Promieniotwórczość dawniej zwana była radioaktywnością. Promieniotwórczość odkryła Maria Skłodowska-Curie. Promieniotwórczość jest zjawiskiem samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków promieniotwórczych z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma. Rozpad jąder takich pierwiastków następuje na w sutek nadmiaru neutronów znajdujących się w ich jądrach, skutkiem czego wydzielana jest energia oraz promieniowanie. Na takie przemiany nie mają oczywiście wpływu czynniki zewnętrzne, które wydawałyby się główną przyczyną tak drastycznych zamian zachodzących w jądrach pierwiastków.
Promieniotwórczość została wykorzystana w reaktorze jądrowym i elektrowniach jądrowych. Niezwykle ważna jest tutaj metoda działania, która sprawia, że mamy możliwość wytwarzania energii. Rozpadom cząstek towarzyszy wydzielanie się niesamowitych ilości energii, którą wyłapuje się i zamienia na prąd elektryczny w elektrowniach jądrowych. Ważnym pierwiastkiem jest uran. Jednak istnieją dwa jego izotopy. Tylko uran 235 nadaje się do użytku w reaktorach jądrowych. To tam dokonuje się badań poprzez kontrolowane rozpady cząstek pierwiastka.
Ludzie bardzo zrazili się do energetyki jądrowej poprzez zastosowanie rozpadów pierwiastków promieniotwórczych do wykonania bomby atomowej. Również bardzo ważną przyczyną niechęci odczuwanej do tego rodzaju energii jest z powodu awarii elektrowni jądrowej w Czarnobylu. W skutek wybuch ucierpiało wielu ludzi każdy patrzy obecnie przez pryzmat tego zdarzenia. Jednak energetyka jądrowa i promieniotwórczość to niezwykle ważne odkrycia, które nie obeszły się bez echa i znalazły sobie bardzo ważne miejsce we współczesnej nauce i technologiach.
Trochę o promieniotwórczości
Promieniowanie
Promieniowanie jest bardzo złożonym procesem i nie tak jak dawniej nie używa się go jedynie w odniesieniu do promieniowania słonecznego. Promieniowanie dzisiaj dzielimy na promieniowanie elektromagnetyczne, czyli: radiowe, mikrofalowe, podczerwone, świetlne, ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma. Promieniowanie korpuskularne: beta i alfa oraz promieniowanie mieszane, którego definicja nie ogranicza jednego falowego, czy korpuskularnego typu. Tutaj zaliczamy między innymi promieniowanie jonizujące i kosmiczne, które pełnią niesamowitą rolę w życiu każdego człowieka. Każde z nich można obecnie dokładnie opisać. Również ich zastosowanie jest bardzo ważne.
Promieniowanie elektromagnetyczne, to nic innego jak rozchodzące się w ośrodku zaburzenia pola elektromagnetycznego. Są to fale poprzeczne o różnej długości, częstotliwości i właściwościach. W życiu krąży wiele mitów, które można obalić wykorzystując liczne prace naukowe wiele jest opracowań opisujących fale. Fale radiowe wykorzystywane są właśnie w radiofonii i telewizji, to one umożliwiają przekazy informacji na dalekie odległości. Są to najdłuższe z fal elektromagnetycznych. Mikrofale oczywiście największe zastosowanie znalazły w mikrofalówkach i wbrew wielu przesądom nie są szkodliwe dla człowieka, ale niezwykle ułatwiają życie. To ultrafiolet jest groźny dla człowieka, to on wywołuje oparzenia słoneczne. Największe zastosowanie znalazł w solariach. Niewielu ludzi jednak zdaje sobie sprawę, ze dzieli się on na bezpieczny i zdrowy ultrafiolet, oraz ten niesamowicie niebezpieczny wywołujący raka skóry. Lampy wykorzystywane w solariach, jeśli używają właśnie zdrowego ultrafioletu nie opalają szybko i efekty nie są wielkie. Promieniowanie X i gamma mają wielkie zastosowanie zwłaszcza w medycynie i to one umożliwiły jej niesamowity rozwój.
Polaryzacja
Polaryzacja jest pojęciem, które nie odnosi się wy łącznie do jednego zjawiska. Najbardziej zrozumiała dla ogółu ludzi jest polaryzacja elektrostatyczna, czyli rozdzielanie bądź względne przesuwanie ładunków o tych samych znakach. Często polaryzacja zwana jest influencją elektrostatyczną. W fizyce zjawisko polaryzacji znajduje szerokie zastosowanie. W wyniku zbliżania do ciała naelektryzowanego obiektu zaczyna się ono elektryzować.
