle former for energi. Energi kan ikke skapes eller forsvinne. Det finnes mange typer energi, men i en hver prosess vil den totale energien alltid være bevart. Elektrisk-, kjemisk- eller kjerneenergi er alle kjente fra vårt daglige liv, på samme måte som de former for energi vi kjenner bedre som varme, lys og lyd. Kjer­ neenergi blir brukt til å varme opp vann for å drive turbiner. Turbi­ nene produserer elektrisitet som igjen blir brukt til blant annet lys og varme. Biler blir drevet av den kjemiske energien som blir utløst når bensin forbrennes. Einstein viste i sin spesielle relativitetsteori at også masse er en form for energi som kan utløses i kjernereaksjo­ ner. Bortimot all energi som virker på Jorden har sin opprinnelse fra solen.

I turbinen går en del av energien fra vannet med til å overvinne friksjonen mot rotasjonen av turbinbladene. Denne «tapte» energien blir omdannet til varme. Andre tapsfaktorer er energien som produserer lyd. Turbinene driver generatorene som omdanner den kinetiske energien til elektrisk energi.

TASJONSENERGI

Rotasjonen til et turbinblad i et kraftverk gjør at en stor elektromagnet - rotoren - roterer inni en spole som ligger i ro. Bevegelsen til elektromagneten induserer en elektrisk strøm i spolen, og på den måten overføres kinetisk energi til elektrisk energi. Det er fordelaktig å bevege elektromag­ neten fremfor spolen fordi det kreves relativt lite strøm for å skape det magnetiske feltet. Strømmen som blir indusert i spolen er mye større. På dette nivået er energitapet rundt 2 prosent. Det finnes mange for­ skjellige turbintyper.

19

Definisjon av arbeid Den britiske vitenskapsmannen James Prescott Joule (1816-1889) var en av de første som forsto at mekanisk arbeid kan produsere varme. Han utførte en rekke eksperimenter for å vise at friksjon kan føre til oppvarming. Blant disse var hans berømte skovlhjul-eksperiment hvor han brukte et oppsett av skovler festet til en akse som lå på tvers over et kar med vann. Når skovlen roterte rundt sin akse, ble vannet oppvarmet av friksjonen mellom skovlene og vannet. På denne måten ble det mekaniske arbeidet som ble brukt for å bevege skovlen, omdannet til varme som kunne måles ved tempera­ turøkningen i vannet. Et system bestående av lodd og trinser ga Joule mulighet til å regne ut det utførte arbeidet. På denne måten kunne han studere sam­ menhengen mellom utført arbeid og varme. Den moderne enhet for arbeid, er oppkalt etter Joule. En joule er det arbeid som utføres når man bruker en kraft på en newton over en meter. På jordoverflaten vil gravitasjonskraften som virker på en masse på ett kilo være 9.8 newton. En joule er omtrent den energien som skal til (eller det arbeidet som må utføres) for å løfte 1 kg 10 cm opp. Ut fra varmebetraktninger har man at energien som behøves for å øke temperaturen til 1 gram vann med 1° C er lik 4.18 joule. Elektrisk energi måler man vanligvis i enheten for effekt. Derfor defineres sam­ menhengen mellom enheten for effekt, watt, som energistrømmen av en joule per sekund.

Den elektriske energien som blir dannet av generatorer er i form av vekselstrøm. Stor strøm ved relativt lav spenning fra generatoren blir omdannet til liten strøm ved høy spenning (egnet til transport i ledninger) før den sendes videre. Denne omdan­ ningen finner sted i transfor­ matorer og er svært effektiv.

ELEKTRISK ENERGI

Elektrisiteten blir transportert gjennom et nettverk som forbinder kraftverkene med forbrukerne. Kraftlinjene bringer elektrisiteten over store avstander. Dette skjer ved høye spenninger for å minimali­ sere energitapet som forårsakes av elektrisk motstand i ledningene. Denne energien transporteres bort i form av varme.

20 Resonans utnyttes blant annet i musikkinstrumenter

Resonans Alle gjenstander har sin egen naturlige vibrasjonsfrekvens. Når et objekt vibrerer med sin frekvens, tar det lett imot energi og vibrerer med store utslag. Ønsker man å gi husken et større utslag, skal man puffe i takt med bevegelsen, og i utakt hvis husken skal stoppes. Denne tilstanden er kjent som reso­ nans. Den utnyttes blant annet i musikkinstrumen­ ter, hvor man etterstreber å skape lyd av en spesiell type. Men resonans kan også være en risikofaktor, fordi uønskede frekvenser kan virke ødeleggende. Det er velkjent at en del bro-konstruksjoner ikke vil tåle soldater som marsjerer i takt. Det blir også sagt at en del operasangere kan knuse glass ved å synge en spesiell tone som fremkaller resonans. Resonans er et fenomen som man ikke bare finner i mekaniske systemer. I elektronikk er en resonanskrets karakterisert ved at frekvensresponsen til en kapasltans og en induktans er avstemt slik at kretsen kan tåle store vekselstrømmer. Slike kretser blir brukt ved sending av radiobølger. I atom- og molekylærfysikk kan resonanser oppstå når elektrone­ ne eller kjernen i et atom absorberer stråling med en frekvens som svarer til en viss energiovergang, som for eksempel i magnetisk kjerneresonans.

Svingende systemer For alle systemer, fra atomer i molekyler til store mekaniske struk­ turer som broer og andre byggverk, er periodiske eller svingende bevegelser av stor viktighet. Eksempel på periodisk bevegelse er en masse i en fjær eller en pendel som svinger. Disse er begge typiske for det man kaller enkel harmonisk bevegelse. Dette er en svært viktig svingebevegelse, hvor den totale kraft som virker på den bevegende massen alltid vil være proporsjonal med utslaget fra likevektsposisjonen og rettet mot den. Enkel harmonisk beve­ gelse er av stor betydning, ikke bare fordi den er vanlig, men også fordi mer kompliserte svingebevegelser kan deles opp og analyse­ res som en sammensetning av flere slike. I et svingende system som en masse i en fjær, vil det være en stadig utveksling mellom den elastiske energien i fjæren og den kinetiske energien til massen. I en ideell enkel og harmonisk beve­ gelse vil svingeperioden være uavhengig av vibrasjonens utslag, men avhengig av fjærens elastisitet og størrelsen av massen. I prak­ tiske situasjoner vil man ha et energitap som gjør at utslaget grad­ vis blir mindre. I en del tilfeller kan det være hensiktsmessig å dempe svingningene slik at vibrasjonene stopper raskt. Støtdem­ perne i en bil har f.eks. til oppgave å stabilisere hjulene og gjenvin­ ne et godt veigrep så raskt som mulig når disse utsettes for støt.

◄ I en fiolin vil vibrasjonene i strengene gå via halsen til in­ strumentets kropp. Instrumentkroppen har sine egne svingetilstander - som er synlig på bildet som interferenseffekter - som resonerer med vibrasjo­ nene i strengene. Disse til­ standenes frekvens er vanligvis avpasset frekvensen i strengene, og gir fiolinen dens karakteristiske tone (lydbilde).

▲ Pendelens bevegelse er et typisk eksempel på enkel harmonisk bevegelse, en vanlig jevn svingebevegelse som finner sted i mange fysiske systemer. Vinkelen med den vertikale aksen varierer mellom de maksimale utslag (amplityde) på hver side over et bestemt tidsrom (perioden). Svingetiden (perioden) varierer med lengden på strengen.

Lyd Lydbølger... Frekvens og bølgelengde... Diffraksjon (bølgebrytning) og refleksjon (tilbakekasting)... PERSPEKTIV... Lydstyrke og intensitet... Fløyter og strenger... Soniske sjokk og dopplereffekt

I For omkring 2 000 år siden beskrev den romerske arkitekten Vitrivius (første århundre f.Kr) bevegelsen av lyd gjennom luft som lik bevegelsen av krusninger i vann. Han ble stort sett ignorert, og det var ikke før omkring 1 700 år senere at vitenskapsmannen Galileo Galilei (1564-1642) på egenhånd fant ut at lyd er en bølgebevegelse «frembrakt av svingninger fra et lyddannende legeme». En lydbølge er en trykkbølge, og består av vekslende lag av komprimert og fortynnet gass. Lydbølger er forskjellig fra lysbølger fordi lysbølger ikke trenger et materiale å forplante seg gjennom. Lydbølger er det mest kjente eksempel på «longitudinelle» bøl­ ger, lengdebølger. Dette er bølger som både vibrerer og beveger seg i samme retning. Lys derimot er en «transversell» bølgebevegelse, tverrgående. Vibrasjonsretningen er vinkelrett på bevegelsesret­ ningen. De fundamentale karakteristika ved en lydbølge er lydbøl­ gens amplityde, frekvens og hastighet. Amplityden angir størrelsen av trykkvariasjonene og frekvensen angir antall variasjoner - bøl­ ger - per sekund. Lydhastigheten er avhengig av hvilke stoff lyden beveger seg gjennom. Lyden beveger seg raskere gjennom væsker enn gjennom gasser. I sjøvann er lydhastigheten nesten 1 500 meter per sekund, eller fire ganger så stor som i luft. I stål beveger den seg med en hastighet av 5 000 meter per sekund, og i steinarter mellom 2 000 og 4 000 meter per sekund. Hastigheten er også avhengig av temperaturen. Jo høyere tempe­ ratur, desto større er hastigheten. En lydbølges frekvens har med tonehøyden å gjøre. Jo lysere toner jo høyere frekvenser - altså flere bølger per sekund. Frekvensen blir målt i hertz (Hz). Hørbare frekvenser ligger i området 20-20 000 Hz. De uhørlige lydene over disse frekvensene blir kalt ultrasoniske.

▲ Eksperimenter for å vise at lydbølger trenger et stoff som luft å bevege seg gjennom, ble utført i det attende århundret. Luft ble pumpet ut av et kammer med en bjelle i. Når det ikke var luft i kammeret ga ikke bjellen lyd fra seg.

▲ Lydbølger sprer seg som bølger på et tjern, men lydbølger er trykkvariasjoner som brer seg ut i tre dimensjoner. Bølgetopper korresponderer til områder med høyt trykk, og bølgedaler til områder hvor trykket er lavere. Bølgelengden er avstanden mellom bølgetoppene. Frekvens er antall bølgetopper som passerer et punkt hvert sekund.

◄ Spesielle fotografi viser en lydbølge fra en gnist.

Lydbølgens intensitet er gitt matematisk som kvadratet av amplityden. Intensiteten henger sammen med vår oppfatning av lydstyr­ ken, men på en svært komplisert måte. Amplityden til en lydbølge representerer de trykkforandringer som er involvert. De minste trykkendringer som kan høres befinner seg i området 0.00002 pascal (Pa). Menneskets øre er følsomt for intensitetsendringer på en størrelsesorden av en trillion.

Ekko og diffraksjon Lydbølger viser alle karakteristiske egenskaper man finner ved bølgebevegelse. De reflekteres, refrakteres og diffrakteres akkurat som lysbølger gjør. Refleksjon av lydbølger er et velkjent fenomen. Vi kjenner refleksjonen som ekko. I en konserthall kan ekko være svært plagsomt hvis rommet ikke er skikkelig konstruert. I andre sammenhenger er ekko svært viktig. Å ta tiden det tar fra en høy­ frekvent lydbølge sendes ut fra en sonar til den reflekterte bølgen kommer tilbake, kan gi sjøfolk informasjon om havdybden under båten (ekkolodd). Lydbølger reflekteres også fra grensesjiktene mellom forskjellige materialer. Innen medisin benyttes ultralyd spesielt i forbindelse med svangerskap og fødsel, fordi man kan se det ufødte barnet ved hjelp av ultralyd. Refraksjon eller brytning av lydbølger er spesielt tydelig om nat­ ten når lyden ofte virker høyere enn om dagen. Dette er fordi lyden kan bevege seg lenger om natten når den blir avbøyet (refraktert og reflektert) tilbake mot bakken av atmosfæren. Refrak­ sjon skjer når en bølge beveger seg inn i et medium hvor den må bevege seg langsommere. Lyden beveger seg raskere gjennom varm luft, og om natten er luften nærmest bakken kaldere enn luften høyere opp. Lydbølger som beveger seg oppover og inn i varmere luftlag vil bli bøyet tilbake mot bakken, og på den måten bli i stand til å tilbakelegge store avstander langs bakken. Selv om lydbølger hovedsakelig beveger seg i rette linjer, kan lyden også bevege seg rundt hjørner. Dette er et bølgefenomen kjent som diffraksjon. Avbøyningen av en bølges bane er avhengig av frekvensen. La­ vere frekvenser blir mer diffraktert enn høye. På samme måte vil lave og dype toner, fra f.eks. trommer, kunne høres bedre rundt hushjørner enn høye toner fra fløyter. Derfor vil et orkester som er langt borte høres ut som det bare består av trommer.

▼ To bølger med samme frekvens kan utligne eller forsterke hverandre, avhengig av deres relative fase, det vil si hvordan bølgetopper og bølgedaler passer sammen. Bølger med ulik frekvens (under) virker sammen og gir en sammensatt bølgeform med varierende amplityde.

▲ Refleksjon, interferens og refraksjon kommer tydelig frem i dette flyfotografiet av havbølger. Når bølgene passerer gjennom et smalt sund, sprer de seg ut (refraksjon). Interferensen mellom to bølgeformer viser seg i toppede og utflatede områder.

Utslukning

Forsterkning

wwywwv

▲ Bølgeformen til «baby» uttalt av en talemodulator.

LYD

► ▼ Menneskets øre er bare i stand til å oppfatte et begrenset frekvensområde. Det er mest følsomt rundt 5 000 Hz. Lydstyrker rundt 120 dB i forhold til et nullnivå på 10-12 W/ms er smertefullt Det er derfor nødvendig å bruke hørselvern for folk som arbeider i nærheten av f.eks. jetmotorer (under).

23

220

Kjerneeksplosjon ved 500 m.o.h.

Lydspekteret 200

Ultrasonisk

Sonisk

Signaler under vann

180

Rakettoppskyting

Rifleskudd

160

Turboiet

140 Tordenvær

Smerteterskel

120

Rockeband Motorsykkel

100

Bilhorn Bygate

Spisesal

80

Skrik

Sang

Fløytespill 60 Fugler

40 Flaggermus

20

Armbåndsur

Hørselsgrensen_____

Tørt løv

0 10 000

Frekvens

(Hz)

100 000

Måling av lydstyrke En lydbølge som er dobbelt så intens som en annen, vil man oppfatte som litt mindre enn dobbelt så høy. Øret er følsomt for så store intensltetsvariasjoner at det har vist seg nyttig å definere en måleskala som komprimerer dette store variasjonsområdet. Skalaen som brukes er «lydintensitetsnivå»-skalaen. Den grunnleggende enheten er «bel», oppkalt etter den skotsk-amerikanske oppfinneren Alexander Graham Bell (1847-1922). I vanlig bruk finner man enheten desibel (dB) som er en tiendedel aven bel. Skalaens nullpunkt er definert ved den lavest hørbare intensiteten rundt 10~12 watt/m2. Skalaen er logaritmisk for å ligge så nær som mulig til det men­ neskelige ørets respons. Altså har man at 10 dB er omkring 10 ganger mer intens enn 0 dB, mens 20 dB er 100 ganger mer intens, og 30 dB er 1 000 ganger mer intens.

Fløyter og strenger De fleste musikkinstrumenter frembringer lyd ved å sette strenger i svingninger eller ved å produsere vibrasjoner i en luftsøyle. Det viktige er å få strengen eller luftsøylen til å vibrere med sin naturlige frekvens. Med andre ord å skape resonans. En streng som er strukket mellom to punkter som blir dradd I på midten, vil vibrere. Denne vibrasjonen vil ha en karakteristisk frekvens som avhenger av strekket i strengen, tyngden og lengden. Jo kortere strengen er, desto høyere blir frekvensen. Den vibrerende strengen setter de omkringliggende luftmolekylene i svingninger, og dette vil produsere en lydbølge med den samme frekvensen. I et blåseinstrument settes luften i en pipe i sving­ ninger. Luften passerer over en vibrerende plate ved inngangen til pipen og skaper luftstrømmer som produserer svingninger i luftsøylen. Tonens frekvens er avhengig av pipens lengde og om den er lukket eller ikke i den andre enden. Den karakteristiske lyden er produsert av overtonene.

▲ Når en musiker spiller på et blåseinstrument, som en blokkfløyte (over), begynner luften å vibrere og setter opp en stående bølge i pipen. Bølgen beveger seg ikke langs røret, men består av et stasjonært mønster av luft som beveger seg. Posisjoner hvor det ikke er bevegelse kalles noder, og de med maksimal bevegelse kalles antinoder, som for eksempel ved endepunktene. I den enkleste stående bølgen vil en hel bølgelengde få plass inne i pipen. Dette er grunnfrekven­ sen til tonen. Toner med høyere grunnfrekvens skapes ved å minske pipens lengde som når man tar bort fingre som dekker hull i fløyten.

◄ Alle toner har overtoner. Overtonene er svakere bølger med høyere frekvens som også har antinoder ved de åpne endepunktene. Lignende stående bølger blir satt opp når man slår an en streng på en gitar eller et piano (venstre). I dette tilfellet er strengens endepunkter satt fast mens de mellomliggende punktene vibrerer. Grunnfre­ kvensen har en bølgelengde som er dobbelt så lang som strengen. Tangentene viser hvordan noter med høyere frekvenser representerer overtonene eller de høyere harmoniske svingninger til den vanlige C.

24

Dopplereffekten

Dopplereffekten Et velkjent lydfenomen er forandringen av tonehøyden til en sirene som kjører forbi. Dette er den såkalte dopplereffekten som også er kjent i for­ bindelse med lysbølger. Når lydkilden nærmer seg, vil hver kompresjon være nærmere den foregående. Bølgen som treffer observatøren vil derfor være presset sammen slik at frekvensen vil bli høyere ettersom lydkilden kommer nærmere. Når kilden har passert vil kompresjonene bli sendt ut med økende intervaller, og tonehøyden (frek ven sen) vil avta.

Soniske sjokk Noen ganger kan lydkilden bevege seg raskere enn bølgen den produserer. Et velkjent eksempel på dette er supersoniske jetfly som beveger seg raskere enn lydhastigheten i atmosfæren. I disse tilfellene vil påfølgende kompresjoner ankomme en observatør omtrent samtidig, og adderes opp til å produsere et høyt smell. Et slikt sonisk sjokk vil skje hele tiden, og bevege seg sammen med lydkilden under forutsetning av at denne beveger seg med større hastighet enn lydhastigheten.

Molekyler og stoff Faste stoffer, væsker og gasser... Vibrerende molekyler... Krefter mellom molekyler... Latent varme... Smelte- og kokepunkt... Viskositet... PERSPEKTIV... Trykk... Overflatespenning... Brownske bevegelser... Stress og strain... Boltzmann... Boyle og gassutvidelse... Fasediagram... Kritisk punkt... Amorfe faste stoffer og flytende krystaller... Termodynamikk

Stoff i vår hverdag kan befinne seg i tre vanlige tilstander eller faser - fast form, væske eller gass. Faste stoffer har en bestemt form, de har vanligvis relativt høy tetthet og er vanskelig å kompri­ mere. Væsker har også ganske høy tetthet og lar seg vanskelig komprimere, men de adskiller seg fra faste stoffer ved at de ikke har en bestemt form og at de er flytende. Gasser har vanligvis mye lavere tetthet enn væsker og faste stoffer. De lar seg lett kom­ primere og flyter adskillig lettere enn væsker. En karakteristisk egenskap ved faste stoffer er at de ofte opptrer som krystaller. Is og edelstener er kjente eksempler på krystaller, og i moderne elektronikk anvendes hovedsakelig krystallinsk silisi­ um. Ved hjelp av røntgenstråling kan man vise at krystaller består av et regelmessig tredimensjonalt gitter av atomer med noen få tiendedels nanometers avstand fra hverandre. Disse atomene har faste plasser, men de vibrerer. Disse vibrasjonene vil øke når man tilfører varme. I gasser derimot, har ikke molekylene faste plasser. De beveger seg fritt omkring i rommet med hastigheter som vil øke når man varmer opp gassen. Væsker har også til en viss grad en regelmessig struktur, men kun over små avstander og i korte tidsrom. Hovedforskjellen mel­ lom væsker og faste stoff er at i væskene mangler en del molekyler fra sine plasser. Dette skaper tomrom som andre molekyler er fri til å okkupere. Mesteparten av energien til molekylene brukes til å vibrere rundt faste posisjoner som i et fast stoff. Den flytende bevegelsen og viskositeteten til væsker kommer av molekylenes bevegelse fra en plass til en annen i væsken.

▲ I et fast stoff vil de tiltrek­ kende kreftene mellom molekylene holde dem på faste plasser i et bestemt rammeverk. Dette rammever­ ket holdes selv om molekylene vibrerer rundt sine posisjoner på grunn av termisk energi. I en væske er tiltrekningen svakere slik at molekylene kan bevege seg friere. I en gass har den termiske energien full­ stendig overvunnet de tiltrek­ kende kreftene, og molekylene kan bevege seg fritt og fylle det tilgjengelige volumet.

Trykk Når en kraft virker på en gjenstand, vil denne virkningen avhenge av hvordan kraften er fordelt og hva gjenstanden er laget av. Truger, for eksempel, vil fordele en persons vekt over et stort areal og på den måten forhindre at man synker ned i løssnøen. Men hvis en person bruker sko med spisse hæler vil den samme kraften bli konsentrert på et lite areal, og man vil lett tråkke inn i jordbunnen. For­ skjellen viser seg i trykket som er definert som den del av kraften som går vinkelrett på arealet dividert med størrelsen av arealet. En bestemt kraft gir derfor et stort trykk på en liten flate og et lite trykk på en stor flate. Virkningen av trykk på et materiale er avhengig av stoffets mikroskopiske struktur. Når man øker trykket presses molekylene tettere sammen. I et fast stoff vil den faste strukturen medføre at volumet endres lite slik at kraften vil virke gjennom strukturen. I en væske hvor molekylene beveger seg friere vil trykket virke i alle retninger ved at molekylene kolliderer med hverandre. Dette er grunnen til at vann vil bli presset ut gjennom et hull i siden av en beholder selv om tyngdekraften virker nedover. Det samme gjelder også for en gass, men i dette tilfellet er molekylene så langt fra hverandre at en økning av trykket vil medføre en sammentrekninng av volumet slik at gassens omfang blir mindre, fordi molekylene presses sammen. ◄ Eksperimenter med lufttrykk ble først mulig i det 17. århundret etter at luftpumpen var oppfunnet av borgermesteren i Magdeburg i Tyskland, Otto von Guericke (1602-1686). Han utførte selv et berømt eksperiment hvor han viste atmosfæretrykket. Ved å demonstrere hvor vanskelig det var å trekke to tettsit­ tende halvkuler fra hverandre, når luften inni var pumpet ut.

26 En del materialer, som betong, er i stand til å motstå komprimerende krefter, men er veldig svake når de utsettes for strekk

Det trenges krefter for å holde molekyler sammen. At ett og samme stoff kan opptre som fast stoff, væske eller gass, forteller oss noe om kreftenes egenskaper. De må bevirke at molekylene tiltrekkes eller frastøtes av hverandre, og virke over korte avstander. Uten tiltrekkende krefter ville ikke molekylene være i stand til å danne væsker og faste stoffer. All materie ville være i gassform. Uten frastøtende krefter ville all materie trekker seg sammen til et punkt med uendelig høy tetthet. Kreftene må avta raskt når man øker avstanden mellom molekylene, fordi fysikerne er i stand til å be­ skrive oppførselen til gasser uten å referere til dem. Det er som om molekylene spretter bort fra hverandre som biljardkuler selv om avstanden mellom dem kun er noen få nanometer. På den annen side har man at de tiltrekkende kreftene må virke over len­ gre avstander enn de frastøtende kreftene for at molekylene skal kunne trekke seg sammen til faste stoffer eller væsker. Kraften mellom et par elektrisk nøytrale molekyler som nitrogen, helium eller luft, avtar så raskt med avstanden at kun «bindingsenergien» til nabomolekyler er vesentlig. Mange egenskaper ved faste stoffer og væsker avhenger av de intermolekylære kreftene og bindingsenergien. Dette gjør at mange ulike fysiske fenomen har forbindelse med hverandre, som f.eks. smeltepunkt, kritisk temperatur, latent varme og overflatespenning. Den totale bin­ dingsenergien til en samling molekyler i fast form eller væskeform er lik antallet par av nærmeste naboer multiplisert med bindings­ energien til et par molekyler med likevektsavstand. Ved veldig lave temperaturer er denne totale bindingsenergien lik «den latente var­ men for omdanning», altså energien som behøves for plukke det faste stoffet fra hverandre ned til enkle molekyler. En del mekaniske egenskaper er også direkte relatert til den intermolekylare bindingsenergien. Elastisitetsmodulen gir et mål på hvor vanskelig det er å endre avstanden mellom molekylene i et materiale ved å strekke, vri eller komprimere det. Termisk utvidelse skjer fordi den tiltrekkende kraften har lenger rekkevidde enn den frastøtende. Ved temperaturer over det absolutte nullpunkt, vil mo­ lekylene vibrere rundt sine gitterposisjoner, og når man øker tem­ peraturen vil den midlere avstanden mellom molekylene øke. Stør­ relsen til et materiale er bestemt av den midlere avstanden mellom molekylene, slik at når temperaturen økes vil materialet utvide seg.

▲ Balansen mellom en frastøten­ de kraft og en tiltrekkende kraft for å få en netto kraft lik null bestemmer den midlere avstan­ den mellom atomer og molekyler i en gass eller en væske, og der­ med de fysiske egenskapene.

▲ ► Når temperaturen øker vil den midlere avstanden mellom atomer og molekyler også øke og føre til termisk utvidelse. I konstruksjonen av broer er dette tatt i betraktning med ekspansjonsledd.

Overflatespenning

◄ ▲ Molekylene på overflaten av en væske merker en kraft inn mot væsken. Dette er over­ flatespenningen. Den fører til en sammentrekkende kraft mellom overflatemolekylene som er tilstrekkelig for å forhindre at bena til en vannloppe trenger gjennom overflaten (venstre). Den høye overflatespenningen i vann er viktig i mange fysiologiske prosesser.

I en væske vil de tiltrekkende kreftene mellom molekylene trekke i alle retninger slik at nettoeffek­ ten på ett molekyl vil være null. På overflaten derimot vil det ikke være slik. Der er et molekyl trukket mer mot væsken enn utav den. Denne effekten er kjent som overflatespenning. I en væskedråpe vil de intermolekylare kreftene prøve å trekke overflaten mot sentrum. Dette resulterer i en kuleformet dråpe. Overflatespenningen kan få en væske til å klatre «oppover» som når vann klatrer opp et tynt «kapillært» glassrør. Dette skjer fordi de tiltrekkende kreftene mellom glassmolekylene og vannmolekylene er større enn kreftene mellom vannmolekylene alene. Vannets overflate blir trukket oppover, spesielt langs rørets vegger, og derved dannes det en konkav «menisk». I andre tilfeller, som med glass­ rør og kvikksølv, vil det danne seg en konveks menisk og væsker vil renne ned røret. Kreftene mellom glass­ molekylene og kvikksølvmolekylene er svakere enn kreftene mellom kvikksølvmolekylene alene.

MOLEKYLER OG STOFF

Youngs modul Hvis en koppertråd blir hengt opp med et lodd i ene enden, vil kreftene som virker på den forårsake at den blir strukket slik at dens lengde øker. Hvis ikke loddet er for tungt, vil tråden få sin opprinnelige lengde igjen når det fjernes. En slik deformasjon kalles elastisk, og er karakterisert med elastisitetsmodulen eller «Youngs-modulen». Youngs-modulen er gitt som strekk (kraft per enhetsareal) dividert med endringen i lengde (også kalt «strain»), og er avhengig av størrelsen av de intermolekylare kreftene i et materiale. Et materiale kan strekkes eller deformeres i en slik grad at endringen blir permanent, og man sier da at deformasjonen ikke lenger er elastisk. I dette tilfellet er tråden utsatt for en endelig lengdeforøkelse, strekk, fordi dens atomer har endret plass seg imellom. Man kan ha ganske store endringer i lengde før et mykt materiale som kopper endelig brekker. Et sprøtt materiale som glass vil derimot brekke umiddelbart etter at den elastiske grensen er passert.

▲ Et stoffs hardhet er avhengig av kreftene mellom dets atomer og molekyler. Her er diamanter skutt mot overflaten til et metall for å teste dets hardhet.

► En stavhopper bruker stavens elastiske egenskaper for å oppnå maksimal høyde. Den bøyes og slynger hopperen gjennom luften når den retter seg ut igjen.

27

28 Grunnleggeren av den statistiske mekanikk, Ludwig Boltzmann, begikk selvmord fordi hans arbeid ikke ble tilstrekkelig verdsatt av hans samtidige

Temperaturen til en substans er knyttet til energien av molekylene substansen består av. Jo høyere temperatur, desto større er molekylenergien. De enkelte molekylene har ikke samme energi. For en gitt temperatur vil stoffets molekyler ha forskjellig energi, men sannsynligheten for at et molekyl skal ha en gitt energi er avhengig av temperaturen. Den eksakte fordelingen av energien mellom de enkelte molekyler er avhengig av temperaturen ifølge en lov (Boltzmanns lov) oppdaget av den østerrikske fysikeren Ludwig Boltz­ mann (1844-1906). Boltzmann utviklet en statistisk teori for materiens oppførsel ba­ sert på den midlere bevegelse av stoffets mange atomer og moleky­ ler. «Boltzmanns lov» gjelder for et system av partikler i termisk likevekt, og den sier at det midlere antall partikler med en gitt energi vil øke eksponentielt med den absolutte temperaturen. Boltzmanns lov ligger bak mange av de egenskaper materialer viser når man endrer temperaturen. En hel del kjemiske reaksjoner i både uorganiske og biologiske systemer skjer mye raskere når man øker temperaturen. For eksempel vet man at hvis man endrer temperaturen et par grader når man fremkaller film, vil dette med­ føre en stor endring i den tiden det tar å fremkalle filmen. Grunnen til dette finner man i Boltzmanns lov. Sannsynligheten for at et molekyl skal ha tilstrekkelig energi til å reagere kjemisk med et annet molekyl øker svært raskt med temperaturen. Når en krystall varmes opp, vil de mest energirike molekylene bryte seg løs fra sine gitterposisjoner og begynne å bevege seg rundt i krystallen. Andre molekyler kan da overta «hullene» etter disse. Dette diffusjonsfenomenet er av avgjørende betydning for den elektroniske industrien ved produksjon av stor-skala-integrerte kretser. Når man øker temperaturen, vil antall hull i krystallen øke eksponensielt i pakt med Boltzmanns lov. Så lenge hullene befin­ ner seg langt fra hverandre, vil stoffet fremdeles oppføre seg som et krystall. Men når antall hull blir veldig stort vil det være en stor sjanse for at nærliggende gitterpunkter skal være ubesatt. Ludwig Boltzmann Boltzmann ble født i Wien i 1844. Det var på denne tiden at termodynamikken begynte å utvikle seg. Samtidig ble det også arbeidet mye med kinetisk gassteori som viste hvordan egenskaper som trykk kunne forstås ved hjelp av den kollektive oppførse­ len til mange atomer. Boltzmann store bidrag var oppdagelsen av sammenhengen mellom disse to til­ synelatende forskjellige teoriene. Han sammenlignet de termodynamiske teoriene for stoffers oppførsel med den mikroskopiske verden som kinetisk teori bygger på. Ved å anvende statistiske metoder på den midlere mekaniske oppførselen til individuelle atomer, utledet han de termodynamiske egenskape­ ne og grunnla den statistiske mekanikken. Hans arbeider ble et bindeledd mellom de klassiske teoriene fra det 19. århundret og kvanteteorien fra det 20. Han levde på en tid da atomer fremdeles var et kontroversielt tema, og han begikk selvmord i en alder av 62 år, nedbrutt av den manglende forståelse for hans arbeid. På gravsteinen er Boltzmanns statistiske fortolkning av «en tropi» innskrevet. ► Boltzmann er ansett som den statistiske mekanikkens far. Den blir brukt i studiet av den midlere oppførsel til store atomsystemer. Hans arbeider ble i vesentlig grad bygget på arbeider av den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1832-1879) som var den første som viste hastighetfordelingen til en gass som funksjon av temperaturen. Molekylærhastighet

▲ Ved romtemperatur vil molekylene i en gass bevege seg med en hastighet opp mot 500 m/s. Denne bevegelsen forårsaker at molekylene sprer seg ut og fyller alt tilgjengelig volum. Dette kalles diffusjon. I denne klassiske demonstrasjonen av Boltzmanns fordelingslov kan man se at den brune gassen, brom, og luft (venstre) begynner å blande seg med hverandre så snart skilleveggen tas bort (høyre).

MOLEKYLER OG STOFF

Brownske bevegelser Molekyler er for små til at deres bevegelser ved høye hastigheter kan sees direkte. 11827 observerte den britiske botanikeren Flo be rt Brown (1773-1858) gjennom et mikroskop den raskt skiftende og vilkårlige bevegelsen til veldig små partikler (pollen) i væske. Disse vilkårlige hoppene skriver seg fra støt fra væskemolekylene mot partiklene, helt i pakt med Boltzmanns lov. Den franske fysikeren Jean Perrin (1870-1942) fant etterhvert flere bevis på Boltzmanns lov tidlig i dette århundret. Han oppløste en mengde mikro­ skopiske partikler av harpiks (som har litt høyere tetthet enn vann) i vann og talte antallet i forskjellige dybder. Variasjonen i partikkeltallet i forhold til dybden var nøyaktig det Boltzmann hadde forutsagt. I det samme eksperimentet målte han også Avogadros tall. Amedo Avogadro (1776-1856) var en italiensk fysiker som var den første som hevdet at gasser med samme volum ved samme temperatur og trykk inneholder like mange molekyler. Avogadros tall er antall atomer i 12g karbon-12, eller 6.02x1023.

Måling av solens temperatur Den franske astronomen Audouin Dolefus (f. 1924) brukte i 1953 Boltzmanns lov for å måle solens corona. Solen sender ut en rød linje fra sterkt ionisert jern. Denne linjen skulle være svært smal, men i solens corona er den vesentlig utvidet. Dolefus tolket utvidelse som en følge av endring i bølgelengder fra lys sendt ut fra molekyler som beveger seg mot eller bort fra Jorden. Han regnet ut molekylenes hastighetsfordeling fra disse dataene og fant at de passet bra med Boltzmanns lov for en temperatur på 2.1 millioner grader K.

29

Kreftene som holder nabomolekyler på plass vil da bli vesentlig redusert og begynner å bevege seg rundt inne i krystallen. Denne molekylare bevegeligheten er kjent som smelting. Etterhvert som man tilfører varme til stoffet vil flere og flere molekyler slite seg løs fra sine gitterpunkter. Stoffets temperatur vil forbli konstant helt til stoffet er blitt fullstendig flytende. Varmeenergien som er nødvendig for å smelte et stoff kalles «den latente smeltevarme». Fysikerne kan også forklare fordampningen av en væske ved hjelp av Boltzmanns fordeling av molekylenes energi. Det trengs mye mer energi for å slite et molekyl fullstendig bort fra en væske enn hva som skal til for å få det til å flytte seg fra noen nabopartikler til andre og bevege seg rundt i væsken. Ved romtemperatur har bare en liten brøkdel av vannmolekylene nok energi til å fordampe. Allikevel vil en skål med vann fordampe vekk etter noen få dager fordi vannmolekylene langsomt tar til seg varme fra omgivelsene. Til sist har alle molekylene fått nok energi til å unnslippe. Når en væske varmes opp, vil en større del av molekylene ha nok energi til å unnslippe, slik at fordamp­ ningen skjer raskere. Fordampningen kan svekkes hvis man dekker over væsken. Det øker trykket i dampen, og fordi økingen av tryk­ ket delvis avhenger av antallet dampmolekyler og delvis av mole­ kylenes kinetiske energi, vil noen av dampmolekylene presses til­ bake i væsken. På den måten oppstår det en likevekt mellom antall molekyler som fordamper, og det antall som tvinges tilbake i væ­ sken. Dette likevektsdamptrykket avhenger av temperaturen. Ved å fylle en termokanne helt opp, minsker man varmetapet, og for­ hindrer at lokket suger seg fast. Sublimering er fordampning av et fast stoff direkte til gassform, uten at det først blir til væske. Eksempler på sublimering er for eksempel når tørris (karbondioksyd i fast form ved lav temperatur) brukes på teaterscener for å skape dampskyer og tåke. Energien som et molekyl i et fast stoff trenger for å slite seg løs fra sine naboer og fordampe, er større enn for et væskemolekyl. ◄ Dis og tåke danner seg over et tjern ved soloppgang. For­ dampning inntrer når molekylene i en væske sliter seg fullstendig løs for å danne en gass, ifølge Boltzmanns lov vil antallet molekyler som kan gjøre dette øke eksponentielt med temperaturen. Regnpytter fordamper raskt etter en regnskur på en varm

▼ Sublimering opptrer når molekyler har tilstrekkelig energi til å slite seg løs fra et fast stoff for å danne en gass. Dette kan man se i teateret når karbondioksyd i fast form, eller tørris, kastes opp på scenen for å produsere tåkelignende dampskyer når den sublimerer. Sublimering krever mer energi enn fordampning og smelting.

