Categories
Stiinta YouTube

Incertitudinile mecanicii cuantice explicate [video]


Una dintre diferențele majore dintre mecanica cuantică și cea clasică este aceea că te întâlnești cu o mulțime de incertitudini. Heisenberg este cel ce a formulat principiul incertitudinii care zice că nu poți ști cu exactitate ambele valori a unei perechi de proprietăți.

De exemplu, nu poți ști pozitia exactă a unei particule dacă îi ști impulsul în mod exact și viceversa.

Despre incertitudinile mecanicii cuantice ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

În mecanica clasică tu poți afla o multime de proprietăți ale unui fenomen aplicând calculele pe baza formuleoor ce modelează acele fenomene. De exemplu, putem ști ce viteză, impuls, energie are un vehicul în mișcare.

Nu același lucru putem zice despre particulele subatomice. În cazul mecanicii cuantice aveam de-a face cu calcula probabilistice atunci când vrem să aflăm poziția unei particule. Vom ști aproximativ pe unde se află, dar nu vom ști ce impuls are.

Cu cât știm mai bine poziția, cu ațâț vom ști mai puțin impulsul.

Mecanica cuantică implică folosirea unei matematici destul de complexe, însă poate explica o mulțime de fenomele ce se petrec la nivel subatomic.

De exemplu, acele ecuații ne ajută să înțelegem de ce nu putem ști u exactitate poziția unui electron atunci când trimitem un foton către el. Cu cât energia fotonului va fi mai mare, respectiv vom folosi lungimi de undă mai mici pentru a localiza mai precis electronul în spațiu, cu atât vom vedea că electronul este perturbat mai mult.

Categories
Stiinta YouTube

Cum prezic meteorologii vremea? [video]

Cât de des ai auzit că crește presiunea și că vremea va deveni, astfel, mai prietenoasă? Există o legătura între presiunea atmosferică și vreme astfel că putem afla dacă se schimbă vremea atunci când se schimbă presiunea atmosferică.

Pentru aceasta ne folosim de legea lui Avogadro care spune că numărul de molecule din două volume egale este acelasi la temperatură și presiuni egale. Citește mai multe în articolul dedicat acestui episod de pe Tehnocultura.ro: http://tehnocultura.ro/

Despre prezicerea vremii cu ajutorul legii lui Avogadro ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Folosind legea lui Avogradro vom descoperi că un volum dat de aer este mai greu decât un amestec de aer și apă specific vremii ploioase.

Așadar, dacă presiunea crește și descoperim că avem mai puțină apă în aer, atunci știm că se aproprie vremea bună. Ne folosim de barometru pentru a vedea care este presiunea atomosferică în orice minut.

Filmat și editat de Manuel Cheța, http://tehnocultura.ro

Subscribe in iTunes

———————————————-
Surse:
– legea lui Avogradro – http://en.wikipedia.org/wiki/Avogadro%27s_law
– barometru – http://en.wikipedia.org/wiki/Barometer
– masă molară – http://ro.wikipedia.org/wiki/Mas%C4%83_molar%C4%83

barometru-thumb

Categories
Stiinta YouTube

Care este mărimea electronului? [video]


De câte ori nu te-ai întrebat cât este de mare electronul? Pentru o mulțime de calcule electronul poate fi considerat punctiform, fără dimensiuni.

Totuși, electronul are o dimensiune calculabilă în mai multe moduri.

Despre modurile în care se poate calcula mărimea electronului ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Primul mod de a calcula mărimea electronului, considerând că acesta are formă sferică, este de a folosi calculul clasic al razei electronului. În cadrul acestui calcul luăm în considerare electrotatica, respectiv o anumită caltitate de sarcină electrică poate exista doar într-un spațiu bine definit.

Calculele făcute astfel ne arată că raza electronului este de 2,8 femtometri sau 2,8 * 10^-15 m:
raza-electronului-2-8-femtometri

Mărimea electronului este comparabilă cu cea a nucleului atomic, respectiv nuceul de hidrogen, care are un singur proton are 1,75 femtometri iar cel de uraniu are 15 femtometri.

În consecință aflăm și dimensiunea protonului, care este 1,75 femtometri.