Polaryzacja przebiega w różny sposób. Wszystko zależy od elektryzowanego ciała. W przewodnikach zbliżenie ciała naelektryzowanego jest wprowadzaniem ciała do pola elektrycznego. Ładunki wprowadzone do tego pola swobodnie przesuwają się tak, aby wewnątrz przewodnika nie było pola elektrycznego. W ten sposób przewodnik jest elektrycznie obojętny w całości, jednak jego części uzyskują ładunek indukowany. Takie przesunięte ładunki nie pozostają obojętne dla otoczenia, powodując powstanie pola elektrycznego wokół przewodnika. Po odsunięciu ładunku indukującego bez zmiany w układzie ładunków w przewodniku powraca on do poprzedniego stanu. Ciało trwale naelektryzowane możemy uzyskać, jeśli części przewodnika zostaną rozdzielone elektrycznie na elementy o różnym stanie naelektryzowania.
Dialektyki zachowują się inaczej. W nich następuje jedynie nieznaczne przesunięcie ładunków, skutkiem czego następuje polaryzacja dialektyka. Po odsunięciu dialektyka z pola elektrycznego następuje całkowity powrót ciała do stanu wyjściowego. Tylko w ferroelektrykach dzieje się inaczej, gdzie nieznaczna cześć, zwana polaryzacją resztkową pozostaje. Piroelektryki zachowują natomiast na stałe stan naelektryzowania.
Grawitacja
Grawitacja, czyli siła powszechnego ciążenia jest to siła z jaką ciało, a tym wypadku planeta przyciąga do siebie ciało o masie jednego kilograma. Jest to jedno z czterech podstawowych oddziaływań opisujących zjawiska fizyczne. Oddziaływanie grawitacyjne jest uzależnione od masy i odległości między ciałami. Im większa odległość tym mniejsze oddziaływanie grawitacyjne. Grawitacja jest oddziaływaniem dużo mniejszym niż oddziaływanie elektromagnetyczne. Jednak tylko ciążenie może wpływać na ciała daleko od siebie oddalone.
Już w starożytności zaobserwowano, ze przedmioty samoistnie spadają i poruszają się z jakimś przyspieszeniem . Przedmioty w powietrzu spadają jednak zależnie od swojej masy i wielkości, jednak jeśliby pominąć opory powietrza, to ciała spadałyby z takim samym przyspieszeniem niezależnie od swojej wielkości i masy oraz kształtów. Jednak starożytni w żaden sposób nie kojarzyli spadania ciał z ruchami planet. Były to dla mich zupełnie odmienne dziedziny niczym ze sobą nie połączone. Wtedy uważano, ze Ziemia i niebo rządzą się zupełnie innymi prawami, a geocentryczny model opisujący zasady oddziaływania ciał astralnych nie pozawalał na zaobserwowanie jakichkolwiek analogii. W ten sposób dopiero kiedy Kopernik obalił starożytny mit zauważono, że Ziemią i Niebem rządzą te same prawa. W XVII wieku Galileusz obalił starożytne mity dotyczące spadania ciał, gdyż zauważył że różne spadanie ciał zależne jest od oporu albo wypierania. Dopiero Izaak Newton przedstawił spójna teorię grawitacji, która obowiązuje do dzisiaj.
Energia słoneczna
Słońce jest największym źródłem energii, która dociera do Ziemi. Promieniowanie słoneczne jest bardzo zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 5700 K. Cześć energii słonecznej jest odbijana, bądź pochłaniana przez atmosferę ziemską, jednak znaczna jej ilość dociera do powierzchni nagrzewając ją. Oczywiście i ilość docierających promieni słonecznych zależy od kątów, pod jakimi one padają na powierzchnię, czyli od szerokości geograficznej.
Człowiek tę największą energię docierającą do ziemi stara się wykorzystać poprzez elektrownie słoneczne. Jednak nie jest to takie proste, bo wielkim utrudnieniem są warunki atmosferyczne. Promienie słoneczne muszą docierać bezpośrednio do miejsc, gdzie chcemy pobierać tę energię, więc zachmurzenie nie może tam występować, bo zatrzymuje ono znaczną część promieniowania. Elektrownie słoneczne mogą się opierać jednak na różnych procesach konwekcji energii. Ogniwa słoneczne są pojedynczymi elementami półprzewodnikowymi, które mają za zadanie absorpcję promieni świetlnych i zamianę ich na energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Fotoogniwa tworzone są z materiałów półprzewodnikowych. Najczęstszym materiałem wykorzystywanym do ich budowy jest krzem, german, albo selen. Poprzez połączenie szeregowe takich ogniw można otrzymać baterie słoneczne, które w zależności od swojego położenia i budowy pobierają odpowiednie ilości energii.
Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe i niezawodne źródła energii elektrycznej, kalkulatorach, zegarkach, sztucznych satelitach oraz czasami w samochodach z napędem hybrydowym.