Is flyter på vann fordi vannets tetthet blir mindre når det fryser

Trykk, volum og temperatur Hvorvidt et stoff antar fast form, væske eller gassform avhenger ikke bare av temperaturen, men også av trykket det er utsatt for og volumet det opptar. En av de første som studerte sammenhen­ gen mellom disse størrelsene var den irske fysikeren Robert Boyle (1627-1691). Han viste at trykk gange volum for en innesperret gass er tilnærmet konstant ved konstant temperatur. Hvis man dobler trykket vil volumet bli halvert. Andre utvidet hans teorier ved å variere tempera­ turen og fant at denne endrer seg proporsjonalt med trykket når volumet holdes konstant. Disse re­ sultatene var opprinnelsen til innføringen av begrepet om et «absolutt nullpunkt» for temperatu­ ren på samme måte som man kan definere et (hypotetisk) nullpunkt for trykket. Ved målinger fant man at dette skulle befinne seg ved en temperatur på 273° C under frysepunktet for vann målt ved et trykk på en atmosfære. Slik ble -273° C begynnel­ sen av den absolutte temperaturskala som har like stort intervall per grad som Celsius-skalaen. Temperaturen målt i forhold til denne skalaen betegnes med grader kelvin (K) etter den britiske fysikeren Lord Kelvin (1824-1907) som arbeidet mye med varmeteori. Resultatet av Boyles og andres pionerarbeid i gassteori kan summeres i en enkel ligning: trykk multiplisert med volum er lik en konstant multiplisert med den absolutte temperaturen til gassen. Både konstanten som inngår og volumet er proporsjonale med gassens masse.

Kritisk punkt

Damp

Temperatur

▲ ► Tilstandsligningen beskriver forholdet mellom trykk og temperatur ved konstant volum V(1) for en ideal gass (hvor kreftene mellom molekylene kan negli­ sjeres). Når man går mot lave temperaturer vil linjene for for­ skjellige volum møtes i null­ punktet for trykk og absolutt temperatur. En reell gass derimot vil passere gjennom flytende og fast fase når man senker temperaturen, og kreftene mellom molekylene kan ikke lenger neglisjeres i forhold til den kinetiske ener­ gien. I vann som vi viser her, kan øket trykk omdanne is til væske, noe som delvis kan for­ klare hvorfor is er glatt. Is har lavere tetthet enn vann og vil derfor flyte oppå vannet. Vann har størst tetthet ved 4 grader C.

MOLEKYLER OG STOFF

31

Fasediagram

4 Forholdet mellom et stoffe ulike faser - fast stoff, væske/ damp og gass - som en funksjon av trykk, volum og temperatur, kan fremstilles i et enkelt tredimensjonalt fasediagram. Her viser vi diagrammet for vann. Grensene mellom de forskjellige fasene kommer tydelig frem, og man kan analysere de forskjellige fase­ overgangene. Vann skiller seg fra alle andre stoffer ved at det utvider seg når det fryser. Dette kommer tydelig frem ved knekken i fasediagrammet mellom fast og flytende fase. Punktet C, det kritiske punkt, er den høyeste temperaturen stoffet kan ha og fremdeles være i væskeform. Det repre­ senterer stoffets høyest mulige kokepunkt. Under denne temperaturen vil koke­ punktet være avhengig av trykket.

Som beskrevet ved siden av vil gassverdier for trykk, volum og temperatur være knyttet sammen ved tilstandsligningen. Denne vil kunne represente­ res ved krumme flater i et tre-dimensjonalt rom hvor de tre aksene representerer de variable størrelsene trykk, volum og temperatur. Et slikt diagram kalles et fasediagram. Faseflater som representerer den enkle tilstands­ ligningen til Boyle vil kun opptre i fasediagrammet der hvor stoffet oppfører seg som en ideal gass. Andre steder gjelder helt andre relasjoner mellom trykk, volum og temperatur. Det er kun innenfor begrensete områder av disse størrelsene at et stoff kan befinne seg i en fase som enten fast stoff, væske eller gass. I andre områder vil man kunne ha at to faser som fast stoff og væske, eksisterer samtidig i likevekt. For en gitt verdi for temperatur og trykk vil man ha at alle tre faser befinner seg i likevekt med hverandre. Dette er vist på figuren ved den horisontale linjen hvor væske-damp og fast stoff-damp møtes. Ved å tilføre varme vil en del av det faste stoffet smelte og en del av væsken fordampe slik at volumet vil øke, mens både trykket og temperaturen forblir konstant. Disse verdiene for trykk og temperatur definerer «trippel-punktet», som for vann er omkring en hundredels atmosfære (atmosfærisk trykk) ved -0.1°C. Is og vann er i termisk likevekt ved en noe høyere temperatur ved atmosfærisk trykk kjent som smeltepunktet for is.

347°C

Volum

▲ ► Trykket og volumet til en ideal gass ved konstant temperatur (T) henger sammen ved de jevne kurvene som følger Boyles lov (3). For vann % vil dette kun gjelde ved høye \ temperaturer (4). En beskrivel­ se av såkalte reelle gasser har man i Van der Waals teori som tar i betraktning de intermolekylære kreftene (5) selv om denne ikke kan beskrive overgangen mellom flytende og fast fase. I reelle stoffer vil kokepunktet variere med trykket Et eksempel på dette er hvis man lager te ved lavt trykk på en fjelltopp. Teen koker da ved lavere temperatur enn den ville gjort i lavlandet. Trykkendringer i væske som strømmer rundt propell vil kunne føre til bobledannelse.

Volum

Reelle gasser To hundre år etter Boyle, utførte den irske fysikeren Thomas Andrew (1813-1885) en hel rekke målinger på karbondioksyd. Han kunne da lage fasediagram som viste forskjellen mellom karbondioksyd og en reell gass ved høyt trykk og lave temperaturer. Dette ble ledetråder for den hollandske fysikeren Johannes van der Waal (1837-1923) som beskrev oppførselen til reelle gasser. Han argumenterte med at gassmolekylene har romlig utstrekning, og derfor opptar en del av gassens volum, slik at volumet som er tilgjengelig for gassmolekylene er mindre enn for en tilsvarende ideal gass. Samtidig vet vi at molekylene tiltrekker hverandre slik at trykket vil bli mindre enn for en ideal gass. Van der Waals ligning gir en god beskrivelse av reelle gasser over store variasjonsområder for trykk og temperatur. Den bryter først sammen ved høye trykk og lave temperaturer hvor avstanden mellom molekylene er lik en væske eller fast stoff.

32 Forskjellige fysiske fenomen kan beskrives ved kreftene mellom molekyler

Materiens egenskaper Molekylene i en gass beveger seg med store hastigheter. Ved rom­ temperatur og atmosfærisk trykk vil den midlere hastigheten til nitrogen- og oksygenmolekylene i luften være rundt 450 meter per sekund. På den annen side vil den midlere avstand et molekyl tilbakelegger før det kolliderer med et annet være veldig liten (min­ dre enn en timilliontedel av en meter). Diffusjon (spredning) av molekyler fra et område til et annet innebærer derfor mange millioner kollisjoner mellom molekyler. Denne diffusjonsprosessen forklarer den termiske ledningsevnen og viskositeten (væskemotstanden) til gasser. Hvis det ikke strøm­ mer varm luft til, og hvis det mangler strålevarme, vil varme for­ plante seg til et område med lavere temperatur ved molekylære kollisjoner. Molekyler fra et varmt område beveger seg hurtigere og når de kolliderer gir de fra seg noe av sin overskuddsenergi. Slik blir de kaldere områdene varmet opp, og de varme blir kaldere. Viskositet kan også forstås via molekylkollisjoner og diffusjon. Ifølge teorien skal gassers varmeledningsevne, termisk lednings­ evne, og viskositet være uavhengig av trykk, men øke proporsjonalt med kvadratroten av den absolutte temperaturen. På den andre siden vil en væskes viskositet avta med temperaturen. Dette indike­ rer at diffusjonsmekanismen i en væske er forskjellig fra det man har for gasser. Faktisk har man at diffusjon i væsker og faste stoffer er svært like prosesser. Den skjer ved at molekyler hopper over i nærliggende ledige gitterplasser. Ved høye temperaturer vil antal­ let ledige plasser øke og derved øke diffusjonsraten. Hvis det er lettere for et molekyl å bevege seg i en bestemt retning fremfor en annen, vil det bli en netto diffusjonsrate i denne retningen. En væskes viskositet vil øke raskt med trykket i motsetning til en gass. Dette er fordi trykket medfører at hullene presses sammen slik at det blir vanskeligere for et molekyl å presse seg inn i et ledig hull. Dette er en effekt som er svært viktig i forbindelse med maskinteknikk. Mange glidemekanismer kan bare fungere tilfreds­ stillende fordi smøreoljen er under trykk. Tungt belastede tannhjul kan gripe inn i hverandre med et trykk på mange tonn per kvadrat­ centimeter, og dette kan føre til at viskositeten til en typisk smøre­ olje kan øke med en faktor på en million. Selv om beskrivelsen av et stoffs faser som fast, flytende og gass er hensiktsmessig, kan den være misvisende fordi den refere­ rer seg til ideelle stoffer. Vanlige stoffer som vann, tjære og bly flyter som svært viskøse (tyktflytende) væsker når de blir utsatt for høyt trykk. Vann kan virke hardt (en egenskap som normalt tillegges faste stoffer) hvis man prøver å endre den formen det har for raskt. Gass som beveger seg nær lydhastigheten kan vise store forskjeller i tetthet og trykk over små avstander. Legeringer, plastiske stoffer og glass er langt mer komplisert å beskrive. En enkel forståelse av materien er bare mulig under helt spesielle betingelser, som når gasser befinner seg ved høy temperatur og lavt trykk (når man kan se bort fra intermolekylære krefter) eller krystallinske faste stoffer ved svært lave temperaturer (når man kan se bort fra krystallfeil og diffusjon). Væsker er spesielt vanske­ lig å forstå. Fysikerne kan beskrive noen egenskaper som fordamp­ ning og overoppheting ved å betrakte væsken som en svært tett gass. Andre egenskaper som evnen til å motstå strekk og viskositet kan man kun forstå ved å betrakte væsken som et fast stoff som ikke har perfekt struktur. Det er allikevel en sammenheng mellom disse to tilfellene. Sam­ menhengen blir tydelig når man ser på oppførselen til et stoff som befinner seg ved et trykk og en temperatur der avstanden mellom molekylene er nær den man finner i væsketilstanden.

Amorfe faste stoffer og flytende krystaller De fleste stoffer er krystallinske i sin faste fase. En del stoffer har ingen regelmessig atomstruktur, de kalles amorfe. Amorfe stoffers atomer danner ikke regelmessige mønstre. Noen amorfe stoffer, som f.eks. gummi, består av lange kjeder av molekyler (polymerer) som er viklet inn i hverandre. Andre stoffer er som dypfrossen væske, dvs. at atomene ligger som om de var frosset fast der de tilfeldigvis befant seg. Det uregelmessige atommønsteret i væsketilstanden er på en måte «frosset». Glass er antakelig det mest vanlige amorfe stoffet vi kjenner. Det består av en blanding av natrium, kalk og sand som vil danne en væske ved temperaturer rundt 1500°C. Glass dannes ved at væsken avkjøles og raskt blir tykt­ flytende. Dette forhindrer at glasset krystalliserer seg når det størkner. Flytende krystaller er væsker hvor strukturen er som i et fast stoff. De kan oppnå en høy grad av orden når de utsettes for et elektrisk felt som kan orientere molekylenes normalt tilfeldige retning. Dette kan endre væskens optiske egenskaper, noe man kan se på digitale klokker.

MOLEKYLER OG STOFF

► En isbre flyter langsomt nedover som en veldig viskos væske under påvirkning av enorme krefter.

-4 Glass er kanskje det mest kjente amorfe materiale. Det har vært brukt i århundrer. Dets uregelmessige atomstruktur er som i en frosset væske, og er karakteristisk for andre glassmaterialer.

▼ En rad av stavformete flytende krystaller sett i polarisert lys. Krystallene ligger i et av flere mulige regulære mønstre som krystallen kan befinne seg i.

▼ Måling av viskositeten til væsker slik som for eksempel olje, er svært viktig for industriell anvendelse. Her blir måleinstrumenter for viskositet justert.

33

34 Termodynamikken danner grunnlaget for store deler av den fysikalske kjemien

Termodynamikk Trykket i en gass, viskositeten til en væske eller raten av kjemiske reaksjoner, kan endre seg med temperaturen. Selv om disse endrin­ gene foregår i helt forskjellige systemer, finnes det en generell teori kalt termodynamikken som kan beskrive dem. Klassisk termodynamikk ble utviklet rundt 1850 av den skotske fysikeren William Thomson (1824-1907) og den tyske fysikeren Ru­ dolf Clausius (1832-1888). Deres arbeid bygget på bidrag fra franskmannen Sadi Carnot (1796-1832) som i 1824 publiserte et arbeid om varmemaskiner - maskiner som anvender varme for å utføre arbeid gjennom en reversibel syklus mellom to temperatumivåer. Han beviste at ingen maskin kunne være mer effektiv enn hans idealiserte maskin, og at effektiviteten ville være avhengig av maskinens to energinivåer. Carnots oppdagelser ble uttrykt i to termodynamiske lover. Termodynamikkens første lov er loven om energiens bevarelse når man også tar varme med i betraktningen. Loven viser at varme som blir tilført et system brukes både til å utføre arbeid og til å endre systemets indre energi. Den andre loven sier at varme ikke kan gå fra et kaldere til et varmere legeme uten at det skjer andre endringer. Den andre loven uttrykker en grunnleggende mangel på symmetri i den fysiske verden: prosesser som kan skje spontant i en retning, skjer ikke nødvendigvis like lett den andre veien. Hvis en vegg som skiller to gasser fra hverandre tas bort, vil gasse­ ne begynne å blande seg med hverandre, og aldri skilles fra hver­ andre igjen. For å kunne beskrive denne type oppførsel har man introdusert begrepet «entropi». Entropien vil som energien endre seg når man tilfører varme. Under spesielle betingelser vil endrin­ gen i entropi være lik tilført varme dividert med temperaturen. Ved å betrakte materien som en samling atomer, kan man få en dypere forståelse av entropi som et mål på orden i et system. To adskilte gasser danner et mer ordnet system enn når de blandes - entropien økes. Fra dette følger en generell konsekvens av termodynamikkens andre lov: entropien vil alltid øke i en naturprosess. Energien er bevart (første lov), men entropien vil alltid øke (andre lov).

▲ Denne metandrevne genera­ toren er en stirlingmotor, den mest effektive og miljøvennli­ ge motor som er konstruert.

► En dampmaskin fungerer ved at gass utvider seg og forskyver et stempel samtidig som dens temperatur synker. Gassen vil så kondensere til væske som vil bli oppvarmet igjen og satt under øket trykk ved at stempelet føres tilbake. Et kjøleskap følger samme syklus, men i motsatt retning.

▼ Oppfinnelsen av dampma­ skinen førte til en revolusjon både innen industri og jordbruk i det nittende århundret.

Lys Lysstråler... Linser og speil... Refleksjon og brytning... Prismer... Lysets farver... Lysets bølgenatur... Polarisasjon... Lys og partikler... Formørkelser... PERSPEKTIV... Måling av lysets hastighet... Hvitt lys... Einstein og den spesielle relativitetsteori... Klokker i bane rundt jorden

Med enkle observasjoner kan man avsløre noen av de mer fremtre­ dende egenskapene ved lyset. Konturene av skygger i sterkt sollys viser at lyset beveger seg i rette linjer, i hvert fall i makroskopisk målestokk. Solskinn gjennom sprekker i veggen former tydelige stråler. Å betrakte lyset som stråler, («lysstråler»), er svært nyttig når man studerer lysets grunnleggende karaktertrekk og ved bruk av optiske instrumenter. Men spørsmålet er: Hva er egentlig lyset? I begynnelsen av det attende århundret hadde vitenskapsmenn allerede funnet ut at de kunne forklare mange optiske effekter ved hjelp av generell bølgeteori. På samme måte som lydbølger og krusninger på en vannoverflate, kan man observere at lyset kan kastes tilbake (reflekteres), brytes (refrakteres), settes sammen (interfereres), og spres (diffraksjoneres). Men hva en lysbølge egentlig består av ble ikke besvart før et århundre senere, av den britiske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879). Den danske fysikeren H.C. Ørsted og engelskmannen Michael Faraday hadde påvist sam­ menhengen mellom elektrisitet og magnetisme. Maxwell klarte å samle beskrivelsen av både elektrisitet og magnetisme i en og sam­ me teori som forutsatte eksistensen av «elektromagnetiske bølger». I følge hans teori beveger disse bølgene seg gjennom vakuum med en hastighet bestemt ved to konstanter fra elektrisk og magnetisk teori. Denne hastigheten er lik lyshastigheten. Dette var epokegjø­ rende. Det viste at lyset kan beskrives som en elektromagnetisk bølgebevegelse innenfor et spesielt bølgelengdeområde som utgjør en del av et stort spekter fra radiobølger til gammastråler. I mange henseender er bølgeteorien for lyset tilstrekkelig. Men når man skal beskrive absorbsjon og lysets utseende i atomære størrel­ sesforhold, holder ikke bølgebeskrivelsen mål. Lyset må da beskri­ ves som små «pakker» med energi eller lyspartikler, fotoner, som vekselvirker med elektronene i atomene. Oppdagelsen av lysets dobbeltnatur, både som partikler og bølger, bidro til utviklingen av kvanteteorien som revolusjonerte fysikken i det 20. århundret. Måling av lyshastigheten

▲ Total solformørkelse fotografert i 1980.

Formørkelser

▲ Solformørkelser (venstre) og måneformørkelser (høyre) viser hvordan lyset beveger seg i rette linjer når man betrakter det på en stor skala. På en mindre skala kan det bevege seg rundt hjørner, ved diffraksjon.

Måling av lyshastigheten

Roterende speil

Lyskilde

< Amerikaneren Albert Michelson målte lysets hastighet i 1927. En roterende boks dekket av speil kastet lyset tilbake fra et speil 35 km unna. Systemet ga et stabilt bilde når boksen roterte med et speil på den tiden det tok lyset å nå frem til speilet og tilbake igjen.

Lysets hastighet i vakuum, 299 792.5 km/s er en av fysikkens fundamentale konstanter, vanligvis angitt med bokstaven c. Einstein antok i sin teori at dette var høyest mulige hastighet. Ingenting beveger seg fortere enn lyset i tomt rom. Den danske astronomen Olaf Rømer (1644-1710) regnet ut lyshastigheten i 1676. Rømer målte tids­ punktene for når Jupiters måner kom frem fra skyggen av planeten. Han fant ut at formørkingen fant sted på et senere tidspunkt når Jupiter og Jorden befant seg langt fra hverandre. På bakgrunn av sitt kjennskap til månebanene kunne Rømer regne ut lysets hastighet. Hans resultat var 25 prosent lavere enn det vi vet i dag, men han fikk bekreftet at lys beveger seg mye raskere enn lyd.

36 Lysets brytning når det går fra et stoff til et annet, avhenger av den relative lyshastigheten for disse to stoffene

► ▼ Lysets stråler skifter retning når de går fra et stoff til et annet. Dette kalles brytning og er relatert til for­ skjellen i lyshastighet for de to materialene. Dette anvendes i linser hvor man kan samle lysstråler som opprinnelig er parallelle med linsens akse i et punkt, et fokus (f). Man kan også lage linser som sprer lys som er parallelt slik at det ser ut som om de stråler ut fra et felles punkt.

Brennlengde

Innfalls­ vinkel

Brytningssvinkel

► Et fyrtårn bruker både speil og linser for å danne en sterk lystråle som kan nå over store avstander. Kompakte linser er ofte for tunge og store for praktisk bruk. Fresnel-linser blir ofte brukt i steden. Her er linseoverflaten delt inn i sektorer bestående av konsentriske sirkler (sirkler med samme sentrum) og tynne glassplater blir satt inn med omtrent samme helning som den kompakte linsen ville hatt.

Brennlengde

-4 Dette bildet av en linses samlevirkning ble tatt ved å legge sammen en rekke hurtige holografiske fotografier av lysimpulser. Dette ble gjort ved hjelp av laserteknikk. Bildet viser ikke bare hvordan linsen fokuserer lyset, men også at lyset går langsom­ mere gjennom glass. Den fokuserte lysfronten har en konkav krumning mens det innfallende lyset krummer seg andre veien, fronten er konveks.

▼ En samlelinse (konveks) produserer et forstørret, men invertert bilde av en gjenstand som er plassert mellom brennpunktet og et punkt i en avstand lik ti ganger brennlengden. Dette bilde ville fremkomme på en skjerm som var plassert der hvor bildet er. En spredelinse (konkav) vil frembringe et forminsket bilde som står samme vei som gjenstanden, og som kan sees gjennom linsen, men ikke på en skjerm.

► En bred lysstråle vil ikke fokuseres i det samme brenn punktet fordi lysets innfalls­ vinkel vil endre seg mot kanten av linsen. Dette gjør bildet uklart og er kjent som «sfærisk aberasjon».

Refleksjon av lys De første mikroskoper og teleskoper ble oppfunnet i det syttende århundret. Samtidig begynte de første teorier om lyset å ta form. På denne tiden var vitenskapsmennene klar over to lover om lysets oppførsel, i tillegg til at det tilsynelatende beveget seg i rette linjer. Begge disse lovene tar for seg hva som vil skje med en lysstråle når den treffer en grenseflate som for eksempel grensen mellom luft og glass. Loven om refleksjon sier at refleksjons vinkelen er lik innfallsvin­ kelen, og at den reflekterte og innfallende strålen ligger i et og samme plan som står vinkelrett på grenseflaten. Enkle diagrammer som bygger på denne grunnleggende loven viser hvordan et speil skaper bilder. I et flatt speil ser man et bilde som ser ut til å ligge bak speilet. Egentlig er lyset reflektert slik at det bildet man ser ikke er et reelt bilde, men et virtuelt bilde - ingen lysstråler forbin­ der bildet med observatørens øye. Et konvekst speil produserer og­ så et virtuelt (innbildt) bilde, men det er forminsket. Et konkavt speil kan produsere et bilde mellom øyet og den reflekterende over­ flaten. Selv om det vil være speilvendt, er dette et reelt bilde fordi lysstråler går fra øyet til bildet. Brytning og linser Den andre loven omhandler brytning eller avbøyning av lysstråler som krysser en grenseflate mellom to stoffer. Denne loven sier at brytningsvinkelen har et karakteristisk forhold til innfallsvinkelen. Den hollandske vitenskapsmannen Willebrord Snell (1591-1626) var den første som formulerte denne loven som siden er blitt kjent

LYS

37

◄ I astronomiske teleskoper bruker man vanligvis krumme speil. De første teleskopene anvendte linser, men problemet med kromatisk aberasjon ga Newton ideen til å bygge det første reflekteren­ de teleskopet i 1671. Det er lettere å lage store speil enn linser, så det er mer naturlig å bruke speil i større teleskoper som skal samle mye lys. Dette speilet er til romteleskopet.

▼ Lysstråler reflekteres fra en overflate på en slik måte at refleksjonsvinkelen (tilbakekastingsvinkelen) alltid er lik inn­ fallsvinkelen. Et plant speil produserer et virtuelt (innbilt) bilde ved å reflektere lyset slik at det ser ut som om det kommer fra et punkt bak speilet. Et konvekst speil produserer et virtuelt (innbilt), men forminsket bilde. Størrelsen til et bilde produsert med et konkavt speil avhenger av forholdet mellom objektets posisjon og brennlengden. I dette tilfellet vil man få et speilvendt forminsket bilde som er virkelig, men som ikke kan sees av øyet. Plant speil

som Snells lov. I Frankrike er den kjent som Descartes lov etter den franske filosofen René Decartes (1596-1650) som oppdaget den noen år senere. Konstanten som inngår avhenger av egenskapene til stoffene på begge sider av grenseflaten. Hvis den innfallende strålen befinner seg i vakuum, angir konstanten «brytningsindeksen» til brytningsmaterialet. Brytningsvinkelen er alltid mindre enn innfallsvinkelen når en lysstråle går inn i et tettere stoff og større når den går inn i et tynnere stoff. Brytningsindeksen til et stoff er lik lyshastigheten i vakuum divi­ dert på lyshastigheten i stoffet. I glass med en brytningsindeks rundt 1.5 vil lyshastigheten være omkring 200 000 kilometer i sekundet. Snells lov gir en forklaring på hvorfor et svømmebasseng ser ut som om det er grunnere enn det er, og hvorfor en åre ser ut som den har en knekk når man senker den ned i vann. I begge tilfeller ser øyet et virtuelt (innbildt) bilde av bassengets bunn og årebladet som er forskjøvet i forhold til sine egentlige posisjoner. Brytning betyr mye når man skal forklare en linses virkemåte. En stråle bestående av mange parallelle lysstråler som går gjen­ nom en konveks linse vil samles i et punkt på den andre siden av linsen. Dette punktet kalles brennpunktet, og avstanden mellom linsens midtpunkt og brennpunktet kalles brennlengden. (Et kon­ kavt speil samler parallelt lys på en tilsvarende måte). Et forstørrelsesglass består av en konkav linse og forstørrer ved at objektet plasseres mellom linsen og brennpunktet. I dette tilfellet danner linsen et forstørret virtuelt bilde av objektet. En konkav linse sprer parallelt lys, som om det kommer fra brennpunktet.

Konvekst speil

Virtuelt bilde

38 Newton hevdet at regnbuen besto av syv farger, ikke fordi de lett kunne skilles fra hverandre, men fordi han mente det måtte stemme med toneskalaen

Hva er hvitt? Da Newton sendte en lysstråle gjennom et prisme, så han at det delte seg opp i farger fra rødt til fiolett. Helt i samsvar med de syv notene i toneska­ laen (A til G) definerte han syv farger - rødt, oransje, gult, grønt, blått, indigo og fiolett - selv om det er få av oss som klarer å se syv fargebånd i regnbuen. Fargene svarer til lys av forskjellig bølge­ lengde fra 700 nm fra den røde siden til 400 nm for den fiolette. Fargen til et legeme som ikke lyser, er bestemt av bølgelengden til det lyset det reflekte­ rer. Et hvitt objekt er en perfekt reflektor og kaster tilbake lys av alle bølgelengder, mens et svart objekt er en perfekt absorbator, det vil si at objektet suger opp lyset. Lyskilder som solen og glødende wolfram sender ut lys som dekker et stort spektrum, og som vi oppfatter som hvitt. Dette er svært forskjellig fra for eksempel natriumlamper som sender ut mestepar­ ten av sitt lys på to nærliggende bølgelengder i det gule området. Det kontinuerlige spekteret fra solen og en wolframlampe varierer i intensitet på en måte som er karakteristisk for en perfekt emitter eller svart legeme (en perfekt emitter er også en perfekt absorbator). Intensiteten når sitt maksimum veden bølgelengde som er avhengig av emitterens temperatur. Solens stråling har et maksimum rundt 500 nm, og dette svarer til en temperatur på 6000 K. En wolfram lyspære brukes ved omkring 2 000 K, som gir en maksimumsverdi på 1 500 nm som ligger i den infrarøde delen av det elektromagnetiske spekteret. Dette er varmestråling. Det synlig lyset kommer fra lys med høyere bølgelengder, men mindre intensitet.

▲ Blanding av farget lys er en additiv prosess. Rødt, grønt og blått sammen stimulerer alle tre typer av fargesensitive celler i øyet, og resultatet sees som hvitt lys. Disse primære fargene kan blandes parvis for å danne sekundære farger. Med maling er prosessen for å produsere farger subtraktiv. Pigmentet absorberer lys av visse bølge­ lengder (farger) og fargene man ser er fremkommet ved at bølgelengder taes ut av hvitt lys. Hvis et pigment absorberer rødt, vil det reflektere den sekundære fargen som fremkommer ved å blande de to andre (cyan).

Lysets farge Brytning avslører en annen av lysets egenskaper, nemlig fargen. I det syttende århundret var det velkjent at glassprismer kunne dan­ ne et bredt fargespektrum fra en stråle hvitt sollys. Det var den engelske vitenskapsmannen Isaac Newton (1642-1727) som gjorde de første seriøse studier av fargenes natur. Han beviste for første gang at farger er en egenskap ved lyset selv, og ikke ved prismet eller noe annet materiale. Prismet spredte lyset og brøt det etter dets farge. Det røde lyset blir minst spredt av prismet, og det fiolet­ te lyset mest. Derfor vil det oppgitte tallet for et stoffs spredningsindeks være avhengig av fargen på lyset. Brytningsindeksen for kronglass varierer fra 1.524 for rødt lys til 1.533 for blått lys. Gjenstander virker farget fordi de absorberer visse bølgelengder og kaster andre fra seg. Gjenstandenes farge er bestemt av de bøl­ gelengdene som blir kastet tilbake. Et fargefilter absorberer visse bølgelengder og lar andre slippe gjennom. På denne måten har en at en grønn gjenstand sett gjennom et rødt filter blir svart. Alle bølgelengder unntatt grønt blir absorbert av gjenstanden, og det grønne lyset blir blir holdt tilbake av det røde filteret. Farger fremtrer anderledes når hvitt lys blir reflektert fra tynne overflater som f.eks. oljeflekker på vannet. Den engelske fysikeren Robert Hooke (1635-1703) studerte denne effekten i detalj, og fant at fargen man ser er avhengig av tykkelsen av materialet. Men det var ikke før i 1801 at man fikk en skikkelig forklaring på denne effekten som skyldes lysets interferens. Oppsplitting av lys i for­ skjellige farger kan også skje i et optisk gitter, som består av en plate med mange tettliggende ekvidistante spalter. Fargenes rekke­ følge fra et gitter er motsatt et prismes.

Å Den engelske vitenskapsmannen Isaac Newton (1642-1727) gjorde sine grunnleggende arbeider om lys og farge og gravita­ sjon og bevegelse i sitt barndomshjem i Woolsthorpe under den store pesten i 1665-6 da universitetet i Cambridge var stengt. Han publiserte sine første arbeider om lys og prismer i 1672, og ble møtt med stor skepsis, spesielt fra Robert Hooke (1635-1703). Det var ikke før etter Hookes død at Newton publiserte sitt klassiske arbeid «Optics» i 1704. Et av de mest kjente eksperi­ mentene Newton offentliggjorde beskriver hvordan hvitt lys spaltes i forskjellige farger når det passerer gjennom et prisme. Deretter samles det igjen med en linse for så å spaltes igjen for å danne et spektrum på en skjerm. På denne måten beviste han at hvitt lys består av mange farger.

► Fordi spredningsindeksen til et stoff er avhengig av bølge­ lengden (fargen), har ikke en enkel linse et entydig brenn­ punkt. På denne måten danner linsen en rekke fargete bilder av litt forskjellig størrelse og bildet ser ut som om det har en farget kant. Denne effekten - kromatisk aberasjon - finner man ofte i billige kikkerter og teleskoper. Korrigerende linser motvirker dette.

A ► En nydelig demonstrasjon av hvitt lys som en kombina­ sjon av farger kan man se i regnbuen, ved at sollys som faller inn bak en observatør skinner på vanndråper som befinner seg foran ham. Ofte kan man se en svakere sekundær regnbue utenfor den tydelige primære. Lys fra solen blir først spredt når den treffer vanndråpens overflate og så blir reflektert fra baksiden av dråpen og så spredt igjen når det går ut av dråpen for å spre seg ut i hele fargespekteret. For å danne den sekundære regnbuen må lyset reflekteres to ganger inne i regndråpen før det slipper ut. Den andre re­ fleksjonen fører til at rekkeføl­ gen mellom fargene blir snudd. Det røde som befinner seg ved den ytre kanten av den primære regnbuen, vil være ved den indre kanten av den sekundære regnbuen. Regn­ buer er enkelt å lage selv, hvis man holder en vannslange med stor spredning opp i lufta, og selv står med ryggen mot solen.

40 Nøkkelen til forståelse av fargene - bølgeteorien for lys - ble først foreslått i 1678

Bølgeteorien for lys Den engelske legen, fysikeren og egyptologen Thomas Young (1773-1829) offentliggjorde i 1800 teorien om lyset som bølgebevegelse, som han mente ble utløst i en «lysende eter som gjennomtrengte hele universet». Slike ideer hadde vært diskutert blant annet av Hooke mer enn ett hundre år tidligere, men Young var den første som beskrev en viktig egenskap, ikke bare i forbindelse med lys, men ved all bølgebevegelse. Dette er «superposisjonsprinsippet» som sier at når to eller flere bølger krysser hverandre, vil en størrelse på den bølgen de frembringer være gitt ved å legge sam­ men de enkelte bølgenes størrelse i det punktet. Dette prinsippet kommer tydelig frem i et eksperiment som først ble utført av Young. Lys kommer inn mot en vegg med to veldig tynne og tettsittende spalter. De to utgående tynne lysstrålene fra spaltene fanges opp på en skjerm bak platen. Fordi lysstrålene kommer fra samme kilde, vil bølgebevegelsen deres være i samme fase (det vil si at de svinger likt). I punkter som ikke ligger like langt fra spaltene kan bølgene være ute av fase med hverandre. I følge superposisjonsprinsippet vil de stedene der lyset treffer pla­ ten etter at strålene har tilbakelagt forskjellige strekninger, ikke motta lyset i fase. For eksempel kan den ene av strålene treffe en topp og den andre en bunn, slik at de utsletter hverandre. Men er det akkurat en hel bølgelengdes forskjell i de tilbakelagte strek­ ningene, er de i fase igjen og vil forsterke hverandre. Hvis et slikt punkt befinner seg på skjermen, vil dette være mørkt. Dette er bekreftet ved skiftende mørke og lyse striper på skjermen. De lyse stripene svarer til punkter hvor forskjellen mellom avstandene til de to spaltene er lik et helt antall bølgelengder, slik at de to bølgene forsterker hverandre. De mellomliggende mørke områdene er der hvor de to bølgene utsletter hverandre. Slike lyse og mørke områder fremtrer når man utfører tospalteeksperimentet med monokromatisk lys (lys med kun en farge). Med hvitt lys vil mønsteret være en hel rekke bånd av forskjellig farge. Dette er fordi forsterkingen og utligningen skjer på forskjellige om­ råder av skjermen for forskjellige deler av spekteret. Det viser at lys av forskjellig farge også har forskjellig bølgelengde. Forskjellen i avstand til de to spaltene som er nødvendig for forsterkning (eller utligning) må være noe forskjellig for hver farge. Rødt lys har størst bølgelenge, og trenger derfor større differanse enrufi om har minst bølgelengde. Bølgeteorien for lyset er avgjøre or å forst • og oegrepet om interferens, gir en forklaring på f éhe fra tynne spalter. Lyset blir reflektert både fra overfla og bunnen én slik at de to reflekterte lysstrålene kan interferere samme måte som om de kom fra to spalter. Bølgeteorien kan også for enomen som «diffraksjon» som ble først beskrevet i syttende århun­ dret av den italienske jesuittiske vitenskapsmannen Franc nmaldi (1618-1663). Grimaldi observerte at skygger s le dannet av tynne solstråler i mørke rom ikke ha< men hadde fargete «frynser» som strakk seg Denne effekten kan man se tydeligere når monokromatisk går gjennom en enkel tynn spalte og faller inn på en skjerm. Lyset danner et mønster som er sentrert rundt en skarp linje med en rekke «frynser» som gradvis avtar når man beveger seg utover mot sidene. I tillegg ser man at den sentrale skarpe linjen er bredere enn spalten, og linjens bredde er omvendt proporsjonal med spal­ tens bredde. Lyset virker som om det sprer seg når det kommer ut fra spalten som om den er en rekke av små lyskilder som sender ut en sirkulær bøigefront. Frynsene er dannet av interferens mellom lysbølgene fra disse lyskildene.

< Den nederlandske fysikeren Christian Huygens gjorde det grunnleggende arbeidet for en bølgeteori for lyset i 1678. Han forestilte seg at en punktformet lyskilde sender ut en kuleformet bøigefront, og at hvert punkt på denne kan betraktes som en ny bølgekilde o.s.v. Summen av alle de nye bølgefrontene gir opphav til en ny større bøigefront som viser at lyset sprer seg ut fra lyskilden. Ved store avstander fra lyskilden er bølgefrontene så godt som parallelle. Huygens prinsipp ga en god forklaring på optiske fenomener som refleksjon, spredning og interferens. Dette prinsippet kan benyttes ved beregning av strålegangen i optiske instrumenter.

