Põhivara aines Füüsikaline maailmapilt (0)

Põhivara aines Füüsikaline maailmapilt
Maailm on kõik see, mis on olemas ning ümbritseb konkreetset inimest (indiviidi). Indiviidi põhiproblee­miks on tunnetada oma suhet maailmaga – omada adekvaatset infot maailma kohta ehk maailma­pilti. Selle info mastaabihorisondi rõhu­tamisel kasuta­takse maailmaga samatähenduslikku mõistet Uni­versum. Maailma käsitleva info mitmekesisuse rõhutamisel kasutatakse maailma kohta mõistet loodus. Religioosses käsitluses kasutatakse samatähenduslikku mõistet – (Jumala poolt) loodu.
Inimene koosneb ümbritseva reaalsuse ( mateeria ) objektidest (aine ja välja osakestest ) ning infost nende objektide paigutuse ning vastastikmõju viiside kohta. Selle info põhiliike nimetatakse religioossetes tekstides hingeks ja vaimuks.
Vaatleja on inimene, kes kogub ja töötleb infot maailma kohta. Vaatleja tunnusteks on tahe (valikuvaba­duse olemasolu), aistingute saamine (reageerimine maailmast tulevatele signaalidele), mälu (salves­tatud aistingute) kasutamine ja mõistuse (süllogistika) rakendamine.
Süllogism (kr.k. syllogismos – järeldus) on tõese järelduse tegemine maailma kohta vaid mõistuse abil, ilma vastavat aistingut saamata. Näiteks: kui a = b ja b = c, siis ka a = c.
Hing on inimeses sisalduva info see osa, mis on omane kõigile indiviididele (laiemas tähenduses – kõigile elusolenditele). Hinge olemasolu tähendab osalemist ainevahetuses omaette subjektina (tähendab hingamist – siit ka nimetus). Hing on liigi-info. Seega on hing kui elujõud olemas ka loomadel.

Vaim on inimeses sisalduva info see osa, mis on omane vaid antud indiviidile. Vaimu olemasolust tuleneb indiviidi vajadus maailmapildi järele. Samas on maailmapilt inimvaimu osa. Vaim on indiviidi-info.

“Jehoova…käes on kõigi elavate hing ja iga lihase inimese vaim” (Iiob 12. 9-10)

Aistingulise info saamine: maailmas leiab aset sündmus, vaatleja närviraku ehk retseptorini jõuab signaal selle kohta. retseptorist läheb vastavat infot kandev närviimpulss ajusse, kus tekib sündmust peegel ­dav aisting . Erinevatest meeleorganitest pärinevate erinevate aistingute põhjal tekib ajus sündmusest terviklik taju. Seejärel kasutab aju mälus säilitatavaid varasemaid sellelaadseid aistinguid ja tajusid, rakendab mõistust (süllogisme) ning lõpptulemusena tekib maailma sündmusest või objektist tervik­lik kujutlus ehk visioon . Füüsika koosneb eri indiviidide poolt tekitatud ja omavahel kooskõlastatud visioonidest. Füüsika on maailma peegeldus visioonide ruumis (lühim füüsika definitsioon).
Füüsika (kr. k. physike – looduse uurimine ) on loodusteadus , mis uurib täppisteaduslike meetoditega reaal ­suse põhivormide liiku­mist ja vastastikmõjusid. Füüsika käsitleb looduse kõige üldisemaid nähtusi ja seadus­pärasusi. Need ongi füüsikalised objektid. Objekt on see ese, nähtus või kujutlus, mida me parajasti uurime või millele meie tegevus on suunatud. Füüsika eesmärgiks on välja selgi­ta­da looduses toimivad üldised põhjuslikud seosed ja teha need üld­arusaadavaks (tõlkida inimkeelde).
Füüsika põhiküsimus: Mis on põhjuslikkuse põhjus? Kaasaegne vastus sellele kõlab: fermionide ja bosonite supersümmeetria.
Maailmapildi moodustab kõik see, mis eristab inimest teistest elusolenditest. See on süstematiseeritud info, mida inim­indiviid maailma kohta omab. Füüsikalise maa­ilmapildi omamine tähendab indiviidi suutlikkust tajuda füüsikaliste teadmiste konteksti (sisemise veendumusega öelda, et nii see peabki olema, see fakt sobib täpselt minu varasemate teadmistega looduse kohta).
Maailmapildi aluseks on indiviidi usk sellesse, et tema poolt maailma tunnetamisel kasutatav meetod annab adek­vaatseid tule­musi. Usk on “…kindel usaldus selle vastu, mida oodatakse ja veendumus selles, mida ei nähta” (Heebrealastele 11.1). Füüsikalise (või loodusteadusliku) maailmapildi aluseks on usk (loodus-) ­teaduse meetodisse. Reeglina on see eksperimentaalselt põhjendatud usk.
Mütoloogilise maailmapildi aluseks on usk autoriteetidesse. Maailmapildi konstrueerimisel loetakse tõsikindlaks infoks mõnede (antud valdkonnas kõigutamatult autoriteetsete ) indiviidide väited, neid eksperimentaalselt või vaatluslikult kontrollimata. Selliste väidete (vähemasti osaliselt) kooskõlaline süsteem moodustabki müüdi. Loodusteaduslik ja mütoloogiline maailmapilt välistavad teineteist.
Religioosse maailmapildi aluseks on usk sellesse, et maailma mitmekesisus ning korrapära tulenevad ini­mesest kõrgemal seisvast tahtelisest infoallikast. Seda maailma struktureerivaid programme käivi­ tanud (ja kontrollivat) infoallikat nimetatakse religioossetes tekstides Jumalaks .
Ateistliku maailmapildi aluseks on usk sellesse, et maailma mitmekesisus ja korrapära on isetekkelised ning maailma struktureerivad programmid kujunevad välja spontaanselt. Keskset tahtelist infoallikat (Jumalat) ei ole olemas. Religioosne ja ateistlik maailmapilt välistavad teineteist, kuid mitte kumbki neist ei välista loodusteaduslikku (ega ka mütoloogilist) maailmapilti (ja ka vastupidi).
Teaduse meetod: olemasoleva teabe põhjal püstitatakse hüpotees (kuidas asi võiks olla), seejärel korral­datakse hüpoteesi kontrollimiseks eksperiment (katse) ja lõpuks tehakse järeldus hüpoteesi kehti­vuse kohta.
Eksperiment on küsimus Loodusele (Loojale). Asjaliku vastuse saamiseks tuleb see küsimus esitada selgelt ja ühemõtteliselt ( Albert Einstein : Jumal on rafineeritult kaval, aga pahatahtlik Ta ei ole).
Induktiivne meetod ( induktsioon ) on liikumine üksikult üldisele. Uus, laiema kehtivusalaga teadmine saadakse üksikfaktide (kitsama kehtivusalaga teadmiste) üldistamise teel.
Deduktiivne meetod ( deduktsioon ) on liikumine üldiselt üksikule. Deduktiivse (aksiomaatilise) teooria ülesehitamisel formuleeritakse kõigepealt aksioomid (üldeeldused, füüsikas: postulaadid), neist tuletatakse loogiliselt kõik teised väited. Üksikjäreldusteni jõutakse, rakendades üldseadust antud erijuhul. Aksioomide tõesust kinnitab teooria üksikjärelduste kooskõla katsefaktidega.
Loodusnähtuse kirjeldus annab omavahelises loogilises seoses ning vastavat terminoloogiat (füüsikalisi suurusi ja mõõtühikuid kasutades) edasi antud nähtuse iseloomulikke jooni (vastab küsimusele kuidas?). Kirjeldavat teooriat (käsitlust) nimetatakse fenomenoloogiliseks (nähtus ehk fenomen ).
Loodusnähtuse selgitus annab edasi selle nähtuse tulenemise üldisemast või sügavamal struktuuritasemel kehtivast seaduspärasusest (vastab küsimusele miks?, asetab selle nähtuse “oma kohale”). Võimes anda loodusnähtustele pädevaid selgitusi avaldub füüsika heuristiline (avastuslik) väärtus. Selgitus on enamasti viide põhjuslikule seosele. Vaadeldava nähtuse algpõhjust otsivat käsitlust nimetatakse analüütiliseks (kr.k. analysis – liigendamine, osadeks lahutamine)
Loodusnähtuse ennustamine on väide selle nähtuse toimumise kohta tulevikus või mingis teises kohas. Võimes pädevalt ennustada loodusnähtusi avaldub füüsika prognostiline (ennustuslik) väärtus. Ennustamise aluseks on põhjuslike seoste tunnetamine .
Põhjuslikult seotuteks nimetatakse kahte sündmust siis, kui vaatleja suudab neile sündmustele vastavate visioonide vahel luua süllogistliku seose. Põhjuslike seoste partikulaarsust (eraldatust), põhjuslike seoste lineaarahelaid rõhutav füüsikateooria jõuab vältimatult fatalismi (järelduseni ainult ühe lõpp­tulemuse võimalikkusest). Põhjuslike seoste holistlikkust (seostatust, whole – kõik, kogu), põhjuslike seoste võrku rõhutav teooria võimaldab aga hinnata ühe või teise sündmuse esinemise tõenäosust.
Reduktiivseks ehk ruumiliseks nimetatakse sellist põhjuslikkust, mille korral põhjuslikult seotud sünd­mused on korraga vaadeldavad. Ruumiline põhjuslikkus avaldub ühe füüsikalise objekti koosne­mises teistest objektidest (nt Liivahunnik koosneb liivateradest. Liivaterade olemasolu on liiva­hunniku olemasolu põhjus). Matemaatikas tegelevad reduktiivse põhjuslikkusega geomeetria ja algebra .
Kronoloogiliseks ehk ajaliseks nimetatakse sellist põhjuslikkust, mille korral põhjuslikult seotud sünd­mused ei ole korraga vaadeldavad. Ajaline põhjuslikkus avaldub ühe sündmuse järgnevuses teisele. Nt: raamat paikneb laua kohal õhus ja talle mõjub raskusjõud (sündmus 1, põhjus); raamat on jõudnud laua pinnale (sündmus 2, tagajärg). Matemaatikas tegelevad kronoloogilise põhjuslikkusega matemaatiline analüüs ja funktsionaalanalüüs.
Põhjuslikkus on liigitatav võimalike tagajärgede arvu järgi. Fatalistliku põhjuslikkuse korral tundub olevat võimalik ainult üks taga­järg. Juhusliku põhjuslikkuse korral on võimalikke tagajärgi üle ühe, kuid siiski lõplik arv ning me saame hinnata ühe või teise tagajärje esinemise tõenäosust (nt täringuvise). Kaootilise põhjuslikkuse korral on võimalikke tagajärgi lõpmatu arv (nt “õnnevalamine”). Tahte­lise põhjuslikkuse korral realiseerub kellegi tahte rakendumise tulemusena üks kindel tagajärg. Näiva põhjuslikkuse korral on nii põhjuse kui tagajärjena vaadeldav sündmus tegelikult põhjustatud mingist kolmandast, esialgu märkamatuks jäänud sündmusest (nt astroloogia). Põhjuslikkuse avaldumise vormi määrab varjatud parameeter.
Varjatud parameeter on väike (märkamatu) täiendav põhjus (põhjuse diferentsiaalne muut). Varjatud parameetri mõiste väljendab tõdemust, et põhjuse täpne kordamine pole võimalik. Varjatud para­meeter kui füüsikaline suurus on see suurus, mille väärtus loetakse fatalistlikus käsitluses nulliks, kuid mis tegelikult null ei ole (nt pliiatsi ja vertikaali vaheline nurk katses panna pliiats teraviku peale seisma). Mistahes fatalistlik põhjuslikkusekäsitlus ignoreerib varjatud parameetrit.
Ettemääratus (predestinatsioon) on mingi sündmuse kindel esinemine tulevikus, sõltumata teistest sünd­mus­test, mis esmapilgul võiksid (põhjuslikus seoses) antud sündmuse kui tagajärje võimatuks muuta. Religioosses käsitluses esineb ettemääratus kui kõrgema infoallika (Jumala) tahteakti tulemus. Info ettemääratuse kohta on reeglina ilmutuslik info.
Ilmutuslik info on info, mille omaja on kindlalt veendunud info tõesuses, kuid ei oska selgitada, millisest ja mil viisil töödeldud aistingust see pärineb. Võime saada tõeseks osutuvaid (vähemasti osaliselt aistin­gulist kinnitust leidvaid) ilmutusi on suhteliselt vähestel indiviididel. Isikuid, kel vastavad võimed on tugevad, nimetatakse meediumideks või kontaktleriteks (religioossetes tekstides – prohvetiteks). Inimesed, kellel puudub isiklik ilmutuse- alane kogemus, kalduvad eitama ilmutuse võimalikkust (nad usuvad, et ilmutusi ei ole olemas).
Loodusnähtuse füüsikaline mudel esitab kompaktselt füüsikalise objekti kohta olemasoleva info, sidudes objekti abstraktsed ( meeltega mittetajutavad) omadused millegi vahetult tajutavaga ning tuues esile aspektid, milles objekt erineb teistest omataolistest. Füüsika tegeleb mudelitega põhjusel, et loodusnähtuse kõigi omaduste samaaegne arvestamine on liiga keerukas ja sageli ka mittevajalik .
Seaduspärasus on loodusnähtuse kohta kehtiv kvalitatiivne (erijooni rõhutav, mõõdetavust mitte eeldav) üldistus (nt. mida massiivsem on keha, seda raskem on muuta tema liikumisolekut). Seaduspärasus ei pea olema esitatav matemaatiliselt rangelt (valemi või võrrandina).
Seadus on loodusnähtuse kohta kehtiv kvantitatiivne (mõõdetavust eeldav), matemaatiliselt range valemi või võrrandina esitatav üldistus (vrd.: keha kiirendus on pöördvõrdeline keha massiga, a = F/m). Füüsikaseaduse formuleerimisel kasutatakse kindlasti füüsikalisi suurusi.
Loodusteaduslik käsitlus (ka: loodusteaduslik mõtlemisviis, LTMV) on indiviidi selline maailmapildi kujundamise viis, mille korral eelistatult kasutatakse kvalitatiivseid (nt. suurem-väiksem, kõrgem-madalam) kirjeldusi, seletusi ja ennustusi. Rakendatakse eelkõige induktiivset meetodit, otsitakse seaduspärasusi, üldistused pole väga ranged. Põhieesmärgiks on tekitada teadvuses loodusnähtuste olemust peegeldavaid kujutluspilte.
Täppisteaduslik käsitlus (ka: täppisteaduslik mõtlemisviis, TTMV) on indiviidi selline maailmapildi kujundamise viis, mille korral eelistatult kasutatakse kvantitatiivseid (valemi või võrrandina esita­tavaid) kirjeldusi, seletusi ja ennustusi. Rakendatakse eelkõige deduk­tiivset meetodit, tuletatakse matemaatiliselt rangeid seadusi, püütakse saavutada üldistuste kõike­hõlmavust. Põhieesmärgiks on jõuda loodusnähtust kirjeldava valemi või võrrandini. Täppisteadusliku käsitluseni viib kindlasti fatalistlik mõtlemisviis, mille kohaselt on võimalik ainult üks tõde (kui see on kindlaks tehtud, siis kõik teised väited on automaatselt valed). See on väga levinud eksiarvamus ka füüsikas.
Füüsikaline suurus on füüsikalise objekti mõõdetav iseloomustaja (karakteristik). Füüsikaline objekt (loodus­näh­tus) on olemas ka ilma inimeseta. Füüsikaline suurus on inimlik vahend objekti kirjeldamiseks. Suuruse mõõtmine on tema väärtuse võrdlemine mõõtühikuga.
Rahvusvaheline mõõtühikute süsteem SI kasutab 7 füüsikalist suurust põhisuurustena. Nende suuruste mõõtühikud on põhiühikud. Kõik teised suurused ja ühikud on määratud vasta­valt põhisuuruste ning põhiühikute kaudu. Põhisuurused on: pikkus, aeg, mass, aine hulk, temperatuur, voolutugevus ja val­gustugevus. Nende ühikud on vastavalt: meeter, sekund, kilogramm , mool, kelvin , amper ja kandela .
Skalaarne suurus on esitatav vaid ühe mõõtarvuga, millele lisandub mõõtühik. Skalaarsed suurused on ilma suunata (näit. aeg, pikkus, rõhk, ruumala, energia, temperatuur).
Vektoriaalne suurus on kolmemõõtmelises ruumis esitatav kolme arvuga (+ mõõtühik). Need on vektori koordinaadid. Vektoriaalsetel suurustel on suund olemas (näit. kiirus, kiirendus, jõud).
Füüsika keeles tuleb (erinevalt tavakeelest) kasutada korrektselt füüsikaliste suuruste ning mõõtühikute nimetusi ja tähiseid. Suuruste tähised esitatakse kaldkirjas (l, t, m,…) , ühikute omad püstkirjas (cm, s, kg…). Suuruse tähis on reeglina vastava ladinakeelse sõna esitäht (longitudo, tempus , massa …)
Valem on lühidalt (tähiste abil) kirja pandud lause. Nt. valem v = s/t tähendab, et kiiruse (velocitas) leidmiseks tuleb keha poolt läbitud teepikkus (spatium) jagada kulunud ajaga (tempus). Järgnevas on kõik füüsikaliste suuruste tähised esitatud kaldkirjas (italic), ühikute tähised aga püstkirjas. Valemi­tes on püütud maksimaalselt vältida suunda omavate suuruste esitamist vektorina (vektorsuuruse tähis esitab vaid vastava vektori pikkust). Negatiivne pikkus tähendab seda, et vastav vektor on suunatud vastupidiselt kokkuleppelisele positiivsele suunale. Kui on oluline rõhutada mingi suuruse vektoriaalsust, siis on selle suuruse tähis valemis toodud rasvases kirjas ( bold ).
Loodusteadusliku info topoloogia (paiknemisõpetuse) põhiprobleem: millises järjestuses on otstarbekas esitada loodusteaduslikke teadmisi? Senises füüsikaõppes on järjestus eel­kõige ajalooline: mehaanika , soojusõpetus, elekter , optika , mikrofüüsika (nii nagu neid järjest tundma õpiti). Käesolevas aines on topo­loogiliselt esmatähtsad olemuslikud seosed nähtuste vahel.
Kaasaegse füüsikalise maailmapildi info märksõnaline järjestus käesolevas aines on järgmine: kehad liikumine vastastik ­mõju aine ja väli atomism spinn . Seejärel vaadeldakse absoluutse kiiruse, laine-osakese dualismi, ning tõenäosuslikkuse printsiipe .
Reaalsuse (mateeria) põhivormideks on aine ja väli. Aine on reaalsuse vorm, millest koos­ne­vad kõik kehad (asjad). Väli on reaalsuse vorm, mis vahendab vastastikmõjusid kehade vahel.
Väli on aktiivne keskkond, mille vahendusel üks laetud keha mõjutab teist. Väli on jõu tekkimise võima­lik­kus. Aine ja väli võivad neisse kätketud energia ulatuses teineteiseks muunduda. Erinevad aine­osakesed samas ruumiosas olla ei saa (ei mahu), erinevad väljad aga saavad küll. Aineosakestel on kindlad mõõtmed, väljal neid reeglina ei ole.
Liikumiseks võib nimetada igasugust olukorra muutumist. Kui muutub keha asukoht, asend või kuju, siis räägitakse mehaanilisest liikumisest . Liikumise mõiste tuleneb vajadusest kirjeldada kronoloogilist põhjus­likkust. Liikumisest võib rääkida ainult tänu sellele, et vaatlejal on olemas mälu.
Liikumise liikideks on translatsioon , rotatsioon ja deformatsioon . Kui liikumisel muutub keha asukoht, siis toimub translatsioon ehk kulgliikumi­ne. Kui muutub keha asend, siis toimub rotatsioon ehk pöördliikumine. Kui muutub keha kuju, siis toimub deformatsioon. Liikumisest on mõtet rääkida vaid vähemasti kahe keha (objekti) korral. Keha, mille suhtes liikumine toimub, nimetatakse taust­kehaks. Liikumist iseloomustav füüsikaline suurus on kiirus.
