Säteily maailmankaikkeudessa

Säteily voidaan jakaa sähkömagneettiseen säteilyyn ja hiukkassäteilyyn, toisaalta myös ionisoivaan ja ionisoimattomaan säteilyyn

Sähkömagneettinen säteily

• aaltoliikettä, joka koostuu sähkjö- ja magneettikentässä etenevistä värähtelyistä

Hiukkassäteily

• vapautuu radioaktiivisten atomien ytimistä
• alfa-, beeta- ja neutronisäteilyä

Ionisoiva säteily

• voi olla lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyö
• pystyy irrottamaan atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä, joka tarkoittaa solussa sitä, että rakennemuutoksia tapahtuu ja solujen kuolemia

Ionisoimaton säteily

• sähkömagneettisen säteilybn aallonpituudeltaan pisimpiä lajeja ultraviolettisäteilystä alkaen
• ei pysty ionisoimaan ainetta

Taustasäteily

• luonnosta peräisin olevaa ionisoivaa säteilyä
• koostuu mm. kosmisesta säteilystä, maaperän ja kehon radioaktiivisten aineiden säteilystä

Gammasäteily

• syntyy avaruuden kaukaisissa räjähdyksissä, joka ei pääse ilmakehän läpi
• syntyy myös atomin ytimissä radioaktiivisten hajoamisten yhteydessä
• sähkömagneettista ja lyhytaaltoista 
• kaikkialla luonnossa

Röntgensäteily

• tätä säteilevät mm. mustat aukot, neutronitähdet, valkoiset kääpiot ja galakseissa räjähtävät tähdet ja myös atomin elektroniverhossa syntyy tätä

Ultraviolettisäteily

• tätä säteilee kaikki hyvin kuumat nuoret tähdet
• käytetään mm setelien aitouden tutkimisessa

Infrapunasäteily

• avaruudessa viileät kohteet kuten kaasu- ja pölypilvet sekä massaltaan pienet tähdet

Mikroaaltosäteily

• peräisin 380 000 vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta
• vesimolekyylit värähtelevät niiden ominaistaajuudella ja tämä saa esim. ruoan lämpenemään mikroaaltouunissa

Näkyvä valo

• Auringon kaltaiset tähdet sekä useat galaksit

Radioaallot

• tähtien väliset kaasupilvet, neutronitähdet ja kaukaiset kvasaarit
• käytetään viestinnässä; radiot, tutkat, wlan ja matkapuhelimet toimivat radioaaltojen taajuuksilla

Mikrokosmos

Atomi ja sen ydin

• atomin muodostavat ydin ja sitä kiertävät elektronit
• atomin pitää koossa ytimen ja elektronien välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus
• ydin koostuu protoneista  (positiivinen sähkövaraus) ja neutroneista (sähköisesti neutraali) = yhteisnimitys nukleoineita, joita pitää koossa nukleonien välinen ydinvoima

Perushiukkaset

• aineen pienimpiä rakenneosia ovat kvarkit ja leptonit
• jokaista perushiukkasta vastaa antihiukkanen, jonka massa on sama kuin hiukkasen massa, mutta sen sähkövaraus ja muut ominaisuudet ovat päinvastaiset kuin hiukkasen ominaisuudet

Makrokosmos

Aurinkokunta

• 1 AU = 149,6 miljoonaa kilometriä
• syntyi noin viisi miljardia vuotta sitten tiivistymällä tähtienvälisestä kaasusta ja pölystä, joka muodosti pyörivän kiekon.
• keskus on Aurinko (99 % aurinkokunnan massasta ja tyypillinen Linnunradan keskustähti), jonka keskuksessa kuumenemisen ja vety-ytimien liikkeen voimistumisen ja yhteenliittymisen seurauksen muodostuu heliumia ja vapautuu energiaa sähkömagneettisena säteilynä
• planeetat kuineen syntyivät gravitaation vaikutuksesta keskustan ulkopuolella olleesta pyörivästä kaasusta ja pölystäj ja ne kiertävät aurinkoa (samalla planeetat ja kuut pyörivät myös oman akselinsa ympäri)
• kahdeksan planeettaa ja kymmenittäin kuita
• planeetat ja kuut eivät itse tuota valoa vaan heijastavat Auringon valoa
• Maan läpimitta on 12760 km ja sitä kiertää Kuu (27 % maan läpimitasta) ja etäisyys maasta on 384400 km. Syntyneet 4,5 miljardia vuotta sitten
• kierteisgalaksi eli sauvaspiraaligalaksi
• 
  