▲ To dråper produserer sirkul ut og danner et interfer

møns e møtes.

Dobbel spalte

_ Enkel spalte

Lysstråle

LYS

41

Interferensmønstre

▲ ► Mønsteret i såpeboblers overflatehinne dannes når lys blir reflektert fra overflaten og bunnen av hinnen, slik at to bølgefronter er i fase (øverst) eller ute av fase.

Diffraktert lys

< Lys i »m skinner gjennom et knappenålshull produserer en kulefoi iet bølgefront som danner to nye sekundære bølgekilder en Skjerm med to hull. Disse to bølgefrontene interferer og daminZr mønsteret av lyse og mørke striper. Det lyse er der hvor bølggefrontene treffer hverandre på en forsterkende måte, og det ’ke er der hvor de utsletter hverandre.

Den spesielle relativitetsteori Einsteins to teser Hvis man utførte et eksperiment i et laboratorium som befant seg i ro på Jordens overflate og et til­ svarende eksperiment i et identisk laboratorium som befant seg i et tog som beveget seg med konstant hastighet langs et rett spor, ville Newtons lover gjelde på samme måte i begge tilfeller. Laboratori­ ets hastighet ville ikke ha noen innvirkning på eks­ perimentets utfall. Hvis toget ikke hadde noen vinduer ville det ikke være mulig å utføre noen mekaniske eksperimenter som ville avsløre hvilket laboratorium man befant seg i. Dette er kjent som relativitetsprinsippet. All bevegelse er relativ. Labo­ ratoriet som er i ro på Jorden vil bevege seg med en hastighet i forhold til solen. Newton mente at det fantes et eller annet sted i rommet som var i «absolutt» ro. I det nittende århundret viste den britiske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) hvordan elektrisitet og magnetisme hang sammen og at lys kan beskrives som elektromagnetiske bølgerViten­ skapsfolkene mente at bølger ikke kunne bevege seg gjennom tomt rom, så man forslo at det måtte eksistere et mediuWkalt eter, som fylte hele ver­ densrommet. Dette kunne være i en tilstand av absolutt ro som Newton hadde foreslått. Det ble utført en rekke eksperimenter for å finne Jordens hastighet gjennom eteren. 11887 brukte de to amerikanske fysikerne Albert Michelson (1852-1931) og Edward Morley (1838-1923) optisk utstyr for å gjøre dette, men på tross av nøyaktigheten av deres målinger fikk de ingen bekreftelse på eksistensen av en eter. Blant de mange forklaringene på dette var et forslag om at en gjenstand som beveger seg gjennom eteren er utsatt for en sammentrekning i bevegelses­ retningen. At ethvert legeme i bevegelse trakk

noe av eteren med seg. 11905 fremla Einstein sin spesielle relativitetsteori som var bygget på to enkle antagelser. For det første sa han at ingen fysiske eksperimenter, inkludert optiske, kan skille mellom de to identiske laboratoriene vi nevnte tidligere. Med andre ord er det meningsløst å forsøke å måle Jordens absolutte bevegelse som Michelson og Mpdey gjorde. For det andre må alle observatørepmåle samme lyshastig-^ het selv om lyskilden beveger seg i forhold til dem. Selv om dette er i samsvar med resultatet av Michelson og Morleys målinger motsier cfétvår dag­ ligdagse forståelse. Man vet at en stein som blir kastet forover fra en b/i/bevegelse vil bevege seg raskere i forhold til våen enn en som er kastet fra en bil i ro. Æå UK

► Den spesielle relativitets­ teori bygger på to grunnleg­ gende postulater. Det første er at naturlovene er de samme i alle ikke-akselererte, referanse-systemer. På denne måten kan togpassasjerer fylle sine kaffekopper og spasere rundt uten å ha fornemmelse av bevegelse medmindre de kikker ut av vinduet.

En del av følgene av disse utsagnene kan man demonstrere ved å betrakte to romskip, A og B, hvor B beveger seg forbi A med halvparten av lys­ hastigheten A vil se at B er forkortet i bevegelsesretningen. Faktisk vil en stav på en meter i B kun være 87 cm sett fra A. Hvis A kunne måle massen til romfareren i B som vi kan anta ville være 75 kg, ville A finne at han var 86 kg. Einstein viste at masseøkningen til et objekt i bevegelse var et mål på den energi det var tilført. Han hevdet at hvis øket masse var et mål på energi, så skulle all masse ha et energimål. Denne sammen­ hengen mellom energi og masse er uttrykt i formelen energi er lik masse ganger kvadratet av lyshastigheten (E=mc2). A ville også observere at klokken til B ville gå langsommere enn sin. Romskipet B ville derimot ikke observere noen endring hos seg selv, men han ville hevde at romskipet A (som beveger seg vekk fra ham) ville være utsatt for alle disse endringene.

► Einsteins spesielle teori bygger på den eksperimentelle oppdagelsen at lyshastigheten er uavhengig av observatørens bevegelse. Av denne grunn resulterte teorien i flere uventede egenskaper. To av disse egenskapene handler om forandringer i den observerte masse og lengde, etter hvert som en gjenstands hastighet økes mot lysets hastighet. Lengder som er parallelle med bevegelsesretningen (ikke de som er vinkeltrett på) blir mindre samtidig som deres masse øker. Disse endringene i masse og utstrekning gjør det umulig for noe å bevege seg med hastigheter større enn lyshastigheten, fordi ethvert objekt i lysets hastighet blir svært tungt og kort.

< Energien til et legeme består ikke kun av potensiell og kinetisk energi, men også masse. Masse er en form for energi. I dette bildet fra et boblekammer skaper kollisjo­ nen mellom to høyenergetiske protoner en kaskade av nye partikler når deres kinetiske energi omdannes til masse. 0.9_____________ 1.0

Brøkdel av lyshastigheten

Lyshastigheten —

Albert Einstein Albert Einstein ble født i 1879 i Ulm i Tyskland. Han gikk på katolsk skole i Munchen selv om han var jøde. Han var ikke spesielt skoleflink, men reiste siden til Sveits for å fortsette sine studier. Han deltok lite i forelesningene, men klarte seg ved hjelp av en venns notater. Han tok embedseksamen i 1901 og begynte å arbeide i et patentbyrå i Bern. Han var da blitt sveitsisk statsborger. 1905 var et produktivt år for Einstein, han publiserte hele fem epokegjørende artikler. I en forklarte han den fotoelektriske effekten som er en av byggesteinene for kvanteteorien. I en annen ga han den første tilfredstillende beskrivelse av Brownske bevegelser. Den kanskje mest berømte artikkelen omhandlet den spesielle relativitetsteori. Den omhandler bare ikke-akselererende bevegelse. 11915 publiserte han sin generelle relativitetsteori, som også dekker akselerert bevegelse. Denne teorien inneholder også en ny beskrivelse av aksele­ rasjon som erstattet og utvidet Newtons teori. Einstein diskuterte med blant annet Niels Bohr om grunnleggende synspunkter, som for eksempel om hvor størrelser som ikke var målt skulle plasseres i teorien. Einstein ble utnevnt til professor i Zurich og senere i Berlin. 11922 fikk han nobelsprisen for sine arbeider om kvantemekanikk. Han emigrerte til USA - da nazistene kom til makten i Tyskland i 1933. Han ble ansatt ved Princeton-universitetet, New Jersey. Det var herfra han skrev til president Roosevelt og argumenterte for utvikling av atombomben. Etter andre verdenskrig brukte Einstein nesten all sin tid for å få i stand en interna­ sjonal avtale om avskaffelse av atomvåpen. Dessverre hadde han ikke tilstrekkelig innflytelse til at dette kom i stand før hans død i Princeton i april 1955.

▲ Det andre postulatet i den spesielle relativitetsteori er at lyshastigheten er uavhengig av hastigheten til lyskilden. En av konsekvensene av dette er tidsforsinkelsen. Anta at en klokke i bevegelse sender ut en lyspuls når den passerer en klokke i ro og at lyset re­ flekteres tilbake fra et speil (1). For klokken som er i ro vil det virke som om lyset har beveget seg over en større avstand enn det har i forhold til den bevegende klokken. Observatøren i ro vil derfor hevde at tidsintervallene til den bevegende klokken er forlenget (2). Diletasjonen vil være større jo høyere hastig­ heten er (3). Disse effektene vil ikke være målbare for ob­ servatøren som er i bevegelse (ellers ville relativitetsprinsippet være brutt, og en observa­ tør ville være i stand til å si noe om sin bevegelsestilstand uten å referere til sine omgi­ velser). Mange underlige effekter har sin opprinnelse i relativitetsteoriens paradokser. Enda rarere resultater blir det hvis observatøren akselererer. Men dette handler om Einsteins generelle relativitetsteori.

Jorden rundt med klokker

▲ To klokker som er justert etter en klokke i Washington blir fløyet i hver sin retning rundt Jorden. Når de kommer tilbake vil den som har gått i østlig retning gå for langsomt, og den som har gått vestover vil gå for fort. For å forklare dette må man tenke seg en klokke som er i ro i forhold til jordrotasjonen og som befinner seg på nordpolen. Klokken i Washington beveger seg i forhold til denne og går derfor for sent. Klokken som går øst beveger seg raskere enn jordrotasjonen og går enda saktere. Klokken som går mot vest vil, sett fra nordpolen, bevege seg saktere enn klokken i Washington. Den vil altså gå saktere enn en klokke på nordpolen, men hurtigere enn en i Washington.

En av de mest overbevisende testene på den spesielle relativitetsteori ble utført i 1971. Da fløy to amerikanske fysikere, Joseph Carl Hafele og Richard Keating, Jorden rundt med fire atomklokker. De gjorde to reiser med vanlige jetfly, et i østlig retning og et i vestlig retning. Begge tok omkring tre dager. Ved å sammenligne sine klokker både før og etter start med en klokke i Washington, kunne de teste hvilken innflytelse bevegelsen hadde hatt på dem. De fant at klokken som hadde gått østover var et milliarddels sekund langsommere i forhold til klokken i Washington. Klokken som hadde gått vestover hadde øket med 273 milliarddels sekund. Klokkene hadde vært utsatt for to ting. For det første hadde begge klokkene befunnet seg høyere oppe enn klokken i Washington og dermed vært påvirket av et svakere gravitasjonsfelt. Dette vil medføre at tiden går raskere, og erkjent fra den generelle relativitetsteori. Klokkene som hadde gått østover hadde også gått langsommere fordi deres hastighet var større enn for klokkene på Jorden. Faktisk mistet de østgående klokkene mer tid enn de fikk. De vestgående klokkene derimot gikk enda fortere enn de på Jorden fordi deres hastighet var langsommere enn i Washington.

44 Polarisasjonsfiltre fremstilles i dag billig av plastmaterialer

Partikler, bølger og polarisasjon

▲ Kalsitt danner to bilder i bestemte retninger fordi krystallet splitter lyset i to stråler. En stråle avbøyes på vanlig måte. Den andre, som her fremstår som det forflyttede øvre bildet, gjør det ikke. I den vinkelrette linjen faller de to bildene sammen. ▼ Mekanisk stress gjør akryl dobbeltbrytende slik at det deler seg i to stråler med for­ skjellig polarisasjon og hastighet. Dette forårsaker farget interferens-mønster i polarisert lys.

▲ Ordinært upolarisert lys består av vibrasjoner i alle retninger vinkelrett på (transvers til) bevegelsesretningen. Disse kan oppløses i to retninger som er vinkelrett på hverandre. Et polarisasjonsfilter slipper kun lys med en av disse retningene gjennom, slik at det blir planpolarisert. Dette brukes i polariserte solbriller som kun sender gjennom lys som er polarisert i en bestemt retning. Slik unngår man sjenerende reflekser.

11669 mottok den danske vitenskapsmann og professor ved universitetet i København, Erasmus Bartholinus (1625-1698), noen kalsittkrystaller som var brakt til København fra Island. Batholinus oppdaget at man kunne se to bilder gjennom krystallen, og konkluderte med at krystallen deler en innkommen lysstråle i to stråler, såkalt dobbelbrytning. En av strålene fulgte Snells brytningslov, den andre gjorde det ikke. Den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens (1629-1695) brakte disse undersøkelsene videre. Han brukte nok en krystall for å studere de to strålene hver for seg. Han fant at begge strålene ville bli mer utydelige og forsvinne ettersom han roterte den andre krystallen, de to bildene var polarisert i hver sin retning. Huygens utviklet også en bølgeteori for lyset. Denne ble publisert i 1678 og foreslo at lyset beveget seg som en kuleformet bølge. Han mente også at hvert punkt på kuleflaten ga opphav til en ny kulebølge. Huygens hevdet at slik beveget en lys bølge seg gjennom et veldig tynt og elastisk medium som fylte hele verdensrommet. Huygens teori var svært nyttig i forbindelse med å forklare refleksjon og brytning. Denne teorien ble en inspira­ sjon for Young omkring et århundre senere, og gir selv nå en enkel beskrivelse av diffraksjon (spredningsmønstre). Huygens kunne ikke på en tilfreds­ stillende måte forklare alle effektene med kalsittkrystallen. På Huygens’ tid ble det mer vanlig å betrakte lys som en stråle av partikler, og dette ble mer vanlig i beskrivelsen av optiske effekter i de neste hundre år. Newton betraktes ofte som en talsmann for en korpuskulær modell eller partikkelmodell for lyset. Men det virker som han foretrakk en underlig blanding av både partikkel og bølgeteorier hvor lys sendes ut som partikler som setter i gang vibrasjo­ ner i eteren som gjennomtrenger hele verdensrom­ met. Newton var heller ikke i stand til å forklare kalsitt. Han postulerte at lysstråler har sidekanter, og kom på en måte i berøring med fenomenet pola­ risasjon. Young introduserte bølgeteorien igjen i 1801, men ble dårlig mottatt. Det var den franske fysikeren Augustin Fresnel (1788-1827) som viste at alle optiske fenomen kjent på den tiden kunne forklares med bølgeteorien, også dobbelbrytningen i kalsittkrystallene. 11808 eksperimenterte den franske offiseren Etienne Malus (1775-1812), med kalsittkrystaller. Han observerte at dersom krystallen ble truffet av lys som var reflektert fra et vindu, så ville de to bildenes intensitet variere på samme måte som Huygens hadde observert med to krystaller. Malus hadde oppdaget at lyset har «sider» etter at det har vært reflektert. Ni år senere forklarte Young for Fresnels franske kollega Dominique Arago (1786-1853) at lysets polarisasjon som en følge av refleksjon kan for­ klares hvis man antar at lys vibrerer vinkelrett til sin bevegelsesretning. Den fysikalske betydningen av disse transverselle svingningene ble allikevel ikke forklart før Maxwell introduserte sin elektro­ magnetiske teori.

Magnetisme Krefter og felter... Magnetismens natur... Magnetiske områder... PERSPEKTIV... Tidlige studier i magnetisme... Jorden som en magnet... Kompass... Bruk av magnetisme for datalagring... Magneter og medisinsk vitenskap

i

_____________

En magnet er et stykke jern eller annet materiale som kan trekke til seg eller frastøte andre lignende materialer i nærheten. Hvis en stavmagnet blir hengt opp et sted uten påvirkning fra andre mag­ netiske materialer, slik at den fritt kan rotere vannrett, vil den til sist alltid peke i samme retning, nord-sørretningen. Den enden som peker mot nord kalles magnetisk- eller nordsøkende pol, den som peker mot sør kalles magnetisk- eller syd-søkende pol. Alle magne­ ter har to poler, en isolert magnetisk pol er aldri blitt funnet selv om det har vært gjort tallrike forsøk på å finne den.

▲ Magneter som brukes på avfallsplasser og av skraphandlere er elektromagneter hvor en elektrisk strøm induserer et magnetisk felt i jern. Den induserte magnetismen varer ikke lenge etter at strømmen er slått av slik at magneten slipper lasten automatisk.

Magnetisk felt Det magnetiske feltet er det område rundt en magnet som kan påvirke magnetiserbare gjenstander. Feltet kan best illustreres som en rekke linjer i tre dimensjoner, som forbinder nord- og sydpolen til magneten. Det er bestemt at linjene skal tegnes slik at de viser den ruten en tenkt fri nordpol ville bevege seg i - bevegelsesretnin­ gen vises med piler. Feltet er sterkest ved polene, og avtar etter­ hvert som man beveger seg bort fra dem. På samme måte som for det elektrostatiske feltet avtar det omvendt proporsjonalt med kvadratet av avstanden. Uttrykt ved feltlinjene, er feltet sterkest der hvor linjene er tettest. Når et stykke av et ikke-magnetisert magnetisk materiale, som jern, bringes i kontakt med en magnet, blir det midlertidig magneti­ sert. Med andre ord danner det seg nord- og sørpol, og jernet til­ trekkes av magneten. Denne effekten kalles indusert magnetisme. Styrken og varigheten av den induserte magnetismen er avhengig av det magnetiserte materialets egenskaper. Jern er et «mykt» mag­ netisk materiale, det lar seg lett magnetisere og demagnetisere og blir en sterk indusert magnet, men jernets induserte magnetisme varer ikke lenge. Stål er et «hardt» magnetisk materiale, det lar seg ikke så lett magnetisere, men beholder sin magnetisering over lengre tid. Stål brukes derfor når man ønsker permanente magne­ ter, mens jern er mer anvendelig som elektromagnet hvor en elek­ trisk strøm slår magnetismen av og på.

▲ Jernfilspon viser feltet på enden av en magnet.

◄ Et magnetisk felt kan betraktes som linjer som knytter sammen nord- og sydpolene i et tredimensjonalt mønster. Pilene indikerer retningen som en tenkt nordpol vil bli dratt i.

► Like magnetiske poler frastøter hverandre (høyre), og danner et nøytralt felt mellom seg der ingen krefter virker. Forskjellige poler (helt til høyre) tiltrekker hverandre, og feltlinjene går fra nordpolen til sydpolen.

46 Grunnen til at Jorden har et magnetisk felt er aldri blitt skikkelig forstått

Jorden som en magnet Det faktum at magneter orienterer seg langs en nord-syd-akse indikerer at Jorden selv må ha et magnetisk felt. Faktisk så oppfører den seg som om den har en stavmagnet i sitt senter. Magneter og kompassnåler retter seg inn på linje med Jordens magnetiske linjer. Disse linjene faller ikke nøyaktig sammen med de geografiske meridianene, så de geografiske og magnetiske polene er ikke sammen­ fallende. De endrer seg hele tiden slik at vinkelen mellom magnetiske og geografiske linjer (inklinasjo­ nen) er variabel. Hvis et kompass kan rotere fritt både vertikalt og horisontalt, vil det peke mot jordoverflaten med en vinkel som er avhengig av lengdegraden. På de magnetiske nord- og sydpolene, vil en peker stå vertikalt, og ved magnetisk ekvator vil den være horisontal. Fysikerne har funnet ut ved å studere jordskjelv­ bølger at Jorden haren flytende kjerne. Man er derfor sikker på at det Ikke er noen stavmagnet i Jordens indre. En mulig forklaring på Jordens magnetiske egenskaper er at den flytende kjernen består av blant annet sirkulerende elektriske strømmer som får den til å oppføre seg som en gigantisk dynamo. Jordens magnetiske felt strekker seg rundt 80 000 km ut i rommet. Dette er opphav til mange uventede effekter som elektriske vinder og nordlys som skjer når feltet fanger ladete partikler fra solen og det ytre rom. Jordens magnetfelt snur seg med jevne mellomrom (nordpol og sydpol bytter plass). Dette har man oppdaget ved å studere magnetiserte steinmasser fra ulike tidsepoker som har motsatt polaritet av det Jorden har i dag. Fordi magnetiserlngen ble etablert når steinmassene ble dannet, er det mulig å danne seg et bilde av hvordan polarite­ ten har endret seg med tiden. Sammen med infor­ masjon om polenes posisjon, feltstyrke og inkllnasjonsvinkel kan dette anvendes for å tidfeste mineraler og avgjøre deres opprinnelse.

▼ Jorden har et magnetisk felt på samme måte som om den hadde en stavmagnet i sitt senter og med den magnetiske sydpolen på den nordlige halvkule. Magnetiske nåler som kan bevege seg rundt et likevektspunkt vil orientere seg i samme retning som Jordens magnetiske felt. Dette er horisontalt ved magnetisk ekvator, og vertikalt ved de magnetiske polene. De magnetiske og geografiske polene er vanligvis noe adskilt.

▼ At kompass er nyttig har vært kjent minst siden det tolvte århundret. Hovedkompo­ nenten er en magnetisert nål som balanserer rundt sitt midtpunkt og kan rotere i hori­ sontalplanet. Ved fravær av andre magnetiske felt vil den rette seg inn langs den hori­ sontale komponenten til Jordens magnetiske felt. In­ strumenter som «dip circles» lar en nål rotere i vertikalplanet og angir den vertikale komponenten til Jordens magnetiske felt.

▲ Jordens magnetiske omgivelser blir synlige på en vidunderlig måte i Aurora Borealis (nordlys) og Aurora Australis (på den sørlige halvkule). Aurorae opptrer ved høyder på 100-300 km når elektroner beveger seg i spiral nedover i Jordens magnetisk felt mot polene. Elektronene eksiterer molekyler (bringer dem over i en mer energirik tilstand), som de kolliderer med, og disse sender ut lys igjen når de går tilbake til sin grunntilstand.

MAGNETISME

47

Magnetisme er nært knyttet til elektriske effekter. I 1820 oppdaget den danske fysikeren Hans Christian Ørsted (1777-1851) at elektri­ ske strømmer som går gjennom en ledning setter opp et magnetisk felt rundt ledningen. Magnetnålen påvirker en kompassnål slik at når man holder høyre hånd med håndflaten mot ledningen og fing­ rene i strømmens retning, vil kompassnålens nordpol gi utslag i tommelfingerens retning (dette kalles høyrehåndsregelen). Hvis ledningen blir viklet for å danne en spole, vil formen til det magne­ tiske feltet utenfor spolen være lik feltet fra en stavmagnet. Feltstyr­ ken kan økes ved å øke strømmen eller ved å øke antallet av viklinger i spolen. Feltstyrken kan også økes ved å plassere en kjerne av et mykt magnetisk materiale inne i spolen. En slik spole kalles en elektromagnet og brukes blant annet i elektromotorer.

Tidlige studier av magnetisme De tiltrekkende og frastøtende egenskapene til naturlig magnetiske mineraler, magnetjernstein eller magnetitt (Fe3O4) var antageligvis kjent allerede i forhistorisk tid, skjønt man tror at kineserne opp­ daget deres retningsgivende egenskap. Så tidlig som i 2 500 f.Kr. ble et stykke magnetitt brukt av en kinesisk keiser for å lede soldatene hans ut av tåke. Grekerne kjente til de tiltrekkende egenskapene til magnetjernstein, og deres litteratur inneholder flere fabler som omhandler fjell som kunne trekke spiker utav skip eller gjøre det vanskelig for gjetere (med jernspiker under skoene) å bevege seg. Den greske filosofen Thales (624-546 f.Kr.) er antatt å ha vært den første som observerte og studerte denne spesielle effekten. Det er usikkert når europeerne oppdaget retningsegenskapene tilmagnetjernstein. Idet tolvte århundret refereres det til sjøfolk som benyttet seg av et kompass bestående av en nåleformet magnet som fløt på en treflis i en skål med vann. Det mer vanlige kompasset, med en nål som balanserer på toppen aven annen nål og roterer på en sirkulær skala, ble oppfunnet av franskmannen Petrus Peregrinus (født 1240). Peregrinus definerte nord- og sydpolene og fant at like poler tiltrekker hverandre og motsatt. Han delte magneter i to og fant at hver halvpart har to poler. Han trodde at de geografiske polene var i him­ melen, og visste ikke at Jorden selv var en magnet. Den engelske fysikeren William Gilbert (15441603) visste at en kompassnål peker ned mot Jorden, og foreslo at Jorden selv var en magnet. Hans arbeider om egenskapene til magnetjernstein og forskjellen mellom magnetisme og statisk elektri­ sitet var omfattende. De ble ikke skikkelig oppfulgt før i det nittende århundret.

Hvordan blir et stoff magnetisert? Den britiske matematikeren og fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) viste i sin elektromagnetiske teori at elektriske ladnin­ ger i bevegelse, altså strøm, gir opphav til magnetiske felter. Elektronene og protonene som danner atomene er bevegelige elektriske ladninger og gir derfor selv opphav til magnetiske felter. Ulike stoffer har ulike magnetiske egenskaper og reagerer på ulik måte på ytre felter. Slike forskjeller kan man finne grunnen til i atomenes og elektronenes forskjellige plassering. I magnetiske materialer danner atomene grupper kalt domener som hver for seg inneholder mange molekyler. I et domene vil «atommagnetene» stille seg opp slik at gruppen har en netto magnetisering. Generelt vil nærmeste nabodomener ha motsatt orientering. Anvendelse av et ytre magnetisk felt derimot, vil gjøre at domenene som peker i feltets retning øker på bekostning av sine naboer. Når et ytre felt ikke er til stede, vil kreftene mellom polene ødelegge en ensret­ ting av domenene. Bare noen få materialer (jern, nikkel, kobolt og en del legeringer og sjeldne jordarter) viser permanent magnetisme. Disse kalles ferromagnetiske materialer og lar seg magnetisere selv i svake felter. Paramagnetiske materialer blir svakt magnetisert i samme retning som veldig sterke felter. Diamagnetiske materialer blir svakt mag­ netisert i motsatt retning av et veldig sterkt felt. Alle materialer har diamagnetiske egenskaper, men disse blir vanligvis skjult av deres paramagnetiske eller ferromagnetiske oppførsel. Magnetiske domener

Umagnetisert prøve

◄ ▲ Magnetiske felter dannes av elektriske ladninger i bevegelse. Dette ble vist av Maxwell i hans elektromagnetiske teori. Et materiales magnetisme er direkte relatert til dets grunn­ leggende struktur som består av negative elektroner i bane rundt den positive kjernen. I et magnetisk stoff vil de atomistiske magnetene orientere seg i samme retning i små områder kalt domener. Når stoffet utsettes for et eksternt magnetisk felt, vil domene som peker i samme retning som feltet øke på bekostning av de andre domenene (øverst), slik at materialet blir magneti­ sert. I sterke magnetiske felt (over) vil domenene selv rotere for å orientere seg i samme retning.

48

Magnetisme for lagring av informasjon Et svingende elektrisk signal kan brukes til å lage et varierende magnetisk felt mellom polene til en elektromagnet. Dette er prinsippet bak lagring av lyd, bilder og data i magnetiske medier. Lagringmediet består vanligvis av findelte jernpartikler eller kromdioksyd på et plastbånd eller en disk. Når mediet passerer forbi åpningen mellom polene (eller lydhodet), vil det variererende magnetiske feltet indusere varierende magnetisering blant metaloksyd-partiklene. Systemet virker motsatt ved avspilling. Lydsignaler kan lagres ved å kjøre et bånd forbi et lydhode med en hastighet på 5 cm/s. Lyd­ kvaliteten vil forbedre seg ved øket hastighet. Videosignaler virker ved høyere frekvenser, og trenger derfor mye høyere hastighet. Dette kan man oppnå ved å bevege båndet sakte forbi et lesehode som beveger seg hurtig og som resulterer i at billedslgnalet blir lagret i tettliggende skrå striper på tvers av båndet. Et videospor er ca. 25 mikrometer bredt. Informasjonen i en datamaskin er på digital form hvor signalet er enten «på» (høymagnetisering) eller «av». Dette prinsippet er mulig ved hjelp av magneti­ sering i to motsatte retninger. Disse signalene er rene, uten støy forårsaket av demagnetisering av båndet over tid. Digital teknikk blir brukt i CD-plater til lagring av lyd, og til lagring av bilder. ▼ I dette eksperimentet er en svulstcelle i et menneskes benmarg omsluttet av mikro­ skopiske magnetiske kuler. Legene kan på denne måten raskt trekke bort de syke cellene uten å anvende så dramatiske metoder som bestråling eller cellegift.

► Små partikler av jern eller kromdioksyd lagrer informa­ sjon om lydbølger som varierende magnetiseringsmønstre på lydkassetter. Magnetiske effekter spiller også en rolle i transport av lyd og elektrisitet i mikrofoner, høyttalere og hodetelefoner.

Magnetisme og kroppen vår I de senere år har forskerne funnet mer og mer anvendelse for magnetisme ved sykdomsbehand­ ling. Det har vist seg svært fordelaktig at selv meget kraftige magnetiske felter kan påvirke kroppen uten at levende vev blir skadet. Dette blir utnyttet ved kjernemagnetisk resonans hvor man kan lage snittbilder eller tredimensjonale bilder av de indre organer uten operative inngrep. I midten av åttitallet ble en ny teknikk for behandling av kreft utviklet i Storbritannia. Den har vist seg spesielt anvendelig ved behandling av benmargskreft, og utnytter såkalte monoklone antilegemer. Dette er celler som blir produsert av det menneskelige immunsystem, men blir videre behandlet ved geneteknologi slik at de blir i stand til å sette seg fast på spesielle celler i menneske­ kroppen. Monoklone antilegemer som er laget for å finne svulstceller blir dekket av mikro­ skopiske magnetiske kuler og injisert i den syke benmargen. Svulstcellene vil da bli påvirkelig for magnetiske felter, og kan trekkes ut av beinmarg en ved hjelp aven magnet. Denne teknikken, kjent som magnetisk tømming, har vist seg å være svært effektiv i kliniske forsøk, og kan komme til å bli en viktig behandlingsform i fremtiden.

Elektrisitet Elektrisk ladning... Tiltrekkende og frastøtende krefter... Feltlinjer... Potensialforskjell... Strøm og motstand... Kapasitans... PERSPEKTIV... Statisk elektrisitet... Hvordan et batteri virker... Halvledere... Elektrolyse

i

.............. 11..........

:.......... :.

:—z.... —

...

""'--v . ...

~

Verden rundt oss er bygget opp av atomer som består av et lite antall forskjellige elementærpartikler. Verdens mangfoldighet skyl­ des disse partiklenes evne til å påvirke andre partikler gjennom kraftfeltene som omgir dem. Det er disse gjensidige påvirkningene som til syvende og sist danner vår omverdens velkjente struktur. På en skala større enn atomkjernen er det kun to typer vekselvirkninger i virksomhet, elektromagnetiske krefter og gravitasjon. Gravitasjonskreftene har liten innvirkning på partikkelnivå. De elektromagnetiske kreftene derimot bestemmer strukturen til ato­ mer, faste stoffer, væsker, gasser og de kompliserte molekylstruktu­ rene i levende vesener. De fleste elementærpartiklene er omgitt av et elektrisk felt, og de er bærere av elektrisk ladning. Feltet er proporsjonalt med lad­ ningen, men avtar proporsjonalt med kvadratet av avstanden til ladningen. Denne «omvendte kvadratloven» er oppkalt etter den franske ingeniøren Charles Augustin Coulomb (1736-1806) som te­ stet dens gyldighet rundt 1780. Han har også gitt navn til elektrisi­ tetens mengdeenhet coulomb (C). Det elektriske feltet fra en ladet partikkel er gitt både med ret­ ning og størrelse. Kraften mellom identiske partikler er frastøtende og den virker langs forbindelseslinjen. Feltet fra hver partikkel vir­ ker på den andre med en kraft slik at de skyves fra hverandre. Det finnes også tiltrekkende krefter som binder partikler sam­ men. Den elektriske kraften kan virke både frastøtende og tiltrek­ kende fordi det finnes to typer elektrisk ladning. Disse kalles posi­ tiv og negativ. To like ladninger frastøter hverandre, og to ulike ladninger tiltrekker hverandre. I et atom er en positivt ladet kjerne omgitt av negativt ladete elektroner som er tiltrukket av kjernen, men frastøtt av hverandre. Totalt er atomet elektrisk nøytralt, men kan gjøres elektrisk ved å fjerne eller tilføre en elektron. At atomet bærer elektrisk ladning er viktig når de danner molekyler.

A Elektrisitetens opphav finnes i materiens grunnstruk­ tur som består av atomer. Disse er elektrisk nøytrale og er dannet av negative elektroner i bane rundt en positiv kjerne.

▲ ► Rundt 1780 klarte Coulomb å etablere den grunnleggende loven om kreftene mellom to ladete partikler ved hjelp av en torsjonsvekt (høyre). Kraften avtar proporsjonalt med kvadratet av avstanden mellom ladningene (1), og den er direkte proporsjonal med produktet av ladningene (2). Om man dobler avstanden mellom ladningene, vil kraften avta til en fjerdedel. Dobler man ladningene vil kraften øke til det firedobbelte.

▲ Elektriske ladninger finnes i to varianter - positive og negative - som oppfører seg på motsatt måte. På bildet over ser man sporet av to partikler med like stor masse, men med motsatt ladning, som beveger seg gjennom et magnetisk felt i et boblekammer. Partiklene er elektroner (grønt spor) med negativ enhetsladning, og positroner (rødt spor) som også kalles antielektroner og har en positiv enhetsladning.

50 Ordet elektrisitet kommer fra det greske ordet for rav- elektron

Den britiske vitenskapsmannen Michael Faraday (1791-1867) fore­ slo å bruke linjer for å synliggjøre elektriske felter i rommet. Linje­ ne peker i feltets retning, og står tettere der hvor feltet er sterkere. Slike tenkte feltlinjer går ubrutt gjennom rommet og vil kun begyn­ ne på en positiv ladning og slutte på en negativ ladning. Antall linjer som begynner eller starter på en ladning er proporsjonale med ladningen. Dette er egenskaper som er spesielle for et felt som følger en omvendt kvadratisk lov. Den «elektriske spennings­ forskjellen» gir et mål på feltet mellom to punkter. For et konstant felt vil spenningsforskjellen øke når avstanden mellom punktene økes, og den vil være proporsjonal med feltstyrken. Den elektriske spenningsforskjellen er bedre kjent som «spenningsfall» eller «spen­ ning». Enheten er volt (V) etter den italienske fysikeren Alessandro Volta (1745-1827) som oppfant det elektriske batteriet i 1800. Spenning er også et mål på utført arbeid. I dette tilfellet er det arbeid utført ved å bevege en enhetsladning mot et elektrisk felt mellom to punkter. Dette er helt analogt til arbeidet man utfører ved å gå opp en bakke, men i dette tilfellet arbeider man mot gravitasjonsfeltet. Dersom det elektriske feltet mellom punktene er avhengig av posisjonen eller hvis veien mellom den ikke er en rett linje, er det fremdeles mulig å finne spenningen ved å dele veien opp i mindre deler og summere opp spenningsfallet over alle delene. Slike utregninger vil gi samme resultat som om man bare fant potensialforskjellen mellom ladningene. Spenningsfallet er altså uavhengig av banen man måler langs. I svært kompliserte tilfeller kan man benytte datamaskiner til oppdelingen og beregnin­ gen (numerisk integrasjon).

■4 ▼ Et elektrisk felt kan illu­ streres ved linjer i rommet. Linjene står tettere sammen der hvor feltet er sterkest. Pilene angir feltretningen som går fra de positive ladningene (1) og mot de negative (2). Like ladninger frastøter hverandre (3), og ulike ladninger tiltrekker hverandre (4). Merk at feltlinjene alltid går fra positive mot negative ladninger. I et uniformt felt som mellom platene i en kon­ densator, er feltlinjene parallelle.

SIS

5

ELEKTRISITET

51

▲ Forsøk med statisk elektrisitet ble utført rundt 1700 av den britiske fysikeren Stephen Gray (1666-1736). Den foreldreløse gutten ble hengt opp og ladet opp elektrostatisk. Papirbiter ble tiltrukket av hans positive oppladning (utfelling av elektroner).

Statisk elektrisitet Elektrisk ladning kan kun bli lagret på en gjenstand ved å frakte ladning fra en annen gjenstand. Man trenger kun små ladninger for å få målbare effekter. Anta at ladning blir fraktet fra en plate til en annen som befinner seg 1 cm borte til man har oppnådd et spenningsfall på 100 V mellom platene. Man har da bare brukt en hundredel av en billiondel av de frie elektronene i metallet. Friksjon kan adskille små ladninger. Ved å gni to materialer mot hverandre, kan elektroner bli overført fra atomene i det ene materialet til det andre hvis det andre materialet binder elektroner sterkere enn det første. De gamle grekerne visste at rav som var blitt gnidd mot skinn ville tiltrekke seg hårstrå. Ordet elektrisitet kommer fra det greske ordet for rav - elektron. Dramatiske konsekvenser av overføring av elektrisk ladning viser seg i lyn. Dette er forårsaket av at en elektrisk ladet sky plutselig utlader og danner en strøm som raser gjennom atmosfæren og varmer opp luften til veldig høye temperaturer. Re­ sultatene av dette kjenner vi som både lynglimtet og en sjokkbølge som gir trykkendringer i luften og dermed lyden av torden. Energien som anvendes ved oppladning av skyen kommer opprinnelig fra atmosfæren.