Vastastikmõju on põhjus, mis muudab kehade liikumisolekut (kiirust). Vastastikmõju intensiivsust kirjel­dav füüsikaline suurus on jõud. Sõnaga vastastikune rõhutatakse asjaolu, et kui üks keha mõjutab teist, siis teine mõjutab ka esimest. Mõju võrdub vastumõjuga. Vastastikmõju käigus toimub aine ja välja ajutine muundumine teineteiseks. Vastastikmõju põhiliike on neli: gravitat­sioo­niline, nõrk, elektromagnetiline ja tugev.
Laeng on füüsikaline suurus, mis kirjeldab keha omadust osaleda mingis vastastikmõjus. Elektromagne­tilises mõjus osalevad vaid kehad või osakesed, millel on elektrilaeng . Nõrgas mõjus osalevaid , aga tugevas mõjus mitteosalevaid algosakesi nimetatakse leptoniteks. Neil on leptonlaeng. Tugevas mõjus osalevaid algosakesi nimetatakse kvarkideks. Neil on tugeva vastastikmõju laeng ehk värv. Kõik kehad osalevad gravitatsioonilises mõjus, mille laengut nimetatakse raskeks massiks.
Maailma laenguline sümmeetria seisneb selles, et igal laengul (peale raske massi) on olemas vastupidine laeng ehk antilaeng. Elektri- ja leptonlaengu korral nimetatakse laengut kokkuleppeliselt positiivseks ja antilaengut negatiivseks (+ ja – ). Värvilaenguid on kolm (R – red, punane; G – green, roheline ja B– blue, sinine). Igal elementaarsel aineosakesel eksisteerib antiosake, millel kõik laengud (peale massi) on osakese endaga võrreldes vastupidised.
Spinn on algosakese olemuslik sisemine liikumine, mis kuulub lahutamatult osakese juurde. Aineosakese korral on spinn tinglikult tõlgendatav osakese pöörlemisena ümber oma telje (ingl.k. to spin – pöörlema). Seda pöörlemist ei saa peatada, võib vaid muuta pöörlemistelje asendit ruumis, mida nimetatakse spinni suunaks. Kaks vastas­suunaliste spinnidega aineosakest võivad paikneda samas ruumipiirkonnas (teineteise “sees”). Nad pöörlevad ühel ja samal teljel vastandlikes suundades. Aine­osakese spinn iseloomustab tema sisesümmeetriat (võimalikke asendeid välismõju suuna suhtes). Väljaosakese spinn on tingitud tema kulge­vast liikumisest (enamasti kiirusega c, vt. allpool).
Füüsikalise maailmapildi kujundamisel on otstarbekas lähtuda mõningatest üldkehtivatest põhimõtetest ehk printsiipidest (mis deduktiivkäsitluses on vaadeldavad aksioomidena). Tähtsaimad nende hulgas on antroopsusprintsiip, aistingute primaarsuse printsiip, atomistlik printsiip, absoluutkiiruse printsiip, energia miini­mumi printsiip, tõrjutusprintsiip, dualismiprintsiip ja tõenäosus­likkuse printsiip.
Antroopsusprintsiibi (antropos – kr.k. inimene) kohaselt on maailmal just sellised omadused, et temas saaks eksisteerida vaatleja (inimene). Antroopsusprintsiibi religioosne variant: maailm on just selline põhjusel, et Jumal tegi maailma inimeste jaoks. Antroopsusprintsiip tuleneb tõdemusest, et kui kasvõi mõni füüsikalistest fundamentaalkonstantidest omaks veidi teistsugust väärtust kui tegelikult, siis ei oleks inimese eksistents (vähemasti meile tuntud kujul) – võimalik.
Aistingute primaarsuse printsiip väidab, et info saamisel maailma kohta saab lähtuda vaid aistingutest. Füüsikas tähendab see niisuguste füüsikaliste suuruste eelistamist, mille tähendus (looduse nähtus või omadus) on meeleelunditega tajutav. Näiteks pikkus või kiirus – nägemise abil, jõud – lihaspinge vahendusel. Aistingute primaarsuse printsiibi rikkumise näiteks on mütoloogiliste elementide kaasamine füüsikalisse maailmapilti või siis füüsikalise info saamine maailma kohta ilmutuse teel (ilma aistingulise infotöötluseta).
Atomistlik printsiip väidab, et nii aine kui väli ei ole lõputult osadeks jagatavad . Mõlemal on olemas vähimad portsjonid (füüsikalised aatomid ), mida aine korral nimetatakse elementaar- või algosa­kesteks, välja korral aga kvantideks ( atomistliku printsiibi kitsas tähendus). Sõna aatom (kr.k. atomos ) tähistabki (antud teadmiste tasemel) jagamatut algosakest.
Atomistlikku printsiipi võib ka vaadelda kui maailma kohta info saamise üldist põhimõtet (lai tähendus). Sel juhul lähtutakse tõdemusest, et kogu Universumi omadused tulenevad aatomi omadustest. Füüsikaline aatom on reduktiivse põhjusliku ahela alglüli.
Kiire tee füüsikasse (käesolevas aines kasutatav lähenemine) seisneb aatomi põhiomaduste defineerimises vastavalt tänapäeva füüsikas tunnustatud seisukohtadele. Selles mõttes on aatomi põhiomadusteks mõõtmed, liikumine, laeng ja spinn.
Tõrjutusprintsiip (ehk Pauli printsiip) väidab, et ühe algosakese mõõtmetega määratud ruumipiirkonnas võib paikneda maksimaalselt kaks vastandlike spinnidega aineosakest. Ülejäänud tõrjutakse välja. Aineosakesed ehk fermionid alluvad tõrjutusprintsiibile, väljaosakesed ehk bosonid aga mitte.
Väljaosakesed ehk kvandid võivad viibida ühes kolmest võimalikust olekust. Need on reaal-, virtuaal- ja vaakumolek. Vaakumolek on kvandi eksistentsi variant mis seisneb tema näivas mitte-eksistentsis.
Reaalolekus viibival kvandil on toime olemas ja see toime on ajaliselt piiramata. Seetõttu on reaalkvant katseliselt vaadeldav. Näiteks reaalfootonid neelduvad ja kiirguvad, mis kajastub valgus- ja soojus ­aistingutes.
Virtuaalolekus kvandil on toime olemas, kuid see toime on ajaliselt piiratud (kehtib määramatuse seos). Seetõttu virtuaalkvant katseliselt vaadeldav ei ole. Näiteks virtuaalfootonid vahendavad elektromag­netilist vastastikmõju, kuid nende neeldumine ja kiirgumine ei kajastu valgus- ja soojusaistingutes.
Vaakumolekus viibival kvandil toimet ei ole ning kvant pole ka katseliselt vaadeldav. Vaakumosake saab vaid energiat vastu võtta (ja seda piisavalt saades minna reaalolekusse). Loovutada pole tal midagi, sest tema energial juba on vähim võimalik väärtus.
Töö A on füüsikaline suurus, mis kirjeldab olukorra muutumisel tehtavat pingutust. Mehaanilise töö korral on tegemist kehade omavahelise asendi muutumisega.
Energia on füüsikaline suurus, mis kirjeldab millegi suutlikkust muuta olukorda. Energia on keha või jõu võime teha tööd. Kui see võime on tingitud keha liikumisest teiste kehade suhtes, siis on tegemist kineetilise energiaga Ek. Kui see võime on tingitud keha asendist teiste kehade suhtes, siis räägi­takse potentsiaalsest energiast Ep.
Keha seisuenergia Er (ingl k. rest – paigalseis ) on tingitud üksnes keha olemasolust. Aine ja väli on neis sisalduva energia ulatuses teineteiseks muundatavad.
Energia miinimumi printsiip väidab, et kõik iseeneslikud (mitte välismõjust tingitud) protsessid kulgevad kehade süsteemi energia kahanemise suunas. Süsteemil on kalduvus energiat loovutada (töö tagavara ära kulutada), liikuda minimaalse energiaga olekusse.
Dualismiprintsiip väidab, et nii aine kui välja algosakestel on nii laine- kui ka osakese-omadused. Laine­omadused tulevad ilmsiks osakeste liikumisel. Väljaosakeste (kvantide) korral seisneb laine vastava välja võnkumiste levikus. Aineosakestega kaasnev laine on leiulaine . Suuruseks, mis muutub selles laines , on tõenäosus osakese leidumiseks vastavas ruumiosas.
Füüsikalise maailmapildi tõenäosuslikkus seisneb selles, et mitte ükski sündmus pole täiesti kindel ega ka täiesti võimatu (fatalistlikke protsesse tegelikkuses ei ole). Kõik sündmused toimuvad mingi tõenäosusega, mis võimatuks peetaval sündmusel on aga väga väike (nullilähedane). Aineosakeste laineomadused ja tõenäosuslik käitumine tulevad esile vaid väga väikeste mõõtmete juures (keemi­lises aatomis ja veel väiksemates süsteemides). Osakeste tõenäosusliku käitumise üldpõhimõtteid kirjeldab statistiline füüsika.
Mehaaniline maailmapilt kujunes välja 18. sajandi lõpuks Galilei, Descartes ’i, Huygens ’i ja eelkõige Newtoni tööde üldistamise tulemusena. Mehaanilises maailmapildis peetakse oluliseks vaid kehi, nende liikumist ja vahetul kontaktil ilmnevat vastastikmõju. Vastastikmõju vahendajat ei tähtsustata.
Elektromagnetiline maailmapilt kujunes välja 19. sajandi lõpuks Faraday ja Maxwelli tööde tulemusena. Erinevalt mehaanilisest maailmapildist tähtsustatakse selles ka vastastikmõju vahendajat (välja).
Relativistlik maailmapilt kujunes välja aastail 1905-1916 Einsteini tööde tulemusena. Varasemale lisandus absoluutse kiiruse printsiip. Ilmnes pikkuse ja aja suhtelisus ( relatiivsus ).
Kvantmehaaniline maailmapilt kujunes välja aastail 1924-1930 Bohri , de Broglie , Schrödingeri, Heisen­ bergi , Pauli ja Diraci tööde tulemusena. Lisandusid dualismiprintsiip ja tõenäosus­likkuse printsiip.
Terviklik kaasaegne maailmapilt kujunes välja 20. sajandi teisel poolel spinni jõudmisega statistilisse füü­ sikasse (fermionide ja bosonite eristamine), tugeva ja nõrga vastastikmõju avastamisega, atomist­liku printsiibi laiendamisega väljale (kvantväljateooria) ning algosakeste standardmudeli loomisega.
Standardmudeli kohaselt koosnevad kõik aineosakesed 12 algfermionist. Need on 6 leptonit ( elektron , müüon, tauon ja 3 vastavat neutriinot) ning 6 kvarki (down, up, strange, charm, bottom, top). Mõis­ tagi võivad eksisteerida ka 12 vastavat antiosakest. Vastastikmõjude vahendajateks on alg­bosonid. Elektromagnetilist mõju vahendavad footonid ( photo – valgus), tugevat mõju gluuonid (glue – liim), nõrka mõju uikonid (weak – nõrk) ja gravitatsioonilist mõju gravitonid (seni katseliselt avasta­mata). Seni avastamata on ka viies hüpoteetiline algboson - Higgsi boson ehk hiion. Hiion vahendab hüpoteetilist viiendat vastastikmõju (nn Higgsi mõju). See mõju genereerib algosakestele inertse massi niisamuti nagu gravitatsiooniline mõju genereerib raske massi.
Massi olemus on siiani üks ebaselgemaid asju füüsikas (eelkõige on vastuseta küsimus: miks inertne mass ja raske mass on nii hästi võrdelised, kui nad kirjeldavad looduse kaht põhimõtteliselt erinevat oma­ dust ?). Selgust võiks tuua gravitoni ja hiioni katseline avastamine ning nende omaduste uurimine.
Maailmapildi struktuursed tasandid: algosakesed , liitosakesed, keemilised aatomid, molekulid, rakud, organismid, Maa, Päikesesüsteem, meie Galaktika, Lokaalne Grupp, Universum tervikuna. Üldreeg­lina on võimalik ühel struktuuritasemel aset leidvaid protsesse edukalt kirjeldada, arvestamata kaugematel tasemetel toimivaid seaduspärasusi (maailma tasemelise struktureerituse printsiip).
Supersümmeetria on maailmapilt, mis lähtub Universumi kahe erinevalt käituva põhikomponendi, bosonite ja fermionide – olemasolust. Sündmusi Universumis vaadeldakse superruumi punktidena, kõik toimuv on superteisendus bosonite ja fermionide vahel. Lühidalt: bosonid tekitavad vaatlejale kujutluse fermionide liikumisest.
Ruum on vaatleja kujutlus, mis tekib kehade omavahelisel võrdlemisel. Ruumi ja aega objektiivselt olemas ei ole. Neil mõistetel on mõtet vaid sedavõrd, kuivõrd on olemas kehad ja need kehad liiguvad.
Pikkus l (longitudo) on füüsikaline suurus, mis iseloomustab kehade mõõtmeid (pikem-lühem, suu­rem-väiksem). Pikkuse ühikuks valitakse mingi kõigile tuntud keha (etalonkeha) pikkus (nt. küünar, jalg, vaks). Liikumise korral lasutatakse mõistet teepikkus (tähis s – lad.k. spatium – ruum, ulatus)
Meeter (1 m) on pikkuse põhiühik, mille korral etalonkehaks on algselt valitud Maa. 1 m on 1/40 000 000 Maa ümbermõõdust (täpsemalt – Pariisi meridiaani pikkusest). Kaasaegse definitsiooni kohaselt on üks meeter pikkus, mille valgus läbib vaakumis 1/299 792 458 sekundi jooksul.
Aeg on vaatleja kujutlus, mis tekib liikumiste võrdlemisel. Aeg t kui füüsikaline suurus (lad.k. tempus) iseloo­mustab sündmuste järgnevust (varem-hiljem). Ajast on mõtet kõnelda vaid siis, kui toimuvad sündmused (esineb liikumine). Aja kaudu me võrdleme ühe keha kiirust teise keha (etalonkeha) kii­rusega. Kui näiteks keha A, liikudes kiirusega vA läbib tee­pik­kuse sA ja keha B, liikudes kiirusega vB läbib samas teepikkuse sB, siis suhe sA / vA = sB / vB = … jääb meie kujutlustes kõikide selliste keha­de jaoks konstantseks (rangelt võttes kehtib see vaid makrokehade jaoks ning absoluutkiirusest tunduvalt väiksematel kiirustel). Seda suhet nimetatakse ajaks t. Mõnikord tähista­takse t abil ka ajahetke, mil toimub mingi ülilühikese kestusega sündmus. Ajavahemiku (protsessi kestuse) tähiseks on siis Δt. Sümboliga Δ (delta) tähistatakse vastava füüsikalise suuruse muutu (lõppväär­tuse ja algväärtuse vahet).
Aja mõõtmisel kasutatakse enamasti mingit perioodilist liikumist. Perioodiliseks nimetatakse liikumist, millele on omane korduvus. Teatud kindla teepikkuse läbimisel (ajavahemiku möödumisel) algab kõik otsast peale. Seda ajavahemikku nimetatakse perioodiks . Aja ühikuks valitakse kas periood ise või mingi arv perioode .
Sekund (1 s) on aja põhiühik, mille korral etalonkehaks on algselt samuti Maa. Üks sekund on 1/86400 ööpäevast (Maa ööpäevase pöörlemise perioodist). Kaasaegse definitsiooni kohaselt on üks sekund võrdne tseesiumi (133Cs) aatomi elektronide ja tuuma vastastikmõjust tingitud elektro­magnet­kiirguse 9 192 631 770 perioodiga.
Kiirus v (velocitas) näitab, kui pika tee läbib keha ajaühikus. Kiirus = teepikkus : aeg, v = s / t . See on kiiruse kaudne määratlus (aja mõiste eeldab ju ise kiiruse mõistet). Kiiruse põhiühik on üks meeter sekundis (1 m/s). Praktikas kasutatakse sageli kiiruse ühikut üks kilomeeter tunnis (1 km/h), kus­juures 1 m/s = 3,6 km/h.
Kiiruse otsene määratlus tähendab mingi kindla kiiruse valimist etaloniks. Selleks sobib näiteks abso­luutne piirkiirus c (välja levimise kiirus, valguse kiirus vaakumis). c = 299 792 458 m/s ehk ligikaudu 3 . 108 m/s. Siis näiteks 108 km/h = 30 m/s = 10-7 c.
Taustsüsteem määrab tingimused, milles liikumist vaadeldakse. Taustsüsteem koosneb taustkehast (kehast, mille suhtes liikumine toimub), koordinaadistikust ja ajamõõtjast (kellast). Relativistlik füüsika näitab, et taustsüsteem on alati relatiivne, vaid inimlik abivahend liikumise kirjeldamiseks.
Absoluutkiiruse printsiip väidab, et piirkiirusega (suurima võimaliku kiirusega) toimuv liikumine on absoluutne. Piirkiirus (välja levimise kiirus c) on kõigis taustsüsteemides ühesugune. Kõik teised liikumised on suhtelised (relatiivsusprintsiip). Iga vaatleja võib maailma kirjeldada, valides taust­kehaks iseenda (eeldada, et just tema on paigal ja teised liiguvad). Absoluutse kiiruse printsiip väljendab tõdemust, et aeg ja ruum on suhtelised. Neist on mõtet rääkida vaid ainelise objekti (“fermionvaatleja”) korral. Väljalise objekti (“bosonvaatleja”) jaoks pole aega ja ruumi olemas.
Klassikaline füüsika tegeleb kehade, liikumise, vastastikmõju ja väljaga, rakendades atomistlikku printsiipi vaid kehadele, uurib makromaailma nähtusi, mikro- ja megamaailma kirjeldada ei suuda. Klassikaline füüsika on reduktsionistlik ja kasutab fatalistlikku mõtlemisviisi. Ta uurib (tegelikult vaid mude­lina eksisteerivaid) fatalistlikke protsesse kui kõige lihtsamaid ja rikub inimkonna kollek­tiivse teadvuse (visioonideruumi) väärarvamusega, et sellised protsessid on ka tegelikult olemas.
Reduktsionism (lad. reductio – taandama) on lähenemisviis, mis püüab mõista tervikut osade parema tundmaõppimise kaudu (taandab terviku osadeks), uurib reaalsust lokaalselt (mingis väljavalitud kohas), vaatleb primaarsena objekti ennast ja sekundaarsena objekti seoseid teiste objektidega.
Kaasaegne füüsika rakendab atomistlikku printsiipi ka väljale, arvestab spinni (sh. selle seost tõrjutus­printsiibiga), absoluutkiiruse printsiipi, dualismi­printsiipi ja tõenäosuslikkuse printsiipi, uurib ka mikromaailma ( kvantmehaanika ) ja megamaailma ( kosmoloogia ). Kaasaegne füüsika on (rohkem või vähem) holistlik . Kaasaegne füüsika uurib põhjuslikkuse mittefatalistlikke esinemisviise.
Holism (ingl. whole – kõik, kogu) on lähenemisviis, mis püüab mõista tervikut selles toimivate seoste parema tundmaõppimise kaudu (ei taanda tervikut osadeks), uurib reaalsust võimalikult mitte­lokaalselt (arvestab kõikvõimalikke arenguteid ja püüab hinnata nende realiseerumise tõenäosusi), vaatleb primaarsena objekti seoseid teiste objektidega ja sekundaarsena objekti ennast.
Mehaanika on füüsika osa, mis uurib liikumist.
Koordinaat on arv, mis näitab vaadeldava keha asukohta taustkeha suhtes (asendit taustsihi suhtes, kuju taustkuju suhtes). Ristkoordinaadistiku korral näitab koordinaat antud suunas liikumisel, kui mitme pikkusühiku kaugusel taustkehast vaadeldav keha asub. Sõltumatute koordinaatide arv määrab ruumi mõõtmete arvu.
