Simonyi Károly

A fizika kultúrtörténete a kezdetektől a huszadik század végéig


5.7.2. Kiegészítések

A következőkben néhány korábban már említett objektum és jelenség részletesebb ismertetésével egészítjük ki tárgyalásunkat, amelyek kétségtelenül érdekesek és tanulságosak, azonban jelentőségük nem több az általános elmélet illusztrálásánál.
 
A fekete lyukak
Már találkoztunk a fekete lyukakkal, amelyek a nagyobb tömegű csillagok fejlődési végállapotai (5.6.3 fejezet). Most a számszerű viszonyokat kissé kimerítőbben (de a formális matematikai tárgyalást elkerülve) részletezzük.
Az energiamegmaradás tételéből azonnal megkapható a foton frekvenciájának egy M tömegű R sugarú csillag felületén és az attól aszimptotikusan nagy távolságra észlelhető értékét összekapcsoló képlet. A foton mozgásából származó energia a felszínen hv, aminek megfelelően ott mρh = hν/c2 tömegenergia rendelhető hozzá. Ezzel számítva ki a foton gravitációból származó potenciális energiáját –GMmρh/R adódik. A teljes energia a mozgási és a potenciális energia összege.
Nagy távolságon a foton potenciális energiája nullához tart, a módosított frekvenciával számított hn′ energia a csillag felületén kiszámolt teljes energiával kell hogy egyezzék, azaz
 
 
A relatív frekvenciakülönbségre kapjuk, hogy
 
vöröseltolódás (5.2.8. fejezet)
Ha a csillag tömege nagy, sugara kicsi, a követelmény csak úgy teljesíthető, ha a fény nem tudja elhagyni a csillag felszínét, ugyanis összes energiája már a felszínen nulla vagy negatív. Az ilyen láthatatlan csillag a fekete lyuk, amely elnevezés John Wheelertől származik (1967).
Figyelemre méltó, hogy a határegyenlőség: megegyezik – egy kettes szorzótól
eltekintve – annak a sugárnak az értékét megadó képlettel, amely az 5.2.8 fejezet (1) képletében megadja a ds2 ívelem kifejezésének szingulárissá válása feltételét; az R=2GM/c2 kifejezés neve Schwarzschild-sugár.
 
Mágneses monopólusok
Lorentz elektronelméletében különös hangsúllyal kerül előtérbe a maxwelli elektrodinamika inherens aszimmetriája. Nincs valódi mágneses töltés (nem létezik mágneses monopólus); az anyag mágneses tulajdonságait virtuális köráramokra vezetik vissza, amelyeknek mágneses momentumuk van. Az elektromágneses hullámok gyakorlati (mérnöki) alkalmazásaiban célszerűnek bizonyul (fiktív) mágneses áramok és (fiktív) mágneses töltés bevezetése. Ez megkönnyíti a számolást, az elektromos és mágneses térerősségekben, E-ben és H-ban szimmetrikus kifejezésekre vezet. A fiktív mennyiségek heurisztikus erejét kihasználjuk, de valós létezésüket nem tételezzük fel.
A fizikusok mindazonáltal lehetségesnek tartják a mágneses monopólusok létezését [Dirac, 1948, Schwinger, 1969]. Felfedezésüket mindmáig talán az akadályozhatja, hogy „szupererős” kölcsönhatás tartja őket a mágneses dipólus belsejében. Megtörténhet azonban, hogy ott, ahol az anyag nagyon hosszan ki van téve a szuper energiájú kozmikus sugárzás bombázásának – ilyen állapot valósul meg pl. a Hold felszínén – a kötéseket a kozmikus részecskék felhasítják, és a mágneses monopólus szabadon mozoghat. Ha a mágneses monopólusok körpályán mozognak, mágneses köráram keletkezik; ehhez pedig ugyanúgy hozzátartozik egy forrásmentes örvényes elektromos mező, amint az elektromos köráramok esetében egy hasonló tulajdonságú mágneses mező generálódik. A mozgó mágneses töltések által keltett elektromos térerősséget mérni lehetne. Ilyen méréseket megkíséreltek a Hold-kőzeteken, de mindeddig sikertelenül.
Dirac eredetileg azt a tényt kívánta a mágneses monopólusok létével elméletileg megalapozni, miszerint minden töltés a természetben egész számú többszöröse egy elemi töltésnek. A Maxwell-egyenleteket szimmetrikusan írta fel a ρe′ ρm′ töltéssűrűségekben és a Je′ Jm áramsűrűségekben. Megállapította, hogy az elektromos és a mágneses tér szorzata egyfajta perdület jellegű mennyiség, ami az AsVs= Js megfeleltetésből is látszik. Kvantummechanikailag ekkor exm (m a mágneses töltés, ex az x részecske elektromos töltése) csak h/4π egész számú többszöröse lehet. Így aztán (4πmex/h)/ (4πmey/h)=ex/ey=r1/r2, ahol r1 és r2 egész számok. Ez éppen azt jelenti, hogy az elektromos töltés valamely elemi értéknek egész számú többszöröse.
A mágneses monopólusok létezésének kérdése egy egész más környezetben is felbukkant, és ott részleges megoldást is nyert. GeorgI egyik elméletéből [SU(8), 1972] azonnal következik az elektronok létezése, sőt a tört töltésű részecskék (pl. a kvarkok) létezését ki is tudta zárni!
Ezen az úton továbbhaladva (’t HOOFT, POLJAKOV) Alan Guth jutott el a mágneses monopólusok ritka előfordulásának egyfajta magyarázatához. Elmélete szerint a monopólusok az infláció folyamatában, az ősrobbanás pillanata után 10–34s idővel, 1014-1018 K hőmérsékleten, nagyjából 1016 GeV tömeggel keletkeztek. Azonban koncentrációjuk az infláció révén exponenciálisan lecsökkent. Talán az Univerzum inflációs időszakának folyamataira vezethető vissza a monopólusok megfigyelésének eredménytelensége!
 