▲ Wimshurst-maskinen genererer statisk elektrisitet ved at to isolerende skiver roterer i motsatt retning. Ladninger med motsatt ladning samles ved metallbørster på hver side. Når tilstrekkelig ladning har bygget seg opp, vil det elektriske feltet mellom metallkulene på toppen sende ut en gnist. ◄ Lyn opplyser nattehimmelen over Tucson, Arizona.

52

Ingen strøm

Et elektrisk batteri ligner en vanntank, men produserer spenning i stedet for potensiell energi

ZLEZZZ

► I et typisk elektrisk batteri vil elektrolytten bestå av svovelsyre. Syrens molekyler vil dele seg i hydrogen- og svovelioner når den løses opp. Dersom anoden og katoden er forbundet med hverandre, vil det gå en strøm. Katoden som er av sink vil gi fra seg elektroner. Det som blir tilbake er positive sinkioner som vil forbinde seg med svovelionene. Hydrogenionene vil trekkes mot anoden hvor de forbinder seg med elektroner fra kopper og dan­ ner hydrogenmolekyler. Dette resulterer i en netto elektronstrøm fra katoden til anoden. Strømmen vil vedvare til kato­ den er fullstendig oppspist, eller til et tynt belegg av ikkeledende hydrogenbobler på anoden forårsaker at tilstrek­ kelig indre motstand bygges opp. Belegget kan fjernes ved et kortvarig strømstøt i motsatt retning av batteriets strømretning.

+pol

Kopperanode

Sinkkatode

Porøs vegg Elektron

Strøm

▲ I en elektrisk ledning vil elektronene bevege seg fra atom til atom. Uten et elektrisk felt vil de bevege seg helt vilkårlig. Kobler man til et batteri, slik at man har et elektrisk felt, vil elektronenes bevegelse koordineres slik at de vil gå mot den positive terminalen. ▼ En bly-syre akkumulator (som man bruker i biler) under oppladning.

W

Strøm og motstand Elektriske spenningsforskjeller tilsvarer trykkforskjeller i en væske. Et batteri er som en sisterne som produserer en spenning i stedet for en trykkfront. Spenningen fra en dynamo eller en elektrisk ge­ nerator derimot kan sammenlignes med trykket som kommer fra en pumpe. Hvis et batteri er koblet slik at det inngår i en elektrisk krets, for eksempel i en lommelykt, vil det gi en spenning (en elektrisk potensialforskjell) mellom de to delene av kretsen hvor det er påkoblet, eller det forårsaker et elektrisk felt i resten av kretsen. Dette feltet gjør det mulig for en strøm å gå gjennom krets­ en slik at motstanden får glødetråden i pæren til å gløde og lampen lyser. Elektrisk strøm er forårsaket av strømmen av bevegelige elektro­ ner. For å generere en strøm trenger man både en spenningskilde for å få et elektrisk felt som kan styre elektronene, og en leder som elektronene kan bevege seg fritt i. I metaller vil elektroner som er løst bundet til atomene lett kunne bevege seg fra atom til atom. Et svakt elektrisk felt vil kunne styre deres bevegelse som vanligvis er helt kaotisk i en jevn strøm i en retning. Enheten for elektrisk ladning kalles coulomb (C). Den er gitt som ladningen av 6.25xl018 elektroner. Enheten for elektrisk strøm er ampere etter den franske fysiker og matematiker André Ampere (1775-1836) som ga viktige bidrag til forståelsen av magnetiske effekter av elektrisk strøm. En ampére svarer til en ladning på en coulomb som strømmer gjennom et tverrsnitt av en leder per sekund. Elektroner som strømmer gjennom en leder, som for eksempel en koppertråd, beveger seg ikke uhindret. De kan kollidere med atomene i metallet og med forurensninger i metallet. I disse kolli­ sjonene vil elektronene miste energi som blir overført som kinetisk energi til atomene og gir disse en kaotisk bevegelse. Dette fører til temperaturøkning i metallet siden høyere temperatur er knyttet til raskere atombevegelse. I vanlig belysning blir en tynn tråd holdt ved høy temperatur i et vakuumrør slik at den gløder med en klar gul farge. Røret skal være lufttomt for å hindre at tråden brenner opp. I en elektrisk ovn vil man bruke en tykkere tråd. Denne har lavere motstand slik at tråden holder en lavere temperatur og vil gløde med rød farge og utstråle mindre lys og mer varme.

ELEKTRISITET

En fluoriserende lampe

Batteriets virkemåte Den grunnleggende funksjonen til et batteri er å lagre kjemisk energi og omdanne dette til elektrisk energi når det behøves. Det utnytter den naturlige kaotiske bevegelsen til de frie lonene - atomer med enten for mange eller for få elektroner - / en væske. Det mest vanlige batteriet som man bruker i lomme­ lykter er et tørr-batteri. Dets væskekomponenter har en fettlignende konsistens. Det består vanligvis av en kullstav - den positive terminalen - som er omgitt aven tynn bomullspose som inneholder mangandioksyd og pulverisert kull. Rundt dette igjen og i kontakt med sinkhylsteret, er et lag med ammoniakk-klorid-pasta. Når batteriets terminaler står i forbindelse med hverandre via en krets, vil elektronene bevege seg fra sinkhylsteret til kullstaven. En elektrisk strøm går fra den positive (kull) terminalen til den negative (sink). Elektronene blir frigjort når negative klor-ioner (et ekstra elektron) i pastaen får kontakt med sink og danner sinkklorid. De positive ammoniakk-ionene (et elektron for lite) beveger seg fra pastaen gjennom posen til kullterminalen hvor de plukker opp elektroner og danner hydrogen og ammoniakk. Manganoksyd forhindrer at et isolerende lag av hydrogenbobler samler seg på kullet. Det reagerer med hydrogen og danner mangantrioksyd og vann. Net­ toeffekten er at elektroner flyter fra sink til kull og ammoniakk- kloriden blir oppløst. Denne typen tørrcellebatteri er en primær celle: De kjemiske endringene kan ikke reverseres. I en sekundærcelle er de reversible. En kjent sekundærcelle er bly-syre-akkumulatoren som brukes som bilbatteri. Det består av seks celler som er seriekoblet. Nikkel-kadmium-oppladbare batterier tørre sekundære celler. Motstand

◄ En vanlig lyspære (her: knust, men virker fremdeles) gløder når den elektriske strømmen møter stor mot­ stand i den tynne wolframtråden. Den kan bli over 2 000 °C.

53

▲ I en motstand blir elektronenes bevegelse forhindret ved for eksempel en sammensnevring i en leder eller urenheter i metallet Elektronene kolliderer med disse og mister energi.

Synlig lys_______________________

Glassrør

Fosforbelegg Ultrafiolett stråling__

Kolliderende elektron Eksitert elektron

Kvikksølv-atom-------------------------

► I en fluoriserende lampe vil elektroner som blir sendt ut fra en varm katode kollidere med kvikksølvatomer i røret. Disse vil absorbere energi og sende ut ultrafiolett stråling. Strålingen treffer atomene i rørets fosforlag som sender ut synlig lys. En fluoriseren­ de lampe sender ut mer lys enn en trådlampe som får like mye strøm.

Et objekts evne til å lede elektrisk strøm er avhengig av objektets elektriske motstand. Stor motstand betyr at det er vanskelig for en strøm å passere. Motstanden er avhengig av materialets beskaffen­ het på to fundamentale måter. Jo flere frie elektroner som kan be­ veges per kubikkmeter, jo mindre motstand. Mange frie elektroner i et volum medfører lav motstand, og mange hindringer i det sam­ me volumet vil bidra til høyere motstand. Elektriske ledere har lav motstand, mens gode elektriske isolatorer har meget høy motstand. Elektrisk motstand er en form for friksjon (gnidningsmotstand) som fører til at ladningene i en strøm taper energi. Den tapte ener­ gien finner man igjen som varme i lederen. For at strømmen skal vedvare må man kompensere for dette energitapet. Et batteri vil ikke bare gi et elektrisk felt som kan drive strømmen, det vil også tilføre energi svarende til det som er tapt i form av varme og lys. Enheten for elektrisk motstand kalles ohm etter den tyske fysike­ ren Georg Simon Ohm (1787-1854). Ohm utførte en rekke eksperi­ menter for å studere elektrisk strøm. Han målte spenning og strøm i ledere av forskjellige lengde og forskjellig tykkelse. Resultatet ble den berømte Ohms lov som sier at motstanden i en leder er lik spenningen som skal til for å holde en gitt strøm i lederen dividert på den samme strømmen. Ohms lov fremviser noen av de grunn­ leggende trekkene ved elektrisk motstand i ulike ledere. For eksem­ pel er strømmen i en ledning lik ladningen som passerer gjennom et tverrsnitt av ledningen per sekund. Dette betyr at jo større tverr­ snittet er, desto større er strømmen som kan gå gjennom det og desto mindre er motstanden. Dette prinsippet kan best illustreres ved likhetene mellom elektriske ledninger og vannrør. Store meng­ der vann kan renne gjennom korte, tykke rør, men bare små meng­ der vann kan passere gjennom lange, tynne rør. Ohms lov gjelder kun for materialer hvor motstanden ikke av­ henger vesentlig av den anvendte strømmen og spenningen. Men selv i slike materialer vil motstanden avhenge av temperaturen. Årsaken til dette er at atomene er friere til å bevege seg ved høye temperaturer, og dette vil øke antallet hindringer de støter på. Halvledere og ledende gasser oppfører seg helt anderledes. Dette er fordi antallet mobile elektroner er avhengig av den anvendte spenningen. For halvledere avhenger motstanden sterkt av den kontrollerte forurensningen av basisstoffet.

54 En lysemiterende diode og en fotoelektrisk celle er essensielt det samme, men de arbeider på motsatt måte

Kondensatorer - lagring av elektrisitet En kondensator brukes til å lagre elektrisitet i en krets. Den kan lades opp ved å kobles til en spenningskilde, som for eksempel et batteri. Potensialforskjellen mellom platene fører til at elektroner fra en plate blir trukket over til den andre. Dette skjer først raskt og så langsommere etter hvert som spenningsfallet mellom platene utligner spenningskilden og ladningsstrømmen stanser. Kilden til­ fører kondensatoren energi når den lades opp, men denne energien kan man få tilbake igjen. Når spenning som brukes over kondensa­ toren er konstant, vil strømmen avta mot null når ladningen bygges opp. En kondensator vil ikke gi en jevn strøm. Hvis kondensatorplatene er forbundet med hverandre, vil poten­ sialforskjellen drive strøm gjennom den. Elektroner går da fra den negativt ladete platen mot den positive og ladningen på kondensa­ torplatene vil avta mot null. Energien som var lagret i kondensato­ ren er gått over til varme p.g.a. motstanden i ledningen. Kondensa­ toren fungerer som en midlertidig spenningskilde.

Feltet i en kondensator Hvis de to parallelle metallplatene i en kondensator mottar like stor, men motsatt ladning, vil ladningene spre seg jevnt over platene og gi et konstant elektrisk felt mellom dem. Feltet vil være propor­ sjonalt med ladningen på hver plate dividert med arealet av platene. Detelektriske potensiale til den positivt ladete platen i forhold til den negative - altså spenningsfallet over kondensatoren - er gitt ved feltet multiplisert med av­ standen mellom platene. Kapasitans er definert som den ladningen en kondensator kan ha, dividert med potensialforskjellen som ladningen gir. Hvis en kon­ densator har en ladning på en coulomb på hver plate, og har en potensialforskjell på en volt, er kapasitansen en farad (F). Dette er enheten for kapasitans, og den har fått sitt navn etter Faraday. I praksis er kapasitanseravstørrelsesorden en faradsjeldne. Enheten er for stor i forhold til praktiske verdier for kondensatorer. ◄ ▼ Halvleder-hukommelse er tusenvis av hukommelsesceller som er plassert på en eneste silisiumbrikke. Hver celle kan holde fast på ladninger med elektriske felter generert av både ytre spenninger og intern utveksling av ladning mellom forskjellige typer silisium. Silisiumatomer forbinder seg med hverandre via kovalente bindinger hvor de fire ytterste elektronene er involvert. Doping med atomer som har ett elektron mer, eller mindre, gir n-type- eller p-typesilisium. Elektroner vil passere en vei over grensen mellom de to typene, og hull vil gå andre veien. Dette fører til at n-typesiden blir positiv, og p-typesiden blir negativ slik at det etableres et internt felt.

ELEKTRISITET

Bruk av kondensatorer Kondensatorer blir brukt til mange formål. Både for å lagre elektrisk ladning og energi og som element i elektriske kretser. For eksempel vil et kamera med elektronisk blitz inneholde en kondensator som lagrer energien til blitzen. I tillegg bruker man i dag kondensatorer på rundt en farad for å assistere halvleder-da tamaskinhukommelser under strømbrudd. Fordi kondensatorer kan lagre ladning, kan de brukes som små dynamiske hukommelseselementer i mikrobrikker. Kondensatorer er også mye anvendt sammen med andre kretselementer. Spesielt brukes de mye til å kontrollere varierende elektriske strømmer. De brukes også i filtere for å fjerne uønskete signaler i følsomme apparater som for eksempel i fjernsyn og stereo-forsterkere. Som ladningslagre brukes store kondensatorer (kondensatorer som er større enn 1 mikrofarad).

Spenningen og strømmen går mot null når ladningen på platene avtar. Først raskt og senere langsommere. Tiden som kondensato­ ren bruker på å lade opp, og deretter å utlade er omvendt propor­ sjonal med størrelsen av motstanden og kapasitansen. Kapasitansen kan økes ved å fylle rommet mellom platene med et dielektrikum. Dette er et stoff som ikke er en god leder, men kan bli elektrisk polarisert. Molekylene som det består av kan bli trukket litt bort fra hverandre av et elektrisk felt. Inne i en oppladet kondensator vil de negative ladningene i et dielektrikum være truk­ ket mot den positive platen mens de positive ladningene vil være trukket mot den negative. På denne måten vil man ha et lag av negative ladninger nær den positive platen, og et lag av positive ladninger nær den negative. Både det elektriske feltet mellom plate­ ne og potensialforskjellen mellom dem vil bli redusert av dette. Platenes ladning vil være den samme, slik at kapasitansen - lad­ ning dividert med potensialforskjell - vil øke. Kommersielle kon­ densatorer inneholder dielektrika for å få høyere kapasitans.

Halvledere og silisiumbrikker I et metall vil ett eller to av de ytterste elektronene i et atom være fri til å bevege seg gjennom stoffet under påvirkning av et elektrisk felt. I en isolator er ingen av elektronene fri til å bevege seg på denne måten. Det finnes også en tredje type materialer som virker som isolatorer ved lave temperaturer, men som blir ledende når temperaturen øker. Ved høyere temperaturer blir elektronene mer energirike, og noen blir i stand til å flytte seg lett gjennom stoffet akkurat som i et metall. Slike materialer kalles halvledere. Forståelse av ledning i halvledere og spesielt i ledere er kun mulig ved anvendelse av kvantemekanikk for faste stoffer. En måte å tilføre frie elektroner til en halvleder er å «dope» den med små mengder av et annet stoff - en urenhet - som har flere ytre elektroner. Det er også mulig å tilføre atomer som har færre ytre elektroner enn halvlederen. I dette tilfellet vil urenhetsatomene oppfange elektroner fra halvlederen og danne «hull» blant de ytre elektronene. Et hull er en elektronposisjon uten elektron. Et elektron som går inn i en slik posisjon etterlater seg et hull der det kom fra. Hullene beveger seg i motsatt retning av elektronene. Hullene kan bevege seg fritt under påvirkning av et elektrisk felt på samme måte som de negative elektronene. Man kan styre de elektriske egenskapene til en halvleder ved å dope den med urenheter som donerer ekstra elektroner, eller som fanger opp elektroner og danner hull. Videre styring er mulig ved å pålesse elektriske spenninger. I en transistor vil strømmen som går gjennom en halvleder kunne endres eller stoppes ved en tilpasset spenning som er forskjellig fra den som opprettholder strømmen. Denne effekten gjør det mulig å anvende transisto­ rer som brytere og som forsterkere. Dette gjør dem til viktige komponenter i elektronisk utstyr. Silisium (Si) er en viktig halvleder som man kan gro til store enkelkrystaller - opp til omkring 10 cm i diameter. En tynn bit av en slik krystall er basis for en silisiumbrikke. Urenhetsatomer kan vandre inn i overflaten til silisiumbiten for å danne et stort antall små kretselementer som transistorer og kondensa­ torer på samme brikke. Med passende bindeledd kan informasjon lagres og behandles.

55

◄ ▼ Kondensatorer har mange anvendelsesområder som bygger på deres evne til å lagre ladning eller på deres evne til å stabilisere veksel­ strøm. Som lagringselementer for ladning er de hukommelseceller i halvledere (motsatt). De brukes også til å lade opp elektroniske blitzlamper i foto­ grafiapparater (under). Variable kondensatorer (venstre) ble mye brukt til inn­ stilling av strøm i gamle radio­ apparater.

▼ En ytre spenning som anvendes over en overgang mellom p-type- og n-typehalvledere kan få elektroner og hull til å bevege seg inn i overgangsområdet. I dette overgangsområdet vil de forbinde seg med hverandre og dermed frigjøre energi som kan vise seg som lys i noen halvledere. Dette er prosessen bak lysemiterende dioder. I en solcelle vil absorbert lys skape et elektron-hull-par. Ved overgangen vil det interne feltet adskille disse ladnin­ gene og man har en strøm.

Sollys

56 De grunnleggende lovene for elektrolyse ble satt opp i begynnelsen av 1800-tallet

Elektrolyse

Dannelse av belegg på metall

Når en elektrisk strøm blir sendt gjennom en oppløsning av et ionisert fast stoff som metallisk salt, vil de forskjellige ladningene bevege seg enten mot den positive elektroden (anoden) eller mot den negative elektroden (katoden). Når ionene når frem til elektrodene vil de enten ta opp elektroner dersom de er positivt ladet, eller de vil gi fra seg elektroner dersom de er negativt ladet. På denne måten danner de atomer og molekyler, og dette fenomenet er kjent som elektrolyse. Det blir brukt i industriell kjemi for å lage sammensatte stoffer som natriumhydroksyd, og for å legge tynne lag av metall-atomer oppå hverandre. Gjenstander som har vært elektrolyttisk behandlet er velkjent fra dagliglivet. Prydgjenstander består ofte av et billig materiale som er forgylt med et tynt lag gull eller sølv, påført med elektrolyse. Under påvirkning av elektrisk strøm vil ionene i oppløsningen bevege seg mot anoden og katoden. De positivt ladete metall-ionene går mot katoden og avleires på objektet som skal dekkes. Anoden brytes ned for å forsyne elektrolytten med metallioner, og må fornyes for å vedlikeholde prosessen.

Mange metallgjenstander og redskaper kan gjøres mer motstandsdyktig mot slitasje og korrosjon ved at de blir dekket med et tynt belegg av et annet metall. Disse lagene kan legges på ved å dyppe gjenstanden i et bad bestående av et mer mot­ standsdyktig metall eller ved å anvende elektrolyse. Ved elektrolyse kan man få et meget jevnt og tynt lag på mange ulike metaller. Gjenstander som behandles på denne måten kobles til katoden i en elektrolytt (et elektrolytisk bad) som består av et metallisk salt. En anode, ofte laget av det metallet som man skal påføre, blir også lagt i badet, og en svak likestrøm sendes gjennom. Mange ulike metallgjenstander behandles på denne måten, for eksempel skruer og bolter og bestikk og bildeler. Støtfangerne på biler er vanligvis laget av stål, og så dekket med nikkel og krom. Disse stoffene gjør ikke bare stålet mer mot­ standsdyktig mot korrosjon, de gir også et tiltalende inntrykk. Forsølvet bestikk er ganske vanlig. Sølvbelegget beskytter metallet mot slitasje etc. Ved å benytte spesielle teknikker kan man også påføre for­ skjellige belegg på ikke-metalliske materialer.

Faraday og elektrolyse Kjennskapet til elektrolyse kommer fra eksperimen­ ter utført av den engelske fysikeren og kjemikeren Michael Faraday (1791-1867) i begynnelsen av det nittende århundret. Faraday fant den kvantitative sammenhengen mellom mengden av elektrisitet som ble sendt gjennom en elektrolytt og den kjemiske endringen dette forårsaket. Han viste at mengden av et stoff som ble omdannet ved elektrolyse er proporsjonal med mengden ladning. Et mol av et stoff som mottar eller mister et elektron under elektrolyse er belagt med 96 485 coulomb, eller ampere-sekunder med elektrisitet. Hvis n er antallet elektroner tapt eller vunnet av hvert molekyl av stoffet i reaksjonen, så vil 96 485 ganger n coulomb være nødvendig for å frigjøre et mol av stoffet. Størrelsen 96 485 coulomb er kjent som en faraday, men I praksis er enheten ampere-timer tilsvarende 3 600 coulomb brukt. En faraday er lik 26.8 ampere-timer. 1 Opprinnelig struktur

► Elektrolyse er utskillelse av kjemiske stoffer ved strømgjen­ nomgang. Dette er en prosess som ligner det man finner i en elektrisk celle eller et batteri. Hvis en strøm sendes gjennom en løsning bestående av vanlig salt (NaCI) i vann (H2O), så vil det negative Cl-ionet bli trukket mot anoden hvor det gir fra seg sitt overflødige elektron og skilles ut som klorgass. På samme måte vil det positive Na-ionet bli trukket mot katoden hvor det får et elektron og forbinder seg med vannmolekylene og danner natrium-hydroksyd (NaOH) samtidig som hydrogengass blir utskilt.

Elektron o-

▼ Mange metaller kan plettes ved enkle elektrolyttiske bad. Ofte inngår prosessen som en alminnelig del av produksjo­ nen av en metallgjenstand eller -redskap. Stålbånd blir belagt med tinn for å brukes som hermetikkbokser. Noen ståltyper blir belagt med ekstremt tynne lag av nikkel og krom for å gjøre dem hardere. Legeringer kan brukes som belegg dersom det metalliske saltet blir blandet i det elektrolyttiske badet. Plettet messing laget på denne måten ser akkurat ut som støpt messing.

Elektromagnetisme Magneter, strømmer og felter... Det elektromagnetiske spekteret... Vekselstrøm... Transformatorer... PERSPEKTIV... Michael Faraday... Motorer og dynamoer... Lys og det elektromagnetiske spekteret... Overføring av energi og informasjon... Induktorer og kondensatorer

——

Elektrisk ladning i bevegelse - elektrisk strøm - er opphavet til magnetiske felter. Faktisk er det ikke så stor forskjell på magnetiske og elektriske felter. De representerer begge hver sin side av det generelle elektromagnetiske felt. I 1820 oppdaget den danske fysi­ keren Hans Christian Ørsted (1777-1851) at en strøm i en ledning påvirket en kompassnål like ved. Før slutten av året hadde Ampre utvidet Ørsteds arbeid, og konkluderte med at all magnetisme er generert av små elektriske strømmer. Formen til et magnetisk felt som er generert av en liten ledning som fører en strøm er komplisert. Feltets retning er vinkelrett på ledningen og på linjen som forbinder ledningen med det punkt i rommet hvor man måler feltet. Feltstyrken er proporsjonal med strømmen og lengden av ledningen. Den er også avhengig av av­ standen, og avtar med kvadratet av avstanden, og av vinkelen mel­ lom ledning og den forbindende linje. Feltstyrken er størst vinkel­ rett på ledningen. For å regne ut feltet på grunnlag av strømmen i en ledning som en ring eller en spole, må man addere alle bidra­ gene fra små deler av ledningen. I noen tilfeller har svaret likevel en svært enkel form. F.eks. er feltet fra en solenoid, en spole med mange viklinger, likt feltet fra en stavmagnet med en nord-pol i den ene enden og en syd­ pol i den andre. Faktisk er det magnetiske feltet fra en permanent jernmagnet dannet av elektriske strømmer, ikke fordi de egentlig er en spole, men p.g.a. elektroner som spinner på mikroskopisk skala.

Elektrisitet og magnetisme A

▲ En elektrisk strøm i en ledning genererer et magnetisk felt rundt ledningen (A). Feltets retning er den samme som en høyre­ orientert skrue som peker i samme retning som strømmen. I en ledning som er bøyet som en sirkel vil det magnetiske feltet bestå av mange ringer (B). I en solenoid (C) vil effekten av mange viklinger addere seg sammen og gi et netto felt likt feltet fra en stavmagnet.

▲ Faraday er kjent som en av tidenes største eksperimentalister. Han er husket for sine arbeider i elektromagnetisme og statisk elektrisitet samt i kjemi.

Michael Faraday Michael Faradays biografi er den klassiske historien om en stor vitenskapsmann som kommer fra beskjedne kår. Han var sønn aven smed, ble født i London og begynte som bokbinderlærling da han var 14.11813 begynte han å arbeide ved det Kongelige instituttet i London som assistent for kjemikeren Humphrey Davy (1778-1829). 11825 var han blitt leder av laboratoriet der. Faraday var en produktiv eksperimentalist, og hans navn er knyttet til mange fenomen både fra fysikk og kjemi. Selv om han selv ikke var matemati­ ker, ga hans ideer startsignalet til utviklingen av teorien for elektromagnetiske felter. På bakgrunn av arbeidet om magnetisme utført av den engelske vi­ tenskapsmannen William Gilbert (1540-1603), fikk Faraday ideen om feltlinjer rundt både elektriske og magnetiske objekter. Han var en av de første som innså riktigheten av disse feltene. Hans arbeid ble av stor viktighet for den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) da han klarte å forene elektrisitet og magnetisme i en teori. Faradays arbeider strakk seg fra studier av kapasitans til de kjemiske virkningene av elektriske strømmer i elektrolyse til oppdagelsen av bensen. Elektrisk induksjon blir av mange betraktet som hans viktigste oppdagelse. 11831 oppdaget han at dersom en spole beveger seg gjennom et magne­ tisk felt, så vil en elektrisk strøm bli indusert I ledningen. Dette er prinsippet som ligger til grunn for produksjon av elektrisitet. 11833 formulerte han de to lovene for elektrolyse, grunnlaget for elektrokjemi.

58 Effekten av magnetiske felter på elektroner i bevegelse er velkjent fra generatorer og elektriske motorer

Vekselvirkning mellom elektriske og magnetiske felter Virkningen av et magnetisk felt på et elektron i bevegelse er helt forskjellig fra hvordan et elektrisk felt vil virke på det. Kraften som virker på en ladet partikkel er proporsjonal med partikkelens ladning og hastighet, og med den komponenten av feltet som er vinkelrett på partikkelens bevegelsesretning. Denne kraften virker i en retning som danner en rett vinkel med det magnetiske feltet og partikkelens bevegelsesretning. En slik kraft kan flytte et stykke av et materiale ved å virke på elektronstrømmene. Denne kraften anvendes i en elektrisk motor hvor en spole som det går strøm gjennom, beveger seg mellom polene til en magnet. De elektriske feltene vi beskrev tidligere blir generert av elektri­ ske ladninger. De magnetiske feltene derimot genereres av ladnin­ ger i bevegelse, altså av elektriske strømmer. Elektriske felter kan også forårsakes av magnetiske felter som endrer seg med tiden. Slike felter vil være vinkelrett på det magnetiske feltet. Tilsvarende vil magnetiske felter ikke bare dannes ved elektriske strømmer, men også av elektriske felter som endrer seg over tid. Det genererte magnetiske feltet vil være vinkelrett på det varierende elektriske feltet, og de magnetiske feltlinjene vil forme lukkede løkker rundt det varierende elektriske feltet. Denne effekten utnyttes i en elek­ trisk generator hvor rotasjonsenergi omdannes til elektrisk energi. ► To regler basert på ret­ ningen av tommelfingeren, pe­ kefingeren og langfingeren når de danner rette vinkler med hverandre, beskriver retningen til strømmen, det magnetiske feltet og bevegelse i motorer og generatorer. Fingrene på venstrehånden beskriver en motor, og de på høyrehånden en generator. Pekefingeren angir feltet, tommelen beve­ gelsesretningen og langfinge­ ren strømretningen.

▲ Når en leder blir flyttet i et elektrisk felt, vil det gå en strøm hvis ledningen er knyttet til en krets. Dette skjer fordi elektronene i lederen vil merke en kraft. Dette er prinsippet bak en generator.

▲ En rekonstruksjon av en av de første apparatene som ble brukt for å studere sammen­ hengen mellom elektriske og magnetiske felter. Bygget av fysikkeren H. Pixii i 1821.

► Mye av det moderne leketøyet bruker enkle likestrøms-motorer som anvender lave spenninger. Spenningen kommer fra batterier eller fra strømnettet via transformatorer.

► Et magnetisk levitasjonstog (maglev) er et eksempel på en anvendelse av den elektriske induksjonsmotoren. I dette tilfellet forårsaker den lineær bevegelse.

ELEKTROMAGNETISME

59

Dynamoer og generatorer Generatorer og motorer arbeider på samme måte. En dynamo omdanner bevegelsesenergi til elektrisk energi. En elektrisk motor omdanner elektrisitet til bevegelse. Fellesnevneren er hvordan et magnetisk felt virker på elektroner i bevegelse. Elektroner i en ledning som beveger seg gjennom et magnetisk felt vil merke en kraft. Denne kraften vil få elektronene til å bevege seg gjennom ledningen. Dette er prinsippet bak en generator. Kraften som virker på elektronene skaper et elektrisk trykk på samme måte som trykket som blir bygget opp aven vannpumpe. I en elektrisk motor blir en strøm generert aven ledning i et magnetisk felt. Elektronene vil da merke en kraft på grunn av det magnetiske feltet som vil få ledningen til å bevege seg. Dersom ledningen er en løkke, vil kraften som virker på de to sidene av løkken få den til å rotere i det magnetiske feltet så lenge strømmen går. En enkel motor trenger veksel­ strøm for å virke. Når spolen roterer mellom polene, blir strømmen snudd for at bevegelsen skal fortsette. Ved likestrøm vil en vender snu strømmen gjennom spolen ved hver halvdreining.

Likestrømsmotor

◄ ▲ I en enkel likestrøms­ motor vil det gå strøm fra et batteri gjennom en eller flere viklinger som befinner seg mellom magnetpolene. Det magnetiske feltet virker med en kraft på elektronene i strømmen. Dette vil medføre at spolen begynner å rotere fordi kraften har motsatt retning på spolens to sider. Dersom strømmen hadde samme retning hele tiden, ville kraften på spolen få den til å rotere tilbake igjen når den hadde passert den vertikale posisjonen mellom polene. For å få spolen til å fortsette å rotere, må strømmen endre retning etter at den har gått en halv syklus. Dette oppnår man ved å benytte en vender som er en delt ring hvor de to delene er isolert fra hverandre. Som kontakter bruker man kullbørster på hver side.

Det elektromagnetiske spekteret Elektromagnetisk stråling Det faktum at magnetiske felter fremtrer som varierende elektriske felter og omvendt, betyr at elektromagnetiske bølger kan bevege seg gjennom rommet. De elektriske og magnetiske feltene I disse bølgene står vinkelrett på hverandre og på bølgens bevegelsesretning. Elektromagnetiske bølger er kjent som lys, radiobølger eller røntgenstråling. Den eneste forskjellen mellom disse fenomenene er bøl­ gelengden. Kilden til alle disse fenomenene er bevegelse av ladete partikler. Stråling fra stjerner, som blir generert av elektroner som beveger seg vilkårlig rundt i de varme gassene på stjernens overflate, kan bevege seg mange lysår gjennom ver­ densrommet. I kringkasting derimot, vil strålingen som sendes ut fra antennen være generert av elektroner hvis bevegelse er samordnet i antennen.

▼ Elektromagnetiske bølger har et stort spekter av bølge­ lengder og frekvenser. Det elektromagnetiske spekteret dekker mer enn 19 dekader (størrelsesordener). Det strekker seg fra gammastrå­ ling med korteste bølgeleng­ der gjennom røntgenstråling og synlig lys til mikrobølger og radiobølger. Under ser man Orionståken gjennom forskjel­ lige filtere som slipper gjennom lys fra bestemte deler av spekteret. Fra venstre har man røntgenstrålebilde, så følger optisk lys og infrarødt, og helt til høyre er et radiobølgebilde. Bølgelengdene som øyet eller filmen er følsom for, bestemmer bildet.

▲ ► 11800 gjorde den britiske astronomen William Herschel (1738-1822) som er best kjent for å ha oppdaget planeten Uranus, en viktig oppdagelse. Han studerte oppvarmingseffekten fra Solen, og brukte et termometer hvor pæren var dekket av et svart belegg. Han fant at selv om han befant seg utenfor den røde delen av spekteret, så fortsatte termometeret å absorbere varme og temperaturen økte. Dette var den første indikasjonen på infrarød stråling som har bølgelengder som er lengre enn for synlig lys. Infrarød stråling sendes ut fra alle varme gjenstander, fra stjerner til elektriske ovner. Infrarød fotografering er en mulighet til å se i mørket. Bølgelengde (m)

10~16

10*’5

10*'4

10-1°

.... ......................... . ........... 1--------------------------- i_______________ I____

1024

I--------- ----------------------11023 1022

w8

10-9

.. 1... ------------------ L------------- - --------- 1_-----

Gammastråling

........ Frekvens (Hz)

► Elektromagnetiske bølger består av svingende elektriske og magnetiske felter. De svinger med samme frekvens og beveger seg i samme retning med lyshastighet som i vakuum er 299 792 km/s. De er transversalt (på tvers av bølgeretningen) polarisert i motsetning til lydbølger som er longitudinelle. Elektriske og magnetiske felter svinger i retninger som er vinkelrett på bevegel­ sesretningen. Bølger fremkommer som et resultat av forholdet mellom elektriske og magnetiske felter. Endringer i det ene gir opphav til endringer i det andre.

Røntgenstråling —r~ 102’

T— 1O20

1019

10’8

Ultrafiolett stråa

1017

Oppdagelsen av elektromagnetismen 11864 klarte den skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) å samle alle de kjente lovene om elektrisitet og magnetisme, og redusere dem til fire basale ligninger. Han avslørte på denne måten en symmetri mellom elektriske og magnetiske fenomener. Det var allerede kjent at et varierende magnetisk felt genererer et elektriske felt og at en elektrisk strøm i en ledning genererer et magnetisk felt. Maxwell hevdet at et varierende elektrisk felt også kan produsere et magnetisk felt. Ved å inkludere denne effekten kom det frem at ligningene beskrev en type bølgebevegelse. Bølgebevegelse er kjent fra krusninger på en vann­ overflate. I Maxwells tilfelle er det derimot ikke noe materielt som beveger seg. Ligninger beskriver et 10-6 10~5 10-4 10'3 _________ J__________________ I__________________ L_________________ 1____

fnlig lys ---------1 10’5------------------------- 1Q>4

varierende bølgemønster som beveger seg gjennom rommet. En elektrisk eller magnetisk forstyrrelse kan sette i gang et slikt mønster av varierende felter. Maxwell oppdaget at hastigheten måtte være nær lyshastigheten, og forslo at de to hastighetene måtte være like, at lys er en form for elektromagneti­ ske bølger. Med dette bekreftet Maxwell antagelsen til Michael Faraday (1791-1867) som 20 år tidligere hadde betraktet lys som et elektrisk fenomen. Maxwells forståelse av lys som en elektromagne­ tisk bølge ble ikke fullt godtatt før 11889. Den tyske fysikeren Heinrich Hertz (1857-1894) demonstrerte at elektriske strømmer kunne produsere signaler radiobølger - som beveger seg med lyshastigheten. Disse bølgene viste kjente bølgefenomener som refleksjon, brytning, diffraksjon og interferens.

io~2

io°

w’

~lS"

102 103 ----------------------- 1__________________ l_

Radiobølger

Mikrobølger

Termisk stråling 1-----------------1----------------------1Q13-----------------------------1012

io-1

----------------- 1------------------------------ 1----------------------------- -i_____________ _____ i—

▲ Maxwells teori for elektro­ magnetiske bølger ble bevist eksperimentelt i slutten av 1880 av Heinrich Hertz. Hertz koplet opp terminalene til en induksjons-spole (nederst til venstre) for å lade opp en kondensator. Etter en stund begynte det å slå gnister mellom de to små kulene slik at kondensatoren ladet seg ut. Dette skjedde ikke som en jevn prosess, men som en svingende bevegelse p.g.a. induktansen i samme krets. Denne varierende strømmen produserte elektromagnetiske bølger som kunne indusere en gnist mellom kulene i en ne­ sten lukket løkkeet stykke unna.

