Fisika Kuantikoa, Nuklearra eta Grabitazioa: Gida Osoa

Fisika Kuantikoa

Efektu fotoelektrikoa

Orokorrean, argi ultramorea behar izaten da fotoelektroien emisioa eragiteko, baina metal alkalino batzuekin, nahikoa da argi ikusgaia.

Fisika klasikoak azaldu ezin dituen fenomenoak

• Atari-maiztasun bat dago efektu fotoelektrikorako.
• Gelditze-potentziala erabilitako argiaren maiztasunaren araberakoa baino ez da.

Einsteinen efektu fotoelektrikoaren teoria

Erradiazio fotoi bakoitzak energia du atari-maiztasunarekin, E = h · f. Hori da elektroi bat metalezko elektrodotik erauzi ahal izateko behar den energia: energia minimo beharrezkoa. Energia kantitate horri lan-funtzioa edo erauzketa-lana (W_l) esaten zaio: W_l = h · f₀.

Fotoiaren kontzeptua

Fotoi bakoitzaren energia osoa edo zati bat erauzketa-lanean eta energia zinetikoan banatzen da; hau da, elektroia erauztean eta abiadura ematean.

Fisika Nuklearra

Erradioaktibitate naturala

Erradioaktibitatea berez gertatzen da naturan aurki daitezkeen elementuetan; erradioaktibitate mota horri naturala deritzo. Zenbaki atomiko oso altua (Z > 83) duten elementuetan bakarrik ematen da.

• Alfa igorpena (α): Helio-4 nukleoak dira, karga positibodunak. Barneratze-ahalmen txikia du. Masa handia duenez, zeharkatzen duen materia ionizatzeko ahalmen handia du.
• Beta igorpena (β): Elektroiak dira, karga negatibodunak. Barneratze-ahalmen handia dauka. Alfaren masa baino txikiagoa denez, ez dira hain ionizatzaileak.
• Gamma igorpena (γ): Erradiazio elektromagnetikoa da. Barneratze-ahalmen handia dute. Masarik gabekoak direnez, ionizazio-ahalmen txikia dute.

Prozesu erradioaktiboen abiadura

Semi-desintegrazio periodoa: Lagin batean dauden nukleoen kopurua erdira murrizteko igaro behar den denbora-konstantea da.

Soddy eta Fajansen legeak

Alfa desintegrazioa

Beta desintegrazioa

Fisio nuklearra

Fisio nuklearra nukleo astun bat zatitu eta tamaina aldakorra duten beste nukleo arinago batzuk lortzeko prozesua da. Ekuazio honekin adierazten da:

Fisioaren produktuen artean hiru neutroi daudenez, uranio nukleo berriek neutroi horiek xurga ditzakete eta kate-erreakzio nuklear bat eragin dezakete. Prozesu horretan energia kantitate izugarria sortzen da. Kontrolatzen ez bada, leherketa nuklear bat egongo da (bonba atomikoa), baina kontrolatzen bada, erreaktore nuklear batean erabil daiteke elektrizitatea sortzeko.

Masa-galera eta Einsteinen ekuazioa

Einsteinen ekuazio erlatibistak masa eta energia lotzeko modua ematen digu. Beraz, nukleoi batzuetatik abiatu eta nukleo bat eratzean askatzen den energia itzela prozesu horren masa-galeratik dator.

Fusio nuklearra

Fusio nuklearra zenbaki masiko baxua duten bi nukleo elkarrekin batu (fusionatu) eta nukleoi bakoitzeko lotura-energia handiagoa duen nukleo astunago bat eratzea da.

Fusio kontrolatuko prozesuek sortzen dutena baino energia gehiago kontsumitzen dute gaur egun. Beraz, oraindik ezin dugu eraiki fusiozko zentral nuklearrik, nahiz eta garbiak, hondakinik gabekoak eta erregai ugarikoak izango liratekeen. Kontrolatu gabea izango balitz, hidrogeno-bonba sortuko litzateke.

Masa-galera eta Einsteinen ekuazioa

Einsteinen ekuazio erlatibistak masa eta energia lotzeko modua ematen digu. Nukleoi batzuetatik abiatu eta nukleo bat eratzean askatzen den energia itzela prozesu horren masa-galeratik dator.

