Fizică modernă

La sfârșitul secolului al XIX-lea, experimentele au arătat că viteza luminii în vid este aceeași pentru toți observatorii: c ≈ 3·10⁸ m/s. Einstein a făcut din această observație un principiu și a construit, în 1905, teoria relativității restrânse, pornind de la două postulate: legile fizicii sunt aceleași în toate sistemele de referință inerțiale, iar viteza luminii în vid este constantă, indiferent de mișcarea sursei sau a observatorului.

Consecințele sunt spectaculoase: dilatarea timpului (un ceas în mișcare „bate” mai încet față de unul în repaus: Δt = Δt0·γ, unde γ = 1/radical(1 − v²/c²) crește cu viteza) și contracția lungimilor (un obiect în mișcare apare mai scurt pe direcția mișcării: l = l0/γ). Aceste efecte devin importante doar la viteze apropiate de c — de aceea nu le observăm în viața de zi cu zi.

Cea mai cunoscută consecință este echivalența masă–energie: E = m·c². O masă mică ascunde o energie uriașă: 1 kg de substanță echivalează cu 9·10¹⁶ J. Această relație explică de unde provine energia eliberată în reacțiile nucleare. Verificări experimentale: miuonii din radiația cosmică ajung la sol doar datorită dilatării timpului, iar GPS-ul trebuie să corecteze efectele relativiste pentru a rămâne precis.

Efectul fotoelectric extern este emisia de electroni dintr-un metal iluminat. Experimentele au arătat fapte inexplicabile prin teoria ondulatorie: emisia apare doar dacă frecvența luminii depășește un prag ν0 (oricât de intensă ar fi lumina sub prag, nu se emit electroni), energia cinetică a electronilor depinde de frecvență, nu de intensitate, iar emisia este practic instantanee.

Einstein a explicat efectul în 1905 (Premiul Nobel 1921): lumina este formată din cuante de energie — fotoni — fiecare cu energia E = h·ν, unde h = 6,626·10⁻³⁴ J·s este constanta lui Planck. Un foton absorbit își cedează întreaga energie unui singur electron: h·ν = Lextr + Ec max — ecuația lui Einstein, unde Lextr este lucrul de extracție, caracteristic metalului.

Fotonul are masă de repaus nulă, se mișcă cu viteza c și are impuls p = h·ν/c = h/λ. Lumina are deci o natură duală: se comportă ca undă (interferență, difracție) și ca particule (efect fotoelectric, efect Compton). De Broglie a extins ideea în 1924: orice particulă are o undă asociată, cu λ = h/p — dualismul undă–corpuscul, confirmat de difracția electronilor și aflat la baza microscopului electronic.

Experimentul lui Rutherford (1911), cu particule alfa împrăștiate pe o foiță de aur, a arătat că atomul are un nucleu mic, dens și pozitiv, în jurul căruia se mișcă electronii. Dar modelul planetar avea o problemă: conform electrodinamicii clasice, electronul în mișcare circulară ar radia energie și ar cădea pe nucleu.

Bohr (1913) a rezolvat problema prin două postulate: (1) electronul se mișcă doar pe anumite orbite permise — stări staționare — pe care nu radiază energie; (2) atomul emite sau absoarbe energie doar la trecerea electronului între două stări staționare, sub forma unui foton cu energia h·ν = E2 − E1.

Pentru atomul de hidrogen, energiile stărilor sunt En = −13,6/n² eV, unde n = 1, 2, 3, ... este numărul cuantic principal. Starea cu n = 1 este starea fundamentală; energia de ionizare a hidrogenului este 13,6 eV. Modelul explică spectrele de linii: fiecare element emite și absoarbe doar anumite lungimi de undă — „amprenta” sa spectrală, folosită la identificarea elementelor din stele. Modelul Bohr a fost ulterior înlocuit de mecanica cuantică, în care orbitele devin orbitali — distribuții de probabilitate.