Ruumi mõõtmete (ehk dimensioonide) arv näitab, kui mitut koordinaati on üldjuhul vaja keha asukoha määramiseks selles ruumis. Meie ruum on kolmemõõtmeline, sõltumatuid koordinaate on kolm.
Kujutlused kõrgdimensionaalsetest ruumidest luuakse induktiivselt, liites kaks madalama dimensiooniga objekti. Kasutame mõisteid: 1-dimensionaalne objekt – siht, 2-dim. objekt – riht (rihtimine – tasase pinna tekitamine), 3-dim. objekt – tiht (tihe objekt), 4-dim. objekt – niht (neljamõõtmeline objekt). Sihi (1-dim. süsteemi) määratlemiseks (lõigu saamiseks) ühendame kaks 0-dim. objekti (punkti), rihi määratlemiseks kaks omavahel ristuvat lõiku (sihi tükki), tihi määratlemiseks kaks tahku (rihi tükki) jne. Seega: 2 rihti + nende ühine siht → tiht, 2 tihti + nende ühine riht → niht jne.
Kinemaatika on mehaanika osa, mis kirjeldab liikumist, tundmata huvi selle põhjuste vastu. Kinemaatika püüab vastata vaid küsimusele Kuidas keha liigub?
Liikumisvõrrandiks x = x(t) nimetatakse avaldist , mis suvalisel ajahetkel määrab vaadeldava keha kauguse taustkehast (koordinaadi x). Mõistet liikumisvõrrand kasutatakse sageli ka avaldise kohta, mis seob liikumist ja selle muutust kirjeldavaid suurusi (kiirust ja kiirendust) liikumisolekut muutva põhjusega (jõuga). See avaldis on reeglina diferentsiaalvõrrand (sisaldab koordinaati ning tema ajalisi tuletisi). Liikumise diferentsiaalvõrrandi lahend (võrrandit rahuldav funktsioon) on liikumis­võrrand selle mõiste algses tähenduses x = x(t).
Punktmass on keha, mille mõõtmed võib antud ülesande juures arvestamata jätta. Sel juhul võib vaadelda keha massi koondununa ühte punkti. Punktmass - see on keha mudel.
Trajektoor on keha kui punktmassi liikumistee. Trajektoori kuju järgi eristatakse sirgjoonelist, ring­­joonelist ja kõverjoonelist liikumist. Kõverjooneline liikumine taandub ringjoone­lisele. Trajektoori mõistel on mõtet ainult klassikalises füüsikas.
Kulgliikumise korral liiguvad keha kõik punktid ühtemoodi (läbivad sama aja jooksul sama teepikkuse).
Pöördliikumise korral leidub punkte, mis ise ei liigu. Need punktid moodustavad pöörlemistelje. Pöörlemistelje ümber liiguvad keha kõik teised punktid mööda ringjooni.
Pöördliikumist kirjeldavad vektorsuurused ( nurkkiirus , nurkiirendus, impulsimoment jne) on kokku­leppeliselt suunatud piki pöörlemistelge. Vektori suuna määrab parema käe rusika reegel: Kui rusikasse tõmmatud parema käe neli kõverdatud sõrme näitavad pöörlemise suunda, siis väljasiruta­tud pöial näitab pöörlemist kirjeldava vektori suunda.
Võnkumine on perioodiline (korduv) liikumine, mille korral impulsi ( liikumishulga ) ja energia levikut ei toimu. Võnkuvale kehale mõjub alati tasakaaluasendi poole suunatud (nn. taastav) jõud.
Laine on perioodiline (korduv) liikumine, mille korral toimub impulsi (liikumishulga) ja energia levik suurte vahemaade taha. Laine on aineosakeste või välja liikuv konfiguratsioon ( paigutus ). Laines osalevad osakesed liiguvad vähe, laine ise liigub palju.
Ühtlaseks nimetatakse keha niisugust liikumist, mille korral keha läbib mistahes võrdsete ajavahemike jooksul ühesugused teepikkused. Ühtlasel liikumisel on kiirus konstantne .
Mitteühtlaseks nimetatakse keha niisugust liikumist, mille korral keha läbib mistahes võrdsete ajavahemike jooksul erinevad teepikkused.
Kiirendus näitab, kui palju muutub kiirus ajaühiku jooksul. Kiirendus on kiiruse muutumise kiirus. Kiirendus a = (kiirus lõpul – kiirus algul) : aeg, mille jooksul see muutus toimus. a = (v – v0) / t . Kiirenduse SI-ühik on üks meeter sekundi ruudu kohta (1 m /s2).
Ühtlaselt kiireneval või aeglustuval liikumisel on kiirendus konstantne. Ühtlaselt kiireneval liikumisel a > 0, ühtlaselt aeglustuval liikumisel a v = v0 + a t järgi. Läbitud teepikkus on leitav seosest s = v0 t + a t2/ 2 .
Kui aeg ei ole teada, võib algkiiruse v0 , lõppkiiruse v või teepikkuse s leida seosest v 2 v0 2 = 2 a s .
Ringliikumises olevat keha (punktmassi) ja ringjoone keskpunkti ühendav lõik r (trajektoori raadius) pöördub aja t jooksul mingi nurga võrra. Seda nurka nimetatakse pöörde­nurgaks. Pöördenurga SI ühikuks on radiaan (1 rad).
Üks radiaan on nurk, mille korral ringjoone kaare pikkus s võrdub raadiusega r. Sellest = s / r ja s = r. Nurga mõõtmisel radiaanides on võrdeteguriks kaare pikkuse ja pöördenurga vahel raadius.
Nurkkiirus näitab, kui suur pöördenurk läbitakse ajaühikus. = / t . Nurkkiiruse SI-ühik on üks radiaan sekundis (1 rad / s). Seda ühikut esitatakse lühidalt kujul 1 s -1.
Perioodiks T nimetatakse aega, mille jooksul piki ringjoont liikuv keha teeb ühe ringi (jõuab tagasi lähtepunkti). Pöördliikumisel nimetatakse perioodiks aega, mille jooksul pöörlev keha teeb ühe täispöörde (läbib pöördenurga 2 rad). Seega nurkkiirus = 2 / T.
Joonkiirus ringliikumisel = ringjoone pikkus : periood. v = 2 r / T. Seega v = r . Joonkiirus on suunatud piki ringjoone puutujat.
Kesktõmbekiirendus (normaalkiirendus) väljendab ringliikumisel kiiruse suuna muutumist ajas. Kesktõmbekiirendus on kiirusega alati risti ning vektorina suunatud ringjoone keskpunkti. Kesktõmbekiirendus avaldub kujul ak = v 2/ r ehk ak = 2 r .
Nurkkiirendus näitab, kui palju muutub nurkkiirus ajaühiku jooksul. = ( – 0) / t . Nurkkiirenduse SI-ühik on üks radiaan sekundi ruudu kohta (1 rad /s2 ehk 1 s -2). Kii­ruse suuruse muutumist näitab tangentsiaalkiirendus at . Kuna v = r , siis at = r.
Ühtlaselt kiireneval või aeglustuval ringliikumisel või pöördliikumisel on nurkkiirendus kons­tantne. Ühtlaselt kiireneval ring- või pöördliikumisel > 0, ühtlaselt aeglustuval = 0 + t järgi. Läbitud pöördenurk on leitav seosest = 0 t + t2/ 2 . Nurkkiiruse algväärtus 0 , lõppväärtus ja liikumisel läbitud pöördenurk on omavahel seotud kujul 2 0 2 = 2 .
Dünaamika on mehaanika osa, mis uurib liikumise põhjusi. Dünaamika püüab vastata küsimusele Miks keha liigub? Dünaamika tegeleb jõududega. Jõud F on füüsikaline suurus, mis kirjeldab kehadevahelise vastastikmõju tugevust. Dünaamika aluseks on 3 Newtoni seadust:
Newtoni I seadus (inertsiseadus) väidab, et iga keha liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt seni, kuni teised kehad tema sellist olekut ei muuda. Iga keha on just täpselt nii laisk , kui tal olla lastakse. Keha inertsuse (laiskuse) mõõduks on suurus, mida nimetatakse inertseks massiks.
Inertset massi nimetatakse Newtoni seaduste kontekstis lihtsalt massiks m. Massi SI-ühikuks on kilogramm (1 kg). Ruumala­ühiku kohta tulevat massi nimetatakse tiheduseks = m/V. Mass iseloomustab keha, tihedus aga ainet, millest see keha koosneb.
Newtoni II seadus väidab, et keha kiirendus on võrdeline jõuga, a = F / m (või F = m a). Jõud on see põhjus, mis muudab keha liikumisolekut. Ehk kasutades impulsi mõistet: Keha impulsi muutu­ mise kiirus on võrdne kehale mõjuva jõuga. F = dp / dt (N II s. üldkuju). Jõud põhjustab impulsi muutumise. Jõu SI-ühikuks on üks njuuton (1 N). Üks njuuton on jõud, mis annab kehale massiga 1 kg kiirenduse 1 m/s2. 1 N = 1 kg . 1 m/s2.
Newtoni III seadus väidab, et kaks keha mõjutavad alati teineteist suuruselt võrdsete kuid vastandlikult suunatud jõududega, F12 = F21 . Mõju ja vastumõju on võrdsed.
Keha impulsiks nimetatakse keha massi ja kiiruse korrutist p = m v. Suletud süsteemis on kehade sum­maarne impulss jääv (impulsi jäävuse seadus). Impulsi jäävuse seadus on sama­väärne Newtoni seadustega. Impulsi ühikuks SI-süsteemis on üks kilo­gramm korda meeter sekundis (1 kg . m/s)
Raskusjõud on Maa poolt kehale mõjuv gravitatsioonijõud. Kehale massiga m mõjub raskusjõud Fr = m g.
Kaal on jõud, millega keha mõjub oma alusele või pingutab riputusvahendit (nööri, trossi vms.)
Rõhk p (ingl.k. pressure) on pinnale mõjuva jõu ja selle pinna pindala suhe: p = F/S. Rõhu SI ühikuks on paskal (1 Pa = 1 N/m2)
Toereaktsioon on jõud, millega alus või riputusvahend mõjutab keha. Toereaktsioon mõjub alati risti aluspinnaga või siis piki riputusvahendit.
Hõõrdetegur näitab, kui suure osa moodustab pindade vahel toimiv hõõrdejõud Fh pindu omavahel kokku suruvast (normaalisuunalisest) jõust ( kaalust või toereaktsioonist) = Fh / Fn.
Inertsjõud on näiv jõud, mis mõjub kiirendusega liikuvale kehale, kui me vaatleme seda keha paigalseisvana. Tuntuim inertsjõud on tsentrifugaaljõud.
Tsentrifugaaljõud mõjub ringjooneliselt liikuvale kehale, mida me parajasti vaatleme paigal­seisvana. Vahend (nöör, tross vms), mis hoiab keha ringjoonelisel trajektooril, mõjutab keha kesktõmbe­jõuga (tsentripetaaljõuga). Kesktõmbejõud annab kehale kesktõmbe­kiirenduse ak = v 2/ r. Vaadeldava kehaga seotud taustsüsteemis tasakaalustavad tsentri­fugaaljõud ja kesktõmbe­jõud teineteist.
Mehaaniliseks tööks A nimetatakse jõu F ja tema mõjumise sihis sooritatud nihke s (keha poolt läbitud tee­pikkuse) korrutist. Üld­juhul A = F s cos , kus on nurk jõu mõjumise suuna ja nihke suuna vahel. Töö ja energia ühikuks SI-süsteemis on džaul (1 J). 1 J = 1 N . 1 m . Üks džaul on töö, mida teeb jõud üks njuuton, nihutades mingit keha oma mõjumise suunas ühe meetri võrra.
Võimsus N (või P) näitab ajaühikus tehtud tööd. Võimsus on töö tegemise kiirus. N = A / t. Võimsuse SI-ühikuks on vatt (1 W). Võimsus on üks vatt, kui 1 sekundis tehakse üks džaul tööd. 1 W = 1 J / 1 s.
Lihtmehhanismide (kang, plokk, kaldpind ) töö aluseks on mehaanika kuldreegel: samapalju, kui me võidame jõus, kaotame teepikkuses. Kasutades väiksemat jõudu, peame läbima vastavalt pikema tee.
Kineetiline energia on tingitud keha liikumisest. See avaldub massi ja kiiruse kaudu kujul Ek = m v 2/2 . Kineetiline energia on võrdne keha kiirendamisel (liikumalükkamisel) tehtud tööga. Pidurdudes teeb keha ise tööd kineetilise energia arvel.
Potentsiaalne energia on tingitud keha asendist teiste kehade suhtes (vastastikmõjust teiste kehadega ).
Mehaanilise energia jäävuse seadus väidab, et keha kineetilise ja potentsiaalse energia summa on jääv.
Konservatiivseteks (mehaanilist energiat säilitavateks) nimetatakse jõude, mille mõjumisel mehaanilise energia jäävuse seadus kehtib. Dissipatiivseteks (energiat hajutavateks) nimetatakse jõude, mille mõjumisel see seadus ei kehti (mehaaniline energia muutub soojuseks ja hajub laiali). Tuntuim dissipatiivne jõud on hõõrdejõud. Tuntuim konser­vatiivne jõud on gravitatsioonijõud.
Jõumoment M on jõu ja tema õla korrutis. Jõu õlaks nimetatakse jõu mõjumise sihi kaugust pöörle­mis­teljest. Jõumoment iseloomustab vaadeldava jõu mõju keha pöörlemisele. Jõumomendi ühikuks SI-süsteemis on njuuton korda meeter (1 N . m). Jõumoment kui vektor on esitatav jõu rakenduspunkti kohavektori r (pöörlemistelje suhtes) ja jõuvektori F vektorkorrutisena M = r x F ning on suunatud parema käe rusikareegli kohaselt piki pöörlemistelge.
Inertsimoment I näitab pöörleva keha osade massi jaotust pöörlemistelje suhtes. Keha element (pisi­ke osa) massiga m , asudes kaugusel r pöörlemisteljest, omab inertsi­momenti I = m r 2. Keha kui terviku inertsimoment leitakse keha osade inertsimomentide liitmise (integree­rimise) teel. Inertsimomendi ühikuks SI-süsteemis on üks kilogramm korda meeter ruudus (1 kg . m 2). Mass kulgliikumisel = inertsimoment pöördliikumisel.
Impulsimoment (ehk pöörlemishulk) L näitab pöörleva keha osade impulsside mõju pöörlemisele. Kui pöörleva keha osa massiga m liigub joonkiirusega v piki ringjoont kaugusel r pöörlemisteljest, siis tema impulsimoment on kauguse r ja impulsi p = m v korrutis: L = m v r . Impulss kulgliikumisel = impulsimoment pöördliikumisel. Impulsimoment kui vektor: L = r x p , kus p on keha (või selle mingi osa) impulss ja r - keha (osa) kohavektor pöörlemistelje suhtes.
Impulsimomendi jäävuse seadus väidab, et suletud süsteemi impulsimoment on jääv suurus.
Impulsimoment on inertsimomendi ja nurkkiiruse korrutis. L = m v r = ( m r 2) . (v / r) ja seega L = I . . See kehtib ka pöörleva keha kui terviku kohta. Impulsi­­momendi SI-ühikuks on üks kilogramm korda meeter ruudus sekundi kohta (1 kg . m 2/s).
NB! Millegi moment füüsikas = see suurus ise x mingi pikkus.
Pöördliikumise dünaamika põhivõrrand on Newtoni II seadus pöördliikumise kohta. Ta väidab, et impulsimomendi tuletis aja järgi võrdub jõumomendiga: dL / dt = M . Ehk teisiti - jõumoment on see põhjus, mis muudab keha impulsimomenti.
Mehaaniline töö pöördliikumisel on esitatav jõumomendi ja pöördenurga korrutisena A = M . . Nurkkiirusega pöörleval ja inertsimomenti I omaval kehal on pöördliikumise kineetiline energia, mis avaldub kujul Ek = I 2/2
Keha massikeskmeks nimetatakse punkti, mille suhtes keha osade raskusjõudude momentide summa on alati null (jõumomendid on tasakaalus, keha raskusjõudude mõjul ei pöördu).
Kepleri seadused kirjeldavad planeetide liikumist, gravitatsiooniseadus seletab seda (näitab ära põhjuse).
I seadus: Planeedid liiguvad mööda ellipseid, mille ühes fookuses asub Päike.
II seadus: Päikese ja planeedi ühenduslõik katab liikudes ühesuguste ajavahemike jooksul võrdsed pindalad .
III seadus: Planeedi tiirlemisperioodi (planeedi aasta) ruut on võrdeline orbiidi pikema pooltelje kuubiga.
Gravitatsiooniseadus väidab, et mistahes kaks keha mõjutavad teineteist gravitatsioonijõuga, mis on võrdeline kummagi keha gravitatsioonilaengu ehk raske massiga ja pöördvõrdeline kehadevahelise kauguse ruuduga . F = G m1 m2 / r 2 . Võrdetegurit G = 6,67 . 10 -11 N . m2 / kg2 nimetatakse gravi­tatsioonikons­tandiks. Kuna kõik senised eksperimendid on selgesti näidanud inertse ja raske massi võrdelisust, siis loetakse neid ühikusüsteemi konstrueerimisel võrdseteks. Üldrelatiivsusteoorias on inertse ja raske massi samaväärsus teooria põhipostulaadiks. Kuna kehale massiga m mõjuv raskus­jõud P = m g = G M m / R2 , kus M on Maa mass ja R tema raadius, siis raskus­kiirendus g = G M / R2 . Arvuliselt g = 9,81 m / s2.
Keha potentsiaalne energia raskusväljas avaldub kujul Ep = m g h, kus g on raskuskiirendus ja h - keha kaugus energia nulltasemest (kõrgus maast).
Relatiivsusteooria on selline aja ja ruumi käsitlus, mis lähtub absoluutkiiruse printsiibist. Õpikutes on kombeks esitada seda printsiipi kahes osas:

Kõik vaatlusandmed on suhtelised (relatiivsusprintsiip). Füüsikaliste suuruste (kiirus, pikkus, aeg, mass jne) väärtused on üksteise suhtes liikuvate vaatlejate jaoks erinevad ning ükski vaatleja pole eelistatud. Igamehel on oma tõde, ükski tõde pole teisest tõesem.

On olemas suurim võimalik kiirus – kiirus, millega alati levib väli ainelise objekti suhtes (valguse kiirus vaa­kumis c = 299 792 458 m/s). See kiirus on kõigi vaatlejate jaoks üks ja sama (absoluutse kiiruse konstantsuse printsiip). Aine ei saa järele jõuda väljale.
Relatiivsusteooria põhiidee: Olemas on vaid see, mille mõju on kohale jõudnud. Kui teade sündmusest on alles teel, siis see sündmus on antud vaatleja jaoks veel toimumata. Ruum on olemas vaid sedavõrd, kui temas on kehi. Aeg on olemas vaid sedavõrd, kui temas toimuvad sündmused.
Relativistlik kiiruste liitumisseadus rahuldab piirkiiruse saavutamatuse nõuet: kiiruste v1 ja v2 summa u = (v1 + v2) / (1 + v1 v2/c2), millest v1 = c korral ka u = c. Piirkiirusel on aktuaalse lõpmatuse omadused (võid juurde liita, kui palju tahad, see ei muuda midagi).
Kui tegevuspaik vaatleja suhtes liigub, siis selle vaatleja jaoks:
Ajavahemikud pikenevad: t = t0 , kus t0 on omaaeg (aeg paigaloleva kella järgi).
Pikkused lühenevad: l = l0 / , kus l0 on omapikkus (pikkus eseme taustsüsteemis).
Mass suureneb: m = m0 , kus m0 on seisumass (keha mass keha endaga seotud taust­süsteemis). Kinemaatiline ( Lorentzi ) tegur = 1 / suureneb kiiruse suurenemisel . Massi all mõistetakse siin inertset massi.