Galaksit

• Linnunrata on yksi miljardeista galakseista
• ellipsin muotoisia, epäsäännöllisiä, kiekkomaisia tai kierteisiä

Galaksijoukot

• Linnunrata ja sen lähettyvillä olevat noin 30-50 galaksia muodostavat Paikallisen galaksijoukon
• suurimmat galaksit ovat Andromedan galaksi, Linnunrata ja Kolmion galaksi
• syntyneet gravitaation vaikutuksesta

Tähdet

• vakaa, ja säteilee energiaa avaruuteen
• syntyneet kaasupilven tiivistyessä oman gravitaationsa vaikutuksesta (vedyn fuusioituminen heliumiksi)
• keskus kuumentuu ja kutistuu, lopulta punainen jättiläinen ja sen jälkeen valkea kääpiötähti

Supernova

• syntyy, kun tähden massa on jonkin verran Auringon massaa suurempi, sen keskusosat romahtavat gravitaation vaikutuksesta heti fuusioiden päätyttyä ja samalla tähden ulko-osat leviävät avaruuteen
• suurin osa maailmankaikkeuden eri alkuaineista syntyy tähdissä ja supernovissa tapahtuvissa prosesseissa (nukleosynteesi)
• keskusosasta syntyy tähden koosta riippuen joko neutronitähti tai musta aukko

Neutronitähti

• neutroneista muodostunut tiheä pyörivä tähti

Musta aukko

• jos tähden massa on yli kolme kertaa Auringon massa, tähden luhistuminen ei pääty neutronitähden muodostumiseen vaan luhistuminen jatkuu pitemmälle singulariteetiksi eli mustaksi aukoksi
• voidaan havaita vain epäsuorasti

Vuorovaikutus ja voima (Newtonin lait)

Vuorovaikutus

Kaikki kappaleiden liikkeen muutokset aiheutuvat vuorovaikutuksesta (F forse).

Voimalla on liikkeen suunta (vetävä voima) ja liikevastusvoima (kitkavoima).

Newton lait:

1. I laki on jatkuvuuden laki. Yhdistää toisiinsa vuorovaikutuksen ja tasaisen liikkeen. "liikeG" miinus "liikeN"=0. Jos kappaleeseen kohdistuvat voimat kumoutuvat, kappale jatkaa liiketilaansa tai pysyy paikallaan.
2. II laki on hitauden laki. Mitä suurempi massa, sitä hitaammin kappale lähtee liikkeelle. Jos kappaleeseen kohdistuvat voimat eivät kumoudu, kappale on kiihtyvässä liikkeessä siten, että a = "summaF" jaettuna m (a on kiihtyvyys, m on massa F on voima)
3. III laki on voiman ja vastavoiman laki. Jokaiselle voimalle on olemassa yhtä suuri ja vastakkaissuuntainen voima. "T yläviiva" on jännitysvoima eli tension. "G yläviiva" on painovoima eli gravitaatio (yhtäpitkät nuolet ylös ja alas). "N yläviiva" on pinnan tukivoima (nuoli alas) ja "F nano-u" on kitkavoima tai liikevastusvoima.

Esim Onkija saa kalan, jonka massa on 1,5 kg. Laske kalan paino. G=mg=1,5kg x 9,81m/s2 eli x=14,7 kgm/s2 eli 15 N (Newtonia).

Kuinka suurella voimalla kalaa on vedettävä ylöspäin, jotta se nousisi tasaisella nopeudella? (tällöin ylöspäin voimanuoli T on pidempi kuin alaspäin). T-G (yläviivat)=nolla.

Kuinka suurella voimalla kalaa on vedettävä ylöspäin, jotta se nousisi kiihtyvyydellä 3 m/s2? ma+mg=(a+g)m eli (3m/s2+9,81m/s2) x 1,5 kg vastaus 19,2N (m/s).

Kitka

Syntyy kahden pinnan vuorovaikutuksesta. Lepokitka estää kappaletta lähtemästä liikkeelle. Liukukitka vaikuttaa liikkuvaan kappaleeseen.  Lähtökitka kertoo lepokitkan suurimman arvon jolloin kappale nytkähtää liikkeelle..

*  Suurilla nopeuksilla syntyy pyörteitä--->ilmanvastus on verrannollinen nopeuden neliöön.

*  Matalilla nopeuksilla pyörteitä ei synny---> ilmanvastus verrannollinen nopeuteen.

*  Kun kappale pysyy paikoillaan, voimat kumoavat toisensa

Vieriminen

Kappaleen liikettä kutsutaan vierimiseksi, kun se etenee pyörien liukumatta alustalla.