Nucleul atomic este format din nucleoni: protoni (sarcină pozitivă) și neutroni (fără sarcină). Numărul atomic Z = numărul de protoni; numărul de masă A = numărul total de nucleoni; numărul de neutroni N = A − Z. Izotopii sunt nuclee cu același Z, dar A diferit (de exemplu carbon-12 și carbon-14). Masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor — defectul de masă Δm corespunde energiei de legătură: Elegătură = Δm·c².

Radioactivitatea este transformarea spontană a nucleelor instabile, cu emisie de radiații: alfa (nuclee de heliu, oprite de o foaie de hârtie; Z scade cu 2, A cu 4), beta (electroni rapizi, opriți de o folie de aluminiu; un neutron se transformă în proton) și gamma (fotoni de energie mare, foarte penetranți, atenuați de plumb sau beton).

Legea dezintegrării radioactive: numărul de nuclee rămase scade exponențial în timp. Timpul de înjumătățire T1/2 este intervalul după care jumătate din nucleele inițiale s-au dezintegrat: după n perioade rămâne N = N0/2ⁿ. T1/2 variază enorm: de la fracțiuni de secundă la miliarde de ani. Aplicații: datarea cu carbon-14 (T1/2 = 5730 de ani) a vestigiilor arheologice, trasori radioactivi în medicină, radioterapia.

Fisiunea nucleară este spargerea unui nucleu greu (uraniu-235, plutoniu-239) în două nuclee mai ușoare, sub acțiunea unui neutron, cu eliberarea a 2–3 neutroni noi și a unei energii de circa 200 MeV pe nucleu — de milioane de ori mai mult decât într-o reacție chimică. Neutronii eliberați pot produce noi fisiuni: reacția în lanț. Controlată (cu bare de control care absorb neutronii), reacția alimentează reactoarele nucleare — ca cele de la Cernavodă; necontrolată, stă la baza bombei atomice.

Fuziunea nucleară este unirea a două nuclee ușoare (izotopi ai hidrogenului: deuteriu și tritiu) într-un nucleu mai greu, cu eliberare de energie și mai mare pe unitatea de masă decât la fisiune. Fuziunea cere temperaturi de milioane de grade pentru a învinge respingerea electrostatică dintre nuclee — de aceea se mai numește reacție termonucleară.

Fuziunea este sursa de energie a Soarelui și a stelelor: în fiecare secundă, Soarele transformă milioane de tone de hidrogen în heliu. Pe Pământ, cercetătorii încearcă să o controleze în reactoare experimentale (tokamak, proiectul ITER) — o promisiune de energie curată și practic nelimitată, cu combustibil abundent și fără deșeuri radioactive cu viață lungă.

Materia obișnuită este alcătuită din atomi, dar protonii și neutronii nu sunt elementari: ei sunt formați din quarcuri (protonul = uud, neutronul = udd). Particulele cu adevărat elementare, conform Modelului Standard, se împart în quarcuri (6 tipuri) și leptoni (6 tipuri, printre care electronul și neutrinii), plus particulele purtătoare de interacțiuni.

Interacțiunile fundamentale sunt patru: gravitațională (acționează între toate masele), electromagnetică (purtată de fotoni), nucleară tare (leagă quarcurile și nucleonii — purtată de gluoni) și nucleară slabă (responsabilă de dezintegrarea beta). Bosonul Higgs, descoperit la CERN în 2012, explică de ce particulele elementare au masă.

Fiecare particulă are o antiparticulă, cu aceeași masă dar sarcină opusă: antiparticula electronului este pozitronul. La întâlnirea particulei cu antiparticula are loc anihilarea, cu transformarea întregii mase în energie (fotoni) — fenomen folosit în medicină la tomografia PET (tomografia cu emisie de pozitroni). Marile acceleratoare, precum LHC de la CERN, recreează condițiile din primele momente ale Universului pentru a studia aceste particule.