Relativistlik impulss vaba osakese (U = 0) jaoks: p = ± (m2 – m02)1/2c ja energia E = ±[p 2c2 + m02c4]1/2
Erirelatiivsusteooria (ERT) vaatleb vaid ühtlaselt liikuvaid (ehk inertsiaalseid) taust­süsteeme.
Üldrelatiivsusteooria (ÜRT) vaatleb lisaks ka mitteühtlaselt (kiirendusega) liikuvaid taustsüs­teeme. ÜRT-s kasutatakse ekvivalentsusprintsiipi: gravitatsioon ja inerts on samaväär­sed (ekvivalentsed). Vaatle­ja, kes tajub jõu olemasolu, ei saa ilma lisainfota kindlaks teha, kas jõud on põhjus­tatud kiirendusega liikumisest (inertsist) või gravitatsioonist.
Relatiivsusteooria tähtsaim järeldus: mass ja energia on samaväärsed (ekvivalentsed): E = m c2.
Paigaloleva keha korral esineb samaväärsusseoses seisumass m0 ning vastavat energiat nime­ta­takse keha seisuenergiaks Er. Seisuenergia on energia, mis on kehal juba üksnes tema olemasolu tõttu.
4-mõõtmelises aegruumis lisandub kolmele ruumiteljele (x, y, z) nende kõigiga ristuv, ajaga võrdelise pikkuse telg (ict), mis on kokkuleppeliselt imaginaarne. 4-mõõtmelises aegruumis on kahe sündmuse ajalis-ruumiline vahekaugus (intervall) kõigi vaatlejate jaoks sama. Üldrelatiivsusteooria kohaselt ei ole olemas jõude – vaatleja jaoks, kes tajub jõudu, on vaid aegruum lokaalselt kõver.
Aegruumi juhtlause: Reaalsus (kõik olemasolev) ütleb aegruumile, kuidas kõverduda, kõver aegruum aga reaalsusele (ainele ja väljale), kuidas selles ruumis liikuda.
Deformatsiooniks nimetatakse keha kuju muutumist jõu mõjul. Kui jõu mõju lakkamisel defor­matsioon kaob, siis nimetatakse deformatsiooni (ja ka vastavat keha) elastseks. Kui jõu mõju lakkamisel defor­matsioon (vähemalt osaliselt) jääb alles, siis nimetatakse defor­matsiooni (ja ka vastavat keha) mitteelastseks ehk plastseks. Elastse deformatsiooni liigid on venitus , kõverdus, nihe ja vääne. Kehas tekkivat jõudu, mis püüab taastada keha esialgset kuju, nimetatakse elastsusjõuks.
Hooke ’i seadus väidab, et kehas tekkiv elastsusjõud Fe on võrdeline keha pikkuse muutusega (pikene­misega) x : Fe = k x . Miinusmärk Hooke’i seaduses näitab, et elastsusjõud on deformeeriva jõu suhtes vastassuunaline. Võrdetegurit k nimetatakse jäikusteguriks. Jäikustegur iseloomustab keha. Ta näitab, kui suur elastsusjõud tekib keha pikkuse ühiku­lisel muut­misel. Ühikuks on 1 N/m.
Elastsusjõu (deformeeritud keha) potentsiaalne energia avaldub kujul Ep = k x 2/ 2 .
Mehaaniline pinge näitab, kui suur jõud mõjub kehas lõikepinna ühiku kohta, = F / S. Mehaaniline pinge sarnaneb rõhuga ja teda mõõdetakse rõhu ühikutes (Pa ehk N/m2). Kui jõud on pinnaga risti, on tegemist normaalpingega n . Kui aga jõud mõjub piki pinda, on tegemist tangentsiaalpingega t.
Suhteline pikenemine näitab venitusel pikenemise l ja algpikkuse l suhet, = l / l . Kokkusurumisel on suhteline pikenemine negatiivne.
Elastsusmoodul E näitab, kui suur normaalpinge tekib aines ühikulise suhtelise pikenemise korral. Elast­susmoodul iseloomustab ainet, millest keha koosneb. Elastsusmooduleid mõõdetakse mehaanilise pingega samades ühikutes (Pa ehk N/m2). Hooke’i seadus venitusel on elastsusmooduli abil esitatav kujul: n = E . Ruumelastsusmoodul B näitab analoogiliselt, kui suur normaalpinge (rõhk) tekib aines ühikulise suhtelise ruumalamuutuse korral.
Võnkumine on keha perioodiline liikumine tasakaaluasendi ümber. Võnkumisel mõjub kehale tasakaalu­asendi poole suunatud jõud, mis tasakaaluasendile lähenemisel liikumist kiirendab, sellest asendist kaugenemisel aga pidurdab.
Harmoonilise võnkumise korral muutub keha hälve (kõrvalekalle) tasakaaluasendist x ajas sii­nus- või koosinusseaduse kohaselt: x = A sin t või x = A cos t. Siinu­sega on tege­mist juhul, kui aja arvestus algab tasakaaluasendist. Koo­sinus esi­neb juhul, kui aja arvestus algab maksimaalse hälbe asendist. Suu­rus A on maksimaalne hälve, mida nimetatakse amplituudiks . Suurust t nime­tatakse faasiks. Faasi SI-ühikuks on radiaan.
Faas näitab, millises seisundis võnkuv keha parajasti on. Faasi mõõtmine nurga kaudu põhineb sarnasusel võnkumise ja ringliikumise (pöörlemise) vahel. Faas muutub ajas lineaarselt, niisamuti nagu pöör­de­nurk ühtlasel ring­liikumisel. Faasi muutu­mise kiirust nimetatakse ring- või nurk­sageduseks. Nurksagedus on identne nurkkiirusega ringliiku­mi­sel, mille periood ühtib võnkumiste perioodiga. Suurust liikumisseaduses x = A cos ( t +) nimetatakse algfaasiks (faasiks hetkel t = 0).
Perioodiks T nimetatakse võnkumiste kirjeldamisel aega, mille jooksul tehakse üks võnge. Ringsagedus ja periood on omavahel seotud niisamuti nagu ringliikumisel: = 2 / T.
Sagedus f näitab võngete arvu ajaühikus. Sageduse SI-ühikuks on herts (1 Hz). Üks herts on üks võnge sekundis. Sagedus ja periood on teineteise pöördväärtused: f = 1 / T. Kui sagedus on võngete arv sekundis, siis nurksagedus on võngete arv 2 sekundis (radiaa­ni­de arv sekundis). Järelikult on nurksagedus arvuliselt 2 korda suurem: = 2 f .
Harmooniliste võnkumiste energia on võrdeline amplituudi ruuduga: E = 1/2 m 2 A 2 . Kui harmooniliselt võnkuva süsteemi hälve muutub ajas seaduse x = A cos t järgi, siis kiirus muutub seaduse v = A sin t järgi ja kiirendus seaduse a = 2 A cos t järgi.
Omavõnkesagedus 0 on määratud võnkuva süsteemi omadustega. Näiteks vedrupendli korral 0 2= k / m, kus k on vedru jäikustegur ja m koormise mass. Matemaatilise pendli korral 0 2 = g / l, kus g on raskuskiirendus ja l pendli pikkus. Vastavalt avalduvad omavõnke­perioodid kujul T = 2 (m / k) 1/2 ja T = 2 (l / g) 1/2.
Sumbuvate võnkumiste korral kahaneb amplituud ajas seaduse A = A0 e - t järgi, sest võnku­ miste ener­gia hajub (muutub soojuseks). Ringsagedus avaldub kujul = (0 2 2) 1/2, kus suurust nimeta­takse sumbeteguriks. Ta näitab naturaallogaritmilises skaalas, mitu korda kahaneb võnku­miste amplituud ajaühikus. Seega = [ln (A0 /A)] / t. Sumbeteguri SI-ühikuks on pöördsekund ( 1 s -1).
Sumbumise logaritmiline dekrement näitab naturaallogaritmilises skaalas, mitu korda kaha­neb võnku­miste amplituud ühe perioodi jooksul. = T ja = ln [A(t) /A(t+T)] . Dekrement on arv ( astendaja ) ning tal ei ole ühikut.
Eksponentsiaalne sõltuvus kahe füüsikalise suuruse vahel (nt. A(t) = A0 e - t = A0 e -t/τ) tekib siis, kui taga­järje rollis esineva suuruse (funktsiooni) muutus (siin dA) on võrdeline põhjuse (argumendi) muutu­sega (siin dt) ja võrdetegur sisaldab funktsiooni algväärtust A (diferentsiaalvõrrand dA = A dt). Lühidalt: eksponentsiaalne sõltuvus tekib siis, kui muutus on võrdeline algkogusega. Protsessi kiirust kirjeldav suurus (siin sumbetegur ) on ajateguri τ pöördväärtus: = 1/τ.
Ajategur τ on aeg, mille jooksul ajas eksponentsiaalselt kahanev suurus muutub arv e = 2,7183.. korda või siis aeg, mille jooksul protsess lõpeks, kui esialgne lineaarne muutus jätkuks.
Sundvõnkumiste korral mõjub võnkuvale süsteemile perioodiline välisjõud. Amplituud sõltub selle jõu ringsagedusest . Välisjõu mingil kindlal sagedusel muutub amplituud väga suureks, sest välisjõud toimib süsteemi omavõnkumistega samas taktis (lükkab igal võnkel takka). Sellist olukorda nimetatakse resonantsiks. Resonants tekib välisjõu ringsagedusel r = (0 2 2 2) 1/2 , mida nimetatakse resonantssageduseks.
Kompleksarve à = a + i b, kus imaginaarühik i = ( 1) ½, kasutatakse füüsikas selleks, et: 1) kiiresti tuletada üks reaalarvuline suurus teise põhjal, s.t. minna liikumise kiirendamiseks ajutiselt arvude imaginaarsesse (mittereaalsesse) piirkonda; 2) esi­tada omavahel seotud kujul (kompleksselt) kaks suurust, mis mõlemad kirjeldavad ühte ja sedasama loodusnähtust (üks suurus on siis vastava kompleksarvu reaal- ja teine imaginaarosa).
Kompleksmeetod võnkumiste või lainete kirjeldamiseks esitab perioodiliselt muutuva suuruse eksponent ­kujulise kompleks­arvuna à = A e iωt, mille moodul A on selle suuruse amplituud, argument t on faas ja reaalosa A cos t on hälve.
Põhitooniks nimetatakse omavõnkesagedusega (siin 1) toimuvat võnkumist, ülemtooniks (kõrge­maks harmooniliseks) aga võnkumist põhitooni sagedusest täisarv m korda suurema sage­dusega m.
Võnkumiste (või lainete) sageduste spekter näitab, kui tugevasti on liitvõnkumises esindatud üks või teine ülemtoon. Spekter on amplituudi sõltuvus ülemtooni numbrist m või selle sage­dusest m (fm).
Harmooniline ( Fourier ’) analüüs tegeleb spektri A = A (m) leidmisega liitvõnkumise hälbe ajalise sõltuvuse x = x (t) abil või vastupidi.
Laineteks nimetatakse võnkumiste levimist ruumis. Kui võnkumised toimuvad laine levimise sihis, on tegemist pikilainetega. Kui aga võnkumised toimuvad laine levimise suunaga ristuvas sihis, on tegemist ristlainetega.
Lainepikkus on kahe lähima laineharja vahekaugus. Lainete levimiskiirus v = / T = f .
Lainefront on niisuguste ruumi punktide hulk, milleni võnkumine on antud hetkeks jõudnud. Lainefrondi kuju järgi eristatakse eelkõige tasalaineid ja keralaineid.
Lainete levimiskiirus on määratud levimiskeskkonna omadustega. Pikilainetel tahkises (pingule­tõmmatud nööris või traadis) v = (F / S) 1/2 (F - pingutusjõud, - tihedus, S - ristlõikepindala). Rist ­lainetel tahkises v = (E /) 1/2 (E - elastsusmoodul, - tihedus). Pikilainetel gaasis v = ( p /) 1/2 ( - moolsoojuste suhe, p - rõhk, - tihedus).
Lainefunktsioon määrab lainetusel levivate võnkumiste hälbe u sõltuvalt koordinaatidest ja ajast. Piki x -telge leviva tasalaine korral lainefunktsioon u (x , t) = A cos ( t k x), kus suurust k nimetatakse lainearvuks. Lainearv k = 2 / näitab, kui mitu lainepikkust mahub 2 meetrisse.
Huygens’i printsiip: Lainefrondi iga punkti võib vaadelda uute lainete allikana .
Lainete interferents on lainete liitumine. Interferents tekib tavaliselt siis, kui ühe ja sellesama laine kaks osa läbivad uuritavasse punkti jõudmisel erineva teepikkuse. Osalainete poolt läbitud teepikkuste vahet nimetatakse käiguvaheks . Käiguvahele vastab faasivahe = k , kus k on lainearv.
Liitlaine amplituud on maksimaalne, kui = 2 m ja = m , kus m on täisarv (interferentsi maksi ­mumi tingimus). Liitlaine amplituud on minimaalne, kui = 2 (m + 1/2) ja = (m + 1/2) (interferentsi miinimumi tingimus).
Lainete difraktsioon on lainete kõrvalekalle sirgjoonelisest levimisest (levik varju piir­konda). Difraktsioon on hästi jälgitav, kui tõkke või ava mõõtmed on lainepikkusega samas suurus­järgus.
Seisulaine on laine, mille korral võnkumiste energia levikut ei toimu. Seisulaine tekib juhul, kui keha otsale lähenev laine ning otsalt tagasi peegeldunud laine tugevdavad teineteist interferentsil.
Seisulaine iga punkt võngub kindla amplituudiga. Punkte, kus amp­lituud on maksimaalne, nimetatakse seisulaine paisudeks. Punkte, mis ei võngu (amplituud on null) nimetatakse seisulaine sõlmedeks. Laineid juhtiva keha otstel paikneb alati seisu­laine sõlm. Seetõttu peab keha pikkusele L mahtuma täisarv m poollainepikkusi: L = (/2) m , millest m = 2L / m ja fm = (v /2L) m (v on lainete kiirus). Kui m = 1, on tegemist põhitooniga, kui m > 1, siis vastava ülemtooniga (kõrgema harmoo­ni­lisega). Seisulaine on lainefüüsika keeles kirjeldatud võnkumine.
Heli on elastsuslaine (gaasis või vedelikus - pikilaine , tahkises - ka ristlaine ). Heli kõrguse mää­rab põhitooni sagedus, tämbri määrab sageduste spekter ning valjuse lainete intensiivsus.
Lainete intensiivsus näitab, kui palju energiat kannab laine ajaühikus läbi levimissuunaga ristuva ühikulise pinna. Intensiivsuse SI-ühikuks on 1 W/m 2 . Heli intensiivsuse nulltasemeks (kuuldeläveks) loetakse I0 = 10 -12 W/m 2. Heli valjus detsibellides (dB) on määratud valemiga 10 log (I/I0), kus I on vaadeldava helilaine intensiivsus.
Doppleri efekt seisneb selles, et kui laineallikas ja vastuvõtja teineteise suhtes liiguvad, siis vastu­võtja poolt registreeritav sagedus erineb allika võnkesagedusest. Kui allikas ja vastu­võtja teineteisele lähenevad, siis on registreeritav sagedus suurem. Kui allikas ja vastu­võtja teineteisest kaugenevad, siis on regist­reeritav sagedus väiksem. Kaugetelt tähtedelt pärineva valguse sageduse vähenemine Doppleri efekti tagajärjel (nn. punanihe) annab tunnistust Universumi paisumisest.
Elektrilaeng (q või Q) näitab, kui tugevasti keha osaleb elektro­magnetilises vastas­tikmõjus. Looduses leidub kahte liiki elektrilaenguid, mida kokkuleppeliselt nimetatakse positiiv­se­teks ja nega­tiivse­teks. Sama­märgi­liselt laetud kehade vahel mõjub tõukejõud, erimärgiliselt laetud kehade korral aga tõmbejõud. Elektrilaengu SI-ühikuks on üks kulon (1 C).
Elementaar­laenguks e nimetatakse vähimat laengu väärtust. 1 e = 1,6 . 10 -19 C. Prootonil on laeng +e , elektronil –e, neutronil laeng puudub. d- s- ja b-kvarkidel on elektrilaeng –1/3 e; u-, c- ja t-kvarkidel aga +2/3 e. Aatomeid hoiab koos prootonite ja elektronide vahel mõjuv elektriline tõmbejõud.
Elektrilaengu jäävuse seadus väidab, et elektriliselt isoleeritud süsteemi kogulaeng on jääv suurus. Laeng võib tekkida ja kaduda vaid paarikaupa (+q ja –q üheskoos).
Vabad laengukandjad on laetud osakesed, mis saavad liikuda kogu vaadeldava keha või ainekoguse piires.
Elektrivool on laengukandjate suunatud liikumine. Voolu (kokkuleppe­liseks) suunaks on positiivsete laengukandjate liikumise suund (vooluringis plussilt miinusele).
Voolutugevus näitab, kui suur laeng läbib ajaühikus juhi rist­lõiget , I = q / t ja q = I t . Voolu­tugevuse ühikuks on üks amper (1 A). Üks kulon on laeng, mis läbib ühe sekundi jooksul sellise juhi ristlõiget, milles kulgeb vool tuge­vu­sega üks amper. Kuna q = I t , siis 1 C = 1 A . 1 s.
Punktlaenguteks nimetatakse laetud kehi, mille mõõtmed on tühiselt väikesed võrreldes nende vahekaugu­sega. Punktlaeng on keha, mille elektrilaengut võib vaadelda koondununa ühte punkti.
Coulomb 'i seadus: Kaks punktlaengut mõjutavad teineteist jõuga, mis on võrdeline nende laengute korruti­sega ja pöördvõrdeline laengute­vahelise kauguse ruuduga F = k q1 q2 / r 2. Jõud on suunatud piki laetud kehi ühendavat sirget ja sõltub ainest, milles nad asuvad. Vaakumis võrdetegur k = 1/(4 0), kus suurust 0 nimetatakse elektrikonstandiks. k = 9 . 10 9 N. m2/C 2. See tähendab, et kahe punkt­laengu 1 C vahel mõjub vaaku­mis vahekaugu­sel 1 m jõud 9 . 10 9 N.
Coulomb'i seadus on analoogiline gravitatsiooniseadusega, elektrilaeng raske massiga, Coulomb'i võrdetegur k gravitatsioonikonstandiga G. Mõlema jõu pöördvõrdeline sõltuvus kauguse ruudust on tingitud vastava välja ühtlasest jaotumisest üle pinna, mille punktides väli eksisteerib.
Elektrivälja tugevus E näitab, kui suur jõud mõjub selles väljas ühikulise positiivse laenguga keha­le. Väljatugevus = jõud : selle keha laeng, millele jõud mõjub, E = F / q . Elektrivälja tugevust võib lühidalt nimetada E-vektoriks. E-vektor on alati suunatud posi­tiiv­selt laetud kehast eema­le ja negatiivselt laetud keha poole (plussilt miinusele). Punktlaeng Q tekitab endast kaugusel r väljatugevuse E= k Q /r2 (k - võrdetegur Coulomb’i seaduses).
Gravitatsioonivälja tugevuse rolli täidab Maa gravitatsioonivälja korral raskuskiirendus g. Punktlaengu Q väljatugevuse valemi E= k Q /r2 analoogiks on valem g = G M /r2 (M – Maa mass).
Superpositsiooni printsiip (liitumise põhimõte): kehade süsteemi väljatugevuse leidmiseks tuleb üksikute kehade väljatugevuse vektoreid liita. Superpositsiooni prontsiip tuleneb välja omadusest mitte segada teist välja (väljaosakesel ei ole vajadust personaalse ruumi järele).
Välja jõujoon on mõtteline joon, mille igas punktis on väljavektor selle joone puutuja sihiline. Jõujoone suund ühtib väljavektori suunaga. Seal, kus väli on tugevam, paiknevad jõujooned tihedamalt.