Alkuräjähdysteoria

(The Big Bang Theory)

• Havaintojen mukaan maailmankaikkeus laajenee (Edwin Hubble).

• Laajeneminen voidaan päätellä ns. punasiirtymän avulla -> teorian mukaan tähtiryhmien eli galaksien väliin tulee jatkuvasti uutta avaruutta.

• Laajeneminen alkoi 13,8 miljardia vuotta sitten, jolloin  sekunnissa muodostui lähes ääretön määrä protoneja / neutroneja.

• Atomit syntyivät muutaman sadan tuhannen vuoden kohdalla (rekombinaatio), muistoina kosminen taustasäteily (Penzias & Wilson Nobel 1978).

• Maailmankaikkeuden tarkkaa ikää ja alkuräjähdyksen jälkeistä tilaa voidaa tutkia luotainten tekemien mittausten avulla.

• Tuntematonta ainetta kutsutaan pimeäksi aineeksi.

         -> Näkyvän aineen gravitaatio ei riitä pitämään galakseja koossa.

         -> Pimeys johtuu siitä, ettei pimeä aine lähetä säteilyä ympärilleen.

• Pimeä energia on tuntematonta energiaa, joka vaikuttaa maailmankaikkeuden laajenemiseen.

Perusvuorovaikutukset

Gravitaatiovuorovaikutus

• kaikkien kappaleiden välillä
• aina vetävä
• Esim. galaksiryhmää pitää koossa niiden välinen gravitaatiovuorovaikutus
• Gravitaatiolaki: Kahden kappaleen välinen gravitaatiovoima on suoraan verrannollinen kappaleiden massoihin. Gravitaatiovoima pienenee kappaleiden etäisyyden kasvaessa kääntäen verrannollisesti etäisyyden toiseen potenssiin.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus

• kaikkien sähköisten kappaleiden välillä
• vetävä TAI hylkivä
• Esim. Kosketettaessa taulutietokoneen näyttöä, sormen ja pinnan välillä on sähkömagneettinen vuorovaikutus

Vahva vuorovaikutus

• atomien ytimessä, kvarkkien* välillä
• yleensä vetävä
• pitää atomin ytimen koossa

Heikko vuorovaikutus

• kaikkien alkeishiukkasten välillä
• aiheuttaa mm. radioaktiivisia beetahajoamisia**

* = kvarkkeja ovat protonin ja neutronin rakenneosat

** = beetahajoaminen on yksi radioaktiivisuuden muoto

Tasaisen liikkeen malli ja tasaisesti kiihtyvän liikkeen malli

Liike on ilmiö, joka voi tapahtua kappaleelle. Kappaleen liike tapahtuu aina jonkin toisen kappaleen suhteen.

Liikkeen suureita                                                          

• matka s, x, l  yksikkö on m (metri)                                          
• aika t, yksikkö on s (sekunti)                                               
• nopeus v, yksikkö on m/s

Tasaisen liikkeen malli kuvataan koordinaatistossa 

• lineaarisella, nousevalla suoralla, missä pystyakselilla kuvataan matkaa ja vaaka-akselilla aikaa. Kulmakerroin kertoo paikan muutoksen suhteessa ajan muutokseen. Vastaus m/s.
• x-akselin suuntaisella vaakatason suoralla.

Tasaisessa liikkeessä nopeus säilyy samana. Kuljetun matkan voi määrittää nopeuskuvaajan pinta-alan avulla. (Muutos=loppuarvo - alkuarvo) Suoraviivaisessa liikkeessä nopeuden etumerkki kertoo liikkeen suunnan.

Kiihtyvyys ilmoittaa kuinka paljon nopeus muuttuu aikayksikköä kohden

   esim. kappale saa pudotessaan kiihtyvyyden 9,81 m/s²  eli sen nopeus kasvaa jokaista sekuntia kohden 9,81 metriä. Kiihtyvyys on nopeuden muutos/aika

Tasaisesti kiihtyvän liikkeen malli

Liike on useimmiten muuttuvaa, ei tasaista. Muuttuvassa liikkeessä muuttuu nopeuden suuruus tai liikkeen suunta tai nämä molemmat. Kiihtyvyys (a) ilmaisee nopeuden muutosnopeuden. 