_____-f—

----------- ,

107

!--------------

106

62 En melding beveger seg langs en telefonkabel med lyshastigheten selv om elektro­ nene i kabelen kun beveger seg med en hastighet av 0.1 millimeter per sekund

Vekselstrøm og omformere Elektrisiteten som brukes i de fleste hjem og industrier er i form av vekselspenning. Denne spenningen varierer periodisk mellom en positiv verdi og en tilsvarende negativ verdi i forhold til et nullpunkt, definert som Jordens naturlige potensial («jord»). Ved likestrøm vil elektronene i en ledning bevege seg i bare en retning, men ved vekselstrøm vil de bevege seg frem og tilbake når potensialet endrer seg. Vekselspenningen blir produsert i kraftstasjoner av roterende generatorer som trekker energi fra vannfall (hydroelektriske generatorer) eller fra damp under høyt trykk. Dampen blir oppvarmet ved brenning av kull eller olje eller ved varme som kommer fra kjernespaltingsprosesser. Hovedgrunnen til at man bruker vekselspenning i strømforsynin­ gen handler om problemet man har med å sende elektrisk kraft med minimalt energitap. Det er generelt lønnsomt å sende strøm­ men med langt høyere spenning enn det som er praktisk å produse­ re eller anvende. Man trenger derfor å kunne øke spenningen før man sender den ut på nettet, og deretter senke den når den er fremme ved forbrukeren. Til dette bruker man en omformer som er veldig effektiv for å endre spenningen, men den kan bare benyt­ tes i forbindelse med vekselstrøm. I en typisk omformer vil man finne to spoler rundt hver sin side av en kvadratisk jernløkke. En elektrisk strøm i en spole gene­ rerer et magnetisk felt som er proporsjonalt med strømmen og an­ tall viklinger i spolen. Jernet forsterker og fanger feltet, som deretter går gjennom den andre spolen. Dersom det fangete magnetiske feltet endrer seg som det vil gjøre hvis den første spolen endrer seg, vil det generere et roterende elektrisk felt som setter opp en spenning inne i den andre spolen. Denne spenningen er proporsjo­ nal med hvor raskt det magnetiske feltet varierer og med antallet viklinger i den andre spolen. Dersom den andre spolen har flere viklinger enn den første, vil spenningen øke, og dersom den har færre viklinger, vil spenningen avta. ◄ En vekselstrømgenerator har mange likhetstrekk med en vekselstrømsmotor. Ved at en spole blir mekanisk dreiet mellom polene til en magnet får man generert en strøm i spolen. Når spolen dreies mellom polene, vil strømmen snu. Hvis spolens rotasjon blir holdt konstant, får man derimot en jevn vekselstrøm.

Vekselstrømgeneratoren Magnet

Spole Slippringer

Slippkontakt

► En enkel omformer består av to spoler viklet rundt to jernkjerner som står i forbin­ delse med hverandre. En vekselspenning over den ene spolen (den primære) setter opp en vekselsstrøm i den, og induserer dermed et magnetisk felt i jernkjernen. Dette svingende feltet induserer en vekselstrøm i den andre spolen (den sekundære). Spenningen i den sekundære spolen er avhengig av antallet viklinger i de to spolene. Hvis dette antallet er det samme, vil spenningene også være de samme. Er det flere viklinger i den sekundære, vil den induserte strømmen øke, og er det færre, vil den induserte strømmen avta.

ELEKTROMAGNETISME

63

4 Den kroatisk fødte fysikeren Nikola Tesla (1857-1943) emigrerte til USA i 1884 hvor han arbeidet med T.A. Edison. I 1888 utviklet han vekselstrømsinduksjons-motoren og forbedret metoden for kraftoverføring.

Overføring av signaler og energi

Frekvens-modulering

Amplityde-modulering

◄ Et signal blir båret av en elektromagnetisk bølge ved å modifisere frekvensen til en bølge med konstant amplityde (FM), eller ved å modifisere amplityden ved konstant frekvens (AM). ▼ Fjersynssignaler sendes fra sender til de forskjellige mottakere som FM-bølger.

En av de viktigste måtene som elektromagnetismen brukes på i vår hverdag, er i forbindelse med for­ skjellige former for kommunikasjon. Ved hjelp av elektrisiteten kan man sende signaler mellom to punkter som befinner seg langt fra hverandre. Disse signalene kan tolkes som enkle beskjeder, lyd eller som bilder sammen med lyd, som for eksempel i fjernsynssendinger. Signaler kan sendes ved å modulere elektromag­ netiske bølger (det vil si ved å endre dem litt) eller ved å endre strømmen langs en ledning. Det første praktiske kommunikasjonssystemet av denne type var telegrafen. Den ble utviklet i 1844 i USA av opp­ finneren Samuel Morse (1791-1872). I morse-kode vil en melding bli oversatt til en serie av «på» og «av» hvor det er to typer av «på»-signaler. Det ene (en «strek») varer lenger enn det andre, (en «prikk»). En kompassnål som er plassert i enden aven ledning er tilstrekkelig for å avsløre om strømmen er på eller av i den andre enden. Kompassnålen avslører også hvor lenge strømmen er på. Nå for tiden blir radio- og fjernsynssignaler sendt som elektromagnetiske bølger selv om de for en stor del går gjennom en kabel. Signalene i den elek­ tromagnetiske bølgen induserer strømmer i en antenne som sendes videre gjennom en kabel til mottakerapparatet. Lokale telefonsamtaler blir sendt i kabler, mens langdistanse-samtaler ofte blir sendt som elektromagnetiske bølger via satellitter som befinner seg utenfor Jordens atmosfære. Elektriske strømmer brukes ikke bare til transport av informasjon, men også for å transportere elektrisk kraft. Store energimengder blir sendt til hjem og industrier i byer og tettsteder langs kraftlin­ jene. Disse kraftlinjene kan i mange tilfeller strekke seg over hundrevis av kilometer. I disse enorme kablene har man også elektrisk motstand som vil føre til et energitap på veien frem til forbrukeren. For å minimalisere disse tapene, bruker man veldig høye potensialforskjeller (spenningsforskjeller). Energien som går tapt ved å overvinne motstanden er proporsjonal med motstanden multiplisert med kvadratet av strømmen. Den overførte energien er lik spenningen multiplisert med strømmen. For å maksimalisere den overførte energien, samtidig som man minimaliserer energitapet, vil det lønne seg å ha høye spenninger og små strømmer. Elektriske spenninger på rundt 400 000 volt er ikke uvanlig. Slike høye spenninger er ikke anvendelige for mottakeren, og blir derfor redusert til et passende nivå ved hjelp av omformere. I Norge er spenningen i vanlige husholdninger rundt 220 V. Ellers i verden brukes ofte 110 og 120 V. Signaler langs både telefonlinjer og kraftledninger vil bevege seg med lyshastigheten, og ikke med samme hastighet som elektronene, som opererer med hastigheter rundt 0.1 millimeter i sekundet. Kablene og elektronene i dem virker som bølgelede­ re for de elektromagnetiske feltene som bærer både signaler og energi, og beveger seg altså med lysets hastighet fra ledermaterialet.

64 Radio- og fjernsynssignaler transmitteres som elektromagnetiske bølger

Induktorer En elektrisk strøm som går gjennom en spole genererer et magnetisk felt inne i spolen. Hvis strømmen varierer med tiden, vil feltet også gjøre det, og dermed generere et elektrisk felt. Kraften som det elektriske feltet virker på elektronene med, er slik at den virker mot deres bevegelse og forsøker å hindre den vekslende strømmen. Dersom en slik spole, kalt en induktor, blir koblet til en konstant spenningskilde, vil strømmen gjennom spolen øke langsomt til en verdi som er lik den anvendte spenningen multiplisert med kretsens motstand. Til forskjell fra en kondensator vil en induktor ikke virke mot en jevn strøm selv om det i praksis vil være noe motstand i ledningen. Potensi­ alforskjellen som blir generert i en induktor av den vekslende strømmen vil være proporsjonal med hvor ofte strømmen veksler. Altså igjen til forskjell fra en kondensator vil en induktor ikke slippe gjennom vekselstrømmer med høye frekvenser. Disse ulikhetene mellom kondensatorer og induktorer gjør at de kan brukes sammen som filtere. Hi-fi-utstyr og andre in­ strumenter hvor det kan være ønskelig å filtrere bort deler av et signals «støy» gjør bruk av denne spesielle egenskapen. ◄ Den komplementære responsen (den motsatte måten de oppfører seg på) i kondensatorer og induktorer kan brukes sammen i elektro­ niske filtere som virker på vekselstrøm. Verdiene på ka­ pasitansen og induktansen kan velges slik at kretsen kun vil slippe gjennom strømmer med lave eller høye frekvenser, eller signaler innenfor et gitt frekvensinter­ vall. Motsatt kan et filter utelukke noen frekvenser.

▲ Induktorer og kondensatorer virker på motsatt måte når en spenningskilde blir koblet til kretsen. I en induktor (øverst) vil strømmen øke når spenningen over spolen avtar. Med en høyfrekvent vekselspenningskilde vil induktoren derimot blokkere strømmen. I en kondensator vil strømmen avta med maksimal spenningen. Ved vekselstrøm med høye frekvenser vil kon­ densatoren slippe strøm igjennom.

▼ Elektromagnetene som styrer subatomiske partikler i en akselerator krever likespenning. Dette kan man få fra den vanlige strømforsynin­ gen, men kun etter at strøm­ men er blitt likerettet. Dette vil etterlate ujevnheter i likespenningen som må være mindre enn 0.01 prosent for at magnetene skal kunne produsere felter som er stabile nok til a holde partiklene i bane. Filtere er i denne sammenheng helt avgjørende.

Atomer og grunnstoff Grunnstoffene... Atomteorier... Atomstruktur... Nukleoner og elektroner... Atomvekt og atomtall... Elektronskall og elektronbaner... Det periodiske system... PERSPEKTIV... Daltons atomteori... Beregning av atommassene... Forutsigelse av ukjente grunnstoff... Egenskaper ved det periodiske system

Alle stoffer i universet, fra hydrogen til de sammensatte proteinene som er nødvendige for alt liv, er dannet av et rent grunnstoff eller satt sammen av en rekke grunnstoffer til molekyler. Forskjellen mellom et grunnstoff og et molekyl er ikke helt innlysende. Identi­ fikasjon av noen stoffer, spesielt en del metaller som mer grunnleg­ gende enn andre, ble først gjort av alkymister. I det attende århun­ dret identifiserte den franske kjemikeren Antoine Lavoisier (17431794) grunnstoffet oksygen som årsaken til eksplosjoner i luft. Flere grunnstoff ble oppdaget utover i det nittende århundret. Studiet av materien på molekylært eller fundamentalt nivå, ble sterkt hjulpet av gjenoppdagelsen av den engelske kjemikeren John Daltons (1766-1844) atomteori. Ifølge hans teorier er all materie bygget opp av atomer. Atomet er en av de grunnleggende byggestenene i materien, og er den minste mengden av et stoff som kan ta del i en kjemisk reaksjon for å danne et nytt stoff. Dette konseptet ble først forslått av den greske filosofen Democritus (ca.400 f.Kr.), som mente at det fantes små partikler som all materie var bygget opp av. Disse partiklene, sa han, var udelelige og kunne ikke ødelegges. Ordet atom kommer fra et gresk ord som betyr «det som ikke kan deles». I dag vet man at selv om atomer er de minste fragmenter vi kan dele et stoff opp i uten at det mister sine karakteristiske egen­ skaper, så er ikke disse materiens fundamentale byggestener. De har selv en indre struktur, og er bygget opp av mer fundamentale partikler - protoner, nøytroner og elektroner. I atomets senter er det en kjerne med høy tetthet og liten utstrekning som består av protoner og nøytroner. Disse to partiklene har tilnærmet lik masse, men protonene er positivt elektrisk ladet, og nøytronene er elek­ trisk nøytrale. Totalt vil et atom være elektrisk nøytralt fordi elek­ tronene som har mye mindre masse enn protonet og nøytronet, vil utligne protonenes positive ladning. Elektronene befinner seg i relativt stor avstand fra kjernen og området de kan bevege seg innenfor er, i atomistisk målestokk, enormt. Fra matematiske sannsynlighetsberegninger har man kommet frem til at elektronene befinner seg i bestemte baner eller områder rommet rundt kjernen. Disse områdene (banene) er kjent som ato­ mets orbitaler (latin for omløpsbaner). ► Dalton forestilte seg atomene som kompakte gjen­ stander, nærmest som biljardkuler. Da Thomson oppdaget elektronet, tenkte han seg protoner og elektroner som var plassert i forhold til hverandre som rosiner i en kake. Rutherford oppdaget kjernen med elektroner i bane rundt seg. Bohr viste at disse banene er delt opp i forskjelli­ ge skall rundt kjernen.

Dalton: «biljardkule» 1803

Thomson: «rosinkake» 1901

Betraktninger av atomet 11802 presenterte den engelske kjemikeren John Dalton (1766-1844) sin atomteori for det Litterære og Filosofiske selskap i Manchester. Selv om de gamle grekerne hadde snakket om atomer, var Dalton den første som kunne påvise deres eksistens ved å studere grunnstoffenes masser. Daltons atomteori ble publisert i 1805, og han hevdet at all materie var bygget opp av partikler som ikke kan ødelegges eller deles. Atomene i et grunnstoff har identisk masse og kjemiske egenskaper, men atomene i et grunnstoff er forskjel­ lig fra atomene i alle andre grunnstoff. Dalton hevdet at når grunnstoffene reagerer med hverandre og danner sammensatte stoffer gjør de dette i bestemte mengder. Forskerne visste hvilke grunnstoff de ulike sammensatte stoffene besto av, og at grunnstoffene måtte opptre i bestemte mengder for å danne et bestemt sammensatt stoff. Dalton innså at grunnstoffene betår av et helt antall av en enhetsmasse. Han oppdaget også at når stoffer brytes ned, vil atomene til grunnstoffene det består av bli frigjort, og delta i nye reaksjoner uavhengig av hva de har gjort før. Dalton publiserte også en tabell over atomvekt som dessverre ofte var svært unøyaktig. Men hans ideer var svært nyttige når man skulle uttrykke kjemiske stoffer som formler. I ettertid har man funnet ut at atomene ikke er små uknuselige kuler slik han trodde.

Oppdagelsen av oksygen

▲ Antoine Lavoisier brukte dette apparatet i 1772 for å vise at substanser forbinder seg med en av luftens komponenter når de brenner. Den engelske kjemikeren Joseph Priestley (1733-1804) isolerte denne komponen­ ten i 1774, men innså ikke hvilken rolle den kunne spille ved eksplosjoner. Lavoisier kalte den oksygen og viste at eksplosjoner kunne være oksydasjoner.

Rutherford: «elektronsky» 1911

Bohr: «skallmodell» 1913

66 Helt opp til det nittende århundret hadde man bare klart å isolere noen få grunnstoff

Forvandling av grunnstoffene Grunnstoffer kan omdannes til andre grunnstoff. Alkymister fra middelalderen og Orienten var svært opptatt av å kunne forvandle vanlige metaller som bly til gull eller sølv. Forvandling av noen metaller skjer i naturen, men ved å utføre kjernereaksjoner i laboratoriet kan man også få det til. Radioaktive isotoper nedbrytes på forskjellig måte ved å sende ut partikler og stråling fra kjernen. Tre radioaktive nedbrytningsprosedyrer er kjent fra naturen. Den ene serien starter fra uranisotopen som har 238 protoner og nøytroner i sin kjerne (238U). Den andre serien starter fra uranisotopen som har 235 protoner og nøytroner i sin kjerne (235U). Den tredje serien starter fra toriumisotopen 232 Th. Alle naturlige nedbrytningsserier ender som den stabile ikke-radioaktive blyisotopen 208 Pb. Hver av disse naturlige seriene foregår ved ned­ brytning av isotoper gjennom utsendelse av alfabeta-pluss eller beta-minus-partikler eller ved å oppfange elektroner. Halveringstidene er fra et brøkdels sekund til tusener av år.

▲ Med sin primitive apparatur kunne alkymistene fra det attende århundret bare utføre de enkleste kjemiske eksperi­ menter. De lette etter livseliksiren og «de vises sten» for å forvandle vanlige metaller til gull. På tross av en del utsagn om det motsvarende var om­ danningen av et grunnstoff til et annet en håpløs oppgave helt frem til Lord Rutherford oppdaget kjernenedbrytning tidlig i det tyvende århundret.

► Moderne teknikker gjør det mulig å fotografere atomer som kun er 30 milliardedels centimeter i diameter, som er den omtrentlige størrelse av denne gruppen som består av syv uranatomer. Bildet er tatt med et «scanning tunneling» elektronmikroskop (STM) som kan forstørre 20 millioner ganger. Et moderne instrument som førte til at oppfinnerne fikk nobelprisen i fysikk.

ATOMER OG GRUNNSTOFF

Massespektrometeret

▲ ► Massespektrometeret kan telle og bestemme massen til atomer og molekyler. I vakuumkammeret blir et stoff ionisert med et sterkt elektrisk felt. Dette vil løsrive en del av stoffets atomer og elektroner slik at fragmentene får positiv ladning. Når disse ionene går ut av kammeret blir de avbøyet av et magnetisk felt. Avbøyningen vil være bestemt av deres masse og ladning, og en detektor vil registrere massespekteret. Selv om de fleste molekylene blir slått i stykker, kan man ved å identifisere de enkelte delene finne frem til og danne seg et bilde av det opprin­ nelige molekylet.

Atommasser Atomer er veldig lette og det er blitt vanlig å bruke en forenklet måte å referere til dem på. Denne måten definerer en skala for grunnstoffenes atom masse med den vanlige karbonisotopen 12 C som referanse. Den begynner med hydrogen som er det letteste. Selv om man bruker denne notasjonen, vil ingen av atomene ha en heltallig masse. Det er rimelig å forvente at atommassen til karbon er 12 på denne skalaen. Men karbon består ikke bare av en isotop slik at atommassen må regnes ut som et gjennomsnitt av de to karbonisotopene som finnes I naturen - 12 C og 13 C. Omkring 98.89 prosent av karbon består av 12 C, og resten 1.11 prosent er 13 C. Foretar man et veiet gjennom­ snitt av disse tallene, får man en atommasse lik 12.011. Andre atommasser blir regnet ut på samme måte, men relativt til karbonmassen. Ikke alle grunnstoff består av blandinger av isotoper. Atommassene til disse vil ikke være veiede gjennomsnitt, men er ganske enkelt regnet ut fra massen til12 C.

67

Atomkjernen Atomenes størrelse varierer fra 0.1 til 0.5 nanometer (nm). Kjernene er omkring 100 000 ganger mindre, og har diametere omkring 10-6 nanometer. Mesteparten av et atoms masse er konsentrert i kjer­ nen. Kjernen består av protoner og nøytroner. Protoner og nøytro­ ner har omtrent samme masse rundt 1.674 x 10~27 kg. Et elektron har masse lik 9.110 x 10~31 kg. 1837 ganger mindre enn protonet. Atomene til et grunnstoff inneholder like mange protoner og er forskjellige fra andre grunnstoffers atomer. Hydrogenatomene er de enkleste og letteste. De består av en kjerne med et enkelt proton, og et elektron i bane rundt dette. De tyngre stoffene har en mer sammensatt kjerne, med flere protoner. Antallet protoner i atomet karakteriserer stoffet og er kjent som atomtallet. Hydro­ gen, med ett proton, har atomtall 1, mens uran har atomtall 92. Man kjenner til grunnstoff med høyere atomtall enn dette, men de kan kun frembringes kunstig ved kjernereaksjoner. Man kan ikke si med sikkerhet om det en gang i universets utvikling eksi­ sterte naturlige grunnstoffer med større kjerneladning. Atomer og isotoper Atommassen er en annen egenskap man bruker ofte. Dette er sum­ men av antallet protoner og antall nøytroner i kjernen. Antallet nøytroner i et atom av et gitt grunnstoff kan varieres. Varierer man antallet protoner derimot, får man et annet atom, altså et annet stoff. Kloratomer for eksempel har alltid 17 protoner, men det fin­ nes to forskjellige typer klor i naturen. Det ene har 18 nøytroner i kjernen, og det andre har 20. Disse to klortypene er eksempler på isotoper. En del isotoper er ustabile og vil brytes ned og danne isotoper av andre grunnstof­ fer og sende ut stråling. Isotoper av en del grunnstoffer viser seg å være spesielt stabile, når antallet nøytroner i kjernen er 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126... Tallene i denne rekken kalles magiske tall. En isotop med et magisk antall protoner eller nøytroner er stabil. I sjeldne tilfeller har man at antallet protoner og nøytroner hver for seg er et magisk tall. Blyisotopen med 82 protoner og 208 nøy­ troner er et slikt eksempel, og den er spesielt stabil. Hvorfor de magiske antallene av protoner og nøytroner utpeker seg på denne måten er ikke helt klart. Man har kunnet påvise at disse kjernene har nesten sfærisk form, men vet ikke betydningen av dette.

68 Bevegelsen av elektronene i et atom er så komplisert at selv store datamaskiner kun kan beskrive den for det enkleste tilfellet Energinivå 5 (O)

Elektronene og deres baner Elektronene er grunnleggende partikler med negativ ladning. Før trodde man at de beveget seg rundt kjernen på samme måte som planetene går rundt solen i vårt solsystem. Den danske fysikeren Niels Bohr (1895-1962) var den første som foreslo dette på bakrunn av emisjonsspekteret til hydrogen. Bohr postulerte at elektronene beveget seg i faste baner rundt kjernen, og at disse banene hadde en veldefinert energi. Elektroner absorbe­ rer eller sender ut energi i form av lys eller annen elektromagnetisk stråling ved å hoppe fra bane til bane. Denne teorien var i stand til å forklare hydrogenspekteret, men den kunne ikke brukes til å forklare emisjonsspekteret til de tyngre stoffene. Senere arbeider tok hans ideer i betraktning og dette førte frem til vår nåværende forståelse av elektronenes oppførsel i atomer. Erwin Schrodinger foreslo å bruke en bølgeligning for å beskrive partikler. Ved hjelp av denne kan man beskrive områder i rommet som elektroner med en gitt energi de kan bevege seg innenfor, selv om man ikke kan bestemme deres nøyaktige posisjon. Disse områdene er kjent som atomorbitaler. For hydrogen som bare har ett elektron kan man beregne flere av disse mulige områdene. Hvert område eller orbital har navn etter sitt utseende og linjene i hydrogenspekteret. Navn som for eksempel skarp (s), principal (p), diffus (d) og fundamental (f). Den enkleste orbitalen (området) er kulesymmetrisk rundt kjer­ nen og er kjent som s-orbitalen. Elektroner med mye energi kan befinne seg i større kulesymmetriske orbitaler eller i andre orbitaler med annen form. De såkalte p-orbitalene har tvillingløkker. Elek­ tronene kan befinne seg i begge disse løkkene, men sannsynlighe­ ten for å finne et elektron nær kjernen er nesten lik null. Det er tre p-orbitaler for hydrogenatomer, og de er vinkelrett på hveran­ dre, og ligger langs x-, y- og z-aksene i et kartesisk koordinatsy­ stem. Man har regnet ut fem d-orbitaler. Disse områdene er også sterkt retningsbestemte, og består av løkker rundt kjernen. Det er syv f-orbitaler med en fasong som har vist seg svært vanskelig å beskrive grafisk.

Oppbygningsprinsippet Selv om Schrodingers bølgeligning for et enkelt elektron i et hydro­ genatom kan løses uten store problemer, er det langt mer kompli­ sert for atomer med flere elektroner på tross av at man bruker svært avanserte regnemaskiner.

Energinivå 4 (N)

Energinivå 3 (M)

Energinivå 2 (L)

Er^erginivå 1 (K)

Hydr

Emisjonsspekter

▲ Rundt hydrogenatomet er det flere energinivåer. Elek­ tronet i hydrogen befinner seg i det laveste nivået (K), nær kjernen. Det kan eksiteres til de andre nivåene. Når det går tilbake til et lavere nivå, vil det sende ut et foton med en energi som er lik energiforskjellen mellom de to elektron-nivåene. Når det kommer utenfra til Lnivået, vil det sende ut synlig lys hvor fire spektrallinjer kan observeres. Linjer som er be­ stemt av de fire mulige nivåene elektronet kan ha befunnet seg i. I det ultrafiolette området vil man finne linjer som svarer til at det går tilbake til det opp­ rinnelige K-skallet.

◄ Joseph J.Thomson (18561940) oppdaget elektronet. Med et katoderør kunne han vise at alle stoffer inneholdt disse partiklene.

nkjerne

Foton

► Selv om elektronene er partikler, oppfører de seg også som bølger. På grunn av denne tosidige naturen har man fått to modeller for elektronet. Disse to modellene, bølgemodellen og partikkelmodellen, sies å være komplementære, det vil si to sider av samme sak. I partik­ kelmodellen går elektronene i bane rundt kjernen som er vist for noen av de lettere grunn­ stoffene (høyre). I den første banen kan der være to elektroner, i den andre 8 o.s.v. Bølgemodellen er helt anderledes (øverst til høyre). Bølgeformen til et elektron avhenger av en hel rekke kvantetall. Formene er kalt orbitaler, og det er fire typer av dem: s kuleformet (1), p dumb-bell (2), d firkløver (3) eller timeglass (4) og f som er veldig komplisert.

ATOMER OG GRUNNSTOFF

Oppbygning av elektronbaner

Natrium (11)

Magnesium (12)

69

På tross av dette kan prinsippet om atomets orbitaler anvendes på andre atomer enn hydrogenatomer. Orbitaler lik dem man fin­ ner i hydrogen er antatt å eksistere for alle andre grunnstoff. Mo­ deller for disse grunnstoffene bygges opp ved å legge til et elektron om gangen. Dette prinsippet - som ble utviklet av den østerrikske fysikeren Wolfgang Pauli (1900-1958) - er kjent som oppbygningsprinsippet eller Pauliprinsippet. Pauli sa at det ikke var mulig for to elektroner i samme atom å befinne seg på samme energinivå medmindre de har forskjellig spinn. En orbital kan altså ikke inne­ holde mer enn to elektroner. Når man fyller opp elektronskallene vil spinnene parvis utligne hverandre. Dersom et elektron har to muligheter, vil det gå inn i en orbital hvor det er alene. På grunn av dette vil p- d- og f- orbitalene for andre stoffer enn hydrogen fylles opp av enkle elektroner før de begynner å legge seg parvis. Denne oppbygningen av elektroner i orbitaler gjør det mulig for vitenskapsfolk å forklare mange av de kjemiske og fysiske egenska­ pene til grunnstoffene, og den er helt grunnleggende for den mo­ derne forståelsen av kjemien.

Det periodiske system Det periodiske system Hvis man ordner grunnstoffene etter økende atomtall, vil man finne overraskende korrelasjoner mellom deres kjemiske og fysiske egenskaper. Grunnstoff med liknende egenskaper finner man med bestemte intervaller i atomtallet eller perioder. Det er mulig å definere et system, kjent som det periodiske system som viser disse likhetene. I det periodiske system er grunnstoffene delt inn i horisontale perioder og vertikale grupper. Stoffer i samme gruppe er veldig lik hverandre. Når man beveger seg fra gruppe til gruppe finner man at stoffene forandrer seg vesentlig. Tabellen viser for­ skjellen mellom metalliske og ikke-metalliske grunn­ stoffer. Når den først ble presentert gjorde den kjemikerne i stand til å forutsi grunnstoffer som den gang var ukjente. Det periodiske system inkluderer alle grunnstoff som forekommer i naturen, men ved å ekstrapolere fra disse, kan man forutse hittil ukjente tunge stoffer. Dette kan man i dag gjøre, ikke bare teoretisk, men også i praksis. Det er svært vanskelig fordi at jo flere partikler (protoner) et stoff består av, desto mer ustabilt er det. Og dette medfører at stoffets levetid blir svært kort.

s blokk

Be

Litium 6.94

3s

Beryllium 9.01

Na

Mg

Natrium 22.99

Magnesium 24.31

4s

K Kalium 39.10

Ca Sc Kalsium 40.08

2 8 9 2

Rb Rubidium 85.47

2 Strontium 67.62

IV B

21

2 8 10 2

39

Y

2 8 18 10 2

Yttrium 88.90

t Cæsium 132.90

137.34

7s

2 8 11 2

Ti

VB

VIB

5

6

71

40

2 8 18 12 1

Zr

Lu

8 18 32 10

2 8 13 1

V 41

Hf

2 8 13 2

Cr

25

Mn Mangan 54.94

42

2 8 18 13 1

43

2 8 18 13 2

Molybden 95.94

73

104

Technetium (98)

74

2 8 18 32 12 2 Wolfram 180.95

Ta

178.49

7

24

Nb Mo Tc

2 8 18 32 11 2 Tantal 180.95

2 Hafnium

VIIB

Krom 51.99

Niob 92.91

72

2

23

Vanadium 50.94

Zirkonium 91.22

103 2 8 18 32 32 9 Lawrencium 2 (257)

18

2 8 18 32 13 2 Rhenium 186.2

W

Re

106

105

75

107

Lr Unq Unp Unh IJns

18 8 Francium 1 (223)

f-blokk

2 8 18 32 9 2 Lutetium 174.97

22

Titan 47.90

Scandium 44.96 2 8 18 9 2

▼ Grunnstoffene i d-blokken er metaller hvor d-skallet som ligger under et ytre s-skall blir fylt med elektroner. I forbin­ delse med andre stoffer fremtrer disse stoffene i oksydasjonstilstander avhengig av antallet elektroner som blir overført til andre atomer. Mangan går fra to Mn(ll) som i Mn++ salter til syv Mn(VII) som i kalium permangan, KMnO4.

Overgangsstoffer

3

38 5s

d-blokk

III B

20

2

Opprinnelsen til systemet Det periodiske system har sin opprinnelse i at kjemikerne i det nittende århundret ønsket å presentere de kjemiske og fysiske egenskapene til grunnstoffene på en systematisk måte. Ved midten av århundret var omkring 70 av de 92 grunnstoffene som forekommer i naturen kjent. Stoffer som for eksempel jern (Fe), tinn (Sn), bly (Pb) og gull (Au) hadde vært kjent lenge, men vanskeligheten var å avgjøre hvorvidt et stoff var et grunnstoff. Det var ikke før man tok i bruk spektroskopi og moderne analytiske laboratorieteknikker at man klarte å bestemme dette fullstendig. Den russiske kjemikeren Dlmitri Mendelejev (18341907) var den første som viste den periodiske regel­ messigheten til grunnstoffene ved å ordne dem etter deres atomvekt. I sin periodiske lov uttrykte han at grunnstoffenes egenskaper varierer på en sy­ stematisk måte, og er knyttet til atomvekten. Mendelejev ordnet alle grunnstoffene han kjente til i en tabell bestående av 8 vertikale grupper og 12 horisontale perioder. For å få de kjente grunnstoffe­ ne til å passe i systemet måtte han legge inn mellomrom som ble fylt på et senere tidspunkt av nyoppdagete grunnstoff. For eksempel forutsa han eksistensen av et stoff han kalte ekasilisium som skulle befinne seg under silisium (Si) og over tinn (Sn) i tabellen. Dette grunnstoffet ble oppdaget senere, og er nå kjent som germanium (Ge). Det befinner seg der hvor Mendelejev sa, og har egenskaper som ligner både silisium og tinn. Mendelejevs arbeid var svært nøyaktig, og førte til opp­ dagelsen av nye grunnstoff og forbedrete verdier på atomvekt og tetthet i kjente grunnstoff. Mendelejevs ideer var ikke helt korrekte fordi et grunnstoffs egenskaper er mer avhengig av atomtallet - antallet atomer i kjernen - enn av atommassen. Den periodiske måten som konfigura­ sjonen av de ytre elektronene endrer seg på forklarer stoffenes observerte likhet når det gjelder fysisk og kjemisk oppførsel.

◄ S blokken består av 1. gruppe alkalimetallene, og av 2. gruppe som består av de alkaline jordmetallene. Disse grunnstoffene er kjent for sin høy reaktivitet, og kan kun fremstilles som rene metaller ved å tilføre mye energi. De har et eller to ytre elektroner som de kan gi fra seg for å danne ioner som Na+ eller Ca++. Det er slik de finnes i naturen, som salt.

Unnilquadium (261)

Unnilpontium (262)

u nnilseptium (7

Unnilhexium (263)

Indre overgangsstoffer

2

2

2 Lathan 138.91

■Ce Pr

2 Cerium 140.12

2 Praseodym 140.9

^Pm Sm 8 2 Samarium 2 Promethium 150.35 (147)________

2 Neodym 144.24

92

Ac

18 " 9 Actinium 2 (227)

10 Thorium 2 232.04

► Det periodiske system viser hvordan elektronene bygger opp atomet. Elektronene befinner seg i skall rundt kjernen. Det indre skallet kan inneholde to elektroner, det neste åtte og så videre opp til 32 for det ytre. Innenfor disse skallene finnes det underskall med 2, 6,10 eller 14 elektroner med symbolene s, p, d og f, betegnelser som skriver seg til linjer i atomspekteret. Oppbygningsprin­ sippet sørger for at systemet blir bygget opp med en skrittvis addering av elektroner til atomer fra kjernen og utover. Et atom med et fullt ytre skall er lite reaktivt. Disse stoffene kalles edelgasser.

9 Protactium 2 (231)

62

2 8 18 24

93

2

2

!

2 Europium 151.96

9®

2n

:Np :Pu i Am

9 Uran 2 238.03

9 Neptunium 2 (237)

9 Plutonium 2 (242)

9 Americium 2 (243)

Oppbygningsprinsippe Energi­ nivå

2

8

8

18

18

32

32

1 s-blokk

•4 Dimitri Ivanovich Mendelejev var født i Tobolsk i Sibir i 1834. Han fikk stipend for å studere i Tyskland og ble kjent som en av den tidens ledende kjemiske teoretikere. Han vendte tilbake som lærer ved universitetet i St.Petersburg (nå Leningrad) hvor han oppdaget det periodiske system i 1869 da han arbeidet på en lærebok i uorganisk kjemi. Han døde i 1907.

47

Aluminium 26.98

Silisium 28.08

Gallium 69.72

mium .2

2 Iridium 192.2

Nøkkel

Pt

Au Hg

Platina 195.09

Gull 196.97

Au

Indium 114.82

Tinn 118.69

64

66

2

2

5d —Orbital — Kjemisk symbol

8 8 2 Terbium 158 92

8 2 Dysprosium

67

2

—Navn —Relativ atommasse

68

2

ad Tb fDy Ho :Er

■dolinium .25

rium

5______

8

2 Holmium 164 93 2

Bk 9 Berkelium 2 (247)

9 Californium 2 (249)

4 Bly 207.19

3 Talium 204.37

IT

9 Einsteinium 2 (254)

2 Erbium 167 26

8

2

69

2

70

Tm Yb 8

2 Tholium 168.93

2 Ytterbium 173.04

100 ------------------ TUT ~------------- TUT

~

Fm JMd JNo

29 s Fermium 2 (253)

30 9 Mendelevium 2 (256)

31 9 Nobelium 2 (254)

•4 Når man arrangerer grunn­ stoffene etter atomtall, kan man se en viss periodisitet i deres egenskaper. Dette kommer tydelig frem når man studerer deres ionisasjonsenergi, den energien som skal til for å slite bort det ytterste elektronet. Noen stoffer har vanskelig for å gi fra seg elektroner, spesielt hvis de har fulle skall. På kurven ved siden av ser man dette på at toppene tilsvarer edelgasser som har fulle ytre skall. Stoffene i s-blokkens gruppe 1 viser minst motstand mot a gi fra seg sitt ytterste elektron, så disse befinner seg i de laveste nivåene.

18 5 Vismut 208 98

83

8

Ar

Nivå 3

Argon 39.95 2 8 18

2 8 18

Kr

Nivå 4

Krypton 83.80

Brom 79.90 2

2 _

Xe

Nivå 5

Po At Rn

Nivå 6

Tellur 127.60 2

2

Klor 35.45

18 18

18 18

18 18 6

Antimon 121.75

■Z]__ Gruppe _ Atomtall

1 Gull ----196.97-----

Cl 52

2

Sn Sb Te

Pb

18 W 2 Kvikksølv 200 59

79~~f

17

Selen 78.96

Nivå 2

Neon 20.18

16

34

In

Kadmium 112.40

Elektronkonfigurasjon

51

2

Fluor 18.99

Svovel 32.06

Arsen 74.92

Germanium 72.59

79

)$

s

Fosfor 30.97

------------- 50

2

Sølv 107.87

Palladium 106.4____

Si

Nh å 1

Helium 4.002

Ne

Ga Ge As Se Br

u Rh Pd Ag Cd Rhodenium 102.90

Al

0

9

2

Oksygen 15.99

Nitrogen

Karbon 12.01

-------- 8-

2 8 18

18 18 2

rhenium ..07

He

~T6 2

N Bor 10.81

Z

2

Hydrogen 1.01

VIA

15“

Sink 65.37

Kobber 63.55

VA

IV A

Cu Zn

Nikkel

Kobolt 58.93

1

H

p-blokk

8 18 2

Co Ni

6

1

8

Xenon 131.30

Jod 126.90

85

84 18

18 6 Polonium (210)

18 7 Astat (210)

◄ Metallene i f-blokken består av lantenoidene (øverste rekke) og actinoidene (nederste rekke). Lantenoide­ ne kalles også sjeldne jordarter selv om noen av dem forekommer ganske mye (cerium er vanligere enn bly). Kjemisk oppfører de seg veldig likt. Dette førte til mye forvirring blant kjemikerne på attenhundretallet. Dette skyldes at forskjellen ligger i antall elektroner i det tredje ytterste skallet. Aktenoidene er radioaktive, men thorium og uran har så lang halveringstid at de fremdeles finnes i naturen. Grunnstoffene med høyere atomtall enn uran er kunstige.