A doua metodă de a afla mărimea electronului este de a o deduce din interacțiunea razelor X și gamma cu electronii, adică din analiza difuziei Compton. Se definește astfel lungimea de undă Compton cu formula:
lungime-de-unda-compton-marimea-electronului

Mărimea electronului este, la fel, comparabilă cu cea a nucleului. CODATA a stabilit mărimea la 2.4263102389(16)×10^−12 m

Subscribe in iTunes

—————-
Surse:
– calculul clasic al razei electronului – http://en.wikipedia.org/wiki/Classical_electron_radius
– mărimea nucleului atomic – http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleus
– difuzie Compton – http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
– lungime de undă Compton – http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_wavelength
– femtometru – http://en.wikipedia.org/wiki/Femtometre
– permitivitatea vidului (interacționează cu câmpul electric) – http://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity

electron-thumb (Medium)

Categories
Stiinta YouTube

Ce este lumina: undă sau particulă? [video]


Așa cum s-a mai scris pe Tehnocultura.ro, lumina este o undă electromagnetică, dar este și particulă. Despre lumină s-au scris multe articole pe acest website și mereu aflăm că ne fașcinează. Interesant de observat este și interacțiunea dintre lumină și electroni.

Despre lumină ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Conf. Dr. Nicolae Crețu ne explică de ce lumina este o undă electromagnetică. Cele cinci elemente principale pentru care considerăm lumina undă sunt notate mai jos iar acestea sunt specifice undelor:
1. interferența
2. polarizarea
3. difracția
4. dispersia
5. difuzia

Unda de lumină are o lungime de undă, o frecveță, o amplitudine, fază. Unda este, de fapt, compusă din două cămpuri, electric și magnetic, care se propagă prin spațiu cu viteza luminii. E = cB este formula ce definește relația dintre cămpul electric și cel magnetic ce intră în componența luminii.

Motivele pentru care considerăm lumina o particulă căreia îi dăm numele de foton sunt notate mai jos:
1. efectul foto-electric
2. efectul Compton
3. dezintegrarea razelor gamma în perechi electron-pozitron în cazul descompunerii radioactive

Primul care a făcut experimente care să demonstreze caracterul ondulatoriu, de undă, al luminii a fost Thomas Young, în 1801.

Efectul Compton, efect prin care se determină caracterul de corpuscul al luminii, a fost explicat de către Arthur Compton în 1923 și explica modul în care razele X, atunci când interacționează cu atomii, sunt difuzate sub un anumit unghi cu schimbare de lungime de undă.

Bonus: despre modul în care doi electroni comunică unul cu altul cu ajutorul luminii.
—————–
Surse:
– experimentul cu interferență al lui Young – http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_interference_experiment
– fotonul – http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
– difuzie Compton – http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
– ce este lumina – http://tehnocultura.ro/2014/03/20/ce-este-lumina/
– adevărul despre lumină și electroni – http://tehnocultura.ro/2013/07/16/adevarul-despre-lumina-si-electroni-stiinta/

thumb-lumina (Medium)

Categories
Stiinta YouTube

Cum funcționează becurile cu incandescență?


Despre lumina din becurile cu incandescență ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională. Becurile incandescente generează lumina datorită efectului Joule, efect prin care electronii în mișcare determină filamentul să emită lumină și căldură (încălzire Joule).

Știm că electronii în mișcare în acel filament generează lumină, dar procesul exact ne scapă multora. Și nu este exact cum ne imaginam.

Atunci când electronii se mișcâ în interiorul filamentului becului aceștia ar trebui să se miște accelerat din cauza câmpului electric generat. Cu toate acestea ei se deplasează cu 10^-1 m/h din cauza frecărilor dintre acești electroni și atomii din filament.

De fapt, deplasarea electronilor în filament este atât de lentă încât nu ai putea să o observi cu ochiul liber. Bill Beaty a calculat, prin 1996, că electronii se deplasează cu aproximativ 0,0023 cm/s. Foarte, foarte încet.

Trebuie menționat faptul că, deși electronii se deplasează foarte încet, energia electrică transmită de aceștia se deplasează cu viteza luminii. Tocmai de aceea vei vedea că becul se aprinde pe loc atunci când apeși pe întrerupător. Ce este acea energie electric? Tocmai unde electromagnetice care sunt dirijate în lungul firului de metal.