Kuvaajasuoran fysikaalinen kulmakerroin t,v -koordinaatistossa ilmaisee kappaleen kiihtyvyyden a:

                       kiihtyvyys a = nopeuden v muutos / muutokseen kulunut aika t

HUOM!
m/s = km/h : 3,6

Putoamisliike

•  Käytetään tunnusta g
•  Laskuissa käytetään arvoa g=9,81 m/s²

Graafinen mallintaminen ja matemaattinen malli

Malli 

• on yksinkertaistus tutkittavasta ilmiöstä
• laaditaan tunnetun tiedon ja miitauksissa saatavien tietojen perusteella
• selitetään ilmiöitä ja tehdään niistä ennusteita
• rajallinen pätevyysalue

Graafisen mallin käyttö

• interpolointi: kuvaajalta voidaan määrittää arvonja havaintopisteiden väliltä
• ekstrapolointi: kuvaajaa voidaan jatkaa alueelle, josta mittaustuloksia ei ole

Graafinen malli on suora; lineaarinen malli

Matemaattinen malli

Matemaattiset mallit kuvaavat suureiden välisiä riippuvuksia.

Fysikaalisen kulmakertoimen määritys: valitse suoralta kaksi pistettä. V, m (massa, tilavuus) koordinaatistossa fysikaalinen kulmakerroin lasketaan määrittämällä suhde: massan muutos/tilavuuden muutos. Suureen muutos lasketaan aina vähentämällä suureen loppuarvosta suureen alkuarvo.

Suureyhtälöt

Fysiikassa suureiden väliset riippuvuudet ilmoitetaan suureyhtälöiden avulla.


Keskivauhdin v, matkan s  ja matkaan kuluneen ajan t välinen yhteys                                                     ilmoitetaan suureyhtälöllä v=s/t

Kappaleeseen kohdistuvan painon suuruus G lasketaan kertomalla kappaleen massa m putoamiskiihtyvyydellä g eli G=mg

Laitteen sähköteho P lasketaan yhtälöstä P=UI, jossa U on laitteen jännitehäviö ja I on laitteessa kulkeva sähkövirta.

Muunnokset
Kun yksikkö m/s muuttetaan yksiköksi km/h, suureen lukuarvo kerrotaan luvulla 3,6

1 maili on 1,609 km

1 cm² = 0,0001m²

1 cm³ = 0,00001m³

1 dm³ = 1 litra

1 kcal = 0,0041868 MJ ja 4,188 J

1 hv = 0,75 kW ja 735,5 W

1 tuuma = 2,54 cm
1 solmu = 1 mpk/h = 1,852 km/h
1 kW = 1000 V (V=A)

Mittaaminen

Käsitteitä

• Suure on ilmiön, kappaleen tai aineen mitattavissa oleva ominaisuus (esim. nopeus v¯, massa m ja aika t). 
• Vektorisuureilla  on sekä suuruus että suunta (esim. kiihtyvyys, voima ja nopeus).
• Skalaarisuureilla on vain suuruus (esim. lämpötila, aika ja massa).
• Mittayksikkö on sovittu, mittauskohteessa käytetty termi, jonka avulla mitattavia kohteita voidaan vertailla.
• Merkitsevät numerot, näitä on kaikki, paitsi pääsääntöisesti kokonaislukujen lopussa olevat nollat ja desimaalilukujen alussa olevat nollat.
  
  

  mittaustulos	merkitsevät numerot
  8 s	1
  8,2 s	2
  8,000 s	4
  0,155 kg	3
  1,670 m	4
  0,06740 nm	4
  100 m	1 tai 2 tai 3

• Mittaustarkkuus kertoo, miten luotettava mittaus on. Tarkkuutta voi parantaa toistamalla mittaus useampaan kertaan.
• Mittaustulos on aina likiarvo. Se esitetään aina virherajoineen. Virhe pyöristetään ylöspäin.

                    x = x_m ± ∆ x  

          x_{m on mittaustulos (suureen kokeellinen arvo) ja ∆x on absoluuttinen virhe. Mittaustuloksen suhteellinen virhe olisi∆x / xm}

• absoluuttinen virhe kertoo,kuinka paljon mittaustulos enintään poikkeaa suureen mitatusta arvosta.
• suhteellinen virhe ilmaisee, kuinka suuri (absotuullinen) virhe on suhteessa mittaustulokseen. Suhteellinen virhe ilmoitetaan prosentteina. 
• Mittausvirhe on useassa saman kohteen mittaustuloksessa esiintyvä poikkeama.
• Karkea virhe on seurausta mittaamisvälineen epätarkoituksenmukaisesta ja väärästä käsittelystä tai lukemavirheestä. Paljastuu tuloksia vertailemalla.
• Systemaattinen virhe voi syntyä epätarkasta laitteesta tai mittausolosuhteista. Tulos vääristyy aina samaan suuntaan,
• Satunnainen virhe on olemassa aina jokaisessa mittauksessa. Sen olemassaolo voidaan todeta toistamalla sama mittaus useaan kertaan.