18 8 Radon (222)

▲ p-blokken kan deles diagonalt i metaller og ikkemetaller. Ikke-metallene binder seg sammen ved å dele på sine elektroner og danner kovalente bindinger for å få til fulle ytre elektronskall. Deres kjemiske egenskaper er bestemt av fullstendige elek­ tronskall. Stoffene i gruppe 18 har fylte ytre skall og er svært stabile, mens gruppe 17, halogenene, er svært reaktive og reagerer øyeblikkelig med for eksempel alkali-metaller. 1s-blokken som består av hydrogen og helium befinner seg på denne siden av systemet fordi begge er ikkemetaller og helium er en edelgass.

Bruk av systemet for å forutsi nye grunnstoffer Det periodiske system har alltid vist seg å være nyttig for å forutsi eksistensen av stoffer man ikke kjenner til. Fjorten kunstige, eller transuranske stoffer er blitt oppdaget. Grunnstoff med atomtall 93-103 er de gjenstående elementene i actinoideserien. Grunnstoff 104-118 begynner en ny transactinoideserie. I en utvidet versjon av systemet kan man plassere disse under rekken som begynner med hafnium og slutter med radon. De kjemiske egenskapene til de transactinoide stoffene burde være lik de typiske stoffene i de gruppene de vil befinne seg. Rundt atomtall 121 har man antatt at en superactinoid-serie kan begynne. I denne serien som vil ligne actinoidene, vil gorbitalen fylles med elektroner.

72 Det periodiske system ble konstruert av den russiske kjemikeren Dimitrij Mendelejev

Systemets struktur Det moderne periodiske system representerer tre forskjellige typer av grunnstoff. Disse kalles repre­ sentative grunnstoff, transisjons-grunnstoff og indre transisjonsgrunnstoff. De representative stoffene er de mest kjente. De inkluderer både metaller som tinn (Sn) og bly (Pb) og ikke-metaller som oksygen (O), svovel (S) og klor (Cl). Transisjonsmetallene er en rekke metalliske stoffer som inkluderer jern (Fe), nikkel (Ni), kobber (Cu), sink (Zn) og gull (Au). Dette er stoffer som har mange likhetstrekk, men som endrer seg når man øker atomtallet. De indre transi­ sjonsmetallene som også kalles sjeldne jordarter eller lantenoider og actinoider, har så like egen­ skaper at de ofte er vanskelig å skjelne fra hver­ andre. Dette skyldes at oppfyllingen av elektroner skjer i underliggende skall og ikke i de ytre som ville gjort det lettere å skille dem fra hverandre. Gruppene i det periodiske system kan nummereres fra 1 til 18, eller de representative stoffene arrangert i åtte vertikale grupper nummerert fra I til VII og O. Transisjonsmetallene kan også nummereres fra I til VIII. Grunnstoffene er inndelt i syv horisontale perioder. Stoffene i gruppe 18 - helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe) og radon (Fa) - befinner seg til høyre på tabellen. Med et fellesnavn kalles de edelgasser fordi de har fylte ytre elektronskall og derfor lav reaktivitet. En slik struktur er ekstremt stabil, og det kreves mye energi for å ta bort elektroner slik at de kan delta i kjemiske reaksjoner. Helt til venstre på tabellen finnes en gruppe kalt alkaliemetaller - litium (LI), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) og frantium (Fr) - som er svært reaktive. Atomene i disse stoffene har et s-orbital-elektron i sitt ytterste skall som de gjerne gir fra seg. De danner da et positivt ion med samme struktur som en edelgass som kan delta i kjemiske reaksjoner. Gruppe 17 består av fluor (F), klor (Cl), brom (Br), jod (I) og astatin (At). Disse atomene har nesten fulle p-orbitaler med fem elektroner. De vil lett ta til seg et elektron også, for å danne et negativt ion med samme struktur som i en edelgass. Slike ioner vil også lett delta i kjemiske reaksjoner. Forbindelser mellom alkali-metaller og halogener, som begge er svært reaktive, kan utvikle seg eksplosivt. Strukturen I det periodiske system gjenspeiler stoffenes evne til å gi fra seg eller motta elektroner. Stoffer grupperes etter deres fysiske og kjemiske likheter og evne til å danne ioner med samme positive eller negative ladning. Et atoms evne til å motta eller miste et elektron, dets «ionisasjonsenergi», øker langs periodene og avtar langs gruppene, men den er bare en av mange egenskaper som endrer seg periodisk. De fleste grunnstoffer er metaller, men gruppene 13 til 16 inneholder stoffer som er hverken metalliske eller ikke-metalliske halvmetaller. I disse gruppene vil de metalliske egenskapene øke nedover i gruppen. I gruppe 13 for eksempel, er bor (B) et halvmetall mens aluminium (Al), galium (Ga) og andre stoffer i gruppen er metaller. De andre halvmetallene er silisium (Si), germanium (Ge), arsen (As), antimon (Sb) og tellur (Te).

▲ ▲ ▲ Å identifisere et metall er ganske lett. Det er hardt, tett, blankt og gir fra seg et karakteristisk «pling» når man slår på det Kjemikere derimot definerer et metall ved dets evne til å lede elektrisk strøm. Denne strømmen stammer fra elektroner som kan bevege seg fritt omkring som en følge av de kjemiske bindingene. Noen stoffer er halvledere som befinner seg i grensesjik­ tet mellom metaller og ikkemetaller.

▲ ▲ Materiens tre tilstander, fast form, væske og gass, er veldig avhengig av temperatur og trykk. Ved 25 grader Celsius og atmosfærisk trykk, som er ideelt for mennesker, er det kun to grunnstoffer, midt i tabellen, som er i væskeform - brom og kvikksølv. Ved 30 grader Celsius vil også ce­ sium og galium opptre i væskeform. De smelter henholdsvis ved 28.5 og 29.8 grader Cel­ sius. Resten er faste bortsett fra noen få gassformer.

▲ Nesten alle grunnstoff danner oksider, og hvordan disse oppfører seg i vann er en pekepinn på deres kjemiske egenskaper. Dersom et oksyd reagerer med vann og danner en alkalisk løsning, kaller vi det et basisk oksyd. Danner det en sur løsning er det et surt oksyd. Metaller har basiske oksyder, mens ikkemetaller har sure. Amfoteriske oksyder som for eksempel aluminiumsoksyd viser begge typer oppførsel.

_____________________________ .i_____

Grunnstoffenes virkemåter Jern og stål... Andre legeringer... Fremstilling av flytende oksygen... Isolering av luftens gassarter... Silisium og germanium... Halvledere... PERSPEKTIV... metallurgi og arkeologi... Helium, neon og argon i praktisk bruk... Integrerte kretser

T~---- ~~7n—MR—■

.... ~

Materialene vi finner i naturen er alltid blitt brukt til å gjøre tilvæ­ relsen lettere og tryggere for mennesket. I over 7 000 år var tre, bein og flint de råmaterialene som var mest brukt. Siden den gang er stoffene i naturen blitt skilt fra hverandre og satt sammen igjen og formet for å lage en rekke gjenstander, redskaper og maskiner. Manipuleringen med stoffene (adskillelse og isolering) har i store trekk vært drivkraften bak de teknologiske fremskrittene etter den industrielle revolusjon. Fremst i denne utviklingen finner man an­ vendelsen av metaller og legeringer for å bygge bedre og mer effek­ tive maskiner. Jern er det mest brukte metallet. Det produseres i tre hovedtyper - valset jern, støpejern og stål. Rent jern (Fe) er et hvitt skinnende metall som reagerer temmelig lett og ikke særlig hardt. Det angri­ pes lett av luften, hvor jernhydroksyd dannes i flak som faller av slik at mer metall blir liggende åpent. Når man fremstiller jern i store mengder i støpeovner, vil det blande seg med karbon og silisiumdioksyd (SiO2) og danne jern med varierende hardhet og formbarhet. Jern kommer fra ovnene i støpeblokker som kan brukes for å lage de tre hovedtypene - valset jern, støpejern og stål. Valset jern er stort sett en bøyelig og formbar legering (blanding), eller blanding, av jern og fosfor med en liten del karbon, mangan, svovel og silisium som urenheter. Egenskapene til valset jern er avhengig av alle disse ingrediensene og på innholdet av glassaktig slagg - inkludert silisiumdioksyd - fra brenningen i ovnene. Støpe­ jern inneholder mellom 1.8 og 4.5 prosent karbon pluss stoffer som silisium, fosfor og mangan. Egenskapene til både støpt og valset jern kan endres ved å foran­ dre på forholdene de er laget under og forandring av mengden av urenheter. Kommersielt rent jern kan lages i enten spesielle ov­ ner eller ved elektrolyse, men det er et materiale som er svært forskjellig fra rent jern. Denne typen jern inneholder kun 0.002 til 0.008 prosent silisium, svovel, fosfor, karbon og mangan. Jernlegeringer fremstilles vanligvis av støpejern. Forskjellige pro­ sentandeler av andre stoffer gir disse legeringene bedre mekaniske og fysiske egenskaper, avhengig av hvilket formål de produsereres for. Den mest brukte jernlegeringen er stål, som har et lavt karbon­ innhold. De iblandete stoffene er mangan, kobolt, krom, molybden, nikkel, wolfram, vanadium, selen, aluminium og en del andre me­ taller blandet på forskjellig måte alt etter bruksområde. Krom og nikkel blir brukt for å forbedre stålets motstand mot korrosjon, og gjøre det mer formbart. Svært hardt wolfram-stål (HS-stål) bru­ kes i skjæreredskaper som arbeider i høye hastigheter, for eksempel olj eboringsapparatur. Rustfritt stål inneholder store mengder av nikkel og krom, men andre stoffer blir også lagt til, som for eksempel vismut, selen, sølv og bly. Dette er for å gjøre bearbeidingen av rustfritt stål lette­ re. Rustfritt stål benyttes blant annet i bestikk og kjøkkenutstyr, der man tidligere brukte forsølving.

A Mahaulis pilar (nær Dehli) er en søyle av rent jern som er over 10 m høy. Den har ikke rustet på over 1500 år. Dette skyldes ikke spesielle metal­ lurgiske ferdigheter hos opp­ havsmannen, men spesielt gunstige klimatiske forhold. Oppvarmingen i løpet av dagen holder seg gjennom natten tilstrekkelig til at det ikke legger seg fuktighet som dugg på den.

▼ Fotografi av en metalloverflate tatt med et elektronmikroskop. Til venstre er et stykke ferrit (jern) som er sprukket på grunn av strekk. Molekylene ser ut til å ha blitt mindre sammenhengende, og bruddstyrken mindre. De runde partiklene er mangansulfid, og de er rundt en milliondels millimeter i diameter. Til høyre er et stålstykke forstørret tusen ganger.

74 Karbon brukes industrielt som et pigment, et tilleggstoff ved fremstilling av varmelag og elektroder

Metaller, legeringer og karbon Andre metaller blir også brukt i industrien, enten i ren tilstand eller som legeringer. Kobber kan lages i kommersielle mengder med en renhet på 99.95 prosent for bruk i elektriske kabler, kompo­ nenter og viklinger i elektriske motorer og dynamoer. Messing er legeringer av kopper og sink, og i noen tilfeller med mangan, alu­ minium, nikkel, fosfor og antimon. Legeringer av kopper og tinn og noen ganger en del andre stoffer kalles bronse. Spesielle anvendelser krever spesielle materialer. Stål er det vik­ tigste stoffet i de fleste ingeniørmaterialer, mens andre metaller og legeringer blir brukt i fly, satellitter og noen biler. Titan blir brukt i fly, men som med stål viser det seg at legeringer er mer hensiktsmessige en rent metall. Aluminium brukes mye når det er påkrevet med materialer med stor motstand mot korrosjon. Karbon brukes industrielt som pigment, tilleggsstoff og ved frem­ stilling av beskyttelseslag og elektroder. Tynne fibrer av en polymerform av karbon som er meget sterk, kan lages. Disse karbonfibrene blir brukt til å lage sterke og lette materialer som brukes i fly og i en del fritidsaktiviteter som tennisracketter og ski. Fordi karbon ikke reagerer lett, blir fibrene også brukt innen medisinsk forskning til kunstige organer eller som erstatning for sener samt i hjertepacemakere. Mye av den karbon som brukes i industrien er helt svart. Denne typen karbon lages i dag av avfallsprodukter fra petroleum og tjære gjennom en prosess som var kjent allerede i antikken. For å lage svart karbon, brenner man avfallsstoffene fra petroleum og tjære i en atmosfære med for lite oksygen. Dette danner et lag av karbonsot som avleirer seg og senere samles sammen. Typene og størrelsen av partikler som dannes gjennom denne prosessen spiller en viktig rolle for anvendelsesområdene til svart karbon. Det negative ved denne prosessen kan for eksempel ses i forbindelse med slaggdannelsen fra bilmotorer og oljefyring. Me­ steparten av svart karbon benyttes i gummi-industrien som for­ sterkning av gummien, spesielt ved fremstilling av bildekk. En løse­ re form brukes som pigment, hovedsakelig i trykksverte, men også i maling. En del former av svart karbon blandes i plast for å gjøre materialet elektrisk ledende eller mer motstandsdyktige mot vær og vind eller statisk elektrisitet. På grunn av sin høye elektriske ledningsevne, brukes også svart karbon til børster i elektriske moto­ rer og som elektroder i batterier og ved elektrolytiske prosesser.

◄ Titan er et meget lett metall. Legeringer som det inngår i, er sterke og har et høyt smelte­ punkt som gjør dem anvende­ lige for bruk i supersoniske fly som utsettes for stor luftmotstand. Senere eksperimenter er blitt gjort for å finne ut hvordan det egner seg i proteser. Dets styrke, letthet og motstand mot korrosjon er store fordeler i denne sammenhengen.

▲ Karbonfibrer er i det siste blitt mer og mer benyttet. Spesielt gjelder dette når man må kombinere lav vekt med styrke. Mange ledende tennisspillere foretrekker karbonfi­ brer i racketten (over) samtidig som plast forsterket med karbonfiber har revolusjonert ut­ formingen av glidefly. Opptil 60 prosent av vekten til et slikt fly kan bestå av dette materialet.

GRUNNSTOFFENES VIRKEMATER

75

Kjemi og arkeologi Kjemikernes kunnskaper, spesielt metallurgenes, kan være svært nyttig for arkeologer som arbeider med å avsløre hemmeligheter om tidligere kulturer. Figuren til venstre som er ca. 20 cm høy var laget av indianere i Columbia. Hovedmaterialet er en gullkobber legering, som ble fremstilt ved å smelte gull og kobber sammen for å fremheve både hardhet og blankhet. Ved å studere mikrostrukturen i en prøve kan man få vite mye om hvordan den var fremstilt. Analyse av små biter av metallet har vist at overflaten ble behandlet med syreholdig plantesaft for å fjerne et veldig tynt kopperlag. Denne teknikken som er kjent, gjorde metallet skinnende. Gjenstanden var laget for å kunne bæres rundt halsen og inneholdt kalkstein. Dette ble brukt av indianerne for å utskille alkaloidene i cocabladene som de tygget på for ikke å føle sult og for å oppnå høyere aktivitets- og bevissthetsnivåer. I tillegg til metallografisk analyse, spektrografi, røntgenstråle-fluoriserende analyse og undersøkelse av metallet i optiske mikroskoper og elektronmikroskoper, har det også vist seg mulig å utsette denne gjenstanden for tidsbestemmelse med radiokarbon. Statuetten ble laget ved at en voksmodell ble dek­ ket med leire og så oppvarmet. Voksen rant bort, og man hadde en leireform som man kunne helle det flytende metallet inn i. Små mengder leire er igjen i figuren, og disse er blitt analysert og figuren er datert til mellom 600 og 1000 e.Kr., omtrent 500 år før europeerne ankom. Slike teknikker brukes i stor utstrekning i dag og gjør arkeologene ikke bare i stand til å datere funn, men gir dem også kunnskap om tidligere kulturers tekniske nivå.

■4 ▲ Gullfiguren ble funnet i Columbia, Sør-Amerika, og er blitt undersøkt av metallurger for å få slått fast alder og fremstillingsmåte. Et forstørret fotografi av et snitt gjennom overflaten, avslører at kobberet er fjernet eller etset vekk fra et ganske tynt lag av overflaten for å gi figuren dens helt spesielle blanke overflate. Den er støpt av en gull-kobber-legering.

▲ En arkeolog forbereder en annen arkeologisk gjenstand, en romersk mynt, for metallo­ grafisk analyse. Ved å plassere mynten i et massespektrometer, kan man bestemme metallinnholdet i legeringen. Kunnskap om andelen av edle metaller i mynter er uvurderlig for histo­ rikere som arbeider med å forstå de økonomiske forholdene i tidligere kulturer.

76 Neon, helium og argon er nyttige nettopp fordi de nesten ikke reagerer med andre stoffer

Fremstilling av rent oksygen Oksygen blir brukt i mange prosesser for å effektivisere forbren­ ning. Det er avgjørende for økonomien i mange kjemiske og metal­ lurgiske prosesser. Oksygen brukes ved fremstilling av både jern og stål. I den kjemiske industrien brukes det til å bryte ned metan (naturgass CH4), for å danne acetylen (C2H2), og for å fremstille oksygenholdige stoffer. Luften inneholder omtrent 30 prosent oksygen, og er råmateriale for omtrent all oksygenproduksjon. Luft kan deles opp i sine enkel­ te bestanddeler, hvis den først kondenseres til væske og deretter destilleres. De forskjellige gassene i luften - oksygen, nitrogen og litt argon - kan adskilles på denne måten fordi de har forskjellig kokepunkt. Flytende oksygen brukes som drivstoff i raketter og til fremstil­ ling for bruk i for eksempel fly, ubåter og satellitter for at man skal kunne puste under normalt trykk. Flytende oksygen blir også benyttet til oksygenapperater på sykehus. To grunnleggende prosesser blir brukt for å gjøre gasser flytende og begge benyttes ved oksygenfremstilling. I begge prosessene blir luften først renset for støv og andre faste partikler og deretter pres­ set sammen. Luften renses ytterligere og blir deretter nedkjølt, av kjemikalier og ved varmeutveksling ved resirkulert gass. I den ene prosessen kan gassen utvide seg gjennom en ventil. Gassens volum før og etter utvidelsen holdes konstant, den taper varme og gassen avkjøles. En del av gassen avkjøles så mye at den går over i væskeform. Denne flytende gassen blir enten lagret eller ført over til en destillasjonssøyle for å spaltes opp i oksygen, nitrogen og argon. I den andre metoden er omdanningen til væske mer effektiv. Man avkjøler ved å la den komprimerte luften utvide seg gjennom en maskin, vanligvis en turbin, og derved utføre såkalt «nyttig ar­ beid». Utviding av gassen gjennom maskinen skjer ved konstant entropi, energi tappes ut av systemet og gassens temperatur synker. Maskinen produserer ikke flytende luft, men utvidelse gjennom en ventil og videre avkjøling gjør luften flytende. Når man varmer opp flytende luft, vil den første gassen som skiller seg ut inneholde 93 prosent nitrogen og 7 prosent oksygen, og dermed etterlate en oksygenrik væske. Når man øker temperatu­ ren mot kokepunktet til oksygen (-183°C), vil mer oksygen skille seg ut. Den siste væsken som koker inneholder rundt 45 prosent oksygen. På grunn av dette bruker fabrikker som destillerer oksy­ gen to destillasjonssøyler. En med relativt høyt trykk for å være sikker på at den endelige væsken er nesten rent oksygen.

▲ Seks gasser blir skilt ut fra luft ved å kjøle den til en væske og deretter destillere den. Hver av komponentene koker ved for­ skjellige temperaturer. Nitrogen, oksygen og edelgassen argon er de viktigste industrielle produktene, og blir produsert i store mengder. De mer sjeldne gassene som blir utskilt, neon, krypton og xenon, benyttes også i kommersiell og vitenskapelig sammenheng.

◄ Dersom vannet fra et klo­ akkrenseanlegg inneholder tilstrekkelig oppløst oksygen, kan det trygt returneres til miljøet rundt ved slutten av prosessen. Rensing av vann foregår i tre trinn og er et av de viktigste bruksområdene for renset oksygen.

► Når gassen acetylen brenner i rent oksygen avgis det nok varme til å smelte og sveise stål selv i det kaldeste klima, som her på en rørledning i Alaska. Man bruker argon for å beskytte metaller som titan og zirkonium fra å ødelegges av luften når de blir sveiset.

GRUNNSTOFFENES VIRKEMATER

77

Helium, argon og neon Det er ikke alle såkalte sjeldne gasser som er like sjeldne. Helium produseres i store mengder fra en del naturgasser. Argon skilles ut fra luft på omtrent samme måte som oksygen og nitrogen. De andre edelgassene, krypton, xenon og neon, blir også skilt ut fra luft i væskeform, men spesielle teknikker er nødvendig for å få dette til. Disse gassene blir brukt når kjemiske, metallurgi­ ske eller eksperimentelle prosesser er avhengige av å bli utført i en ikke-vekselvirkende atmosfære. Argon brukes mest til dette formål. Den brukes sammen med helium for å danne en atmosfære hvor det er mulig å sveise metaller som lett kan påvirkes av luft. Slike metaller er aluminium, bronse, kopper og noen rustfrie ståltyper. Denne teknikken er i utstrakt bruk ved sveising av metaller som inneholder titan og zirkonium. At man nå er i stand til å sveise disse metallene, har gjort dem mer anvendelig i fly og satellitter samt i kjernefysisk industri. Den mest kjente bruk av edelgasser finner man i produksjon av neonlys. Neon sender ut det vanlige orange lyset mens krypton gir fra seg et blekt fiolett lys. Blandinger av edelgasser blir brukt i lyskilder med høy intensitet for å gi dem et fargespekter og for å forlenge deres levetid. Helium brukes nå for tiden i ganske stor målestokk for å løfte ballonger som bærer målein­ strumenter opp i atmosfæren. Man bruker det også i raketter for å fylle plassen til flytende oksygen når den brenner opp, og i gassblandingen som dykkere bruker. Helium koker ved -268.93° C eller 4.21 K som er veldig nært det absolutte nullpunkt. Dette gjør helium svært egnet ved undersøkelse av materien ved temperaturer nær nullpunktet.

▲ Hong Kong lyser i alle farger som er vanlig i en moderne by. Edelgassen neon er hemmeligheten bak gatelysene. Når en elektrisk utladning går gjennom neon, gløder den i rødt. Andre farger frembringes ved å tilsette kvikksølvdamp.

► Helium som er en edelgass og mye lettere enn luft, er ideell for bruk i ballonger som brukes til metereologiske formål eller til studier av den øverste atmo­ sfærens egenskaper eller av kosmisk stråling. Slike ballonger kan nå en høyde opp til 30 000 m over havet.

78 Integrerte kretser har revolusjonert elektronikkindustrien

◄ Galium-arsenid (GaAs) blir nå produsert som et alternativ til silisium ved fabrikasjon av mikrochips. Dette stoffet som er en kombinasjon av to grunnstoffer er også en halvleder som silisium, men det er elektronisk raskere og derfor bedre egnet i mikro­ prosessorer. Silisium er fra gruppe 14 med 4 valenselektroner (bindingselektroner). Galium er i gruppe 13 og har 3 elektroner mens arsen er i gruppe 15 med fem elektroner. Dette gir dobbelt så mange frie elektroner som i silisium.

Halvmetaller En del av grunnstoffene i gruppene 13 og 18 i det periodiske system oppfører seg hverken som metaller eller ikke-metaller. De er ikke virkelige elektriske ledere som metallene, ei heller er de isolatorer som ikke-metallene. På grunn av dette er de svært viktige ved fabrikasjon av elektroniske elementer. Veksten i elektronikk og mikroelektronikkindustrien kom for alvor etter oppfinnelsen av transi­ storen i 1947 og bruken av silisiumbrikker. Denne utviklingen har sitt utgangspunkt i forståelsen og produksjon av halvlederelementer. Silisium er den mest brukt halvlederen. Enkeltkrystaller av silisium blir dannet ved å trekke flytende silisium fra en smelte. Dette blir så flater som brukes I produksjon av brikker. For å gjøre en sillsiumkrystall tilstrekkelig ren, bruker man silisium som er 98 prosent rent. Dette får reagere med hydrogenklorid for å danne en væske, triklorosilan som blir destillert flere ganger for å redusere urenhetene til et nivå av noen få deler pr. milliard. Triklorosilan varmes så opp og bryter ned og danner perfekte silisiumkrystaller som er opp til 125 mm i diameter.

Fabrikering av integrerte kretser Sillsiumkrystallene blir «dopet» for å gi halvledere med spesielle egenskaper. Når man doper silisium med små mengder fos for eller arsen for man «ntype»-materialer. Doper man med bor får en «ptype»-materialer. Kombinasjonen av både n- og ptype-materialer brukes for å lage såkalte p-noverganger. Disse overgangene brukes i dioder og transistorer i mikroelektroniske kretser. Fotografiske og kjemiske teknikker brukes for å etse silikonplater og andre halvledermaterialer for å lage disse over­ gangene og for å lage enda mer kompakte elektroni­ ske elementer. Blandinger eller legeringer av to eller flere halvledere har helt unike elektriske egenskaper. Et av de mest spennende stoffene blant disse er galiumarsenid (GaAs). Fordi det består av galium fra gruppe 13 i det periodiske system, og arsen fra gruppe 15, kan galiumarsenid vokse på et underlag med bare et krystallag av gangen. Ved å kontrollere urenheter og lagenes tykkelse, kan man gjøre elek­ troniske komponenter skreddersydd for et bestemt formål. Arbeidet med produksjon og bruk av GaAskomponenter er økende, spesielt på grunn av den sterke veksten i bruk av optisk laser-kommunikasjonsteknologi.

► ▼ Fabrikering av mikrochips krever ekstrem kontroll med kjemiske komponenter. Lagene med ledende og isolerende stoffer som ligger på overflaten av en brikke er ofte bare noen få atomlag tykk, men må virke med stor presisjon. Produksjonen er svært nøyaktighetskrevende (under), og hver brikke blir sjekket med testprober for å kontrollere at den fungerer riktig (høyre). Fremstillingen foregår i helt støvfrie omgivelser.

Kjernens struktur Atomet og kjernen... Oppdagelsen av kjernen... Protoner og nøytroner... Isotoper... Stabile og ustabile kjerner... Kraften som holder kjernen sammen... Radioaktivitet og kjernenedbrytning... Beskrivelser av kjernen... PERSPEKTIV... Oppdagelsen av radioaktivitet... Rutherford og oppdagelsen av atomkjernen... Masseenheter... Eksotisk radioaktiv nedbrytning

En av de mest oppsiktsvekkende oppdagelsene i vårt århundre er at tilsynelatende fast stoff som man kjenner fra dagliglivet stort sett består av tomrom. Materie består av atomer, og hvert atom består av elektroner i bane rundt en kjerne. Elektronene bestemmer atomets spesielle karakter og hvordan det skal vekselvirke med andre atomer. Elektronene utgjør bare en liten andel - rundt 0.001 prosent - av materien i et atom. Meste­ parten av massen i et atom er konsentrert i den lille, men tette kjernen. Hvis en ert hadde like høy tetthet som en atomkjerne, ville den ha en masse på omkring 10 millioner tonn. De fleste kjerner inneholder to typer partikler - positivt ladete protoner og elektrisk nøytrale nøytroner. (Det eneste unntaket fra denne regelen er hydrogen, det letteste stoffet, som kun har et proton i kjernen). Protonets positive ladning er nøyaktig like stor som elektronets negative ladning, og antallet protoner i en atom­ kjerne er like stort som antallet elektroner. Dette gjør at atomer vil være elektrisk nøytrale totalt sett. Man kan tenke seg at de elektrostatiske kreftene mellom de tett­ pakkede protonene ville få dem til å støte fra hverandre og slite kjernen i stykker. Grunnen til at dette ikke skjer, er de sterke kjer­ nekreftene som kun er virksomme innenfor korte avstander tilsva­ rende atomkjernen. Den sterke kraften er av størrelsesorden 100 ganger sterkere enn de elektromagnetiske kreftene. Sterke kjernekrefter virker på sam­ me måte på både protoner og nøytroner, den er ikke påvirket av at de har forskjellig elektrisk ladning. Dette betyr at nøytronene tar del i å holde kjernen, og derfor også protonene, sammen. ◄ En typisk størrelse for atomer er en tidels nanometer (1O-io m) i diameter, men me­ steparten av massen er kon­ sentrert i en kjerne som er langt mindre. Kjernen til et tungt atom som bly er omkring 10 000 ganger mindre enn den typiske atomstørrelsen - altså rundt 10-14 m i diameter. For å forestille seg de relative størrelsene kan man tenke seg et blyatom på størrelse med Jorden som er 12 750 km i diameter. Kjernen vil da være knappe 1.3 km i diameter.

Oppdagelsen av radioaktivitet 11896 undersøkte den franske fysikeren Henri Becquerel (1852-1908) sammenhengen mellom fluoresens (selvlysende stoffer) og røntgenstråling. Han la sammen noe fluoriserende uransalt, et filter som ville slippe gjennom lys i et spesielt mønster og en fotografisk plate som han ville utsette for direkte sollys. Solen skinte ikke på flere dager, og når han omsider tok frem pakken, så han at det hadde dannet seg et bilde allikevel. Dette kunne ikke skyldes fluorisens, men måtte være en ny type stråling avgitt av saltet. Becquerel hadde oppdaget radioaktivitet, den spontane omdanning av atomkjernen i en bestemt tilstand til en annen, noe som sender ut forskjellige typer stråling. På denne tiden var ideen om atomer fremdeles veldig kontroversiell, og det skulle ta mange år før fysikerne kom frem til en skikkelig forståelse av radioaktivitet. Men Becquerels oppdagelse åpnet døren som skulle lede til den moderne forståelsen av atomet. Her fant man de første indisiene på at atomet ikke bare var luftige spekulasjoner som de gamle grekerne hadde innbilt seg. Dessuten ble den radioaktive strålingen fra uran og andre beslektede grunnstoffer et godt verktøy for ytterligere undersøkelser av atomets indre. Dette førte til oppdagelsen av kjernen og dens innhold, og ble gjort av den britiske fysikeren Ernest Rutherford (1871-1937) og hans kolleger. ◄ ▼ De første indisier på at

80 Ernest Rutherford deltok i oppdagelsen av kjernen, protonet og nøytronet

Tidlige studier av atomkjernen Grunnleggeren av kjernefysikken var Ernest Rutherford (1871-1937). Han oppdaget ikke bare ek­ sistensen til atomkjernen og protonene i den, men ga mange bidrag til forståelsen av radioaktivitet. Det var også ved Rutherfords Cambridge at nøytronet ble oppdaget. Rutherford ble født på New Zealand og studerte ved Canterbury College, Christchurh, og Cambridge University. Der arbeidet han sammen med den britiske fysikeren John Joseph (J.J) Thomson (18561940), som oppdaget elektronet 11897. Rutherford begynte å studere radioaktivitet like etter at den ble oppdaget i 1896, og han fant to typer stråling som han kalte alfa og beta. 11898 flyttet Rutherford til Montreal hvor han fortsatte sine studier av radioaktivitet med assistanse aven ung britisk kjemiker, Frederick Soddy (1877-1956). Sammen oppdaget de hvordan et stoff går over til et annet ved radioaktiv stråling - en naturlig alkymi. Rutherford flyttet tilbake til Manchester University i England i 1907. Her arbeidet han sammen med den unge tyske fysikeren Hans Geiger (1882-1945), som var delaktig i utviklingen av Geiger-Muller-telleren som brukes for å måle radioaktivitet, og viste i 1908 at alfapartikler har samme ladning og masse som hellumkjerner. Kort tid etter dette oppfordret Rutherford Geiger og en student fra Blackburn, England, Ernest Marsden (1889-1970), til å studere spredning av alfapartikler fra gullfolie. Marsden gjorde den oppsiktsvekkende oppdagelsen at alfapartikler kan få endret sin bevegelse ved dette. Denne spredningen har mange likhetstrekk med biljardkulers spredning. Dette førte til at Rutherford konkluderte med at atomer må ha en kompakt, sentral kjerne. I videre eksperimenter oppdaget Rutherford at al­ fapartikler kunne slå løs hydrogenkjerner fra en hel rekke andre kjerner. Dette førte til konklusjonen om at hydrogenkjerner er grunnleggende elementer i alle atomkjerner, og han ga dem navnet protoner etter gresk for «først». 11919, på samme tid som han publiserte sitt arbeid på protoner overtok Rutherford Cavendish-professoratet ved Cambridge etter Thomson. Etter dette ledet han en særdeles dyktig forskningsgruppe som gjorde Cambridge til verdens viktigste senter for eksperimentell kjernefysikk i 1920- og 1930-årene. Et av de mange resultatene som kom fra Cavendish-laboratoriet i 1932 var opp­ dagelsen av nøytronet som ble gjort av den britiske fysikeren James Chadwick (1891-1974). Rutherford var en bemerkelsesverdig personlig­ het, kjent for sin kraftige stemme og for å mislike for mye teoretisering. Han fikk nobelprisen i kjemi for sitt arbeid om radioaktivitet i 1908, og ble gjort til «Baron Rutherford of Nelson» i 1931. Hans aske er plassert i Westminster Abbey nær Isaac Newtons (1642-1727) grav. ► 11909 foreslo Rutherford at Ernest Marsden skulle undersøke

om alfapartikler kunne brytes gjennom store vinkler når de ble spredd fra en tynn metallfolie. Marsdens oppstilling besto av en radioaktiv kilde som sendte ut alfapartikler, et ark gullfolie og en skjerm som lyste når den ble truffet av partikler. Skjermen kunne dreies i alle retninger og glimtene kunne iaktas i et mikroskop. Til alles overraskelse ble alfapartikler brutt i alle retninger, og en av 20 000 ble sendt direkte tilbake.

◄ ▲ ► Ernest Rutherford (til høyre sammen med Geiger) sto bak bade oppdagelsen av atomkjernen og også protonet som er den viktigste bestand­ delen i atomkjernen. Apparatu­ ren til venstre ble benyttet i hans arbeid. Rutherford fant at partikler som oppførte seg som hydrogenkjerner kunne slås ut av andre typer kjerner, og han foreslo at hydrogenkjernen må være en grunnleggende bygge­ sten i alle kjerner. At protoner og hydrogenkjerner er identi­ ske vises ved den rette vinke­ len mellom deres spor i et boblekammer (høyre). Den røde lin­ jen som kommer inn nede fra høyre er et proton som kolli­ derer med en hydrogenkjerne.

82 Kjernens masse er mindre enn summen av massene til de enkelte partikler den består av. Høyere masse medfører høyere energinivå

Eksotisk radioaktivitet Radioaktive isotoper som finnes i naturen nedbrytes enten ved alfastråling eller betastråling. Det samme gjelder for mange av de radioaktive isotopene som er blitt laget i laboratorier. Kunstig radioaktivitet ble oppdaget i 1933 av den franske fysikeren Frederic Juliot (1900-1958) og hans franske kone Irene Curie (1897-1956). I disse tilfellene foregår den radioaktive nedbrytningen ved hjelp av kjerner av andre kjemiske stoffer, ikke bare helium. Elektronet som opptrer i betastråling har en antipartikkel som kan forekomme I radioaktiv nedbrytning. 11980-årene begynte man å lage eksotiske isotoper som har enten for mange eller for få nøytroner. Isotoper som det nøytronfattlge lutetium157 (71 protoner og kun 80 nøytroner) kan lages i kollisjoner mellom naturlige tunge kjerner. Det nøytronrike litium-11 (3 protoner og 8 nøytroner) er et av de eksotiske stoffene som blir dannet når uran bombarderes med energirike protoner. Slike isotoper har vist nye former for radioaktivitet som ikke er mulig i de mer vanlige isotopene. Litium-11 fremviser minst 6 forskjellige måter for nedbrytning. Det kan sende ut betastråling tett fulgt av utsendelse av et, to eller tre nøytroner, eller en alfapartikkel og et nøytron, eller til og med en tritiumkjerne (kjernen i hydrogen-3 som består av et proton og to nøytroner). På tilsvarende måte kan lutetium151 sende ut protoner. En av de mest eksotiske typene av radioaktivitet ble funnet i 1984 i radium, et av de første radioaktive elementene som ble oppdaget 100 år tidligere. Radium-233, som forkommer naturlig i nedbrytningskjeden til uran235, kan sende ut relativt store biter av protoner og nøytroner I form av karbon-14 kjerner. Det samme kan radium-222 og radium-224. Utsendelse av karbon-14 er svært sjelden. Det skjer bare en gang for hver tiende milliard alfapartikkel-utsendelse.