În orice caz, chiar și o deplasare atât de lentă dă naștere unor forțe de frecare dintre electroni și atomii din filament suficient de mari încât să genereze câldură și lumină. 90% din energia emisă de un bec incandescent este căldură, nu lumină utilă. Randamentul luminos este <10%. Datorită frecării dintre electroni și atomii din filament energia electronilor este transferată către atomi. Acea energie determină electronii lor de pe stratul superior să urce pe nivele mai înalte de energie. Atomii respectivi se numesc excitați. Cum aceasta nu este starea naturală a acelor atomi, electronii vor coborâ înapoi pe nivelurile de energie fundamentală și vor emite căldură și lumină. Cu alte cuvinte, lumina și căldura dintr-un bec nu șunt generate direct de electronii în mișcare, ci de atomii din filament care revin la starea fundamentală după ce au fost excitați.

Cei de la PBS.org explică fenomenul în termeni de lucru mecanic ce apare datorită frecărilor, lucru mecanic ce generează acea căldură și lumină. De remarcat că același fenomen este valabil și pentru aprinderea chibriturilor, precum zice și domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu. Prin frecare se generează suficient de multă căldură încât să aprindă chibritul.

James Prescott Joule, este cel ce a studiat fenomenul înălzirii cu ajutorul curentului electric prin 1841 cănd a pus un fir de metal în apă și a trecut un curent electric prin acesta. Variind lungimea firului, grosimea și timpul de imersie el a putut stabili că apa se încălzește proporțional cu rezistența firului, cu timpul de folosire și cu intensitatea curentului electric.

incalzire-joule

Desigur, principul este aplicat cu succes la reșourile atât de binecunoscute românilor. Practic, avem reșouri mici în acele becuri incandeșcente și motivul pentru care filamentele nu se topesc este că avem un gaz inert (azot, argon) în interior iar filamentele sunt create din metale cu temperaturi mari de topire, cum este wolframul sau tungstenul.

———————————————-
Surse:
– bec incandescent: http://en.wikipedia.org/wiki/Incandescent_light_bulb
– efect Joule – http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_effect
– incalzire Joule – http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_heating
– PBS – http://www.pbs.org/wgbh/amex/edison/sfeature/acdc_insidebulb.html
– viteza electronilor in filament – http://amasci.com/miscon/speed.html

thumb-bec-incandescent (Large)

Categories
Stiinta YouTube

Există temperaturi absolute negative?


Da si nu. Temperaturile absolute negative sunt o convenție de nume, nu ceva fizic posibil. Conform celei de-a treia legi a termodinamicii este imposibil să obții temperaturi de 0 K sau mai mici decât 0 K. Am scris mai demult despre temperaturile absolute negative, dar trebuie făcută corecția: nu putem gândi temperaturile absolute negative în termeni de “cine cedează și cine primește căldură”.

Despre acest fenomene ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Atunci când avem sisteme în care există temperatură absolută negativă este vorba de inversie de populație, fenomen întâlnit la lasere. Putem zice, astfel, că laserele sunt dispozitive în care mediul activ are temperatură absolută negativă.

Fenomentul respectiv nu înseamnă nimic altceva decât faptul că, într-o anumită substanță, există un număr mai mare de atomi în stare excitată decât atomi în stare fundamentală.

Dacă notăm E1 energia atomilor în stare fundamentală iar E2 energia atomilor excitați, atunci vom avea E2 > E1.

Conform distribuției Boltzmann, stabilită prima oară de Ludwig Boltzmann în 1868, dacă notăm cu N1 numărul de atomi în stare fundamentală și cu N2 numărul de atomi în stare excitată iar N2 > N1, atunci formula de mai jos va duce la rezultate cu T < 0 K: distributie-boltzman-temperaturi-absolute-negative-kkkcf4b
(imagine formulă obținută cu MathURL.com – link direct formulă)
E1,E2 – nivele energie, fundamentală și superioară
N1,N2 – numărul de atomi la nivelele de energie E1,E2
e – 2,71828 numărul lui Euler
k – 1.3806488(13)×10^−23 J/K constanta lui Boltzmann
T – temperatura în grade Kelvin

Atunci când citești despre temperaturi negative sau temperaturi absolute negative afli despre faptul că, în cele mai multe cazuri, este valabil transferul de căldură de la cald la rece, dar nu la inversie de populație.