Párkeltés és annihiláció
A párkeltés és az annihiláció komplementer folyamatok. Immár meghatározó szerepet játszanak egy sor gyakorlati jelentőségű – orvosi és műszaki – berendezésben.
Például amikor intenzív γ-sugarakat betonfallal vagy ólomfallal árnyékolni kívánnak, az abszorpciós együtthatót alacsonyabb energiákon a fotoeffektus, közepes energiákon a Compton-szórás, majd néhány MeV energia felett a párkeltés determinálja. Tehát nemcsak a fizikusok, hanem a mérnökök és tervezők is tisztában kell hogy legyenek a párkeltés törvényeivel!
Az annihilációs és párkeltési folyamatok alapozzák meg az orvosi gyakorlat egyik fontos műszerének, a pozitron-emissziós tomográfnak (PET) a működését (MICHEL TERPOGOSSIAN, St. Louis 1975 és mások). Ha az emberi testbe bejuttatnak egy bizonyos β+-aktív izotópot – ilyen pl. a C-11 (T1/2≈20 perc), N-13 (T1/2≈10 perc) vagy O-15 (T1/2≈2 perc) – akkor az izotóp pillanatnyi helyzete meghatározható, sőt mozgása is követhető. Ugyanis az emittált pozitron a mindenütt jelenlevő elektronok egyikével annihilálódva átalakul két, nagyjából ellentétes irányba haladó fotonná. A körkörösen elhelyezett, koincidenciamérésbe kapcsolt γ-detektorok jeleit számítógépesen tomogrammá egyesítik és értékelik.
Az N-13 és O-15 izotópok csak ciklotronban állíthatók elő a C-11 reaktorban is.
Azt a nagy érdeklődésre számot tartó kísérletet, amely bebizonyította, hogy a párkeltés – szemben az 5.5-4 ábrán kifejtett vélekedéssel – anyag, közeg jelenléte nélkül is bekövetkezhet, és egyben rámutat a vákuum komplikált szerkezetére, csak legújabban sikerült megvalósítani.
Hozzászoktunk ahhoz, hogy a találkozó elektromágneses hullámok kölcsönösen nem hatnak egymásra, minthogy lineárisan szuperponálódnak. Más szavakkal kifejezve: a γ-kvantumok között nincs kölcsönhatás, nem következik be foton–foton szórás.
A kvantum-elektrodinamikában a vákuumnak, a hullámok hordozójának összetett a szerkezete. A vákuum polarizációjának jelensége már korábban utalt a kölcsönhatás lehetőségére. Ennek a kölcsönhatásnak megkülönböztetett formája valósulhat meg, ha két γ-kvantum találkozásakor (vákuumbeli) párkeltés következik be. Ennek a reakciónak olyan kicsi a valószínűsége, hogy csak szélsőséges esetekben várható az előfordulása. Egy ilyen kísérleti elrendezés első megvalósítása egy stanfordi kutatócsoportnak sikerül 1997-ben, ADRIAN MELISSINOS vezetésével. Ehhez felvonultatták a lézertechnika, a gyorsítási és detektálási módszerek csúcseredményeit. Egy szélsőségesen intenzív zöldszínű lézernyaláb (1012W/10–7 cm2, 6·1016 V/cm; 2,35 eV) hatott kölcsön egy elektronnyalábbal, amelynek elektronjait a 3 km hosszú SLAC gyorsítóban 46,6 GeV energiára gyorsították fel. Azt várták, hogy Compton-hatás révén az elektronok annyi energiát adnak át a visszalökődő fotonoknak, hogy azok a beérkező γ-kvantumokkal – együttes tömegközépponti rendszerükből mérve – elegendő energiával (> 1MeV) rendelkeznek majd egy elektron–pozitron pár keltésére. Valóban már az első kísérletekben százával mértek pozitronokat.
Itt röviden megemlítjük még a párkeltés egy másik érdekes lehetőségét is, újfent intenzív lézernyalábokra építve. Tesszük ezt, mert szép példája a művészeti kísérletezés majdhogynem határtalan fejleszthetőségének, másrészt ez a technika mikrofizikai jelenségeknek érdekes és következtetésekben gazdag sorára vezet (Lawrence Livermore Laboratory, 1999).
Egy nagy hatóerejű (1petawatt = 1015 W teljesítményű) és nagyon rövid (1femtosec = 10–15s időtartamú) lézernyalábbal elektronokat szakítottak ki egy aranyfóliáról, és egyidejűleg több MeV energiára gyorsították fel azokat. Az elektronok és az atomok ütközéséből kemény röntgensugárzás keletkezett, amelyekkel az atommagokból neutronok „üthetők” ki. Uránmagok jelenlétében még maghasítás is bekövetkezik. „Melléktermékként” pozitronokat is megfigyeltek, amelyek a röntgensugárzással indukált párkeltésből származnak.
 