Aine dielektriline läbi­ta­vus näitab, kui mitu korda on elekt­riline jõud vaakumis (F0) suurem jõust antud aines (F). = F0 /F, seega F = F0 / .
Elektrinihe D iseloomustab keskkonnast sõltumatult keha võimet tekitada elektrivälja (nihutada teisi laetud kehi). Kui laetud keha tekitab aines välja tugevusega E, siis elektrinihe D näitab, millise väljatugevuse ( E) tekitaks seesama keha vaakumis. Üldiselt D = 0 E (ühik 1 C / m2).
Voog on füüsikaline suurus, mis näitab, kuivõrd välja jõujooned läbivad mingit pinda. Voo arvuta­misel tuleb välja kirjeldav suurus (D, E vms.) korrutada selle pinna pindalaga S ning koosinu­sega nurgast β pinna normaali ja välja suuna vahel. Näiteks elektrinihke voog D = D S cos β.
Gaussi seadus ( teoreem ): Elektrinihke voog läbi kinnise pinna võrdub selle pinna poolt piiratud laengute algebralise summaga . Üldiselt: kõik kinnise pinnaga piiratud ruumis paiknevad laen­gud võtavad osa välja tekitamisest pinnal.
Homogeenseks nimetatakse välja, mille tugevuse vektor on kõigis ruumi punktides ühesugune nii pikkuselt kui suunalt. Homogeense elektrivälja tugevus kahe erinimeliselt laetud tasase metall ­plaadi vahel avaldub kujul E = q / 0 S, kus q on ühe plaadi laeng ja S - selle pindala.
Väljatugevus kirjeldab välja jõu kaudu, potentsiaal ja pinge aga töö kaudu, mida vastav jõud võib ära teha, seejuures sõltumatult töö tegemise viisist (trajektoori kujust ). Välja, milles tehtud töö ei sõltu trajek­toori (liikumistee) kujust, nimetatakse potentsiaalseks väljaks. Gravitatsiooniväli ja elektro­staatiline (paigalseisvatest laetud kehadest põhjustatud) väli on potentsiaalsed.
Punktlaengu q potentsiaalne energia homogeenses elektri­väljas tugevusega E on esitatav kujul Ep = q E d, kus d on punktlaengu kaugus energia nulltasemest. Homogeenses gravitatsiooniväljas (raskusväljas) vastab sellele punktmassi m potentsiaalse energia valem Ep = m g h.
Ühe punktlaengu q potentsiaalne energia teise punktlaengu Q (mittehomogeenses) elektri­väljas tuge­vusega E on esitatav kujul Ep = q E r = k q Q /r , kus r on laengute vahekaugus. Gravitatsiooniväljas Ep = m g r = G m M /r , kus g(r) = G M /r2 .
Välja potentsiaal näitab, kui suur on vaadeldavas punktis ühikulise positiivse laenguga keha potent­siaal­ne energia = Ep /q . Punktlaeng Q tekitab endast kaugusel r elektrivälja, mille potentsiaal = k Q /r (k - Coulomb’i võrdetegur). Gravitatsiooniväljas = G M /r , kus M on välja tekitava keha mass.
Ekvipotent­siaal­pinnaks nime­tatakse ühesugust potentsiaali omavate väljapunktide hulka. Ekvipotentsiaal­pinnad ja jõujooned on omavahel alati risti.
Pinge U on kahe väljapunkti potentsiaalide vahe, potentsiaal aga on pinge mingi kokkuleppelise nulltaseme suhtes. Pinge kirjeldab olukorda, milles välja jõud tööd teevad. Pinge on suur seal, kus töö on pinge­line (seda tööd on raske teha).
Kahe punkti vaheline pinge näitab, kui suure töö teeb väli positiivset ühikulist laengut omava keha viimisel ühest punktist teise: U = A / q. Potentsiaali ja pinge ühikuks on üks volt.
Üks volt (1 V) on pinge elektrivälja kahe punkti vahel siis, kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise teeb elektriväli töö 1 J : 1 V = 1 J / 1 C . Raskusväljas 1 V = 1 J /1 kg (aga seda reeglina ei kasutata).
Pinge ja väljatugevuse seos: väljatugevus kahe ekvipotentsiaalpinna vahel on leitav nende pindade vahelise pinge jagamisel pindade vahekaugu­sega: E = U / d.
Üks volt meetri kohta (1 V/m) on sellise elektrivälja tugevus, mil­les potentsiaal muutub piki jõujoont igal meetril ühe voldi võrra: 1 V/m = 1 N/C. Kuju 1 V/m kasutatakse rohkem.
Üks elektronvolt (1 eV) on töö, mida teeb elektriväli ühe elementaarlaenguga osakese (elekt­roni) viimisel ühest punktist teise, kui nende punktide vaheline pinge on üks volt: 1 eV = 1 e . 1 V.
Elektriline seosekonstant mikro- ja makromaailma vahel: 1,6 . 10 -19 C / e ehk J / eV .
Magnetvälja tekitab elektrivool (laengukandjate liikumisega kaasnev elektrivälja muutumine). Mag­netvälja tekitavad aga ka aineosa­kesed, millel on olemas spinn. See on osakeste omamagnetväli.
Püsimag­net on magnetiliselt aktiivne keha. Püsimagneti magnetväli on tema osakeste omamagnet­väl­jade summa. Tinglikult eristatakse püsimagneti põhja- ja lõunapoolust (N ja S). Kahe püsi­magneti eri­ nimelised poolused tõmbuvad, sama­nime­lised aga tõukuvad. Magnetvälja kokkuleppelist suunda näitab selles väljas orienteerunud magnetnõela põhjapoolus.
Vooluga juhtme magnetväljas pöördub magnetnõel juhtmega ristuvassse asendisse ( Oerstedi katse). Kui ühisel kesk­ristsirgel paiknevates paralleelsetes juhtmetes kulgevad samasuunalised voolud , siis mõjub juhtmete vahel tõmbejõud. Vastassuunaliste voolude korral mõjub tõukejõud. Ristuvate juhtmete vahel jõudu ei mõju.
Kahe ühepikkuse ja paralleelse juhtmelõigu vahel mõjuv jõud on võrdeline juhtmelõikude pikku­sega l ning voolutugevustega juht­metes (I1 ja I2). See jõud on ka pöördvõrdeline juhtmelõikude vahekaugu­sega d. Ühtekokku: F = K I1 I2 l / d . Vaakumi korral võrdetegur K = 2 .10 -7 N /A2. SI-süsteemis esitatakse ta kujul K = 0 /2 , kus suurust 0 = 4 .10 -7 N /A2 nimetatakse magnetkonstandiks.
Ühik 1 A: Kui kahe paralleelse, lõpmata pika ja lõpmata peenikese sirgjuhtme vahel, milles voo­lab ühesuguse tugevusega vool ja mille vahekaugus on 1 m , mõjub juhtmete pikkuse iga meetri kohta jõud 2 . 10 -7 N, siis voolutugevus juhtmetes on üks amper.
Ampère’i sea­dus: Vooluga juhtmelõigule mõjuv jõud F on võrdeline juhet läbiva voolu tugevusega I, juht­melõigu pikkusega l ja siinusega nur­gast voolu suuna ja magnetvälja suuna vahel: F = B I l sin .
Vasaku käe reegel: Kui vasaku käe 4 väljasirutatud sõrme osutavad voolu suunda ja mag­netväli on suuna­tud peopessa, siis väljasirutatud pöial näitab juhtme­lõigule mõjuva magnetjõu suunda. Mag­netjõud on alati risti nii voolu kui ka magnet­välja suunaga.
Magnetinduktsioon B näitab jõudu, mis mõjub ühikulise vooluga ja ühikulise pikkusega juhtme­lõigule selle juhtmega ristuvas magnet­väljas: B = F / (I l) . Magnetinduktsioon on vektoriaalne suurus ja teda võib nimetada ka B-vektoriks. B-vektori kokkuleppelist suunda näitab magnetväljas orien­teerunud mag­net­nõela põhjapoolus. Magnetinduktsiooni SI-ühikuks on tesla (1 T). Magnetinduktsioon kirjeldab magnetvälja samamoodi nagu väljatugevus E elektrivälja.
Üks tesla (1 T) on sellise magnetvälja induktsioon, milles välja suunaga ristuvale juhtmele pikkusega 1 m ja vooluga 1 A mõjub välja poolt jõud 1 N: 1 T = 1 N / (1 A . 1 m) .
Magnetvälja jõujoon on mõtteline joon, mille igas punktis on B-vektor suunatud piki selle joone puutujat. Väljaspool püsimagnetit kulgevad jõujooned põhjapooluselt lõunapoolusele (NS). Magnetvälja jõujooned on kinnised jooned ehk pöörised. Magnetväli on solenoidaalne väli ehk pöörisväli.
“Parema käe rusika” reegel: Kui rusikasse tõmmatud parema käe väljasirutatud pöial näitab voolu suunda, siis neli kõverdatud sõrme näitavad selle voolu magnetvälja suunda.
Aine magnetiline läbi­ta­vus näitab, kui mitu korda on magnetjõud selles aines (F) suurem jõust vaaku­mis (F0). = F / F0 , seega F = F0 . Kuna magnetinduktsioon on määratud jõu kaudu, siis ka = B / B0 , ning B = B0 , B0 = B / .
Magnetvälja tugevus H iseloomustab keskkonnast sõltumatult voolu võimet tekitada magnetvälja. Kui vool tekitab aines magnetinduktsiooni B, siis magnetvälja tugevus H näitab, millise magnetindukt­siooni (B0 = B /) tekitaks seesama vool vaakumis. Üldiselt H = B /(0 ) ja B = 0 H. Magnetvälja tugevuse ühi­kuks on amper meetri kohta (1 A/m).
Sirgjuhe, milles kulgeb vool I , tekitab endast kaugusel d magnetinduktsiooni B = K I / d. SI- süsteemis B = (0 / 2) I / d, kus on ümbritseva keskkonna dielektriline läbitavus.
Ringjuhe läbimõõduga d ja vooluga I , tekitab oma tsentris magnetinduktsiooni B = 0 I / d ja seega magnetvälja tugevuse H = I / d .
Üks amper meetri kohta on sellise magnetvälja tugevus, mida tekitab oma tsentris ringjuhe läbi­mõõ­du­ga 1 m , kui temas kulgeb vool 1 A.
Solenoid (pikk ja kitsas juhtmepool), milles kulgeb vool tugevusega I, tekitab oma teljel magnet­indukt­siooni B = (0 N / l) I . Siin N - solenoidi keerdude arv ja l - solenoidi pikkus. Magnetinduktsioon on alati võrdeline teda tekitava vooluga.
Magnetilise pinge Um leidmiseks mingil suunatud lõigul tuleb magnetvälja tugevuse projektsioon lõigu suunale (Hl ) korrutada lõigu pikkusega l .
Kogu voolu seadus (Ampère’i tsirkulatsiooniteoreem): magnetiline pinge kinnisel joonel (ka: magnee­ti­misergutus ehk magneto­motoor­jõud) on võrdne kogu vooluga, mis läbib selle joonega piiratud pinda. Kõik pinda läbivad voolud võtavad osa magnetvälja tekitamisest pinna piirjoonel.
Lorentzi jõud FL , mis mõjub laengut q omavale ja kiirusega v liikuvale osakesele mag­netväljas indukt­siooniga B, avaldub kujul FL = q v B sin , kus on nurk osakese liikumissuuna ja magnetvälja suuna vahel. Juhtmelõigule mõjuv magnetjõud, mis on määratud Ampère’i sea­dusega F = B I l sin , summeerub liikuvatele laengukandjatele mõjuvatest Lorentzi magnetjõududest.
Elektromotoorjõud näitab kõrvaljõudude tööd positiivse ühik­laengu ühekordsel läbi­viimisel kogu vooluringist. Elektromotoorjõud on suurim pinge, mida antud vooluallikas on üld­se suuteline tekita­ma ( allikapinge ) ehk siis kõigi vooluringis esinevate pingete summa.
Elektromagnetism käsitleb laetud osakeste mitteühtlast liiku­mist ning elektri- ja magnet­nähtuste oma­vahelisi seoseid.
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuseks nimetatakse elektri­välja tekki­mist magnetvälja muutu­misel. Seda elektrivälja nimetatakse pööriselektriväljaks, kuna tema jõujooned on kinnised jooned ehk pööri­sed (väli on solenoidaalne). Kui juhe lõikab liikumisel magnetvälja jõujooni, siis toimib juht­mes indukt­siooni elektro­motoor­jõud. Kui juhe on vooluringi osa, siis tekib selles induktsiooni­vool. Indukt­siooni­voolu tekitamiseks juhtmes teeb tööd jõud, mis liigutab juhet magnet­väljas. See jõud ongi induktsiooni elektromotoorjõudu määra­­vaks kõrval­­jõuks. Magnetväljas liikuva juhtmelõigu kineetiline energia muundub pööriselektrivälja energiaks (see põhjustab täiendava pidurduse).
“Tavalise” magnetjõu tekkimine: magnetväli + elektrivool magnetjõud juhtme liikumine.
Elektromagnetiline induktsioon: magnetväli + juhtme liikumine magnetjõud elektrivool.
Magnetväljas liikuva juhtmelõigu otstel tekkiv pinge U (induktsiooni elektro­motoorjõud i) aval­dub kujul U = v l B sin , kus v on liikumise kiirus, B – magnetindukt­ sioon , l –juhtmelõigu pikkus ja - nurk liikumise suuna ning magnetvälja suuna vahel (sama nurk , mis Lorentzi jõu valemis)
Magnetvoog näitab, millisel määral läbivad magnet­välja jõu­joo­ned vaadeldavat pinda. Magnetvoog avaldub kujul = B S cos , kus B on magnetinduktsioon pinnal, S - pinna pindala ning - nurk pinna normaali ja magnet­välja suuna vahel. Magnetvoo ühikuks on üks veeber.
Üks veeber (1 Wb) on magnet­voog, mis läbib pinda pindalaga 1 m2 selle pinna­ga ristuvas magnet­väljas, kui välja magnetindukt­sioon on 1 T. 1 Wb = 1 T . 1 m2.
Faraday induktsiooniseadus: Kontuuris tekkiv induktsiooni elektromotoor­jõud on võrdeline mag­net­­voo muu­tumise kiiru­­sega kontuuris. SI-süsteemi korral on võrdetegur valitud võrdseks ühega ja järelikult i = d /dt. Miinusmärk väljendab Lenzi reeglit.
Lenzi reegel: Induktsioonivoolu suund on selline, et tema magnetväli takis­taks voolu põhjustavat mag­net­voo muutumist. Induktsioonivool toimib alati vastupidiselt voolu esile kutsu­vale põhjusele. Lenzi reegel on samaväärne mehaanikast tuntud faktiga, et hõõrdejõud toimib alati liikumapanevale jõule vastu­pidiselt (takistab liikumist). Matemaatiliselt: algse magnetvälja muutus ΔB ja induktsioonivoolu magnetväli Bi on alati vastassuunalised.
Elektromagnetväli on elektromagnetilist vastastikmõju vahendav ühtne väli, mis võib avalduda kas elektri- või magnetväljana. Elektromagnetväli levib ruumis elektromagnetlainena, milles elektri- ja magnetväli muutuvad perioodiliselt teineteiseks (muutuv elektriväli tekitab muutuva magnetvälja, see aga jälle muutuva elektrivälja). Elektromagnetvälja kirjeldavad Maxwelli võrrandid.
Rootor (rot E) on vektor, mis on parema käe rusikareegli kohaselt suunatud piki välja E jõujoontest moodustuvate pööriste telge. Rootor seda suurem (pikem), mida pööriselisem on väli tugevusega E (mida väiksema raadiusega kinnised jooned on välja E jõujooned).
Divergents (div D) on välja allikate (nende punktide, millest välja D jõujooned väljuvad) tihedus. Diver­ gents on skalaarsuurus. Ta on seda suurem, mida tugevam väljaallikas paikneb vaadeldavas punktis.
Maxwelli võrrandid: 1) rot E = B/t, ajas muutuv magnetväli (induktsiooniga B) tekitab elektrivälja, (tugevusega E) mille jõujooned ümbritsevad vasakpoolsete pööristena (seda näitab miinusmärk!) magnetvälja muutumise suunda, s.t. vektori ΔB või B suunda (Faraday induktsiooniseadus). 2) div B = 0, magnetväljal allikad puuduvad (jõujooned on alguse ja lõputa kinnised jooned). 3) rot H = D/t + j , nii ajas muutuv elektriväli (muutuv elektrinihe D) kui ka laengukandjate vahetu liikumine (mida kirjeldab voolutihedus j) tekitavad magnetvälja (tugevusega H), mille jõujooned ümbritsevad parempoolsete pööristena voolu (elektrivälja muutumise) suunda (kogu voolu seadus). 4) div D = , elektrostaatilise välja allikateks on elektrilaengut omavad kehad (Gaussi seadus). Suurus on elektrilaengu ruumtihedus ( = dq/dV).
Alalisvooluks nimetatakse elektrivoolu, mille tugevus ja suund ajas ei muutu.
Laengukandjate kontsent­rat­siooniks n nimetatakse vabade laengukandjate arvu aine ruumalaühiku kohta: n = N / V. Sellest N = n V , laengukandjate arv on kontsentratsiooni ja ruumala korrutis.
Voolutugevus I on esitatav ühe laengukandja laengu q, laengu­kandjate kont­sent­­ratsiooni n, suunatud liikumise kiiruse v ja juhtme ristlõike­pindala S korruti­sena I = q n v S .
Ohmi seadus: Voolutugevus juhis on võrdeline juhi otstele rakendatud pinge­ga: I = G U = U /R. Võrdetegurit G nimetatakse juhtivuseks, tema pöördväärtust R aga juhi takistuseks.
Juhi ta­kis­tus näitab, kui suure pinge rakendamisel juhi otstele tekib selles juhis ühikulise tugevusega vool: R = U / I . Takistuse mõõtühikuks on üks oom (1 ).
Üks oom on sellise juhi ta­kis­tus, mille otstele raken­datud pinge 1 V tekitab juhis voolu 1 A.
Takistiteks nimetatakse kindlat takistust omavaid juhte. Takisti takistus on reeglina palju suurem ühendusjuhtmete takistusest. Takistite jadaühenduse kogutakistuse leidmisel takistusi liide­takse. Rööpühenduse kogutakistuse leidmisel liidetakse takistuste pöördväärtusi.
Juhi takistus on võrdeline tema pikkusega ja pöördvõrdeline rist­lõike­pindalaga. Võrdeteguriks on aine eritakistus : R = l / S . Metallide takistust põhjustab laengukandjate vastastik­mõju võn­ku­vate ioonidega. Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem ioonid võnguvad ja seda suurem on metall­keha takistus. Metallkeha takistus on reeglina võrdeline temperatuuriga.
Aine eritakistus näitab, kui suur on sellest ainest valmistatud ühikulise pikkuse ja ühikulise ristlõike­pindalaga keha takistus. = R S / l . Aine eritakistuse ühikuks on üks oom korda meeter. 1 .m on sellise aine eritakistus, mille tükk pikkusega 1 m ja ristlõikepindalaga 1 m2 omab takistust 1 . Aine eritakistus on esitatav kujul = b / q2n , kus b on liikumise takistustegur laengukandjate suunatud liikumisel, q – ühe laengukandja laeng ja n – laengukandjate kontsentratsioon.
Takistuse (eritakistuse) temperatuuritegur näitab, kui suur on antud aine eri­takistuse suhteline muu­tus 0 0C juures tempera ­tuuri tõusmisel ühe kraadi võrra. = ( 0) /0 t. Sellest = 0 (1 + t). Takistuse temperatuuriteguri ühi­kuks on pöördkraad (0C) -1.
Ülijuhtivas olekus aine eritakistus on praktiliselt null. Ülijuhtivus on võimalik vaid allpool kriitilist temperatuuri Tk.
Joule'i-Lenzi seadus: Elektrivoolu toimel juhis eral­duv soojushulk Q on võrdeline voolu­tuge­vuse I ruuduga, juhi takistusega R ja voolu kestusega t : Q = I 2 R t .