               Mittaussarjan mittausvirhettä voi arvioida monella tavalla. 

1. Vaihteluvälin puolikas ∆ x = (X_max – X_min) /2
2. Keskipoikkeama │∆ x│eli lasketaan mittaustuloksen ja mittaustulosten keskiarvon erotus ja merkitään se positiiviseksi

• SI-järjestelmä on maailmanlaajuinen yksikköjärjestelmä, missä suureet on sovittu riippumattomiksi perussuureiksi (esim. massan tunnus m ja sen yksikkö kilogramma (kg). Muut kuin perussuureet määritellään toisten suureiden avulla (johdannaissuureet esim. keskivauhti v=s/t).

Fysiikan esi-isät

Fysiikka on luonnontiede, jonka mukaan vain sellaiset ilmiöt ovat todella olemassa, jotka voidaan havaita ja tutkia mittaamalla. Näitä ilmiöitä, menetelmiä ja teorioita ovat olleet luomassa joukko historian merkkihenkilöitä:


Antiikin aika 800 eaa.-500 jaa.

• Aristoteles (384 - 322 eaa.) oli kreikkalainen, länsimaisen tieteen isä ja Platonin oppilas. Kirjoitti pääteoksen Metafysiikka. eli "ensimmäinen filosofia"

Klassinen kausi 1500 - 1700

• Galileo Galilei (1564-1642) toi fysiikan kokeelliset mittaukset ja matematiikan. Suurimmat saavutukset fyysikkona ovat hänen kokeellinen ja teoreettinen työ kappaleiden liikkeen kuvaamiseksi. Hän kehitti suhteellisuuden perusperiaatteen, johon Newtonin ja Einsteinin tutkimukset perustuvat.
• Sir Isaac Newton (1642-1727) havaitsi tietyt luonnon säännönmukaisuudet, joiden perusteella hän päätteli mm. mekaniikan kolme peruslakia ja gravitaatiolain.  Teoksessaan Principia (1687) hän esitti nuo kolme aksioomaa; jatkuvuuden laki, dynamiikan laki ja voiman- ja vastavoiman laki eli vuorovaikutuslaki. Hän kehitti myös differentiaalilaskennan, mikä oli välttämätöntä nykyajan fysiikan synnylle. 
• Anders Celsius (1701 - 1744) loi lämpötila-asteikon

Moderni kausi 1900-luku

• Nobelin palkinto perustettiin Alfred Nobelin (dynamiitin keksijä) testamentin mukaan 1895. Palkintoa on jaettu viidelle alueelle; fysiikan, kemian, lääketieteen, kirjallisuuden ja rauhan alalta. Vuodesta 1974 alkaen myös taloustieteelle (ei testamentissa). Ensimmäinen Nobelin palkinto jaettiin saksalaiselle Wilhelm Röntgenille röntgensäteiden löytämisestä.
• Marie Curie (1867 - 1934) oli puolalainen, Ranskassa elämäntyönsä tehnyt fyysikko. Hän löysi kaksi uutta alkuainetta (polonium ja radium). Hän myös antoi toriumin ja uraanin aktiivisuudelle nimen radioaktiivisuus. Curie on saanut sekä kemian että fysiikan Nobelin palkinnot.
• Albert Einstein (1879 - 1955) syntyi Saksassa, mutta sai myöhemmin Sveitsin, Itävalta-Unkarin ja myös Yhdysvaltain kansalaisuuden. Hän loi nykyfysiikan pääteorian eli suhteellisuusteorian (energia E ja massa m ekvivalenssi E=mc²). Hän sai Nobelin palkinnon valosähköilmiön selittämisestä fotoniteorian avulla.

Nykyaika 

• Stephen Hawking (1942 - ) on tunnetuin kosmologian ja painovoiman nykytutkija. Hänen tärkeimpiä tutkimuskohteitaan ovat avaruuden mustat aukot.

(Kirjoittajan kommentti)

Pidän mielenkiintoisena sitä, kuinka 1700-luvulta aina 1900 luvulle asti historiassa on runsaasti palkittuja merkkihenkilöitä, jotka loivat uusia teorioita ja löysivät alkuaineita. 1900-luvun jälkeen historia ei nimeä kovinkaan montaa merkittävää henkilöä eikä teoriaa. Nykyisin keksinnöt ja löydöt käsittävät avaruuden alueita, ydinfysiikkaa ja löytäjät usein ovat ryhmiä.