Röntgensugárzás
A röntgensugárzás számos korszerű területen őrzi fontosságát (diagnosztika, gyógyítás, anyagvizsgálat és minősítés) – a röntgenterápia egészen új módszereket is ígér. Ugyanakkor a világegyetemből is egyre izgalmasabb híreket hoz. Egy teljesen új információs csatorna jött létre: a röntgencsillagászat (5.7-6 ábra).
 
5.7-6 ábra.
a) Az egzotikus atomok kutatásának korszerű problémái kapcsán gyakran alkalmaznak, ellenőriznek, illetve korrigálnak klasszikus gondolatokat. Ezek révén új betekintésre nyílik mód az elemi részecskék világába. A spektrum látható tartományba eső részére már vetettünk egy futó pillantást. A nagy rendszámú atommagok körüli belső pályák energiái nagyon nagy negatív értéket vesznek fel, hiszen az E energia kifejezésében Z2 arányossági tényező szerepel. Az ott lejátszódó átmenetek ezért röntgensugárzással, a hν ≈ (10–500) keV tartományba eső λ-kvantumok kisugárzásával járnak. Ezek a legbelső pályák az atom alapállapotában telítettek, ezért csak akkor történhet átmenet, ha valamelyik szintről az elektront valami kilöki. A köznapi röntgenberendezésekben ezt a feladatot a katódtól az anód felé gyorsított elektronok látják el. Az üresen maradt helyre átmenő elektronok sugárzása kirajzolja az anódanyag karakterisztikus röntgenspektrumát. A kilökés céljával belőtt elektronok egy részét azonban a mag elektromos tere fékezi le, amelynek során folytonos spektrumú fékezési sugárzást bocsát ki. Végül egy felülről élesen levágott fékezési spektrum jön létre (a Duane–Hunt-határ, 1915). A határt az a sugárzás adja, amikor az elektron teljes energiáját fékezési sugárzásként adja le. Az 5.4-13 ábrán megadott röntgensugárzási hullámhossz ezzel a frekvenciával közvetlen összhangban van. Az Auger-hatás (P. V. Auger, 1926) az átmenetek egy speciális típusát reprezentálja: a fotonmentes átmeneteket. Egy nagy energiájú elektron kilök a belső héjak valamelyikéről egy erősen kötött elektront. A külső pályákról tehát egy elektron beugrik az üresen maradt belső pályára. Az ekkor felszabaduló energiát nem fény formájában sugározza szét az atom, hanem egy külső pályán lévő elektronnak adja át, amit Auger-elektronnak hívnak. Az Auger-hatás olyan fényelektromos hatásként is értelmezhető, amely az atom belső pályáin játszódik le. b) A rhodium antikatódos fékezési és karakterisztikus sugárzása. A 23,2 kV feszültséggel gyorsított elektronok a K héj elektronjait még nem tudják ionizálni, ezért kizárólag a fékezési sugárzás spektruma jelenik meg. 31,8 eV viszont már nagyobb, mint a K héjhoz tartozó ionizációs energia. Egyetlen felvételben lehetőséget ad a teljes elnyelési K spektrum