Juhis tehtav töö on võrdeline voolutugevusega I, pingega U juhi otstel ja ajaga t : A = I U t .
Elektriseadme võimsuse saab esitada voolu­tuge­vuse ja pinge korrutisena N = I U . Kütteseadme või lambi takistus tööolukorras on leitav nimi­võimsuse N ja nimipinge U kaudu valemist R = U 2/N .
Üks kilovatt-tund (1 kW. h) on energia, mis ühe tunni jooksul eraldub seadmes võimsusega üks kilovatt. 1 kW. h = 3 600 000 J
Vooluallikaks nimetatakse seadet , mis muundab mitteelektrilist ener­giat elektrienergiaks. Voolu­allikas rakenduvad mitteelektri­lised jõud ehk kõrvaljõud.
Ohmi seadus kogu vooluringi kohta: I = /(R + r) või = I R + I r, voolutugevus ahelas on võrdeline elektromotoor­jõuga ja pöörd­võrde­line kogutakis­tuse­ga (r on vooluallika sisetakistus ).
Sisetakistus iseloomustab vooluallika sees laengukandjate suunatud liikumist pidurdavate jõudude toi­met. Pinge sisetakistusel Us = I r on mitte elektrijõu vaid just kõrvaljõu poolt tehtud töö ühikulise laengu läbiviimiseks vooluallikast.
Kahe keha omavaheline mahtuvus C näitab, kui suure laengu vii­mi­sel ühelt kehalt teisele tekib kehade vahel ühikuline pinge: C = q / U .
Keha mahtuvus näitab, kui suure laengu andmisel kehale tekib potentsiaali ühikuline muutus: C = q /. Ühe keha mahtuvusest räägitakse siis, kui teine asjaosaline keha on väga kaugel.
Üks farad (1 F) on sellise keha mahtuvus, millele tuleb anda laeng üks kulon, selleks et muuta tema potentsiaali ühe voldi võrra: 1 F = 1 C / 1V . .
Kondensaatoriks nimetatakse kehade süsteemi, mis on loodud mingi kindla mahtuvuse saamiseks. Kon­densaator koosneb kahest juhtivast plaadist ehk kattest, mille vahel paikneb dielektriku kiht. Kondensaatori mahtuvus C on tema katete omavaheline mahtuvus. Plaatkondensaatori mahtuvus on võrdeline katete pindalaga S, katetevahelise aine dielektrilise läbitavusega ja pöördvõrde­line katete vahekaugusega d : C = 0 S / d .
Elektrivälja energia kondensaatoris avaldub kujul Ee = C U 2/ 2 , kus C on kondensaatori mahtuvus ja U - tema pinge. Kuna U = E d , siis on elektrivälja energia võrdeline väljatugevuse ruuduga. See on analoogiline deformeeritud keha potentsiaalse energiaga Ep = k x 2/ 2.
Elektrivälja energia ruumtihedus (energia ruumalaühiku kohta) we= dEe /dV avaldub kujul we= 0 E 2/2 Välja energia on alati võrdeline välja jõu kaudu kirjeldava suuruse ruuduga.
Endainduktsiooni nähtus esineb juhul, kui juhis induktsiooni elektromotoorjõudu põhjustav magnet­voo muutus on tingitud voolu muutumisest juhis endas.
Juhi induktiivsus L näi­tab, kui suur endainduktsiooni elektromotoorjõud tekib selles juhis voolu ühikulisel muutu­mi­sel ajaühiku jooksul, L = – e / (I /t) või L = – e / (dI /dt ). Sellest e = – L dI/dt.
Ühe juhtmekeeru korral näitab induktiivsus magnetvoo muu­tust , mille tekitab selles keerus ühiku­line voolu muutus I : L = /I. Induktiivsuse ühikuks on üks henri (1 H).
Induktiivsus kirjeldab inertsi laengukandjate liikumisel vaadeldavas juhis (nagu mass mehaanikas ).
Üks henri (1 H) on sellise juhi induktiivsus, milles voolu muutumine kiirusega üks amper ühes sekun­dis kutsub esile endainduktsiooni elektromotoorjõu üks volt: 1 H = 1 V / (1 A/1 s) = 1 Wb / 1A.
Magnetvälja energia juhtmepoolis induktiivsusega L ja vooluga I avaldub kujul Em = L I 2/2 . See on analoogiline kineetilise energiaga Ek = m v 2/2 , mida omab liikuv keha massiga m ja kiirusega v.
Magnetvälja energia ruumtihedus (energia ruumalaühiku kohta) wm= dEm /dV avaldub kujul wm= 0 H 2/2 = B 2/2 0 .
Elektromagnetvõnkumiste käigus muutub laetud kondensaatori elektrivälja energia voolu magnetvälja energiaks juhtmepoolis ja vastupidi. Need muutused on peri­oodi­lised, kusjuures sumbumise puudu­misel omavõnkeperiood T = 2 (L C) 1/2 ning omavõnkesagedus o = 1 / (L C) 1/2. Sumbuvate elektromagnet­võnkumiste ringsagedus = (o2 2) 1/2 , kus sumbetegur = R / (2L).
Kvantväljateooria väidab, et igasugust välja edastavad osakesed. Välja olemus on täielikult määratud osa­kestega, mis seda välja edasi kannavad. Aineosakese olemust määrab omakorda viis, kuidas see osake seostub väljadega (millistes vastastikmõjudes ta osaleb). Protsesside esitamisel kasutatakse kvantvälja­ teoorias Feynmani diagramme (graafikuid aja ja ruumikoordinaadi teljestikus).
Välja jõudude mõjuulatus on määratud vastavat mõju vahendavate osakeste keskmise elueaga. Kuna footon ja graviton on stabiilsed (eluiga lõpmatu), siis ulatub elektromagnetilise ja gravitatsioonilise välja mõju välja tekitavast kehast teoreetiliselt kuitahes kaugele. Välja nõrgenemine pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga on kvantväljateooria järgi tingitud sellest, et mida suurem on välja tekitavat keha ümbrit­seva mõttelise sfääri pindala (4 r2), seda väiksem on tõenäosus vaheosakese jõudmiseks sfääri just sellesse punkti.
Aatomi planetaarmudeli kohaselt sarnaneb aatom Päikese­süs­teemiga. Päikese rollis on aatomi tuum, pla­ neetide osa täidavad tuuma ümber tiir­levad elektronid (laenguga e). Aatomi mõõtmed on suurus­järgus 10 -10 m = 1 Å (1 ongström), tuuma omad aga suu­rus­järgus 10 -15 m = 1 f (1 fermi ).
Tuuma moodustavad prootonid ja neutronid . Prootoni laeng on +e ja neutronil laeng puudub. Prootoni mass ületab ca 1836,1 korda ja neutroni mass 1838,7 korda elektroni massi (9,1.10 -31 kg). Aatomi mass koosneb peaaegu täielikult vaid tuuma massist.
Bohri aatomimudel eeldab, et planetaarne aa­tom omab kindla energiaga statsionaarseid ehk ajas muutu­ma­tuid olekuid. Statsionaarses olekus aatom elektromagnetlaineid ei kiirga (Bohri I pos­tulaat). Aatom kiirgab või neelab elektromagnetlaineid siirdel ühest statsionaarsest ole­kust teise (Bohri II postulaat ). Bohri aatomimudeli katseline alus on aatomi kiirgusspekt­ri joonte paiknemine seeriatena.
Kvantarvudeks nimetatakse arve, mis määravad mikroobjekti (aatomit, elektroni vms) kirjel­davate füüsi­kaliste suuruste väärtusi.
Balmer - Rydbergi valem määrab vesiniku aatomi kiirgusjoonte lainepikkused või kvandi energiad h f kujul 1/ = R’ h f = R R’ = 1,097 .107 m-1 või R = 13,6 eV nimetatakse Rydbergi konstandiks. nl ja na on täisarvud. Arv nl (lõppoleku kvantarv) määrab konkreetse seeria (näiteks Lymani seerial nl = 1, Balmeri seerial nl = 2 jne). Arv na (alg­oleku kvantarv) määrab antud joone seeria piires, kusjuures alati na > nl . Seeria lühilainelisele piirile vastab na = .
Elektroni impulsimoment Ln = m vn rn on Bohri mudelis Plancki nurkkonstandi ħ = h /(2) = 1,05 .10-34J.s täisarv-kordne: Ln = n ħ.
Aatomi energia on pöörd­võrdeline kvantarvu n ruuduga En = R /n 2
, kus R on Rydbergi kons­tant.
Elektroni orbiidi raadius on võrdeline kvantarvu n ruuduga: rn = r1 n 2, kus r1 on vesiniku aatomi põhioleku orbiidi raadius ehk Bohri raadius, r1 = 5,29 . 10 -11 m. Elektronorbiitidel on kindlad raadiused , sest elektronidel on laineoma­dused. Impulsiga p liikuval elektronil on ­lainepikkus = h / p (de Broglie valem). Elektronilaine ei tohi iseennast interferentsil kustutada , s.t. orbiidi pikkus 2r peab olema täisarv n lainepikkusi n .
Elektroni kiirus orbiidil on pöördvõrdeline kvantarvuga n : vn = v1 / n , kus v1 on elektroni kiirus põhiolekus, v1 = 2,18 . 10 6 m/s.
Siirdel ühest aatomi kvantolekust teise kiirgub või neeldub elektromagnetvälja kvant energiaga Eem= h f või Eem= ħ . Selle kvandi võnkesagedus fem omab aatomi alg ja lõppolekule omaste elektroni tiirlemis­sage­duste vahepealset väärtust (näiteks neeldumisel falg em lõpp).
Mitmeelektronilise aatomi korral iseloomustatakse elektroni kvantarvudega n, l, ml ja s.
Peakvantarv n määrab elektroni keskmise kauguse tuumast.
Orbitaalkvantarvu (ehk kõrvalkvantarvu) l poolest erinevad elektroni leiulained , mis on kind­la­viisiliselt sulustatud tuuma läbivale teljele (või: ringlevad ümber selle telje). Kvantarv l määrab elektroni orbi­taalse impulsimomendi vektori pikkuse: l= ħ [l (l + 1)]1/2
Orbitaaliks nimetatakse elektroni leiulaine kindlat kuju aatomis. Kvantarvu l suurenemise järje­korras tähistatakse orbitaale väikeste tähtedega s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2), f (l = 3) jne. Orbitaali tüübi järgi räägi­takse s-, p-, d- jne. elektronidest (tähe ees paikneb kvantarv n, näiteks 2p- või 3d- elektron).
Magnetkvantarv ml määrab orbitaallainete ringlemistelje (elektroni impulsimomendi vek­tori) asendi ruumis antud lainetüübi jaoks. Magnetkvantarv näitab, kui suur on elekt­roni orbi­taalse im­pulsimomendi vektori l projektsioon lz aatomile mõjuva magnetvälja suunale z . Selle projektsiooni pikkus (z-teljele) lz = ml ħ.
Kvantarvude võimalikud väär­tused on järgmised: n = 1, 2, 3, …; l = 0, 1, …, n 1 (täis­arvud 0 ja n 1 vahel); ml = l, … ,+l (täisarvud l ja +l vahel).
Spinnkvantarvu s võimalikud väärtused on ½ ja + ½. Need väljendavad elektroni spinni kahte võimalikku asendit magnetväljas (vastassuunaline ning samasuunaline).
Elektroni energia aatomis määrab eelkõige tema peakvantarv (keskmine kaugus tuumast). Orbitaal­kvant­arvu mõju on nõrgem ning magnet- ja spinnkvantarvu oma veelgi nõrgem.
Elektroni oleku (seisundi) määrab kvantarvude n, l, ml ja s kindel kombinatsioon.
Olekute kidumiseks nimetatakse olukorda, mil erinevates olekutes elektronidel on sama ener­gia. Aatomile mõjuv elektri- või magnetväli kaotab kidumise.
Tõrjutusprintsiip väidab aatomi kohta, et ühes ja samas aatomis ei saa olla kaht elektroni, mille kõik neli kvantarvu (n, l, ml ja s) langeksid kokku. Iga kindla arvukombinatsiooniga määratud “korterisse” (personaalsesse ruumi) mahub ainult üks elektron. Kolme esi­mese kvant­­arvuga (n, l, ml) määratud ruumi (teineteise sisse) mahub kaks elektroni, mille spinnid seejuures on vastandlike suundadega.
Kihiline elektron­kate kujuneb elektronide lisandumisel elektronkattesse nii, et nende energia oleks minimaalne ja tõrjutusprintsiibi nõue oleks täidetud. Kihi numbriks (tuuma poolt lugedes) on peakvantarv n, alakihi (orbitaali kuju) määrab kõrvalkvantarv l. Ühte elekt­ronkihti saab kuuluda maksimaalselt 2n2 elektroni.
Alakihtidest täitub enne see, millel summa n + l on väiksem. Kui n + l on võrdne, siis täitub enne see alakiht , millel n on väiksem (1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, ...)
Valikureeglid määravad aatomi kvantarvude muutumise siirdel. Nad väljendavad impulsi jää­vuse seadust. Valikureeglid on: L = 1, J = 1, 0 v.a. 0 0, S = 0 (vähem range).
Aatomi orbitaalse impulsimomendiL= ħ [L (L + 1)]1/2 määrab aatomi orbi­taalkvant­arv L, mille võima­likud väärtused kahe elektroni korral paiknevad l1+ l2 jal1 – l2vahel. Suurema arvu elektronide korral rakendatakse L väärtuste leidmisel korduvalt sama põhi­mõtet. Analoogiliselt on leitav aatomi spinnkvantarv S ja nii L kui S põhjal aatomi koguimpulsimomendi J = L + S kvantarv J.
Röntgenkiirgus on kas 1) pidurdus-, e. pärsskiirgus või 2) karakteristlik kiirgus. Pärsskiirguse spekter on pidev, karakteristlikul kiirusel aga diskreetne (kindlate sagedustega). Pärsskiirgus tekib kiirete elekt­ronide järsul pidurdumisel metallkehas (röntgenitoru anoodis).
Karak­te­­ristlik kiirgus tekib siis, kui röntgenitoru anoodi tabavad kiired elektronid löövad anoodi aatomite sisekihtidest omakorda välja elektrone. Tekkivad augud täidetakse väli­mis­test kihtidest pärinevate elektronidega, vabaneva energia viib ära röntgenikvant.
Moseley seadus väidab, et karakteristliku röntgenkiirguse sagedused on võrdelised anoodi ma­ter­jali laengu­arvu Z (järjekorranumbri) ruuduga. Kõige intensiivsema, K -joone kvandi energia avaldub valemiga hf = 3/4 R (Z - 1)2, kus R on Rydbergi konstant (13,6 eV).
Tuum on kerataoline suure tihedusega keha aatomi keskmes. Nukleone (prootoneid ja neut­roneid) seovad tervikuks tuumajõud. Need jõud on tingi­tud tugevast vastas­tikmõjust, mis on suuteline ületama proo­tonite elektrostaatilist tõuku­mist.
Tuuma seoseenergiaks Es nimetatakse energiat, mis tuleb tuumale anda selleks, et tuuma lõhku­da üksikuteks nukleonideks. Seoseenergiat mõõdetakse megaelektronvoltides (MeV). Seose­energia on seotud massidefektiga M kujul Es = M c2 .
Massidefekt M on nukleonide masside summa ja tuuma massi vahe. Massidefektile vastav energia ( seoseenergia ) vabaneb tuuma “kokkupanekul” üksikutest nukleonidest.
Tuuma eriseose­energiaks nimetatakse seoseenergiat ühe nukleoni kohta. Suurim eriseose­ener­gia on keskmise massiga tuumadel (massiarvuga 50 kuni 100). Seetõttu on ener­geetiliselt kasulikke tuumareaktsioone kahte liiki: a) raskete tuumade lõhustumine (nn. "harilik" tuumareaktsioon ) ja b) kergete tuumade süntees ( termotuumareaktsioon ).
Radioaktiivsuseks nimetatakse mingit liiki osakeste iseeneslikku kiirgumist tuumadest. Radio ­aktiivsuse põhiliikideks on -kiirgus (koosneb heeliumi tuumadest), -kiirgus (koosneb kiiretest elektronidest) ja -kiirgus (koosneb ülisuure energiaga elektromagnetkvantidest).
Radioaktiivse lagunemise seadus: N = N0 exp (-p t) = N = N0 exp (-t/) = N = N0 2-t/T, kus N0 on radioaktiivsete tuumade esialgne arv (ajahetkel t = 0), N tuumade arv hetkel t, p – vaadeldava tuuma lagunemise tõe­näosus ajaühikus, =1/p – nukliidi keskmine eluiga (aeg, mille jooksul tuumade arv väheneb e korda) ja T poolestusaeg . = T / ln 2.
Poolestusajaks nimetatakse aega, mille jooksul vaadeldavate radioaktiivsete tuumade arv väheneb kaks korda (pooleni esialgsest).
Radioaktiivse preparaadi aktiivsus näitab selles preparaadis ajaühiku jooksul lagunevate tuumade arvu. Aktiivsuse SI-ühik on bekkerell (1 Bq) – üks lagunemine sekundis.
Kiirguse doosiks D nimetatakse kiirgusenergiat, mis neeldub aine massiühikus D = E/m .
Üks grei (1Gy) on doos , mille korral 1 kg aines neeldub kiirgusenergia 1 J. 1Gy = 1 J /1 kg.
Biodoos (ekvivalentne kiiritusdoos ) näitab kiirguse bioloogilist toimet. Biodoosi ühikuks on siivert (1 Sv). Röntgen-, - ja - kiirguse korral vastab neeldumisdoosile 1 Gy biodoos 1 Sv. Neut­ron- ja -kiirguse korral vastab aga neeldumisdoosile 1 Gy biodoos 3-10 Sv. Surmavaks biodoosiks loetakse 5 Sv.
Doosi võimsus PD näitab ajaühiku jooksul saadavat doosi. PD = D/t. Loodusliku foonina saab inimene pidevalt kiirgust, mille biodoosi võimsus on ligikaudu 0,1 Sv/h. Meditsiinilistel protseduuridel (näiteks fluorograafis) võib saada keskeltläbi teist samapalju lisaks.
Optika on füüsika osa, mis uurib valguse tekkimist (ehk kiirgumist), levimist ja kadumist (ehk neeldumist). Inimlik ettekujutus valgusest on siiani dualistlik ( kahene ): kiirgumisel ja neeldumisel käitub valgus nagu osakeste (kvantide) voog, levimisel aga nagu laine (elektromagnet­laine).
Elektromagnetlainete skaalal paiknevad sageduse suurenemise (lainepikkuse kahanemise) järjekorras raadiolained , infravalgus , nähtav valgus, ultravalgus , röntgenikiirgus ja gammakiirgus. Optika uurib seda osa elektromagnetlainete skaalast, mille korral tuleb arvestada nii laine- kui ka osakese-omadusi ( infra -, nähtav ja ultravalgus ning röntgenikiirgus).
Valguse spektraalparameetrid on lainepikkus (vaakumis) , sagedus f (f = c/), spektroskoopiline lainearv k’ (k’ = 1/, levinuim ühik 1 cm-1) ja kvandi energia h f (ühik 1 eV). Laine­pikkus ja kvandi energia on omavahel seotud valemiga (nm) = 1240 / h f (eV).
Geomeetriline optika ehk kiirteoptika on optika osa, mis tugineb ettekujutusele valgus­kiirtest. Geomeetri ­line optika on laineoptika piirjuht, mil lainepikkust võib lugeda nulliks.
Valguse peegeldumisseadus väidab, et kahe keskkonna lahutuspinnale langev kiir, sellelt pee­geldunud kiir ja langemispunktist tõmmatud pinnanormaal paiknevad ühes ja samas tasandis . Peegeldumisnurk võrdub langemisnurgaga . Füüsikas mõõdetakse langemis- ja peegeldumisnurka alati pinnanormaali suhtes (mitte pinna enda suhtes!)