Budowa atomu
Budowa atomu była dla naukowców niezwykłą zagadką. Na pomysł istnienia atomów wpadł jednak już grecki filozof już około 400 lat przed nasza erą. To on wprowadził pojęcie atomu. Uważał, ze świat jest zbudowany z kombinacji próżni i niewielkich cząsteczek bardzo różnej budowy i kształtów. Już w XVIII i XIX wieku odkryto nowe pierwiastki i stworzono teorię atomistyczną, która dała początek nowych odkryć. Wtedy model atomu stanowił jeszcze sztywną i niepodzielną kulkę, a całe substancje składały się ze zbioru takich kulek. Według ówczesnych naukowców atomy podczas reakcji chemicznych zachowywały swoje właściwości i jedynie się ze sobą łączyły w sposób podzielny. Dla każdego z pierwiastków, atomy miały się nie różnić. Jedyne co przemawiało za bardziej skomplikowaną budową atomów były pojawiające się podczas reakcji ładunki dodatnie i ujemne, burzące całą teorię. W XIX wieku zostało jednak potwierdzone istnienie pojedynczego ładunku ujemnego, czyli elektronu. W efekcie zmodyfikowano budowę atomu, która dość dobrze tłumaczyła ówczesne obserwacje zarówno poszczególnych pierwiastków, jak i ich reakcji. Na początku XX wieku odkryto jądrowy model atomu, gdzie większość masy i ładunek dodatni skupione są na małej powierzchni, czyli w jądrze atomu, a elektrony krążą w jakiejś odległości od tego skupiska. Jednak ten model nie wyjaśniał, dlaczego elektrony nie zostają przyciągnięte przez jądro Inie wytracają prędkości, skoro posiadają przeciwne kierunki do cząstek budujących jądro. Niedługo później odkryto istnienie neutronów, które obok protonów stanowią podstawowy element budowy jądra atomowego.
Pryzmat
Pryzmat jest bryłą zrobioną z materiału przeźroczystego. Posiada co najmniej dwie płaskie ściany nachylone do siebie pod odpowiednim kątem, który jest tzw. kątem łamiącym. Pryzmat jest najczęściej używany w optyce do zmiany kierunku biegu fal świetlnych. Zmiana kierunku fal zależy od ich długości, zatem pryzmat wykorzystywany jest również do analizy widmowej świata.
Pryzmat może być elementem idealnie odbijającym światło, gdyż posiada możliwość całkowitego wewnętrznego odbicia fali świetlnej. Bardzo szerokie zastosowanie pryzmat znalazł sobie w produkcji lornetek oraz peryskopów i innych przyrządów optycznych.
Pryzmat Nicola jest jednym z rodzajów pryzmatów. Służy on do wyeliminowania jednego z dwóch promieni spolaryzowanych w skutek podwójnego załamania. Pryzmat ten jest rodzajem polaryzatora, którego oś optyczna jest równoległa do powierzchni, na którą pada promień. Tak więc promień świetlny wchodząc do pryzmatu zostaje rozszczepiony na dwa promienie spolaryzowane rozchodzące się we wzajemnie prostopadłych kierunkach.
Ważny jest również pryzmat pentagonalny. Jest to pięciokątny pryzmat. Wpadając do niego światło odbija się od ścian bocznych pod kątem czterdziestu pięciu stopni dzięki całkowitemu odbiciu wewnętrznemu. Obraz jest prosty, gdyż powierzchnie odbijające stanowią układ zwierciadeł płaskich. Pryzmat ten jest wykorzystany w przyrządach optycznych, takich jak lustrzanki jednoobiektywowe.
Pryzmaty są bardzo ważne między innymi w fotografii, budowie teleskopów, lornetek i innych przyrządów optycznych, które opierają się na zjawiskach załamania fal świetlnych.
Światłowody
Światłowody są niczym innym jak właśnie włóknami szklanymi. Czasami są one zrobione z tworzyw sztucznych, jednak takich światłowodów nie wykorzystuje się w telekomunikacji. Dzięki całkowitemu odbiciu odbywa się propagacja światła, która stała się czynnikiem sprawiającym, że światłowody odgrywają niesamowicie ważną rolę w telekomunikacji.
Światłowody przeprowadzają fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Dlatego można określić światłowody, jako falowody optyczne. Najpopularniejsze są światłowody włókniste, ale istnieją również światłowody paskowe i warstwowe. Światłowody najczęściej wykorzystuje się do tworzenia elementów urządzeń optoelektronicznych, składników optycznych układów zintegrowanych Bądź do transmisji sygnałów na duże odległości. Wykorzystuje się je również do celów oświetleniowych.