megjelenítésére. Magasabb feszültséget alkalmazva, a karakterisztikus vonalak helyzete nem változik, csak a sugárzásuk intenzitása. Ugyanakkor a folytonos spektrum határa az eU = hν = hc/λ egyenlet szerint a kisebb hullámhosszúság tartományába tolódik el. A csillagászati objektumok röntgensugárzásának vizsgálatára elsősorban az Uhuru (1970) és a Rosat (1990) röntgenműholdak szolgálnak. A világűrben akkor keletkezik röntgensugárzás, ha a részecskék energiája 105–109K hőmérsékletnek felel meg. Ilyen óriási sebességek fekete lyukak közvetlen közelében fellépő gravitációs terekben alakulhatnak ki. Valójában ez az a hatás, amelynek révén a fekete lyukakat azonosítják. Amikor egy töltött részecske intenzív mágneses térben spirális pályán mozog, akkor is a röntgentartományban sugároz. Ez a szinkrotron sugárzás például a nagy napkitörések során is bekövetkezik. Az inverz Compton-effektus elektron-foton ütközés során fellépő hatás, amelynek során a foton energiája megnő. Ez az effektus is megnyilvánulhat röntgensugárzásként. A jelenleg fejlesztési fázisban lévő röntgen-holográfia az anyagvizsgálat és anyagminősítés egészen új módszereinek ígéretét hordja.

A fizika kultúrtörténete a kezdetektől a huszadik század végéig

Tartalomjegyzék


Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2020

ISBN: 978 963 454 490 6

A magyar természettudományos könyvkiadás talán legjelentősebb műve most először jelenik meg a legendás szerző által megalkotott teljességében. A 2001-ben elhunyt Simonyi Károly legutoljára egy német kiadás számára dolgozott könyvén, s az ekkor keletkezett szakaszok, amelyek a XX. század utolsó évtizedét is átfogják, csak most jutnak el a hazai olvasókhoz. A fizika kultúrtörténete az emberi gondolkodással egyidős tudományág fejlődését mutatja be a kezdetektől napjainkig. Az izgalmas történetet a fontos mérföldköveket jelentő kísérletek, elméletek és bizonyítások könnyen érthető leírásán túl a fizikával sokszor szorosan összefonódva kibontakozó egyetemes bölcselet és művészet alkotásaiból választott szemelvények illusztrálják. A könyv tanúsága szerint egy-egy jelentős természettudományos felismerés ugyanakkora teljesítmény és a civilizáció ugyanolyan ünnepe, mint a kultúra vagy művészet bármely közismert, nevezetes alkotása. Mindkettő egy tőről, az emberi zsenialitásból fakad. A mű népszerűségét éppen az adja, hogy befogadásához nem kell túlzottan sok fizikai ismeret, így mindenki, aki a kultúra értékei iránt fogékony, értékes olvasmányként forgathatja.

Hivatkozás: https://mersz.hu/simonyi-a-fizika-kulturtortenete//

BibTeXEndNoteMendeleyZotero

Kivonat
fullscreenclose
printsave