Valguse murdumisseadus väidab, et langev kiir, murdunud kiir ja pinna­normaal langemispunktis paikne­vad ühes ja samas tasandis. Lan­ge­misnurga ja murdumisnurga siinuste suhe on konstant, mida nimetatakse teise keskkonna murdumisnäita­jaks esi­mese suhtes (n21). Seega sin / sin = n21. Aine murdumisnäitajat vaakumi suhtes nimetatakse selle aine absoluutseks murdumisnäitajaks n .
Valguse murdumist põhjustab valguse levimiskiiruse muutus üleminekul ühest keskkonnast teise. Murdumisnäitaja on tegelikult valguse levimiskiiruste suhe n21 = v1/v2 , kus v1 on valguse kiirus esimeses ja v2 - teises keskkonnas. Absoluutne murdumis­näitaja n = c/v. Kehtib ka n21 = n2/n1, kus n1 ja n2 on vastavate keskkondade absoluutsed murdumisnäitajad.
Maxwelli valem väidab, et aine absoluutne murdumisnäitaja n on võrdne ruutjuurega selle aine dielekt ­rilisest läbitavusest : n = 1/2. Aine optilised omadused on määratud elektrilistega.
Täieliku peegelduse korral valgus ei lähegi teise keskkonda. Täielik peegel­dus toimub langemisnurkade korral, mis on suuremad nn. piirnurgast p = arcsin n21. Kui teiseks keskkonnaks on õhk või vaakum , siis p = arcsin (1/n), kus n on esimese keskkonna murdumisnäitaja.
Fermat ’ printsiip väidab, et valgus levib ühest punktist teise piki sellist teed, mille läbimiseks kuluv aeg t on minimaalne. Kuna t = s/v ja v = c/n, siis t = ns/c, kus s on valguse poolt läbitav teepikkus. Korrutist ns nimetatakse optiliseks teepikkuseks. See on vahemaa , mille valgus läbiks vaakumis, kui ta läbib aines tegelikult pikkuse s. Mitte­homogeen­ses keskkonnas tuleb integreerida üle teepikkuse: t = (1/c) ∫ n ds.
Laineoptika uurib nähtusi, mille korral valgus käitub lainetusena. Need on eelkõige inter­ferents, difrakt­sioon ja polarisatsioon .
Valguse interferents on valguslainete liitumine, mille tulemusena toimub lainete energia üm­ber­jaotumine ruumis. Seal, kus langevad kokku kahe laine harjad , tugevdavad lained vastastikku teineteist (tekib interferentsi maksimum, energiat on keskmisest rohkem). Kus aga langevad kokku ühe laine hari ja teise nõgu, kustutavad lained teineteist (tekib interferentsi miinimum, energiat on keskmisest vähem). Selektiivselt (kindla lõpptule­musega) võivad interfereeruda vaid koherentsed lained.
Koherentseteks nimetatakse laineid, mille faasivahe ei muutu. Kaks lainejada on koherentsed, kui 1) neil on sama sagedus või lainepikkus (monokromaatsuse nõue) ja 2) neis ei esine kooskõlatuid katkestusi ( pidevuse nõue).
Valguse difraktsioon on valguslainete kõrvalekalle sirgjoonelisest levimisest (levik geomeet­rilise varju piir­konda, tõkke või ava ääre taha). Difraktsioon on hästi jälgitav, kui tõkke või ava mõõtmed on lainepikkusega samas suurus­järgus.
Tasalaine difraktsioonil ühelt pilult tekib esimene miinimum kaldenurga korral, mis rahul­dab tingimust sin = / b, kus on kasutatava valguse lainepikkus ja b - pilu laius.
Difraktsioonivõre on ühesugustest korrapäraselt paiknevatest piludest koosnev süsteem. Naa­ber­pilude vastavate äärte vahekaugust nimetatakse võrekonstandiks d. d = a + b, kus b on pilu laius ja a – piludevahelise ala laius. Nurk , mille võrra difraktsioonivõret läbiv valgus oma esialgsest suunast kõrvale kaldub, on määratud selle valguse lainepikkusega: d sin = n , kus n on täisarv (spektri järk). Seetõttu kasutatakse difraktsioonivõret dispergeeriva (valgust spektriks lahutava) seadmena.
Röntgenstruktuuranalüüs on meetod aatomite ruumilise paigutuse ning nende omavaheliste kauguste määra­miseks tahkise kristallvõres, mis toimib pealelangeva röntgenkiirguse suhtes difraktsiooni­võrena. Aatomtasandite vahekaugused määratakse röntgenkiirguse lainepikkusega võrdlemise teel.
Valguse polarisatsioon on E- või B-vektori võnketasandi kindel paigutus valguslaines.
Polarisaator on seade, mis laseb läbi vaid kindlaviisiliselt polariseeritud valgust.
Lineaarselt polariseeritud valguse korral võngub E-vektor valguslaines ühes kindlas tasandis.
Ringpolariseeritud valguse korral pöördub väljavektor igal võnkel täisringi võrra. Vaadates piki valguse levimissuunda näib väljavektori lõpupunkt liikuvat piki ringjoont.
Elliptiliselt polariseeritud valguse korral muutub perioodiliselt mitte ainult väljavektori asend vaid ka pik­kus. Väljavektori lõpupunkt näib liikuvat piki ellipsit.
Valgus polariseerub tavaliselt kas a) peegeldumisel ja murdumisel või b) kaksikmurdumisel. Valguse peegeldumisel dielektriku pinnalt on murdunud valgus polariseeritud eelistatult langemistasandis, peegeldunud valgus aga sellega ristuvas tasandis.
Kaksikmurdumine on nähtus, mille korral valguse üleminekul ühest keskkonnast teise tekib kaks erinevat valguslainet, mis levivad erinevate kiirustega. Need on nn. tavaline (ordi­naarne) valguslaine kiirusega vo ja murdumisnäitajaga no = c/vo ja ebatavaline laine (ve
ja ne). Tavaline ja ebatavaline valguslaine on polariseeritud omavahel ristuvates tasandites. Kaksikmurdu­mist põhjustab murdva aine an­isot­roopia – elektriliste ja opti­liste omaduste sõltuvus suunast.
Polarisatsioonitasandi pöördumine on nähtus, mille korral lineaarselt polariseeritud valgus­laine kaks komponenti (üks vasakule ja teine paremale ringpolariseeritud) levivad aines veidi erinevate kiirustega (esineb nende kaksikmurdumine). Selle tulemusena valguse polari­satsioonitasand pöördub kiiremini leviva komponendi suunas. Aineid, mis pööravad valguse polarisatsioonitasandit, nimetatakse opti­li­selt aktiivseteks .
Polarimeetria on meetod aine molekulide struktuuri määramiseks ainet läbiva (või sellelt pee­geldunud) valguse polarisatsiooniomaduste muutumise põhjal.
Valguse dispersiooniks antud aines nimetatakse selle aine murdumisnäitaja sõltuvust valguse laine­pikkusest või sagedusest. Dispersioon on põhjustatud elektromagnetlainete vastas­tik­mõjust aines võnkuvate laetud osakestega. Elektromagnetlaine toimib selle võnkumise suhtes sundiva jõuna (esineb resonants). Kuna n = 1/2 ja kehtib seos = (0) r2/(r2
2) siis on aine dielektriline läbitavus ja murdumis­näitaja n resonantssagedusel r määramatud. Laetud osakesed võivad võnkuda kui: 1) vabad laengukandjad ( juhtivuselektronid ), 2) seotud laengukand­jad (valentselektronid), 3) ioonid ioon ­kris­ tallis . Vastavad resonantssagedused määravad dispersiooni­kõvera n = n () kuju.
Valguse neeldumine on valguse intensiivsuse vähenemine aines kiirgusenergia üleminekul teisteks energia­liikideks.
Bouguer’i seadus väidab, et neeldumisel väheneb valguse intensiivsus aines eksponentsiaal­selt I = I0 e- l kus I on valguse intensiivsus kaugusel l pinnast. I0 on pinnale langeva valguse intensiivsus ja - neeldumistegur (neeldumiskoefitsient).
Aine neeldumistegur näitab naturaallogaritmilises skaalas, kui mitu korda väheneb val­guse intensiivsus selle aine ühikulise paksusega kihi läbimisel. Aine neeldumistegur on 1 cm-1, kui selle aine 1 cm paksuse kihi läbimisel väheneb valguse intensiivsus arv e (2,7183) korda.
Aine värvuse määrab aine neeldumisspekter. Selle valguse värvus, mida aine ei neela vaid peegeldab, hajutab või laseb läbi, ongi antud aine värvus.
Fotoefektiks nimetatakse vabade laengukandjate tekkimist valguse toimel. Fotoefekt esineb vaid juhul, kui valguse footoni (kvandi) energia h f on piisavalt suur laengukandja vabastamiseks.
Välisfotoefekti korral lööb valgus metalli pinnast välja elektrone. Välisfotoefekti kirjeldab Einsteini valem h f = Av + mv2/2 , mille kohaselt footoni energia h f läheb elektroni väl­ju­mistöö (Av) tegemiseks ja elektronile kineetilise energia (mv2/2) andmiseks .
Sisefotoefekti korral tekib footoni energia arvel pooljuhis elektron-auk-paar. Pool­juhi elektri­juhtivus seeläbi suureneb. Elektron väljub vaid keemilisest sidemest, aga mitte kehast.
Auguks nimetatakse elektroni puudumist pooljuhi keemilises sidemes .
Keelutsoon on selline elektroni energia väärtuste piirkond, millele vastavad elektronolekud pole stabiilsed, sest vastav elektronilaine hakkaks iseennast kustutama.
Keelutsooni laius on minimaalne elektron-auk paari tekitamiseks (ühe keemilise sideme katkestamiseks) vajalik energia (minimaalne energia, millega saab ühe sidemeelektroni muuta juhtivuselektroniks).
pn-siirdeks nimetatakse pooljuhi piirkonda, milles üks juhtivustüüp asendub teisega . n-piirkonnas on ena­mus-laengukandjateks elektronid, p-piirkonnas augud.
Ventiil -fotoefekti korral tekivad elektron-auk-paarid pooljuhis pn-siirde alas. Siirde elektriväli viib elek­t­roni ja augu lahku, mistõttu pooljuhitüki otste vahel tekib pinge. Siire hakkab toi­mima vooluallikana, mis muundab valgusenergiat elektrienergiaks.
Optoelektroonika tegeleb optilise ja elektrilise energia vastastikuse muundamisega. Levinu­mad optoelekt­roonikaseadmed on valgusdiood (päripingestatud pn-siire, mis elektri­ener­gia arvel kiirgab valgust), pooljuhtlaser (laserina töötav valgusdiood) ja fotorakk (pn-siire, mis ventiil-fotoefektil muundab valgusenergiat elektrienergiaks).
Laetud osakeste võnkumisel tekkiva valguse intensiivsus on võrdeline võnkesageduse neljan­da astmega: I = const 4.
Soojuskiirguseks nimetatakse optilist kiirgust, mis tekib soojusliikumise energia arvelt. Kui keha tempera­tuur on väliskeskkonna omast kõrgem, siis see keha kiirgab, vastupidisel juhul aga neelab soojus­kiirgust. Soojuskiirgus on tasakaaluline (suurema energiaga taseme hõivatus on alati väiksem).
Kirchhoffi seadus väidab, et keha soojusliku kiirgamis - ja neelamisvõime suhe on kindlal laine­pik­ku­sel ja temperatuuril konstantne. Seda konstanti nimetatakse absoluutselt musta keha kiirgusvõimeks.
Absoluutselt must keha ehk mustkiirgur on keha, mille neelamisvõime on 1 (neelab kogu langenud valguse). Absoluutselt musta keha kiirgusvõime ületab antud temperatuuril kõigi teiste kehade kiirgus­võimet. Mida rohkem keha suudab neelata, seda rohkem ta suudab ka kiirata.
Stefan-Boltzmanni seadus väidab, et absoluutselt musta keha integraalne kiirgusvõime (ajaühikus keha pin­naühikult kõigis suundades väljuva kiirguse energia) on võrdeline keha absoluutse temperatuuri nel­janda astmega. K = T 4. Suurus on Stefan-Boltz­manni konstant = 5,7 . 10 –8 W/(m2 K4).
Wieni nihkeseadus väidab, et absoluutselt musta keha kiirgusspektri maksimumi lainepikkus on pöörd­võrdeline absoluutse temperatuuriga m = b/T . Suurus b on Wieni konstant b = 2,9 . 10 –3 m .K = 2900 m.K. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda lühilainelisem (seda suurema kvandi ener­giaga) on keha soojuskiirgus.
Luminestsents on mittetasakaaluline ja külm kiirgus (kõrgema energiataseme asustatus võib olla suurem madalama taseme omast ning kiirguse tekkeks vajalik energia ei tule soojusliikumisest). Energia and­mist luminestseeruvale kehale nimetatakse luminestsentsi ergastamiseks. Energia mittekiirguslikku eraldu­mist enne ja pärast kiirgusprotsessi nimetatakse relaksatsiooniks. Relaksatsiooni ­ kestuse järgi jaguneb luminestsents fluorestsentsiks (relak­satsiooniaeg lühike, ca 10 ns) ja fosforestsentsiks ( relaksatsiooniaeg pikk).
Pöördhõive on olukord kvantsüsteemis, mil ülemise energiataseme asustatus on alumise tase­me asustatusest suurem (on palju kiirgamiseks valmis aatomeid).
Optiline resonaator koosneb kahest peeglist, millest üks on osaliselt läbilaskev. Korduvalt pee­geldudes läbib valgus resonaatorit palju kordi ja stimuleeritud kiirguse tekkimise tõe­näosus suureneb. Peeglite vahekaugus tingib vajaliku laine­pikkusega seisulaine tekke.
Laser on seade stimuleeritud kiirguse saamiseks. Laseri korral tekitatakse pöördhõive optilisse resonaa­to­risse paigutatud aines. LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse kaudu.
Laserikiirgusele on omane: 1) ülikõrge monokromaatsus, 2) kiirte üliväike lahknevus ja 3) väga suur võimsus. Laser suudab seda, mis tavalisele valgusallikale on võimatu.
Lainejada väljendab ettekujutust üksikust footonist. Lainejada veidi erinevate sagedustega kom­ponendid interfereeruvad, moodustades lainepaketi.
Valguse faasikiirus vf on kiirus, millega liigub lainepaketi eesmine äär (lainefront). Faasi­kiirust on eespool nimetatud lihtsalt lainete kiiruseks vf = / T = f = 2 f / (2 / ) = / k.
Valguse rühmakiirus (grupikiirus) vr on kiirus, millega levib rühm kõige intensiivsemaid laineid laine­paketi keskkohas. Rühmakiirusega liigub footon kui osake (levib valguse energia). Rühmakiirus on leitav dispersiooniseose = (k) diferentseerimisel: vr = d /dk .
Dispersiooniseos on osakese-mudelis objekti energia E sõltuvus tema impulsist p. Lainemudelis on see aga laine nurksageduse sõltuvus lainearvust k. Kuna E = ħ ja p = ħ k siis väljendub dispersiooniseo­ses selgesti dualismiprintsiip (osakese- ja lainemudeli põhimõtteline samaväärsus). Dispersiooniseose tuletis määrab objekti kiiruse v.
Kvantmehaanika (QM – Quantum Mechanics) on õpetus mikroobjektide liikumisest, mis toimub ühevõrra nii osakese kui laine liikumisena. Kvantmehaanika arvestab, et:

aineosakestel on laineomadused (osake käitub de Broglie lainena, millel = h/p) ja

osakeste käitumine on tõenäosuslik (seda ei saa täpselt ette näha).
Suuruseks, mis muutub osakese-laines, on tõenäosus osakese asetsemiseks antud ruumiosas. Laine ampli­tuudi A ruut võrdub tõenäosuse tihedusega, mille saame, jagades tõenäosuse P osakese paikne­miseks ruumi mingis osas selle osa ruumalaga V A2 = P/V või koguni A2 = dP/dV. Seetõttu võib mikroosakese liikumisega kaasnevaid laineid nimetada leiulaineteks.
Määra­matuse seosed: 1) px . x ~ ħ , osakese impulss ja koordinaat ei ole üheaegselt määratud ja
2) E . t ~ ħ, kvantoleku energia ja eluiga ei ole üheaegselt määratud. Kui määramatusseoses esineb Plancki konstant h (mitte ħ !), siis tähendab määramatusseos kujul px . x
h väidet, et ühe pilu di­fraktsiooni katses ei saa elektronidele “keelata” sattumist kõrvalmaksimumidesse. Antud konkreetse pilu laiuse x korral loetakse kõik peamaksimumisse sattuvad elektronid veel otse liikuvateks (px . x on neile väiksem, kui h ja vaid kõrvalmaksimumidesse sattuvatel elektronidel on see h-st suurem). Kui määramatusseo­ses esineb Plancki nurkkonstant ħ, siis on otse liikumises nii lubatud kõrvalekalle 2 korda väiksem.
Määramatuse seos impulsi ja koordinaadi vahel väljendab mikroobjekti osakese- ja laine­mudeli vahe­korda. Kui objekti impulss ja lainepikkus on täpselt teada (px = 0, laine piirjuht), siis ei saa rääkida asukohast (x = , kogu ruum on lainet “täis”). Kui aga objekti asukoht on täpselt teada (osakese piirjuht), siis ei saa määrata lainepikkust ega impulssi (objekti edaspidine saatus on prognoosimatu).
Määramatuse seos energia ja aja vahel väljendab energiatasemete lõplikku laiust. Kiirguva kvandi energia on täpselt määratud (E = 0) vaid siis, kui kiirgumine kestab kui­tahes kaua (t = ). Energia jäävuse seadus võib aja t jooksul olla E ~ ħ /t võrra rikutud.
Lainefunktsiooniks nimetatakse mikroosakese leiulainet kirjeldavat funkt­siooni. Piki x-telge liikuva osa­ kese korral: = A cos ( t – k x) või komplekskujul = A exp [i( t – k x)]. Lainefunktsioon on Schrödingeri võrrandi lahendiks .
Schrödingeri võrrand kirjeldab kvantmehaanikas mikroosakese liikumist (nagu seda klassikalises mehaa­nikas teevad Newtoni seadused). Schrödingeri võr­rand on energia jäävuse seadus: EΣ = Ek + Ep ehk kvantmehaanikas levinud tähistusviisi kohaselt E = T + U ehk ħ = ħ 2k2/(2m) + U.
Kineetiline energia esitatakse kvantmehaanikas impulsi p või lainearvu k kaudu kujul Ek = m2v2/(2m) = p2/(2m) = ħ 2k2/(2m). Osakese impulss on võrdeline lainearvuga: p = h / = (h /2) (2 /) = ħ k.
Schrödingeri võrrand piki x-telge liikuva osakese jaoks: (ħ/i) (/t) = (–ħ 2/2m) (2/x2) + U. Aatomis paiknev elektron käitub seisulainena ja Schrödingeri võrrand ei sõltu ajast: (– ħ 2/2m) + U = E. Seejuures = 2/x2 + 2/y2 + 2/z2 ( Laplace 'i operaa­tor). Avaldist (– ħ 2/2m) + U nimetatakse Hamiltoni operaatoriks ehk hamiltoniaa­niks (tähis Ĥ)
Operaatoriks nimetatakse eeskirja toiminguteks, mis tuleb teostada operaatori järel tuleva avaldisega (seda nimetatakse operaatori rakendamiseks). Näiteks ajalise tuletise operaatori (../t) rakendamisel laine­funktsioonile saame seose (../t ) = i , mida nimetatakse omaväärtusvõrrandiks. Selle pare­mas pooles lainefunktsiooni ees seisvat suurust (i) nimetatakse kasutatava operaatori oma­väär­tuseks. Omaväärtusvõrrandit rahuldavat lainefunktsiooni nimetatakse omafunktsiooniks. Seega on aatomi (vm. kvantsüsteemi) ajas muutumatu ehk statsionaarse oleku Schrödingeri võrrand Ĥ = E omaväärtusvõrrand. Hamiltoni operaatori omaväärtusteks on süsteemi energia väärtused.