Radioaktiv nedbrytning

Atomkjernen

Alfastråling

Helium-4

2 protoner

▲ Hydrogen er det letteste av alle kjemiske stoffer, og dets atomkjerne er den enkleste. Den består av et positivt ladet proton.

2 nøytroner

Uran-238

92 protoner

146 nøytroner

Nøytron

Elektron (-ladnins

Betastråling

Proton

▲ Helium er det nestletteste grunnstoffet. Der er to protoner som vil frastøte hverandre fordi de har samme ladning, men de holdes sammen av sine to nøytroner.

Nøytrino (ingen ladning)

Karbon-14

6 protoner (+ladning) 8 nøytroner (ingen ladning)

Gammastråle Gammastraling

Å Når grunnstoffene blir tyngre, vil både antallet av protoner og nøytroner i kjernen øke for å kunne stå imot den elektrostatiske frastøtningen.

Polonium-212

Eksitert tilstand

84 protoner 128 nøytroner (ingen ladning)

► Marie Curie sammen med sin datter Irene. Marie Curie oppdaget de natulige radioak­ tive grunnstoffene radium og polonium i slutten av 1890årene. Nesten 40 år senere oppdaget Irene og hennes mann Frederic Joliot kunstig radioaktivitet. De oppdaget at aluminium som kom i kontakt med polonium ble radioaktivt og sendte ut positroner (elektronets antipartikkel) hele tiden i flere minutter etter at det var adskilt fra polonium. Alfapartikler fra polonium hadde vekselvirket med kjerner i aluminium og dannet en radioaktiv variant av fosfor. Den radioaktive fosforen sender ut positroner og stabili­ serer seg som tinn. Tinn har atskillig flere protoner enn fosfor.

■4 Nå kan maskiner som Betatronen ved Berkeley produsere høyenergetiske kjerner for å danne eksotiske former for radioaktivitet.

KJERNENS STRUKTUR

(2^) Proton

Torium 234

90 protoner

(^2) Nøytron

Q) Elektron

4 Ved alfanedbrytning vil en tung kjerne som uran-238 gå over til en mer stabil form ved å sende ut en alfapartikkel to protoner og to nøytroner (en heliumkjerne). Når antallet protoner endres, får man et nytt grunnstoff med lavere atomnummer og lavere masse.

144 nøytroner

Nitrogen 14

7 protoner

4 Ved betanedbrytning vil en kjerne med for mange nøytroner bli mer stabil ved å bytte ut et nøytron med proton. Dette kan skje ved at nøytronet sender ut et elektron og et nøytrino. Til forskjell fra alfanedbrytning vil antallet protoner og nøytroner holdes konstant.

7 nøytroner

Polonium 212

Grunntilstand

84 protoner 128 nøytroner

4 Kjerner som dannes i ulike kjernereaksjoner, blant annet alfa- og betanedbrytning, kan ha for mye energi; de er i eksiterte tilstander. De gir fra seg sin overflødige energi ved å sende ut høyenergetisk elektromagnetisk stråling kalt gammastråling.

83

Kjernens energi Noen sammensetninger av protoner og nøytroner har mindre ener­ gi enn andre, og den mest stabile sammensetningen har minst ener­ gi. Dette kan best illustreres ved for eksempel det at en ball triller nedover en bakke fordi den har minst tyngdeenergi ved slutten av bakken. Kjernens energi er noe mer komplisert, den er faktisk kjernens masse. Den tyske fysikeren Albert Einstein (1879-1955) viste i sin spesielle relativitetsteori at masse er en form for energi. Derfor har en kjerne med minimal masse også minimal energi. Massen til en stabil kjerne er alltid mindre enn summen av mas­ sene til partiklene den består av. For eksempel er massen til nitro­ gen-14, den vanligste isotopen av nitrogen, mindre enn den totale massen av de syv protoner og syv nøytroner som den består av. Massen til nitrogen-14 er også mindre enn massen til karbon-14 - den radioaktive versjonen av karbon som man bruker ved date­ ring. Karbon-14 inneholder også 14 nukleoner (8 nøytroner og 6 protoner), men masse-energien er 0.0012 prosent større enn for nitrogen-14. Karbon-14 brytes ned til nitrogen-14 ved å gi fra seg overflødig energi.

Radioaktiv nedbrytning Måten en ustabil kjerne gir fra seg sin overflødige energi på er delvis avhengig av hvor mye mer energi den har i forhold til hva en nærliggende stabil kjerne har. Radioaktivitet kan forekomme på mange forskjellige måter. De tre vanligste formene er kjent som alfa- beta- og gammanedbrytning. Ved alfa-nedbrytning sender en kjerne ut en alfapartikkel. Denne partikkelen består av to protoner og to nøytroner (altså en helium­ kjerne). For å sende ut en alfapartikkel, må en kjerne ha mer masse-energi enn summen av massene til alfapartikkelen og den nye kjernen. Dette gjelder for kjerner som er tyngre enn bly som kan miste energi ved å sende ut en alfapartikkel, men som på den andre siden vil trenge tilførsel av energi for å sende ut et enkelt proton eller nøytron. Ved beta-nedbrytning sender kjernen ut en annen type partikkel - et elektron. I motsetning til alfapartikler, hvor protonene og nøy­ tronene fantes i kjernen før utsendelse, eksisterte ikke elektronet før reaksjonen, men blir dannet i det øyeblikk kjernen nedbrytes. Dette skjer ved at et nøytron går over til et proton. For å kunne gjøre dette, må kjernen kvitte seg med energi og øke sin elektriske ladning med en enhet. Elektronet som har negativ ladning sørger for den korrekte ladningsendringen, som må være null totalt sett. Når den sendes ut fjerner den en del energi i form av masse og bevegelse. Energiregnskapet for denne prosessen går ikke opp med mindre man inkluderer utsendelse av en nøytral tredje partikkel - nøytrinoet. Betanedbrytning skjer etter dette mønsteret i kjerner med for mange nøytroner. Det er på denne måten karbon-14 brytes ned til nitrogen-14. Kjerner som har for mange protoner kan derimot brytes ned ved en annen form for beta-stråling. I dette tilfelle går et proton over til et nøytron ved å sende ut et positron i tillegg til et nøytrino. Positronet er elektronets antipartikkel, og har derfor positiv ladning. Den tredje formen for radioaktivitet er gammastråling. Kjernen sender ikke ut en partikkel i vanlig forstand, men en svært energirik form for elektromagnetisk stråling. Gammastråling endrer ikke an­ tallet protoner og nøytroner i en kjerne, men den tar med seg ener­ gi fra kjernen. Gammanedbrytning inntreffer når en kjerne har en­ dret seg ved alfa- og betanedbrytning til en eksitert kjerne hvor protonene og nøytronene disponerer mer energi enn vanlig.

Enheter for atommasse Vanlige mål for masse har vist seg å være lite hen­ siktsmessige i forbindelse med masser i atomkjernestørrelser. Protonets masse er 1.673x10~27 kilo, mens nøytronets er noe større ved 1.675x10~27 kilo. Kjernefysikerne foretrekker å arbeide med spesielle enheter, og en enhet er (amu (atomic mass unit)) som er definert som en tolvtedel av massen til et karbon-12 atom. I denne målestokken er et proton 1.0076 amu og et nøytron 1.0090 amu. Fordi masse og energi ofte brukes om hverandre i kjernereaksjoner, er det hensiktsmessig å uttrykke masse i energienheter. Energienheten som brukes i kjernefysikken er elektronvolt (eV) som er energien et elektron tilføres når det akselereres gjennom et elektrisk potensial på 1 volt. Dette tilsvarer 0.16x10-18 joule. Ved å bruke Einsteins berømte ligning E=mc2 får man massen uttrykt i elektronvolt. En amu blir da lik 931 millioner elektronvolt (931 MeV). Et proton har masse lik 938.3 MeV, og nøytronet har en masse på 939.6 MeV. En underlig konsekvens av dette er at lyshastigheten C settes lik 1. Slik blir tid og lengde målt med samme enhet.

► Et konturkart av kjerneenergien til en hel rekke kjerner viser et stabilt område hvor energien har sine minimums­ verdier. Kjernene i dette området har spesielt stabile sammensetninger av protoner og nøytroner. De andre forsø­ ker å nå dette området gjen­ nom radioaktiv nedbrytning.

Z=50 (Tinn)

Z=30 (Sink)

Antall protoner (Z)

Z=20 (Kalsium)

Nitrogen-14

Antall nøytroner (N)

N=15

N=25

Z=60 (Neodym)

KJERNENS STRUKTUR

85

Det stabile området

=80 (Kvikksølv)

det stabile området. Linjen krummer seg når man øker antall nøytroner.

■4 Et snitt gjennom det stabile området for kjerner med samme totale antall protoner og nøytroner viser hvordan kjerneenergien (eller overflødig masse) varierer med antallet protoner Z. Zs verdi i bunnen angir den ideelle stabilitetsverdi som kjernene etterstreber.

Antall nøytroner (N)

Atomvekt, atomtall og isotoper Lette atomer ser ut til å inneholde like stort antall protoner som nøytroner. Karbon har seks av hver - i alt 12 kjernepartikler (eller nukleoner, en fellesbetegnelse for protoner og nøytroner). Men i større og tyngre atomer er det overskudd på nøytroner i forhold til antallet protoner. Dette er fordi den elektrostatiske frastøtningen mellom protonene blir kraftigere jo flere det er av dem. Den elek­ trostatiske frastøtningen begynner å konkurrere med de sterke kjer­ nekreftene som bare virker over små avstander, og som ikke øker med antallet på samme måte som de elektrostatiske kreftene. Effekten av flere nøytroner i en større kjerne er å motvirke den elektrostatiske repulsjonen (frastøtningen), slik at kjernen holdes sammen. Uran inneholder f.eks. 92 protoner og 246 nøytroner. I kjerner på denne størrelsen kan ikke tilføring av flere nøytroner forhindre at kjernen splittes og går i stykker. Selv om det er mulig å fremstille kjerner med mer enn 100 protoner, er disse kjernene veldig ustabile, og vil i beste fall bare leve i noen få timer. Antallet protoner i en kjerne er kjent som atomtallet (Z), og be­ stemmer hvilket grunnstoff det er snakk om. Karbon har Z=6, oksy­ gen har Z=8 o.s.v. Antallet nøytroner kan derimot endres uten at stoffets kjemiske egenskaper, som utelukkende er avhengig av an­ tallet elektroner, blir påvirket. Sink finnes i naturen i en form som består av 30 protoner og 34 nøytroner. Men det er bare litt i under­ kant av 50 prosent av sink i denne formen. Omtrent 28 prosent av sink inneholder 36 nøytroner, 19 prosent har 38 nøytroner og de resterende 3 prosentene oppererer med andre antall nøytroner. Kjerner med forskjellig antall neutroner kalles isotoper. Dette skyldes at de har samme Z-verdi og derfor befinner seg på samme plass i det periodiske system. For å skille forskjellige isotoper fra hverandre, refererer man til isotopene med antallet nøytroner og protoner de inneholder. Dette systemet forteller oss at naturlig sink forekommer som isotopene sink-64, sink-66 og sink-68. Alle grunnstoff har flere isotoper, men som regel dominerer en isotop og utgjør 90 prosent eller mer av stoffet. Dette er fordi alle andre isotoper enn den vanligste er ustabile og går over til andre kjerner etter en -tid som kan variere fra brøkdelen av et sekund til millioner av år. Disse kalles radioaktive isotoper fordi de endrer seg gjennom en av de mange prosessene som er kjent som radioak­ tivitet. Atommassetabeller til kjemisk bruk inneholder ofte verdier som ligger mellom hele tall. I fysikken blir verdien for hver isotop angitt. Disse ligger vanligvis tett opptil verdiene til hele tall, fordi bindingsenergiene er små sammelignet med masseenergien.

86 Niels Bohr fikk nobelprisen i 1922. Hans sønn Aage Bohr fikk den i 1975

Kjerneteorier Utviklingen av teoretiske modeller som kan forklare de observerte egenskapene til stabile, ustabile og eksiterte kjerner har vist seg å være en vanskelig oppgave. Vanskelighetene består i at atomkjer­ nene er så små at selv de kraftigste mikroskopene ikke holder mål. Man er derfor henvist til å drive undersøkelser på hvordan kjernen som helhet oppfører seg under forskjellige påvirkninger, og gjen­ nom dette trekke slutninger om kjernens indre oppbygning. Ut fra en teori om oppbygningen kan man utføre forsøk som bekrefter eller avkrefter teorien. Og ut fra resultatene kan man justere model­ len og arbeide mot nye resultater etter denne. En av de første mo­ dellene som oppnådde en viss grad av suksess var «vanndråpemodellen» som ble uviklet av to teoretikere, dansken Niels Bohr (18851962) og amerikaneren John Wheeler (f.1911) i 1939. Den sammen­ ligner visse egenskaper i kjernen og i vanndråper, og er spesielt nyttig ved beskrivelse av tunge kjerner som spalter seg i to deler. Vanndråpemodellen er ikke i stand til å beskrive en viktig egen­ skap ved kjernen, nemlig spinn. Kvantemekanikken viser at nukleoner oppfører seg som om de har en intrinsikk rotasjonsbevegelse, som subatomære snurrebasser. En fullstendig teori for kjernen må ta i betraktning spinnene til de enkelte nukleonene, og beskrive hvordan disse adderer seg opp til å gi et totalt baneimpulsmoment for hele kjernen. En modell som er basert på spinn er skallmodellen som ble utviklet i 1948 av fysikerne Maria Goeppert-Mayer (19061972) i USA, og Hans Jensen (1907-1973) i Tyskland uavhengig av hverandre. De fikk begge nobelprisen i fysikk i 1963. I denne modellen befinner nukleonene seg i tilsvarende skall som skallene i atomteori. En av motivasjonene bak en slik modell er kjennskapen til de såkalte magiske tall. Eksperimenter viser at visse protontall (Z) og nøytrontall (N) gir kjerner som er spesielt tett sammenbundet. Det er spesielt tallene 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126 som er knyttet til denne stabiliteten. F.eks. er oksygen-16 (Z=8, N=8), kalsium-40 (Z=20, N=20) og bly-208 (Z=82, N=126) veldig stabile. Tinn med Z=50 har 10 stabile isotoper. I følge skallmodel­ len er de magiske tallene knyttet til lukkede nukleonskall. Den kollektive kjernemodellen Skallmodellen viser seg å være hensiktsmessig når man tar i be­ traktning de observerte kjernespinnene, men den kommer i vanske­ ligheter når man ønsker å inkludere andre egenskaper. Den er spe­ sielt uegnet til å beskrive ikke-sfærisk ladningsfordeling som opp­ trer i mange kjerner. For å behandle dette problemet ble den kol­ lektive kjernemodellen utviklet. Dette ble gjort av den danske teoretikeren Åge Bohr (f. 1922), sønn av Niels Bohr, og amerikaneren Ben Mottelson (f.1926). Denne var først foreslått i 1950 av en an­ nen amerikansk fysiker, James Rainwater (f. 1917). Den kollektive modellen forsøker å forene de beste egenskapene til både skallmo­ dellen og vanndråpemodellen. Den gjør dette ved å betrakte en stor kjerne som om den har lukkete skall og er omgitt av «valens»nukleoner. Denne kjernen kan deformeres fra sin sfæriske form ved å vekselvirke med de ytre elektronene. Modellen har vist seg å være velegnet for å beskrive de vibrasjoner og rotasjoner i atom­ kjernen som kan studeres eksperimentelt. En generell teori som kan anvendes på alle kjerner er målet for modern kjernefysikk. For å samle viten om dette utfører man eks­ perimenter på maskiner som kan akselerere tung partikler som uran o.l. og lar disse kollidere med andre kjerner. Dette kan skape ekso­ tiske isotoper med uvanlig antall protoner og nøytroner, og med høyt spinn. Disse isotopene kan bli svært deformert og gir en strin­ gent test av de teoretiske modellene.

▲ Niels Bohr (høyre) og hans sønn Åge ga begge viktige bidrag til teorien om kjernens struktur. Niels samarbeidet med John Wheeler om å utvikle vanndråpemodellen, mens Åge arbeidet med å forene denne med skallmodellen.

▲ ▼ Maria Goeppert-Mayer (venstre) sammen med Hans Jensen. De utviklet, uavhengig av hverandre, en skallmodell for kjerner i slutten av 1940-årene. Her passer nukleonene inn i skall i kjernen på samme måte som elektronene i et atom. Det enkleste skallet kan inneholde to par av nukleoner - to protoner og to nøytroner - hvis medlemmene i et par har motsatt spinn. I andre skall har nukleonene mer baneimpulsmoment slik at flere partikler er tillatt. Komplette skall svarer til totalt antall på 2,8 eller 20 nøytroner og protoner. Disse utgjør mer stabile kjerner. Diagrammet illustrerer skallstrukturen for kalsium-40 som har full­ stendige skall både for protonene og nøytronene, med 20 av hver.

Kvantenes verden Kvantebegrepet... Partikkelteorien for lys... Planks konstant... Bohrs bilde av atomet... Partikler som bølgebevegelse... Kvantemekanikk... PERSPEKTIV... Teorier for utsendelse av lys... Niels Bohr... Den fotoelektriske effekt... Laser... Elektronmikroskopi... Spinn og NMR... Filosofiske følger av kvantemekanikken

Mange naturlige fysiske fenomen opptrer på en kontinuerlig måte. Jorden beveger seg jevnt rundt solen, bakken varmes langsomt opp på en solskinnsdag, og avkjøles på en like jevn måte om kvelden. Men i den verdenen atomet befinner seg i, ser det helt anderledes ut. Der kan subatomære systemer kun eksistere i bestemte atskilte tilstander. Med andre ord kan man si at de subatomære fenomener er kvantiserte. Det er det samme som å sammenligne en trapp med en jevn stigning, for eksempel en rampe. En person kan befin­ ne seg hvor som helst på stigningen, men kun på bestemte atskilte nivåer i trappen. Kvantisering er et viktig trekk i subatomær fysikk. En annen egenskap er at den også har en statistisk natur. En astronom kan med sikkerhet forutse hvor Jorden, månen eller planetene vil befin­ ne seg i forhold til solen på et gitt tidspunkt, men en atomfysiker kan kun fastslå sannsynligheten for at et elektron skal befinne seg i en gitt tilstand ved et gitt tidspunkt. Det er også en grense for hvor nøyaktige utsagn man kan gjøre om den subatomære verden. Desto større nøyaktighet man har i beskrivelsen av en egenskap, desto mer unøyaktig blir en annen forbundet egenskap. Slike trekk gjør den subatomære verden svært ulik vår dagligdagse verden.

Partikkelteorien for lys Et hovedeksempel på kvantemekanikk i praksis finner vi ved be­ skrivelsen av lysets egenskaper. Fysikerne i det 19. århundre fant gode grunner til å assosiere lyset med en bølgebevegelse. Dette synet ble styrket med den elektromagnetiske teorien til den britiske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) i 1865. Maxwells teori forutsa eksistensen av elektromagnetiske bølger som forplanter seg gjennom tomt rom med en hastighet nær den målte lyshastigheten. Dette viste at lys kun er en variant av en hel rekke elektromagneti­ ske stråler med forskjellige bølgelengde som alle beveger seg gjen­ nom tomt rom med den samme hastighet. Bølgeteorien fungerer veldig bra når man beskriver lysets beve­ gelse gjennom ulike materialer. Den kan forklare fenomer som re­ fleksjon, brytning, diffraksjon og interferens, men den bryter sam­ men når man skal forklare absorbsjon og utsendelse av lys. Den første som kunne gi en beskrivelse av disse fenomenene var den tyske fysikeren Max Planck (1858-1947). Fysikerne i slutten av 1890-årene var konfrontert med et problem når de skulle forkla­ re hvordan intensiteten til stråling som kommer fra en perfekt sen­ der varierer med bølgelengden. Det er en topp i intensiteten ved en bølgelengde som kan assosieres med senderens temperatur. Hø­ yere temperatur svarer til kortere bølgelengde på toppen. I slutten av det 19. århundret kom den teoretiske tolkningen frem til at intensiteten skulle fortsette å stige ved lavere bølgelengder i stedet for å falle ned fra sitt maksimum. Det var tydeligvis noe galt med denne første teorien.

▲ Max Planck utviklet sin kvanteteori om stråling ved å forsøke å løse et problem i den eksisterende teorien for utsendelse av stråling. I teorien til Rayleigh og Jeans ville mengden av utsendt energi fortsette å stige ubegrenset for kortere bølgelengder. Dette var en ultrafiolett katastrofe som ikke var forenlig med eks­ perimentelle resultater.

Forståelse av lysutsendelse I slutten av det 19. århundre demonstrerte Heinrick Hertz at lys er en elektromagnetisk bølge. På samme tid ble det gjort observasjoner som var uforenlig med Maxwells teori, slik som utsendelse av lys ved kun noen få bølgelengders avstand fra visse kilder. Slike kilder har et spekter av diskrete linjer når lyset fra dem har gått gjennom et prisme. Selv kontinuerlige spektra var et problem når fysikerne ville beskrive hvordan intensiteten varierer med bølgelengden. De britiske fysikerne Lord Rayleigh (født John Strutt, 1842-1919) og James Jeans prøvde å forklare spekteret på følgende måte. De forestilte seg en perfekt strålingskilde (eller svart legeme) som en boks som kan lagre elektromagnetisk energi som stående bølger, på samme måte som lydbølger i en orgelpipe. Spekteret av bølger fra et hull i boksen skulle i følge dem, korrespondere med det observerte emisjonsspekteret fra en kilde som solen. De kunne beregne antallet stående bølger innen et gitt bølgelengdeområde, og de antok at hver bølge hadde like stor energi. Rayleigh Jeans-loven stemte overens med obser­ vasjoner ved høye bølgelengder, men ikke ved lave bølgelengder. Den hevdet faktisk at uendelige ener­ gimengder kunne sendes ut ved lave bølgelengder. Planck oppdaget teoriens svakhet. Ideen med stående bølger i en boks og et gitt antall bølger var ikke feil, men antagelsen om at energien er likelig fordelt på alle frekvenser var det. Planck tildelte for­ skjellige energler til forskjellige bølgelengder. På denne måten løste han problemet, og gav start­ skuddet for kvantemekanikken som også skulle komme til å forklare linjene i spektrene til andre strålingskilder.

88 Einstein mottok ikke nobelprisen for relativitetsteorien, men for sitt arbeid med den fotoelektriske effekt Intenst rødt lys

Planck var i stand til å løse problemet med lysemisjon (lysutsendelse) ved å fastslå at energien i stråling sendes ut i bestemte mengder, og at energimengden i et «kvant» er avhengig av strålingens frekvens. Energien finner man ved å gange frekvensen med en bestemt konstant, kjent som Plancks konstant og vanligvis symbolisert med bokstaven h. Den har en verdi lik 6.6xl0~34 joule sekund. Kvantemekanikken er bare interessant i systemer der energiene er svært små, for eksempel strålingen fra enkeltatomer. Ligningen forklarer også hvordan energien som er assosiert med et strålingskvant varierer over det elektromagnetiske spekteret. Strå­ ling ved høye frekvenser (korte bølgelengder) består av høyenergikvanter, og ved lave frekvenser (lange bølgelengder) har kvantene lave energier. Den sveitsiske fysikeren Albert Einstein (1879-1955) brukte den samme modellen om kvantisert energi for å forklare den fotoeleketriske effekt. Ultrafiolett stråling som faller inn på en metalloverflate vil forårsake at atomene sender ut elektroner. Elektronenes ener­ gi er avhengig av frekvensen til strålingen, ikke av intensiteten som man kunne forvente siden det dreier seg om et bølgefenomen. Det finnes også en minste frekvens, karakteristisk for et metall, og under denne frekvensen vil det ikke forekomme noen utsendel­ se av elektroner. Albert Einstein hevdet at strålingen ankommer overflaten i kvantiserte «bølgepakker» som har en energi forbundet med frekvensen via Plancks ligning. På denne måten ser man at dersom frekvensen er for lav, er det overhodet ikke mulig å slå ut noen elektroner. Når man øker frekvensen tilstrekkelig, vil det derimot bli mulig å slå ut elektroner fra alle energinivåer. Lyset oppfører seg altså tosidig. Under noen omstendigheter er det hensiktsmessig å betrakte lys som en bølge, og i andre sammen­ henger som en strøm av kvanter eller lyspartikler, såkalte fotoner. Dersom et atom absorberer et foton, vil atomets energi øke med samme energi som fotonet hadde. Og hvis elektronet sender ut et foton, vil dette elektronets energi avta tilsvarende. Elektronenes energinivåer i et atom er også kvantisert. Atomet kan bare motta energi i bestemte mengder - tilsvarende elektronenes sprang fra energinivå til energinivå. Altså kan ikke et atom gi fra seg et foton med en hvilken som helst energi. Det er en bestemt sammenheng mellom energinivået et elektron befinner seg i i et atom, og energien til fotoner det kan absorbere eller sende ut. De tillatte energinivåene avhenger kritisk av den positive ladningen i kjernen som elektronene sirkulerer rundt. Med andre ord vil hvert kjemisk stoff ha sin egen karakteristiske energistige som elektronene kan befinne seg i. Dette betyr igjen at fotonene som et stoff sender ut eller kan absorbere har forskjellige energi­ er og frekvenser som svarer til avstanden mellom nivåene i hver energistige. Hvert atom eller stoff har sitt eget helt karakteristiske emisjons- eller absorbsjonsspekter. Dette er en like god indikator for et atoms identitet som fingeravtrykk er det for mennesket.

Svakt rødt lys

Fotoelektrisk effekt Mange langsomme elektroner

Få raske ■*— elektroner

▲ I den fotoelektriske effekt er det lyset som slår elektroner løs fra et materiale. Dette kan kun forklares dersom man betrakter lys som fotoner, lokaliserte bølgepakker, i motsetning til de konti­ nuerlige bølgene man finner i klassisk elektromagnetisk teori. Når man endrer intensiteten til lyset (øverst) endrer man antallet foto­ ner, og dermed antallet elektroner som slåes løs, men ikke deres energi. Endrer man frekvensen på lyset, energien til fotonene, vil man endre energien til elektronene som blir slått løs. I praksis trenger man høye frekvenser, ultrafiolett lys, for å gjøre dette.

Energinivåene i et atom

Elektron

▲ Elektronene i et atom sender ut lys når de går til et lavere energinivå. Det kan gå til et høyere energinivå ved for eksempel oppvarming. Ved hvert sprang fra et høyere til et lavere energinivå, vil elektronet sende ut et foton. Energien (frekvensen) til fotonet er avhengig av størrelsen på energispranget. Større sprang medfører større energi eller høyere frekvens på det utsendte fotonet.

▼ Frekvensene til lys som er sendt ut fra eller absorbert av et stoff, definerer stoffets fin­ geravtrykk. Emisjonsspekteret til helium (under) viser lyset som blir dannet ved at eksiterte elektroner spretter ned fra høyere energinivåer. Et spekter av lyset fra solen (høyre) har mørke linjer hvor fotoner av visse frekvenser er blitt absorbert ved at elektroner i atomene er gått opp til høyere energinivåer.

KVANTENES VERDEN

▲ Lasere er viktige redskaper i forskning. De gir lys som ikke bare er monokromatisk (består av kun en bølgeleng­ de), men også koherent, alle fotonene i samme fase. Dette øker lysets intensitet. ► Når et atom absorberer lys, heves elektronene opp til høyere energinivåer, hvis fotonet har korrekt energi. Den kan da sende ut et foton spontant og falle tilbake til sitt opprinnelige nivå. Men den kan også stimuleres av et foton med riktig frekvens, som altså ikke absorberes. Både det stimulerende og det stimulerte fotonet fortsetter sammen og kan eventuelt stimulere andre fotoner. Dette er stimulert emisjon. Slik kan en hel samling fotoner med samme frekvens bevege seg avgårde i «fase».

89

Laser Innkommende foton

Elektron slått opp i høyere energinivå

___ Grunntilstand

Høyere energinivå

Ordet laser står for «light amplification by stimulated emission of radiation» som kan oversettes med lysforsterkning ved stimulert utsendelse av stråling. Nøkkelordet her er utsendelse (emisjon). I en utsendelsesprosess blir et foton produsert når et elektron går fra et energinivå til et lavere. Ved stimulert utsendelse (emisjon) er denne overgangen frempro­ vosert ved stråling av samme energi (samme frekvens) som den utsendte strålingen. Et foton frembringer altså utsendelse av et annet foton med nøyaktig samme frekvens. I tillegg vil de to fotonene være i samme fase, slik at bølgetopper og bølgedaler faller sammen. Slik stråling sies å være koherent, og er svært verdifull ved informasjonstransport og fordi en slik stråle kan bære mye energi. Fordi prosessen kan gjentas flere ganger dannes det til sist en veldig kraftig laserstråle. For at stimulert emisjon skal kunne være nyttig, trenger et system av atomer flere atomer i de relevante øvre nivåene enn det som er normalt. I en -klaser får man dette til ved optisk pumping. En lykt kan eksitere mange elektroner opp i høyere nivåer som så spontant vil begynne å falle tilbake og sende ut stråling. Prinsippet med laseren er å fange noe av denne strålingen slik at den stimulerer videre emisjon, og apparaturen sender ut en koherent stråle. Dette blir gjort med speil for å sørge for at emisjonen skjer inne i en «resonansboks». Her går strålen frem og tilbake og stimulerer flere emisjoner av ønsket type før den slipper ut. Det dannes altså en stående bølge i resonansboksen som blir sluppet ut gjennom en spalt. Dette likner stående bølger i en orgelpipe.

90 Elektronets bølgenatur viser seg i diffraksjonsmønsteret på samme måte som hos lys

Kvanteteorien for atomet Den danske fysikeren Niels Bohr (1885-1962) tok utgangspunkt i Rutherfords teori om at atomet fungerte som et solsystem med elektroner i en vilkårlig bane rundt en liten kjerne. Bohr lanserte ideen om en kvantisert atomstruktur i 1913. Ved dette arbeidet førte han Plancks konsept et skritt lenger - ved å kvantisere ikke bare energien, men også baneimpulsmomentet til et elektron i et atom. Bohr mente at baneimpulsmomentet bare kan ta verdier lik et hel­ tall multiplisert med Plancks konstant dividert med to ganger pi (den vanlige geometriske konstanten). Baneimpulsmomentet til et elektron i bane rundt en kjerne avhenger av banens radius. Kvantiseringen medfører derfor at bare helt bestemte baner er tillatt. Bohr brukte dette til å regne ut elektronenes energi i disse tillatte banene, og kom frem til uttrykket for energinivåene i atomet. Teorien fungerte veldig bra for hydrogenatomet som bare har et elektron og beskriver de observerte linjene i hydrogenspekteret, men den er noe for enkel for mer sammensatte atomer. Ideen om energinivåer i atomet gir oss en relativ enkel forklaring på fysiske fenomener som egentlig har sitt opphav på et subatomært nivå - f.eks. prosessen i laseren. Det fordret også en utforming av nye matematiske redskaper for å beskrive kvantenes verden. Fordi kvantefysikkens størrelsesområder ligger under grensene for direk­ te observasjon, er den avhengig av matematisk modelloppstilling.

Partikler som bølger Den moderne forståelsen av atomets kvantenatur inkluderer en an­ nen uvanlig egenskap ved materien på subatomært nivå - partiklenes bølgenatur. På mange måter er fotonet også en lyspartikkel. Fotonet har ingen masse, men energi og bevegelsesmengde som kan regnes ut. (Plancks konstant dividert med bølgelengden.) I 1924 forslo den franske fysikeren Louis de Broglie (1892-1960) i sin doktoravhandling at dette forholdet kunne generaliseres og snus til å definere en bølgelengde for massive partikler som elektro­ net. Partikkelens bølgelengde er lik Plancks konstant dividert med bevegelsesmengden. Dette forslaget viste noe om det underfundige ved naturen på subatomært nivå. Ikke bare kunne stråling oppføre seg som partikler, men partikler kunne også oppføre seg som bøl­ ger. Når man bruker matematikk i forbindelse med bølger anven­ des en matematisk setning som kalles Fouriers setning. Ved hjelp av denne kan «bølger» med spesielle bølgeformer som for eksempel avgrensede bølgepakker, oppløses i sine «harmoniske» bestandde­ ler. Tilsvarende kan bølgene for en samling av partikler superponeres (legges sammen) til en resultatbølge. Selv om elektronets energinivåer i Bohrs forstand vanligvis blir sett på som baner med økende avstand fra kjernerr, kan de også betraktes som bølger rundt kjernen med en frekvens som øker i takt med energien. Partiklenes bølgenatur ble først vist i 1927 i et eksperiment utført av de to amerikanske fysikerne Clinton Davisson (1881-1958) og Lester Germer (1896-1971). De sendte en stråle av elektroner mot overflaten av en nikkelkrystall, og registrerte de som ble spredt tilbake fra overflaten. De fant at mønsteret av spredte elektroner hadde en topp ved 50°, og dette kan bare forklares med at den regelmessige rekken av atomer i overflaten av krystallen spredte elektronbølger. Ikke lenge etter observerte den britiske fysikeren George (G.P.) Thomson (1892-1975) et ringmønster blant elektro­ ner som var sendt gjennom en tynn metallfolie. Et slikt mønster er karakteristisk for spredning av bølger. I dag er det vanlig å bruke spredningsmønstre av nøytronstråler for å undersøke den indre oppbygningen og egenskapene til forskjellige materialer.

▼ Elektronets bølgenatur kommer tydelig frem ved dannelsen av diffraksjonsmønster på samme måte som for lys. Dersom en elektronstrøm går gjennom et tynt hull, vil resultatet være en sprut av elektroner og ikke et lite punkt på skjermen.

Elektronkilde

▲ Et scanning-elektronmikroskop viser detaljene i et bilde avhengig av antallet elektroner som blir spredt når en tynn elektronstråle går over prøven. Detaljfinheten blir mulig fordi bølgelengden til elektroner er langt mindre enn bølgelengden for synlig lys.

KVANTENES VERDEN

91

► Partikkelbeskrivelsen av elektronet betrakter det som ' et punkt i tid og rom med en gitt hastighet. Elektronet kan også beskrives som en bølge, og i dette tilfellet er det beskrevet ved en bølgefunksjon som er en funksjon av tid og rom. Kvadratet av bølgefunksjonen angir sann­ synligheten for a finne elektronet ved en bestemt tid i en bestemt posisjon. Hastigheten til denne bølgepakken er den samme som for den analoge partikkelen. I bølgebeskrivelsen vil partik­ kelens posisjon og bevegel­ sesmengde ikke være kjent samtidig. Dette er usikkerhetprinsippet der produktet av elektronens «utstrekning» (området der den må befinne seg) og bevegelsesmengden har en maksimumsverdi.

Bohr og atomet

-4 De to amerikanske fysikerne Davisson og Germar var de før­ ste som demonstrerte elektronets bølgenatur ved å vise dets diffraksjonsmønster. Davisson holder på elektronrøret de bruk­ te i sprengningsforsøket i 1927.

▼ Klassisk fysikk fant det vanskelig å forklare hvordan elektroner strømmer gjennom en metalltråd når de leder elektrisitet. Bølgeformen til et elektron som beveger seg gjennom ionegitteret i en metallkrystall endres så den passer til ionene. Resultatet blir at elektronene kan bevege seg lett uten at de bremses for mye av sammenstøtene med krystallene.

Gjennomsnittlig elektronbølge

Niels Bohr hadde nylig mottatt sin doktorgrad fra Universitetet i København da han begynte å arbeide ved Universitetet i Cambridge i 1911. Der traff han en fysiker fra New Zealand, Ernest Rutherford (18711937). Bohr ble så imponert at han straks dro til Uni­ versitetet i Manchester for å arbeide med ham. Rutherford hadde nylig oppdaget at mesteparten av massen til et atom befinner seg i en kjerne med høy tetthet. Dette bygget opp under teorien om atomet som et miniatyr-solsystem med elektronene i bane rundt kjernen. Det var et problem med denne hypotesen i følge klassisk elektromagnetisk teori som sier at elektronene skal gi fra seg stråling når de går i bane rundt kjernen, og derfor miste energi og gå i en spiralbane inn mot kjernen. Bohr satte seg ned for å løse dette problemet ved hjelp av de nye ideene om kvantisering. Han postulerte at et elektron ikke stråler kontinuerlig slik som klassisk teori forlanger, men at det sender ut energi kun når det beveger seg fra en bestemt bane til en annen. Bohr kvantiserte ikke elektronets energi i funda­ mentale enheter, i stedet kvantiserte han baneimpulsmomentet. Ved å gjøre dette utvidet han Plancks konsept som hadde vært anvendt på strå­ lingsenergien og viste at i den subatomære verden kan andre størrelser også kvantiseres. Han fikk no­ belprisen i fysikk i 1922 for sitt arbeid i kvantemeka­ nikk, og ble en av de mest innflytelsesrike fysikerne i dette århundre ved å utvikle den filosofiske forstå­ elsen av kvantefysikken.