Światłowody warstwowe – te najprostsze, składają się z trzech materiałów o różnych współczynnikach załamania. Światło zostaje jednak uwięzione w środkowej warstwie, gdzie ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu fali świetlnej od powierzchni granicznych. W płaszczyźnie warstwy fala może się jednak rozchodzić w nieskończoność, gdyż światłowody warstwowe ograniczają światło tylko w jednym kierunku. Bardzo ważne w dzisiejszej technice są światłowody paskowe, które wykorzystywane są w układach fotoniki zintegrowanej i w laserach półprzewodnikowych. W nich propagacja wiązki światła zostaje ograniczona w obydwu kierunkach.
Światłowody znalazły sobie szerokie zastosowanie nie tylko w telekomunikacji, ale także w medycynie, gdzie potrzebne są przyrządy do badania niedostępnych dla oka z pozoru miejsc.
Termodynamika
Termodynamika jest bardzo ważnym działem fizyki, który zajmuje się badaniem przemian fizycznych oraz chemicznych, a zwłaszcza ich energetycznych efektów wpływających na zmiany energii wewnętrznych określonych układów. Oczywiście termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi. Termodynamika zajmuje się bardzo ważnymi efektami energetycznymi różnych reakcji chemicznych oraz przemianami jądrowymi, energią elektryczną. Przemiany jonów i przemiany fazowe są również bardzo ważne.
Równanie Clapeyrona jest niewątpliwie najważniejszym z pojęć termodynamiki. To na nim opiera się cała nauka o energii wydzielonej przez przemiany różnych substancji i układów. Jest to równanie stanu gazu doskonałego. Opisuje ono związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego. Można powiedzieć również, że w sposób przybliżony opisuje rzeczywiste gazy. Równani to zostało wyprowadzone na podstawie założeń, które praktycznie nigdy nie są spełnione. Jednak doskonale opisuje ono zachowanie się i właściwości gazów. Bardzo ważne do powstania tego równania były założenia. Pierwszym z nich było powszechne stwierdzenie, ze gaz składa się z poruszających się cząstek, drugim, iż cząsteczki zderzają się zarówno ze sobą, jak i ze ściankami naczynia w którym się znajdują. Kolejnym było założenie, że w gazie cząsteczki nie oddziałują ze sobą z wyjątkiem sytuacji, kiedy się ze sobą zderzają. Następnym, że rozmiary cząstek są pomijalne, a ich zderzenia są doskonale sprężyste.
Termodynamika jest bardzo ważnym działem, który zajmuje szczególne miejsce w fizyce. Wyróżnia się również wiele rodzajów termodynamiki, takich jak: termodynamika klasyczna, kwantowa, statystyczna, techniczna, chemiczna oraz procesów nierównowagowych.
Akustyka
Akustyka jest bardzo ważnym działem fizycznym, który obejmuje wszelkie zjawiska związane z powstawaniem i oddziaływaniem fal akustycznych. Akustyka zajmuje się przede wszystkim praktycznym zastosowaniem zjawisk akustycznych. Akustyka bada zarówno teoretycznie jak i praktycznie zjawiska dźwiękowe, ultradźwiękowe i infradźwiękowe.
Akustyka ogólna jest podstawowym działem, który bada zjawiska charakterystyczne dla wszelkiego rodzaju fal. Bardzo ważne w akustyce są zjawiska dyfrakcji fal, załamania ich oraz interferencji. Akustyka stosowana obejmuje elektroakustykę, czyli otrzymywanie energii drgań akustycznych z energii elektrycznej i odwrotnie, akustykę stosowaną, czyli architektoniczną i akustykę urbanistyczną. Do akustyki stosowanej można jeszcze zaliczyć akustykę muzyczną (analizę dźwięków w muzyce) oraz akustykę fizjologiczną i psychologiczną, czyli dobrą słyszalność i zrozumiałość mowy, ogólne działanie organu słuchu i narządu głosu, wpływ hałasu i wibracji na organizm ludzki. Akustyka morza jest również zaliczana do akustyki stosowanej, tak samo, akustyka przemysłowa oraz geoakustyka zajmująca się rozchodzeniem się dźwięków w skorupie ziemskiej, hydrosferze i atmosferze. Jak widać pojęcie akustyki jest szeroko rozumiane i obejmuje wszelkie zjawiska, które można zarejestrować zarówno na ziemi, jak i w kosmosie.
Jest to najstarsza dziedzina fizyki, a pierwsze wiadomości o niej pojawiły się już w 3000 lat przed naszą erą. Wzmianki podane zostały rzez chińskich uczonych. Starożytni Grecy stworzyli systemy dźwiękowe. Jednak dopiero akustyce współczesnej można przypisać podstawy akustycznych zjawisk.