Deși convenția spune că avem temperaturi absolute negative, temperatura efectivă a acelui sistem poate fi foarte mare.

Imaginea cu inversia de populație a fost obtinută de la Quantum Munich, loc unde găsești și alte tipuri de imagini legate de temperatura absolută negativă.

small-thumb-absolut-negativ

Categories
Stiinta YouTube

De ce este cerul albastru?


Într-un articol mai vechi am aflat că cerul pe Marte este albastru atunci când nu este poluat de praf. Acest lucru m-a determinat să aflu de ce este cerul albastru pe planeta noastră. Cerul este albastru pentru că difuzia Rayleigh a luminii care face ca lumina albastră să fie răspândită peste tot în atmosferă iar culorile roșu și galben ajung la sol.

Cel care ne povestește despre aceste fenomene este nimeni altul decât domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

În momentul în care lumina de la Soare ajunge în atmosfera terestră lumina albastră este reflectată peste tot în atmosferă de către atomii de oxigen și azot. Aceștia sunt mult mai mici ca dimensiune decât lungimea de undă a luminii și de aceea doar lumina albastră, cea cu lungimea de undă cea mai mică, este difuzată în aer.
rayleigh
Lumina galbenă și cea roșie nu sunt difuzate, ele fiind mult mai mari decât lumina albastră și ajung astfel la nivelul solului. Din acest motiv noi vedem Soarele ca fiind galben-portocaliu, deși acesta emite unde electromagnetice în întregul spectru și este, astfel, alb ca și culoare.

SDIM0241b
Atunci când Soarele este la apus noi îl vedem roșu ori galben tot datorită difuziei Rayleigh (se citește “rei-lii”) pentru că, în acest caz, lumina galbenă și roșie este difuzată de particule mult mai mari decât lungimile lor de undă. Este vorba aici de particule de praf din apropierea scoarței terestre.

De la Ask A Mathematician am aflat pentru prima oară că cerul este albastru pe Marte. Vezi în poza de mai jos, făcută de misiunea Viking 1, pe Marte, în august 1976:
marte-cer-albastru-viking-1-aug-1976

În filmul de mai sus se vorbește și de efectul Tyndall, descoperit de John Tyndal în anul 1959. Legea Tyndall ne spune că putem vizualiza traiectul luminii într-o cameră întunecată în care intră lumina printr-un orificiu pulverizând particule fine în aerul din cameră.

Tot astfel vedem razele de lumină ziua, când facem praf prin casă.

Află mai multe despre Univers prin Fizică la Tehnocultura pe YouTube.

Categories
Stiinta YouTube

Poate fi încetinită lumina?


Știm că lumina are o viteză fixă în vid și anume aproximativ 300 000 km/s. Dar lumina poate fi încetinită atunci când se deplasează printr-un mediu transparent. Uimitor este faptul că se poate încetini și până la 17 m/s, așa cum au reușit Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton și Cyrus H. Behroozi în anul 1998.

Ei au reușit încetinirea luminii cu ajutorul unui gaz monoatomic foarte rece, respectiv cu atomi de sodiu. Detaliile despre experiment au fost pulicate în Revista Nature 397 din anul 1999 ( doi:10.1038/17561 ).

Despre încetinirea luminii ne vorbește, în filmul educațional de mai sus, domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computaționala. Acesta îi învață pe studenții la inginerie despre principiile fizice din spatele materiilor pe care aceștia le studiază.

Domnul Crețu ne explică faptul că lumina, odată ce trece printr-un mediu transparent, este încetinită conform formulei:
c’ = c / n, unde
c’ – viteza luminii în mediu transparent
c – viteza luminii în vid, cca. 300 000 km/s
n – indicele de refracție a mediului transparent, 1,3 – 1,4 pentru sticlă

Formula de mai sus este valabilă doar dacă trimitem un singur foton prin mediul transparent. Am obține, astfel, o viteză de 237 000 de km/s.

Dacă trimitem un puls de lumină, adică mai mulți fotoni de același fel grupați la un loc, atunci obținem altă viteză de propagare, viteza numită viteză de grup:
vg = c’ – λ * ( δc’ / δλ )

Notă: pentru a avea acces ușor la caractere grecești vezi pagina de Wikipedia. Sau poți folosi MathURL.com pentru a scrie formule și pentru a le exporta ca imagine.