Newtonen Grabitazio Unibertsalaren Legea

Legearen enuntziatua eta ezaugarriak

Unibertsoko gorputz guztiek elkar erakartzen dute. Indar grabitatorioen ezaugarriak honako hauek dira:

• Distantzia: Distantzia handitu ahala, grabitazio-eremua txikitu egiten da (alderantzizko proportzionala).
• Masa: Masa handitu ahala, grabitazio-eremua handitu egiten da (proportzionala).
• Urrutiko indarra: Ez dira kontaktuan egon behar eragina sentitzeko. Masak handiak badira, erakarpena handia da.

Adierazpen bektoriala

• Norabidea: Bi masen zentroak lotzen dituen marra da.
• Noranzkoa: Beste masarantz orientatuta dago.
• G: Grabitazioaren konstante unibertsala da (6,674 · 10^-11 N · m² · kg⁻²).

Akzio-erreakzio printzipioa

Masa batek beste bati indarra eragitean, bigarrenak lehenengoari indar berdina eragiten dio, baina aurkako noranzkoan.

• Bi indarrak gorputz desberdinetan aplikatzen dira.
• Modulua eta norabidea berdinak dira.
• Noranzkoak aurkakoak dira. Gorputz bat oso handia bada, txikienak handienari eragindako indarra baztergarria izan daiteke.

Indar-lerroak eta gainazal ekipotentzialak

Eremu-lerroak

g = G · M / r² (m/s²). Masa puntual batek sortutako eremu grabitatorioa adierazten du.

Gainazal ekipotentzialak

V_g = -G · M / r. Balio bereko V_g duten puntuak biltzean, gainazal ekipotentziala lortzen dugu.

• Masa bat gainazal honetako puntu batetik bestera eramatean, eremuak egindako lana nulua da (W = 0).
• Gainazal ekipotentzialak eremu-lerroekiko perpendikularrak dira.

Bi masa puntual berdinez osaturiko sistemak sorturiko eremu grabitatorioa:

Indar kontserbakorrak eta ez-kontserbakorrak

Lana hasierako eta amaierako puntuen menpe bakarrik badago, indarra kontserbakorra da.

• Eremuak egindako lana: W_c = E_m1 – E_m2
• Kanpoko indarrak egindako lana: W_nc = E_m2 – E_m1
• Puntu berdinean hasi eta amaitzen bada, lana 0 da.
• Lana ibilbidearen araberakoa bada, indarra ez-kontserbakorra da (adibidez, marruskadura-indarra).

Energia potentziala eta potentzial grabitatorioa

Bi masa puntualen arteko energia potentziala kalkulatzeko, M₁ finko dagoela suposatuko dugu. Infinituan (r oso handia denean), E_p = 0 da.

• Energia potentziala beti da negatiboa (infinituan izan ezik).
• Sistemak bi masa baino gehiago baditu, bikote guztien energiak batu behar dira.
• Potentzial grabitatorioa (V): Masa unitateko energia potentziala da (J/kg).

Energia mekanikoaren kontserbazioa

Energia mekanikoa energia zinetikoaren eta potentzialaren batura da: E_m = E_c + E_p. Sistema isolatu batean, kanpoko indarrik ez badago, energia mekanikoa kontserbatu egiten da.

Keplerren Legeak

Keplerren lehenengo legea (orbiten legea)

Planetak Eguzkiaren inguruan biraka ari dira orbita eliptikoak deskribatuz, eta Eguzkia elipsearen fokuetako batean kokatuta dago.

Keplerren bigarren legea (azaleren legea)

• Planeta batek Eguzkiarekin lotzen duen lerro zuzenak azalera berdinak ekortzen ditu denbora-tarte berdinetan.
• Planeta Eguzkitik urruti dagoenean (afelioa) abiadura motelagoa da, eta hurbil dagoenean (perihelioa) bizkorragoa.

Keplerren hirugarren legea (lege harmonikoa)

Planeta bakoitzak orbita osatzeko behar duen periodoaren karratua (T²) orbitako ardatzerdi handiaren (a) kuboarekiko proportzionala da. Orbita zirkularra dela suposatuz, lege hau erraz kalkula daiteke.