Bølgemekanikk Oppdagelsen av partiklenes bølgenatur gav en grundigere forståel­ se av Bohrs kvantisering av baneimpulsmomentet. Kvantiseringsbetingelsen tillater kun baner hvor et helt antall elektronbølgelengder passer inn. Ved å innse dette, og ved å illustrere elektronet som bølgepakker er det mulig å utvikle en bølgeteori som ikke bare beskriver atomenes struktur, men også mange sider av subatomær oppførsel. Det sentrale punktet i denne bølgemekanikken er at partikler som elektroner kan representeres matematisk ved en bølgefunksjon som er knyttet til sannsynligheten for at en partikkel befinner seg i en viss tilstand. I atomet blir Bohrs bestemte baner erstattet med orbitaler - områder i rommet hvor bølgefunksjonen til elektronet kan tilpasses. Orbitaler gir ikke en presis posisjon for et elektron, men sannsynligheten for hvilken posisjon det har i forhold til kjer­ nen i en gitt tilstand. Denne moderne kvanteteorien kan virke vel­ dig abstrakt, men den har vist seg forbausende hensiktsmessig, og er grunnlag for mye av det vi i dag vet om fysikk, kjemi og visse deler av biologien. Kvanteteorien er kommet for å bli - i hvert fall til noen får en bedre ide.

KVANTENES VERDEN

Elektronspinn og bølgemekanikk

Kjernemagnetisk resonans

◄ ▲ For å fotografere med kjernemagnetisk resonans, som her, ligger pasienten inne i spolene til en stor supraledende magnet. Punkter inne i kroppen blir valgt ut ved å variere styrken til det magnetiske feltet i tre dimen­ sjoner med spoler over, under og langs magnetenes akser. Radiofrekvensfeltet som er dannet av andre spoler gjør at protonene i hydrogen resonerer. ◄ ◄ Dette elektrostatiske potensialkartet av et vannmolekyl er fremkommet ved å bruke kvantemekanikken. Det viser det sterke negative potensialet under oksygenatomet og det positive poten­ sialet rundt hydrogenatomene.

93

▼ Protonene i hydrogenkjerner oppfører seg som små magneter fordi de roterer (1). I et magnetisk felt vil protonmagnetene ha en tendens til å peke i samme retning som feltet. Men de vil fortsette a vippe (presessere) rundt feltet med en frekvens avhengig av feltstyrken (2). Ved å utsette protonene for pulser fra et radiofrekvensfelt som svinger med samme frekvens som presessjonen, vil de skifte retning. Protonene vil snart flippe tilbake til sin opprinne­ lige orientering og sende ut radiosignaler samtidig. Det viktige ved kjernemagnetisk resonansbilder er at fre­ kvensen til disse signalene er avhengig av posisjon fordi feltet varierer.

Planck kvantiserte energien og Bohr kvantiserte baneimpulsmomentet, og begge fordret bruk av et heltall - eller kvantetall - for å spesifisere hvor mange fundamentale kvant av energi eller baneim­ pulsmoment et system kan ha. Bølgemekanikken gav mening til disse kvantetallene ved å vise at de er assosiert med løsninger av den aktuelle bølgeligning. En løsning for et elektron i et atom er knyttet til flere kvantetall. Hvert energinivå som korrespon­ derer til en linje I et atomspekter kan defineres med et unikt sett av kvantetall. Dette er årsaken til at elektronene i et atom ligger i atskilte skall. 11925 postulerte to nederlandske fysikere, Samuel Goudsmit (1902-1978) og Georg Uhlenbeck (f. 1900), et kvantetall assosiert med et indre baneim­ pulsmoment, et spinn-kvantetall. Goudsmit og Uhlenbeck arbeidet med å forklare finstrukturen i hydrogenspekteret hvor enkle emisjonslinjer ved nøyere ettersyn viser seg å bestå av to nærliggende linjer. Deres løsning var å introdusere elektronspinn som de sa kun kan være i to mulige tilstander, spe­ sifisert ved kvantetallene +1/2 og -1/2. Dette er det samme som å si at en snurrebass kan rotere rundt den vertikale aksen på to måter, enten med eller mot klokken. Det er ikke helt korrekt å si at det er dette som gir elektronet spesielle spinnegenskaper, men i mange tilfeller er det nyttig å sammenlikne kvantefenomener med det man kjenner fra klassisk fysikk. Man sier at elektronet har totalspinn lik 1/2. 11928 klarte den britiske teoretikeren Paul Dirac (1902-1989) å forene kvantemekanikken og den spesielle relativitetsteori, og viste at et spinn lik 1/2 er en fundamental egenskap ved elektronet. En annen viktig ting som kom fra den relativistisk? for­ muleringen av kvantemekanikken varden teoretiske beskrivelsen av an tipartikler. Dirac fikk nobelprisen for dette arbeidet i 1933 sammen med den tyske fysikeren Erwin Schrbdinger. Elektronet er ikke den eneste partikkelen som har spinn. Nukleonene har også spinn lik 1/2. Dette betyr at kjernen kan ha et totalt netto spinn-baneimpulsmoment avhengig av hvordan de individuelle bidragene fra protonene og nøytronene adderer seg sammen. Virkningen av kvantiserlngen av kjernespinn kan detekteres i atom spektra som hyperfin splitting som er av størrelsesorden tusen ganger mindre enn finstruktur-splittingen på grunn av elek­ tronspinn. (Dette skyldes den store masseforskjellen mellom elektronene og kjernen.) At nukleonene og spesielt protonene har spinn har viktige anvendelser. Et proton (eller en hvilken som helst kjerne) har en positiv ladning slik at et spinnende proton er elektrisk ladning i bevegelse og derfor vil generere et magnetisk felt. Alle kjerner med et netto spinn kan derfor betraktes som subatomære magneter. Denne egenskapen er anvendt i kjernemagnetisk resonans, «Nuclear Magnetic Resonans» (NMR). I et magnetisk felt vil et proton presesere rundt feltretningen med en gitt frekvens. Ved NMR tilføyer man et felt og målefrekvensen. Teknikken er viktig for kjemikere fordi den nøyaktige frekvensen er avhengig av protonets posisjon. NMR er også svært viktig innen medisinsk fotografering fordi det viser fordelingen av hydrogen i legemet og kan derved vise ulike vevstyper på en måte som er vesentlig mindre farlig enn bruk av røntgenstråler.

94 Nær det absolutte nullpunkt kan superflytende helium overvinne gravitasjonskreftene og slippe ut av sin beholder

Kvanteffekter ved lave temperaturer Ved høye temperaturer er den midlere energien til atomer og molekyler mange ganger så stor som frekvensen ganger Plancks konstant. Dette betyr at de restriksjoner som kvantemekanikken setter på vibrasjonene til et atom rundt sitt gitterpunkt i et fast stoff blir neglisjerbare. Ved lave temperaturer blir effektene dramatiske. Det tilsvarer at man kun kan bruke hundrelapper når man handler. Virkningen på bilprlsene ville bli minimal, mens avisprisen ville endre seg drastisk. 11907 anvendte Albert Einstein kvantisering på en teori for varmekapasiteten i faste stoffer. 11912 utviklet den hollandske fysikeren Peter Debye (18841966) en enkel teori som passet godt med eksperi­ mentelle data for temperaturvariasjonen til varme­ kapasiteten i faste stoffer. Ved høye temperaturer vil energispredningen på de forskjellige atomene gjøre det svært sannsynlig at det finnes atomer en eller to energienheter mer enn den gjennomsnittlige energien. Øker man temperaturen vil flere atomer ha mer energi enn før. Ved veldig lave temperaturer er situasjonen anderledes. Når temperaturen senkes vil flesteparten av atomene ha den minimalt tillatte energi - sin grunntilstand - og kun noen få atomer vil være i høyere tilstander. Et fast stoff kan altså kun ta i mot en liten del av den energien det ville tatt i mot ved høye temperaturer. Lenge før man introduserte kvantisering var mange egenskaper ved metaller tilfredsstillende beskrevet ved den frie elektronteori hvor ledningselektronene ikke er bundet til noe spesielt atom, men er fri til å bevege seg rundt i metallet. Dette er en modell som er svært tilfredsstillende med «vanlige» temperaturer fra under romtemperatur og oppover. Ved lave temperaturer bryter teorien sammen. Teorien beskrev ikke magnetiske og termiske egenskaper tilfredsstillende. Det virket som om elektronene ikke bidro I slike prosesser. Det store fremskrittet i forståelsen av metaller kom ved innføringen av «eksklusjonsprinsippet» som ble formulert av den østerrikske fysikeren Wolfgang Pauli (1900-1958). Energien til elektroner i et metall er også kvantisert, men til forskjell fra atomer (eller ioner) som vibrerer uavhengig av hverandre rundt bestemte gitterpunkter, er elektronene del av ett system. I følge Paulis eksklusjonsprinsipp kan ikke to elektroner befinne seg i samme energitilstand. Når de laveste energinivåene er fylt opp, må elektro­ nene ha høyere energi for å være i det neste tilgjen­ gelige nivå. Når et metall blir varmet opp, er det bare elektro­ nene i de øverste nivåene som kan eksiteres til høyere ledige nivåer. Elektronene lenger nede er upåvirket fordi det ville kreve altfor mye energi. Det er som en boligblokk hvor den første familien bor i den nederste leiligheten, den andre familien rett over, familie fem i femte etasje og så videre, og tomme leiligheter finnes kun øverst i blokken. Der­ som familie to eller syv ønsker å bytte leilighet kan de ikke flytte seg kun en etasje, de må gå øverst i blokken. Bare familier som bor øverst, nær en tom leilighet, kan flytte uten for mye bry. Ved romtempe­ ratur vil bare en prosent av elektronene bidra til et metalls termiske egenskaper. Det er ikke rart at man hadde problemer med dette før kvantemekanikken.

► En «høytemperatursupraleder» YBa2Cu3O(7.M) er supraledende ved temperatu­ rer som kan oppnås ved at prøven blir kjølt ned med flytende nitrogen. ▼ I midten av 1980-årene førte forskning på høytemperatursupraledere til oppdagelsen av flere nye materialer som ble supraledende ved temperatu­ rer som kan oppnås med flytende nitrogen. Dette gir håp om å kunne anvende supraledning i større omfang.

▼ En stavmagnet som blir senket ned på supraledende tinn danner et magnetisk bilde på disken og vil derfor bli frastøtt av magnetfeltet slik at den vil sveve over den. Feltet fra magneten induserer vedvarende elektriske strømmer i tinnet, og danner dermed det magnetiske bildet.

KVANTENES VERDEN

Supraledning Etter at man hadde klart å fremstille flytende helium i 1908 begynte den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) og andre en syste­ matisk undersøkelse av mekaniske, elektriske og termiske egenskaper hos flere stoffer ved tempera­ turer litt over det absolutte nullpunkt. Onnes fant at ved 4.25 K ble den elektriske motstanden i kvikksølv plutselig borte. Motstanden i bly og tinn forsvinner også og de blir supraledende. Onnes kunne faktisk påvise at den elektriske motstanden ikke bare blir svært svak, men at den forsvinner helt. Han satte i gang en strøm i en blyspole nedsenket i et bad av flytende helium, og isolerte så spolen fra batteriet. Strømmen i spolen dannet et magnetisk felt som Onnes kunne konstatere med en kompassnål. Nålen pekte i samme retning både før og etter batteriet var frakoplet. Dette viste at det ikke var noen elektrisk motstand. Under slike omstendigheter vil en elektrisk strøm fortsette i det uendelige slik at det ikke er nødvendig med tilførsel av energi for å opprettholde strømmen. Hvordan kan det ha seg at motstanden

forsvinner? Det er ikke mulig å ta bort det som normalt forhindrer strømmen av elektroner. I en supraleder vil ikke hindringene lenger kunne stoppe elektronene. Ved supraledning vil elektronene bli knyttet sammen parvis via atomgitteret i stoffet de beveger seg gjennom. Disse elektronene befinner seg i sin laveste energitilstand og har ingen energi å gi fra seg. Vekselvirkningen som danner disse parene er slik at de blir ødelagt ved temperaturøk­ ninger og sterke magnetiske felt. Materialet vil da bli en vanlig leder. Frem til 1986 var den høyeste temperaturen der man hadde observert supraledning 23.3 K. Dette ble gjort i en legering av niob og germanium selv om legeringer av noibium og titan, som blir supraleden­ de ved 9 K, har vist seg mest hensiktsmessige i denne sammenhengen. 11986 oppdaget to fysikere i Sveits, Alex Muller og Georg Bednorz en ny klasse av materialer - metalloksider - som kan bli suprale­ dende ved langt høyere temperaturer, rundt 100 K. De mottok nobelprisen i fysikk i 1987 for denne opp­ dagelsen. Slike temperaturer nås ved et nedkjølingssystem som drives av nitrogen (kokepunkt 77 K) i stedet for helium (4.2 K).

95

▲ Et annet fenomen fra den merkelige verden som finnes ved lave temperaturer er fonteneeffekten. Dette er et resultat av egenskapene til superflytende helium. I sin superflytende tilstand oppfører væsken seg som en supra­ ledende varmeleder som strømmer mot en varmekilde som om den forsøker å eliminere den. For å frembringe denne effekten lar man en varmekilde i glassbeholderen tiltrekke seg su­ perflytende helium som strømmer inn i beholderen og presser væskestrålen gjennom et lite hull øverst.

96 Kvantemekanikken beskriver atomene og deres forhold til hverandre rent matematisk

Å Bevegelsen til en racerbil ved topphastighet er frosset og foreviget av kameraet, men på bekostning av at bakgrunnen er blitt uklar. På samme måte, skjønt mer fun­ damentalt, har man på kvantenivå at jo bedre man kjenner bevegelsestilstanden jo usikrere kan man bestemme posisjonen.

▼ Den østerrikske fysikeren Erwin Schrddinger formulerte bølgemekanikken i midten av 1920-årene. Hans arbeid var sterkt påvirket av franskman­ nen Louis deBroglie (18921960) som var den første som foreslo at partikler som elektroner kunne beskrives som bølger.

Heisenberg og usikkerhet

Schrddinger og hans katt

I begynnelsen av 1920-årene gikk den tyske fysikeren Werner Heisenberg (1901-1976) bort fra å betrakte elektronenes baner som helt faste baner, og begynte å utvikle en teori som bygget utelukken­ de på observerbare størrelser. Resultatet som ble publisert i 1925, varden første kvantemekanikken - en mekanikk for beskrivelsen av den subatomære verden. Teorien var basert på matematiske strukturer kalt matriser. Den fikk ikke slik mottagelse som Schrbdingers bølgeteoretiske for­ mulering av kvantemekanikken som ble publisert året etter. Denne var lettere tilgjengelig, men matematisk uttrykte de to metodene det samme, og ga de samme resultater. Heisenberg fikk nobel­ prisen i fysikk i 1932, og året etter fikk Schrddinger den. To år etter at han formulerte kvantemekanikken, postulerte Heisenberg sitt berømte usikkerhetsprinsipp i 1927. Dette sier at visse par av fysiske størrelser, som posisjon/bevegelsesmengde og energi/tid, ikke kan være nøyaktig kjent samtidig. Jo bedre man kjenner den ene jo mer usikker blir den andre. Dersom man ønsker å bestemme posisjonen til et elektron ved å bruke et kraftig mikroskop som bruker en stråle av svært kortbølget gammastråling, har man i følge kvantemekanikken at strålen består av en strøm av fotoner. Disse kan angi posisjonene til elektronet ved å treffe det for så igjen å gå inn i mikroskopet. Men hvert foton som støter bort i elektronet vil endre dets bevegelsesmengde. Forsøker man å gjøre nøyaktigere målinger av elektronet ved å bruke fotoner med kortere og kortere bølgelengder, så vil man overføre mer beve­ gelsesmengde til elektronet fordi fotonenes energi øker med avtagende bølgelengde.

Den østerrikske fysikeren Erwin Schrddinger (18871961) likte aldri den tosidige egenskapen til materien som kan beskrives både som bølger og partikler, og han forsøkte å danne en teori som baserte seg kun på bølger. Han formulerte noen av sine bekymringer om kvantemekanikken i sitt «katteparadoks». Schrddinger tenkte seg en katt i en boks med en giftbeholder og en radioaktiv kilde, og han antok at beholderen ville bli nedbrutt av radio­ aktiviteten slik at katten ville bli drept. Spørsmålet er da om man på et vilkårlig tidspunkt kan bestemme kattens tilstand - hvorvidt den er død eller levende - uten å åpne lokket? Kvantefysikeren kan bare beregne sannsynligheten for at kjernen er brutt ned. Det er kun etter at lokket er åpnet, og en observasjon blir gjort, at man kjenner svaret. Hva er kattens tilstand (representerer et kvantesystem) mellom to observasjoner? Eksisterer den i det hele tatt i dette tidsintervallet? Og for å innta et ekstremt synspunkt: Eksisterer den bare i fysikerens innbilning selv når den observeres? Slike spørsmål opptar både filosofer og en del fysikere. Et synspunkt er at den nåværende kvanteteorien ikke er fullstendig, at det finnes skjulte variabler som vil beskrive et kvantesystem helt determini­ stisk. Et annet synspunkt er at alle mulige tilstander mellom observasjoner eksisterer. Ut fra denne tolkningen av kvantemekanikken kan man si at universet deler seg hver gang det er mulig med for­ skjellige resultater på kvantenivå. Da har man at det reelle universet består aven rekke forskjellige univers, men hver av oss har kun bevissthet om et av gangen. Hver gang man observerer går vi vilkårlig til det universet som passer til bare et av de mulige resultatene.

Elementærpartikler Nukleonenes byggestener... Kvarker og antikvarker... Leptoner... Nøytrinoer... Hvordan elementærpariklene ble dannet... PERSPEKTIV... Partiklenes navn... Identifikasjon av partikler... Akseleratorer og detektorer... Antimaterie... Kosmisk stråling... Forutsigelse av nye partikler

;

.------

Siden begynnelsen av det 20. århundret har vår forståelse av den grunnleggende strukturen i materien endret seg dramatisk. Allerede ved slutten av forrige århundret var det tegn som tydet på at ato­ met ikke var udelelig og uforanderlig som man tidligere hadde trodd. I 1897 oppdaget den britiske fysikeren Joseph John (J.J) Thomson (1856-1940) elektronet som finnes i atomer og utgjør om­ kring en totusendel av massen til hydrogenatomet, det letteste grunnstoffet. Med oppdagelsen av radioaktivitet fant fysikerne ut at atomer kunne sende ut andre deler som alfapartikler (heliumkjerner), og slik gå over til et annet stoff. I 1911 oppdaget Ernest Rutherford (1871-1937) og hans kolleger ved Universitetet i Manchester, Eng­ land, at mesteparten av massen til atomet er konsentrert i en ørliten sentral kjerne som man i 1930-årene visste besto av protoner og nøytroner. I dag er elektronet fremdeles sett på som et av et lite antall fundamentale partikler. Så langt som eksperimenter kan vise, opp­ fører det seg som en punktpartikkel uten noen indre struktur helt ned til 10~19 meter, en titusendel av protonets størrelse. For proto­ ner og nøytroner er det helt anderledes. Eksperimenter hvor høyenergetiske stråler av elektroner (og protoner) blir spredt mot målskiver av forskjellige materialer, viser at protoner og nøytroner har en diameter rundt 10-15 m. Mer detaljerte eksperimenter med elektronstråler som har nok energi til å trenge inn i protonene og nøy­ tronene, viser at de har en indre struktur som består av punktlignende objekter. Disse punktene er partikler som kalles kvarker, og er elementærpartikler på samme måte som elektronene. Alle kjernepartikler er bygget opp av et lite antall forskjellige kvarker med innbyrdes forskjellige egenskaper. Det finnes seks kvarktyper.

Partiklenes navn De subatomære partikler som er blitt oppdaget siden slutten av 1940-årene virker som om de er blitt gitt navn i vilden sky. Men bak terminologien ligger det en viss grad av logikk. Elektronet, som var den første subatomære partikkel som ble oppdaget, fikk et navn som den britiske fysikeren George Stoney (1826-1911) hadde foreslått flere år tidligere for mengden av elektrisk ladning som ble tapt eller vunnet av atomer under elektrolyse. Protonet er gitt navn etter det greske ordet for «først» fordi det var den første komponenten i atomet som ble identifisert. Nøytron som navn for protonets nøytrale partner virker som et logisk tillegg. Med oppdagelsen av en hel rekke av uventede partikler i begynnelsen av 1950-årene brukte man greske bokstaver for å navngi de forskjellige variantene. De som først ble kalt pi og mu har senere blitt kjent som pion og muon. 11962 foreslo to amerikanske fysikere Murray Gell-Mann (f. 1929) og George Zweig (f. 1937) uavhengig av hverandre at en rekke av det stadig økende antall subatomære partikler, inkludert nukleonene, må være sammensatt av mer funda­ mentale partikler. Nukleonene består av tre slike partikler. Gell-Mann kalte dem kvarker, «quarks», etter sitatet «Three quarks for Mister Mark» fra den irske forfatteren James Joyces «Finnegan's Wake». Zweig kalte dem «ess», men det er Gell-Manns valg som brukes i dag.

Undersøkelser i materiens indre _ Elektronsky

______ Atom

Avbøyning av elektroner

Elementærpartikler

------- Proton

=> 10GeV

10-’5 m eller mindre

▲ Elektronstråler med økende energi kan brukes til å undersøke materiens indre på mindre og mindre skala. Elektronene som har elektrisk ladning blir avbøyd eller spredt av ladete strukturer. Ved energier rundt 100 elektronvolt (eV) eller mer, blir elektronene spredt av elektronskyen rundt et atom. Ved energier en million gan­ ger større enn dette (100 MeV eller mer), går elektronene gjennom denne skyen, men blir påvirket av den positive kjernen i atomet. Ved energier rundt en milliard elektronvolt (GeV) blir elektronene spredt fra de små ladete kvarkene inne i nukleonene. Fordi elektro­ nene selv regnes for punktpartikler på samme måte som kvarkene, kan man se bort fra deres utstreking i spredningsberegninger.

Inne i atomet Akseleratorer For å kunne se inn i atomene trenger man teknikker som kan se avstander på 10~15 m og mindre. Dette er langt utenfor rekkevidden til selv de mest avanserte mikroskopene, men prinsippene er de samme. Et optisk mikroskop bruker lys som blir spredt mot et objekt, men dets oppløsning (eller evne til å avsløre detaljer) er begrenset av bølge­ lengden til synlig lys rundt 10~7 m. Et elektronmikroskop danner bilder fra elektroner som blir spredt mot et objekt. Elektroner med høyere energi har lavere bølgelengde i følge kvantemekanikken. For å studere materien på en skala rundt 10~15 m eller mindre, kreves veldig høye energier på strålen av de partikler man bruker for å «se». Disse produseres av maskiner som kalles akseleratorer. In­ formasjon om strukturen på denne størrelseskalaen kommer ved å studere hvordan objekter - i dette tilfellet subatomære partikler inne i kjernen - sprer høyenergistrålen. Selv om fysikerne ikke rekonstru­ erer bilder, kan mønstrene av de spredte partiklene detekteres med spesielt måleutstyr. I tillegg kan man ved høye energier avsløre nye, tyngre (eller mer energetiske) tilstander av materien som ikke kan observeres ved lave energier. De fleste partikkelakseleratorer har en utforming hvor strålen går i en sirkel gjennom et vakuumrør. Magnetiske felter holder partiklene i rett bane når de går rundt i maskinen tusenvis av ganger. Ved hvert omløp plukker partiklene opp små mengder energi fra radiobølger som befinner seg i visse deler av maskinen kalt akselerasjonskammer. Når partiklenes energi øker, øker også de magnetiske feltene som styrer dem til partiklene oppnår den maksimale energien som den magnetiske ringen kan inneholde. Strålen rettes da ut av akseleratoren mot ventende eksperimeter eller måltavler hvor den kan brukes til å produsere sekundære partikkelstråler som pioner, muoner eller nøytrinoer. Etter et slikt eksperiment gjenstår et møysommelig arbeid med å identifisere hva som er hva på bakgrunn av naturlovene. ► På dette fotografiet av partikkelspor i et boblekammer har man lagt til farver. Negative partikler (kaoner) krysser bildet nedenfra. Sporene deres krummer seg mot høyre og viser at kammerets magnetiske felt avbøyer negative partikler (lilla, lys blå og grønt) mot høyre og positive (orange og rød) mot venstre. De to spiralene må være elektroner som er de eneste partikler som er lette nok til å avbøyes så mye i det magnetiske feltet. Den lille spiralen er fra et elektron som er slått løs fra et atom i væsken. Den store spiralen kommer fra nedbryt­ ningen av partikkelen som laget det lyseblå sporet dette må ha vært et muon. Gapet mellom de to V-formene viser at en nøytral partikkel, som ikke kan etterlate et spor, er blitt dannet ved den første V-formen og er blitt brutt ned ved den andre. Energi handler om avstand.

Positivt pion

Negativt pion

Boblekammer

Trådkammer

For å finne ut hva som skjer når en høyenergetisk partikkel vekselvirker med et proton eller nøytron inne i en kjerne, må man kunne registrere sporene til partiklene. Disse inkluderer ofte mange nye partikler skapt av energien som blir frigjort i kollisjo­ nen. Partikler med elektrisk ladning er relativt lett å registrere. Disse etterlater seg et spor av ioniserte atomer i stoffet de går gjennom, og man har for­ skjellige måter for å fremstille disse sporene. I tillegg er ladete partikler påvirket av magnetiske felter slik at krumningen av banene gjennom feltet gir informasjon om ladning og bevegelsesmengde. En måte å finne partikkelsporene på er ved bruk av boblekammer, en beholder som inneholder en væske under trykk nær sitt kokepunkt. Dersom trykket synker vil også kokepunktet synke. Men hvis trykket endres raskt nok, vil væsken bli overopp­ hetet (forbli i væskeform over sitt kokepunkt). Hvis trykkendringen skjer like etter en partikkelstråle har gått gjennom den, vil væsken være ustabil nok til at det begynner å koke langs partikkelbanen. Små bobler vil dannes og dermed angi sporene til partiklene, og disse kan avfotograferes.

Fysikere som bruker boblekammer må måle fotogra­ fier av partikkelsporene. Ut fra de aktuelle verdiene kan en datamaskin regne ut hva som skjedde i den opprinnelige kollisjonen. Man bruker også såkalte trådkammer som hopper over et ledd i denne prosessen ved å sende ut et elektrisk signal som kan videresendes direkte til datamaskinen. I et trådkammer vil ladete partikler legge bak seg et ionisert spor i en gass hvor atomene er adskilt som elektroner og positive ioner. Tråder som er jevnt fordelt i kammeret blir elektrisk positive slik at de negative elektronene blir trukket mot den nærmeste tråden. Når elektronene beveger seg mot en tråd, slår de flere elektroner løs fra gassatomene slik at man til slutt har et ras av elektroner mot tråden. Dette gir et anseelig elektrisk signal. Ved å sette sammen signalmønsteret fra en hel rekke tråder, kan en datamaskin rekonstruere sporene til de opp­ rinnelige partiklene som gikk gjennom kammeret. Dersom kammeret er innenfor spolene til en stor elektromagnet, vil krumningen av sporene kunne gi informasjon om partiklenes ladning og bevegelses­ mengde.

A I et trådkammer vil tusenvis av ledninger krysse gjennom rommet som partiklene går gjennom, som i det kammeret man ser under bygging (ven­ stre). Når det er fullført, vil led­ ningene bli omsluttet av en gassfylt beholder. Ladete par­ tikler ioniserer gassen og slip­ per fri elektroner som vil beve­ ge seg mot ledningene under på­ virkning av et elektrisk felt, og gir signal til de elektriske kret­ sene som er koplet til ledninge­ ne. Datamaskiner vil så rekon­ struere sporene av hver partik­ kel og vise dem som bilder. Dette kan den gjøre fordi den har fått informasjon om nesten alle punktene i rommet som par­ tikkelen har gått gjennom. Det øverste bildet viser et tredi­ mensjonalt bilde av sporene i et trådkammer. Under er et tverr­ snitt fra et annet eksperiment. Dette viser ikke bare spor i et trådkammer (røde linjer), men også treff i andre typer detek­ torer som hjelper til med å identi­ fisere de forskjellige partiklene.

100 Antimaterie ble funnet omkring fire år etter at det var forutsagt teoretisk

Nøytronene og protonene i stabile kjerner kan leve uendelig, eller i hvert fall ekstremt lenge. De høyenergetiske kollisjonene mellom protoner og nøytroner frembringer andre typer subatomære partik­ ler. Disse er på mange måter lik nukleoner, men har kort levetid, og kan ikke inngå som en del av atomer og materie i den vanlige verden. Disse partiklene er også bygget opp av kvarker, og analyse av forholdet mellom dem har vist at det finnes seks typer av kvar­ ker. Disse seks typene er blitt gitt spesielle navn delvis av forskjelli­ ge tekniske grunner og delvis av historiske grunner. De kalles «opp» (up), «ned» (down), «sjarm» (charm), «sær» (strange), «topp» (top) og «bunn» (bottom). Partikler som nøytroner og protoner er bygget opp av tre kvar­ ker, og kalles kollektivt «barioner». «Opp»- og «ned»-kvarkene har lavest masse, og sammen danner de de letteste kjente barionene - protonet og nøytronet. De andre fire kvarkene - «sær», «sjarm», «bunn» og «topp» - er tyngre i denne rekkefølgen, og danner de tyngre partiklene. En nøytral partikkel kalt lambda består av en opp-kvark, en ned-kvark og en sær-kvark. Den ligner nøytronet, men har en tyngre særkvark i stedet for en av ned-kvarkene. Dette gjør lambda omkring syv prosent tyngre enn nøytronet. Den er også ustabil. Etter en levetid på 2x10~10 sekunder bryter den sammen og går over til et proton og en partikkel kalt pion, eller til et nøytron og et pion. I begge tilfeller går sær-kvarken over til en lettere kvark og den overflødige massen går bort med pionet som ble dannet på samme tid. Denne overgangen mellom kvarktyper er den samme grunnleg­ gende prosess som ligger bak nedbrytningen av et nøytron til et proton i beta-nedbrytning. I dette tilfellet går en ned-kvark i nøy­ tronet over til en opp-kvark og danner et proton. Denne type en­ dringer mellom kvarktyper bringer alle tyngre barioner omsider ned til protoner som er det letteste barionet og derfor også det mest stabile barionet. Der finnes også seks antikvarker som er med på å danne antibarioner - som antiprotoner og antinøytroner. De letteste antikvarkene dannes lett i kollisjoner mellom protoner og nøytroner, både i kosmisk stråling og i partikkelakseleratorer. Dannelsen av antibarioner derimot er svært energetisk kostbar, så antikvarker forbinder seg lettere med kvarker som blir dannet samtidig med dem. Den resulterende partikkelen som består av en kvark og en antikvark kalles et «meson», som betyr mellom, fordi det første kjente eksem­ pelet hadde masser mellom elektronet og protonet. I ladete mesoner er kvarker og antikvarker av forskjellig type. Det positivet pi-mesonet, eller pionet, er bygget opp av en oppkvark og en anti-ned-kvark. Pionets antipartikkel som er negativt ladet består av en ned-kvark og en anti-opp-kvark. Nøytrale meso­ ner kan derimot bestå av kvarker og antikvarker av samme type. I dette tilfellet går kvarken og antikvarken midlertidig i bane rundt hverandre som et elektron og et proton i et hydrogenatom. Slike nøytrale mesoner har kortere levetid enn sine ladete varianter. Det nøytrale pionet er en blanding (på kvantenivå) av opp-anti-opp og ned-anti-ned. Mesonene har kort levetid og vil omsider bryte sammen til lettere partikler. Kvarkene holdes sammen inni barione­ ne og mesonene ved sterke kjernekrefter - den sterkeste av natu­ rens fire fundamentale krefter. Det er på grunn av de sterke kreftene at kvarkene kun kan danne hoper av tre kvarker (barioner) og kvark-antikvark par (mesoner). Andre kombinasjoner er forbudt - spesielt forekomsten av enkle kvarker. I praksis viser det seg derfor at kvarker og antikvarker alltid opptrer som «fanget» inne i barioner eller mesoner.

Antimaterie En av hovedoppdagelsene i moderne fysikk er eksistensen av an tipartikler. Disse er partikler som har samme masse som de kjente partiklene, men har helt motsatte egenskaper, som for eksempel elektrisk ladning. Antielektronet eller positronet, har positiv ladning mens antiprotonet har negativ ladning. Eksistensen av antipartikler ble forutsagt teoretisk av den britiske fysikeren Paul M. Dirac (1902-1984). 11928 kombinerte han kvanteteori med spesiell relativitetsteori, og fant at hans ligning for elektronet hadde to løsninger. Den ene beskrev elektronet mens den andre viste seg å beskrive dets antipartikkel, positronet. Denne tolkningen ble ikke skikkelig forstått før 1932 da fysikere som studerte kosmisk stråling oppdaget spor av positivt ladete elektronlike partikler i detektorer kalt tåkekamre. Disse partiklene kom i skurer med like stort antall elektroner. Konklusjonen var at elektron-positron-par kom fra gammastråling som fremkom ved at kosmisk stråling gikk gjennom metallplater. Diracs teori viste også hvilken skjebne som ventet elektroner og positroner som kom for nær hverandre. De utsletter hverandre i motsatt prosess av den som skaper dem, og frigir en energimengde lik summen av deres felles masse. Denne prosessen kalles annihilasjon. (Etter det latinske ordet annihilatio, tilintetgjørelse.) Den modsatte prosess er pardannelse.

ELEMENTÆRPARTIKLER

A ► Et boblekammer-foto viser dannelsen av ukjente kvarker og antikvarker. De lange sporene skyldes pioner som krysser kammeret; ett (grønt) vekselvirker med et proton og danner to nøytrale partikler som ikke etterlater seg spor (A). En inneholder en sær-kvark og den andre en anti-sær-kvark. Den totale «særtall» er altså null både før og etter reaksjonen. Dette er en egenskap ved reaksjonen som skyldes de sterke kjerne­ kreftene. De to partiklene avslører seg når de bryter sammen (B,C). Nedbrytning skjer via svake kjernekrefter, og i dette tilfellet kan særtallet endre seg. Ved nedbrytning av lambda gir den tunge særkvarken opphav til en oppkvark, en ned-kvark og en anti-opp-kvark (C).

◄ Et antiproton etterlater seg et spor i et boblekammer (blått) før det eventuelt utslettes mot et proton. Deres egenskaper utligner hverandre nøyaktig og går over til ren energi. Dette kan danne helt forskjellige partikler og antipartikler: fire positive pioner (rødt) og fire negative pioner (grønt)

101

102 For å beskrive verden slik vi kjenner den, trenger man kun to kvarker, et ladet lepton og et nøytralt lepton

Elementarpartikler Barioner Proton Nøytron Lambda Sigma

Xi (kaskade)

Masse (MeV)

Kvarker

uud udd uds uus uds dds uss dss ude

p n A 1+ S° IH° H~

938.3 939.6 1115.6 1189.4 1192.5 1197.3 1314.9 1321.3 2282.0

Kvarker Up Down Charm Strange Top Bottom

Levetid (s)

>1032y 898 2.6x10“1° 0.8x10“1° 5.8X1O-20 1.5x10“1° 2.9x10~1° 1.6x10“1° 2.3x10“13

Ladning

Masse (MeV)

+% ~'/3 +% -’/3 +% -%

5 7 1400 150 ’ 1,800

U d c s t b

Mesoner

Pion ir— 1T° Kaon K± K°sl KOJ

ud,ud (uu,dd) us,su

D* D° F* B± B°

139.6 135.0 493.7

(ds,sd)

497.7

cd,cd cu cs.cs ub,ub bd

1869.4 1864.7 1971 5270.81 5274.2/

2.6x10“ 8 0.8x10“ 16 1.2x10“ 8 0.9x10“ 10 5.2x10“ 8 9.2x10“ 13 4.4x10“ 13 1.9x10“ 13 14x10“1 3

d, u, s, c, b, — Antikvarker

Leptoner

Elektron Elektronnøytrino Myon Myonnøytrino Tau Taunøytrino

Ladning

Masse (MeV)

Levetid (s)

e

-1

0.51

ve P

0 -1