Diraci võrrand on selline Schrödingeri võrrand, mis kirjeldab ka relativistlikke (absoluutkiirusele lähe­daste kiirustega liikuvaid) osakesi või laineid. Diraci võrrandi korral asendub kineetiline energia ha­miltoniaanis, s.t. liige (– ħ 2/2m) liikmega ±[– ħ 2c2 2 + m02c4]1/2, kus –ħ 2 2 on uuritava objekti impulsi ruut. Negatiivne kineetiline energia viitab antiosakesele (siit saadigi idee positroni otsimiseks). Seega Diraci võrrand: (ħ/i) (/t) = ±[– ħ 2c2 2 + m02c4]1/2 + U .
Osakest ühemõõtmelises potentsiaaliaugus kirjeldav Schrödingeri võrrand (–ħ 2/2m) (2/x2) + U = E on teisendatav kujule (2/x2) + 2m (E – U) / ħ 2 = 0, mis juhul U = 0 (potentsiaaliaugu sees) kirjeldab seisulainet lainearvuga k = (2mE) 1/2/ ħ. Barjääri alas (seal, kus osakese energia E on väik­sem barjääri ületamiseks vajalikust potentsiaalsest energiast U), on suurus 2m (E – U) / ħ 2 nega­tiivne ja võrrand kirjeldab osakese leiulaine amplituudi kahanemist neeldumistegu­riga = 2m (U – E)1/2/ ħ seaduse A = A0 e- x järgi (analoogiliselt valguse neeldumisseadusega, x - kaugus barjääri servast).
Elektronmikroskoop on seade esemest kujutise saamiseks elektronilainete abil, mille lainepikkust saab kiirenduspinge U tõstmise teel vähendada, sest = h /(2meU)1/2. Relativistlikult = hc /(E – Er)1/2.
Rastermikroskoobis teravustatakse elektronkiir objekti pinnale mikrotäpiks ja seda täppi nihu­tatakse rida-realt üle uuritava pinna. Sellist protseduuri nimetatakse skaneerimiseks. Kujutise saamine toimub seega mitte objekti osadest samaaeg­selt vaid järgemööda.
Tunnelefektiks nimetatakse mikroosakese läbiminekut potentsiaalibarjäärist. Potentsiaali­bar­jäär on makro­keha jaoks läbimatu sein, milles toimub osakese leiulaine amplituudi A eks­ponentsiaalne kahane­mine. Kui sein on piisavalt õhuke, siis võib laine amplituud seinas mitte langeda nullini. See aga tähendab, et laine läheb mingi tõenäosusega seinast läbi.
Tunnelmikroskoobis skaneeritakse objekti selle pinna ligidal hoitava ülipeene teravikuga. Elektronid lähevad tunnelefekti vahendusel pinnalt teravikule. Seda üleminekut registree­ritakse kui elektrivoolu (nn. tunnelvoolu). Teraviku üles-alla liikumine kordab pinna profiili, mille kujutis jõuab niimoodi kuvari ekraanile .
Kvantmehaanika tõlgendused on erinevad vastused küsimusele: Millisel viisil realiseerub kvantmehaani­line juhuslikkus? Ehk teisiti: Millisel hetkel saab kvantmehaanilise tõenäosusega lubatud võimalik­kus tegelik­kuseks? On kaks peamist rühma tõlgendusi:
Einsteini kontseptsioon väidab, et juhuslikkust polegi. Kvantmehaanika on lihtsalt halb teooria (võimetu määrama varjatud parameetrit). Einstein: Jumal ei mängi täringuid! (God does not play dice!)
Bohri kontseptsioon ehk Kopenhaageni tõlgendus – füüsikalise reaalsuse moodustu­misel osaleb ka vaat ­leja ise. Võimalikkus saab tegelikkuseks vaatluse hetkel. Seni, kuni vaatlust (eksperimenti) pole teos­ta­tud, on veel kõik võimalik. Bohr : Inimesed ei saa Jumalale dikteerida, mida Ta tohib ja mida mitte.
Schrödingeri kass on Schrödingeri poolt kvantmehaanilise juhuslikkuse kritiseerimisel esitatud arutlus: Kass on kinnisesse kasti pandud koos põrgumasinaga (seadmega, mis tapab kassi). Põrgu­masina käivitumine on kvantmehaaniliselt juhuslik. Tõenäosus, et põrgumasin käivitub mingi kindla aja (näiteks ühe tunni) jooksul, on 50 %. Millisel hetkel sureb kass? Einstein vastab: see hetk on kindel, aga inimene ei suuda seda ära arvata. Kassi saatus otsustati hetkel, mil ta pandi kasti (anti tundmatu ohtliku loodusjõu mõjuvalda). Bohr vastab: Kassi saatus otsustatakse hetkel, mil kast avatakse. Kasti avaja on otsustamisel osaline (mingitpidi süüdlane kassi surmas).
Einsteini-Podolsky-Roseni (EPR) paradoks on Einsteini poolt kvantmehaanilise juhuslikkuse kritiseeri­misel esitatud arutlus: Kaks osakest, mis moodustavad ühtse kvantsüsteemi, viiakse ruumis lahku. Olgu süsteemi summaarne spinn null (tegemist on bosoniga). Kui ühe osakesega teostatud katsest näiteks selgub , et tema spinn on ½, siis peab teise osakese spinn olema automaatselt – ½. Seega: ühe osakesega teostatud katse määrab teise (võib-olla väga kaugel paikne­va) osakese omadused. Osakeste vahel eksisteerib õudne (valgusest kiiremini leviv) kaugmõju, mille vahendusel toimuvat infovahetust nimetatakse kvantteleportatsiooniks ja mida absoluutkiiruse printsiibi põhjal ei tohi omavahel lahutatud objektide jaoks olemas olla. Viimase 20 aasta jooksul teostatud katsed on aga üha selgemini näidanud, et see kaugmõju on tõe­poolest olemas. Nende katsete tulemused tõestavad, et maailm on holistlik (objektid võivad olla omavahel seotud hoolimata suurtest aegruumilistest vahekaugustest).
Temperatuur T on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha (süsteemi) soojusastet. Soojematel kehadel on kõrgem temperatuur. Tempe­ratuuri SI-ühikuks on kelvin (1 K). Kraadi pikkus Celsiuse ja Kelvini temperatuuri­skaala­des on sama, erineb vaid nullpunkt: 0 0C = 273 K. Absoluutsele nullile (T = 0 K) vastab soojusliikumise peatumine. Temperatuurile vastav mikroparameeter on ühe osakese (molekuli) keskmine kineetiline energia.
Gaas , vedelik ja tahkis erinevad molekulide omavahelise kauguse ja liikumisvabaduse poolest. Gaasis on molekulide keskmised vahekaugused tunduvalt suuremad molekulide mõõtmetest. Vedelikus ja tahki­ses on molekulide vahekaugused mõõtmetega samas suurusjärgus. Vedelikus on molekulide liikumisvabadus gaasiga võrreldes väiksem ( suvaline molekul ei saa vedelikust lahkuda) ja tahkises veelgi väiksem (aatom või ioon ei saa lahkuda kristallvõre sõlmest).
Soojus on energia liik. Kui see energia läheb ühelt kehalt teisele, siis räägitakse ülekantavast soojushulgast Q. Soojushulga ühikud: 1 cal ( kalor ) = 4,186 J.
Soojusvahetus kehade vahel võib toimuda kas 1) vahetul soojusülekandel (molekulipõrgete vahendusel), 2) konvektsiooni teel (nii, et soe gaas tõuseb ülespoole ja külm laskub raskusjõu mõjul alla) või 3) elekt­romagnetilise soojuskiirguse (sisuliselt – välja) vahendusel (üldiselt efektiivseim variant).
Keha soojusmahtuvus C näitab, kui suur soojushulk tuleb sellele kehale anda, et tõsta tema temperatuuri ühe kraadi võrra. C = Q / T . Soojusmahtuvuse SI-ühikuks on J / K.
Aine erisoojus c näitab, kui suur soojushulk tuleb anda selle aine ühikulise massiga kogusele, et tõsta tema temperatuuri ühe kraadi võrra. c = Q / (m T) . Erisoojuse SI-ühikuks on J / (kg K) . Seega ülekantav soojushulk Q = c m T ja keha soojusmahtuvus C = c m .
Aine moolsoojus on ühe mooli selle aine soojusmahtuvus.
Gaasi töö paisumisel avaldib kujul A = p V. Diferentsiaalselt väike töö dA = p dV . Süsteemi poolt tehtavat tööd loetakse paisumisel positiivseks ja kokkusurumisel negatiivseks (positiivset tööd teeb süsteemi kokku suruv välisjõud).
Termodünaamika (TD) uurib soojusnähtusi, tundmata huvi nende põhjuse vastu mikrotasemel . Ta uurib eelkõige tingimusi, millel soojus võib minna ühelt kehalt teisele. Kaks keha (ainekogust) on termo ­dünaamilises tasakaalus, kui soojus ühelt teisele ei lähe (ehkki võiks minna). Kui kaks keha on TD tasakaalus, siis on neil sama temperatuur.
Keha või ainekoguse (TD süsteemi) siseenergia U on tema osakeste summaarne energia nende vastastiku­sel liikumisel ja mõjustusel. Ideaalgaasi siseenergia on võrdeline tema temperatuuriga: U = const . T, Näiteks ühe mooli ideaal­gaasi siseenergia U = NA Ek = NA (i/2) k T = (i/2) R T, kus i on gaasimole­kuli vabadus­astmete arv.
Universaalne gaasikonstant R = 8,31 J / (K mol) näitab tööd, mida teeb üks mool ideaalgaasi, paisudes isobaariliselt nii palju, et tema temperatuur tõuseb ühe kraadi (1 K) võrra.
Termodünaamika I printsiip : kehal või ainekogusel olemasoleva soojushulga Q kasv Q (juurde antud soojushulk) põhjustab siseenergia kasvu U ja võimaldab paisumisel teha tööd A = p V. Seega Q = U + p V, diferentsiaalkujul dQ = dU + p dV. TD I printsiip on oma olemuselt energia jäävuse seadus. Töö tegemiseks peab kulutama energiat (kas soojust või siseenergiat).
Entroopia S on termodünaamilise süsteemi olekuparameeter, mis kirjeldab energia pöördumatut hajumist soojus­nähtustel. Entroopia nulltase on meelevaldne, oluline on vaid muutus. Entroopia diferent­siaal­ne muutus avaldub kujul dS = dQ / T . Entroopia ühikuks on 1 J/K. Entroopia on süsteemi korrasta­matuse mõõt. Kuna dQ = T dS, siis suurendab süsteemile mingi soojushulga andmine alati süs­teemi kuuluvate osakeste liiku­mise või paigutuse kaootilisust (entroopiat).
Osakeste paigutuse termodünaamiline tõenäosus w on entroopiale vastav mikro­parameeter. Seejuures kehtib seos S = k ln w. Kui osa­keste paigutuse korrastatus on kõrge, siis tõenäosus w sellise seisundi juhuslikuks tekkimiseks on väike ning ka entroopia on väike.
Termodünaamika II printsiip: soojust ei ole kunagi võimalik muuta täielikult tööks.
TD II Thomsoni järgi: Ei ole võimalik luua perioodiliselt töötavat soojusmasinat, mille tööga ei kaasneks muutusi ümbritsevates kehades. Selline masin (II liiki perpetuum mobile ) on võimatu ( Ostwald ). TD II printsiipi nimetatakse ka entroopia kasvu seaduseks. Teda võib sõnastada ka nii: välisjõudude puudumisel võib mistahes süsteemi entroopia ainult kasvada (piirjuhul olla konstantne).
TD II Clausiuse järgi: Soojus ei saa minna külmemalt kehalt soojemale, ilma et välisjõud seejuures tööd teeks. Soojus ei saa iseenesest minna külmemalt kehalt soojemale.
Soojuspaisumisel muutub keha joonmõõde (pikkus) l või ruumala V (enamasti) võrdeliselt tem­pe­ratuuriga T. Pikkuse (või ruumala) muut avaldub kujul: l = l T (või V = V T), kus on joonpaisumistegur , - ruumpaisumistegur, T - temperatuuri muut.
Aine joonpaisumistegur näitab, kui suur on sellest ainest valmistatud keha suhteline pike­ne­mine temperatuuri ühikulise kasvu korral (suurenemisel 1 K võrra). = l / (l T).
Aine ruumpaisumistegur näitab, kui suur on sellest ainest valmistatud keha ruumala suhteline muutus temperatuuri ühikulise kasvu korral (suurenemisel 1 K võrra). = V / (V T). Joon- ja ruumpaisumisteguri ühikuks on pöördkraad (kelvini pöördväärtus) 1 K -1 .
Olekuparameetrid kirjeldavad soojuslikes protsessides mingi gaasikogusega toimuvaid muutusi. Makroskoopilisteks (gaasikogust tervikuna kirjeldavateks) olekuparameetriteks on gaasi rõhk p, ruumala V, temperatuur T ja entroopia S. Vastavateks mikroskoopilisteks (ühe molekuli keskmist käitumist kirjeldavateks) parameetriteks on ühe molekuli poolt põrkel keskmiselt anuma seinale mõjuv jõud F1, ühe molekuli personaalne ruumala V1 (või selle pöördväärtus – molekulkontsentratsioon n), ühe molekuli keskmine kineetiline energia Ekk ja molekulide paigutuse termodünaamiline tõenäosus w.
Ideaalgaas on reaalse gaasi mudel, mille korral jäetakse arvestamata: 1) molekulide mõõtmed ja 2) mole­kulide vahel mõjuvad jõud. Ideaalgaasi molekulid põrkuvad omavahel nagu tühisväikeste mõõt­me­tega elastsed kuulikesed.
Isotermiliseks nimetatakse protsessi, mille käigus ei muutu gaasi temperatuur ja seega ka siseenergia. TD I printsiibi dQ = dU + p dV kohaselt on paisumine positiivse töö tegemisega (p dV > 0) siis võimalik vaid väljastpoolt saadava soojuse arvel (dQ > 0). Isotermilisel protsessil kehtib Boyle ’- Mariotte’i seadus: kui T = const, siis p V = const.
Isobaariliseks nimetatakse protsessi, mille käigus ei muutu gaasi rõhk. Isobaarilisel protsessil kehtib Gay- Lussac ’i seadus: kui p = const, siis V / T = const. Väljastpoolt saadav soojus dQ läheb nii siseener­gia suurendamiseks kui tööks paisumisel.
Isokooriliseks nimetatakse protsessi, mille käigus gaasi ruumala ei muutu. Isokoorilisel protsessil kehtib Charles’i seadus: kui V = const, siis p / T = const. Väljastpoolt saadav soojus dQ läheb ainult siseener­gia suurendamiseks (paisumist ei ole, dV = 0)
Adiabaatiliseks nimetatakse protsessi, mille käigus ei toimu gaasi soojusvahetust väliskesk­konnaga. See tähendab, et adiabaatilisel protsessil ei muutu entroopia (S = const). Adiabaatilist protsessi kirjeldab Poissoni võrrand: p V = const või T V - 1 = const, kus on gaasi moolsoojuste suhe. Kui soojus­vahetust ei ole (dQ = 0), siis on töö tegemine (p dV > 0) võimalik vaid siseenergia kaha­ne­mise arvelt (dU Moolsoojuste suhe = Cp / CV on määratud gaasi molekuli vabadusastmete arvuga i kujul : = (i+2) / i . Gaasi moolsoojus isobaarilisel protsessil Cp on suurem moolsoojusest isokoorilisel protsessil CV , sest isobaarilise protsessi käigus tuleb gaasi paisumisel teha tööd. Lühidalt: Cp = CV + R.
Mehaanilise süsteemi vabadusastmete arvuks i nimetatakse süsteemi liikumist kirjeldavate sõltumatute koordinaatide arvu. Sõltumatu on selline koordinaat, mida ei saa esitada teiste koordinaatide kaudu. Üheaatomilisel molekulil on vaid 3 kulgliikumise vabadusastet. Kaheaatomilisel molekulil on 3 kulg- ja 2 pöördliikumise vabadusastet (kokku 5). Kolme- (ja rohkem) -aatomilisel molekulil on 3 kulg- ja 3 pöördliikumise vabadusastet (kokku 6).
Ideaalgaasi olekuvõrrand ( Clapeyroni - Mendelejevi võrrand) seob omavahel gaasi oleku­parameetreid: rõhku p , ruumala V ja temperatuuri T kujul: p V = z R T , kus z on gaasi moolide arv (gaasikoguse mass jagatud molaarmassiga) ja R - universaalne gaasikonstant.
Molekulaarkineetilise teooria põhivõrrand väidab, et gaasi rõhk sõltub gaasimolekulide kont­sentrat­sioonist n = N / V (arvust ruumalaühikus) ja ühe molekuli keskmisest kineetilisest energiast Ekk järgmiselt: p = 2/3 n Ekk . Sellest järeldub, et Ekk = 3/2 k T ja p = n k T , kus k on Boltzmanni konstant. Üldisemal juhul Ekk = (i/2) k T , kus i on gaasi­­molekuli vabadusastmete arv.
Daltoni seadus väidab, et gaaside segu rõhk võrdub komponentide osarõhkude summaga. Osarõhk on rõhk, mida avaldaks vaadeldav gaas teiste gaaside puudumisel segus.
Gaasimolekuli ruutkeskmine kiirus (kii­rus­te ruutude keskmistamisel ja järgneval ruutjuure võtmisel saa­dud kiiruse väärtus) aval­dub kujul vr = (3 kT/m0) 1/2 = (3 RT/M) 1/2 , kus m0 on ühe gaasimolekuli mass ja M molaarmass .
Boltzmanni konstant k on universaalse gaasikonstandi R ja Avogadro arvu suhe (gaasikonstant ideaal­gaasi ühe molekuli kohta) k = R / NA . k = 1,38 . 10 -23 J/K .
Reaalgaas erineb ideaalgaasist selle poolest, et tema molekulidel on mõõtmed olemas ja mole­kulide vahel mõjuvad jõud. Reaalgaasi kirjeldab van der Waalsi võrrand: (p + z2 a / V 2) (V z b) = z R T, kus a ja b on van der Waalsi konstandid. Rõhule liidetav suurus z2 a / V 2 on molekulaarsetest tõmbejõududest tingitud lisarõhk (tõmbejõu mõjul saavad molekulid enne omavahelist põrget impul­si juurdekasvu , mis põhjustab tugevama põrke ja seega suurema rõhu). Gaasi ruumalast lahutatav suurus z b on molekulide endi ruumala (sinna, kus üks molekul juba on, teine enam minna ei saa).
Kriitiliseks nimetatakse temperatuuri, millest kõrgemal võib aine olla vaid gaasilises olekus. Faasidiagrammil vastab sellele kriitiline punkt. Siin tähendab faas aine agregaatolekut (gaas, vedelik või kindla struktuuriga tahkis). Jooned faasidiagrammil lahutavad eri faase .
Kolmikpunktiks nimetatakse olekut (punkti faasidiagrammil), milles aine kolm faasi (tahke, vedel ja gaasiline) on tasakaalus. Faasidiagrammil lõikuvad kolmikpunktis neid faase eraldavad jooned.
Küllastunud auruks nimetatakse aine olekut, milles vedel ja gaasiline faas on tasakaalus (aurustumine ja kondenseerumine tasakaalustavad teineteist). Igale ainele on omane tema küllastunud auru rõhu kindel monotoonne sõltuvus temperatuurist.
Vedelik keeb , kui tema küllastunud auru rõhk on temperatuuri tõstmisel saanud võrdseks välis­rõhuga. Keemise tunnuseks on mullide tekkimine vedeliku kogu ruumalas ning mullide jõudmine pinnale.
Siirdesoojuseks (sulamis-, aurustumis - vm. soojuseks) nimetatakse soojushulka, mis on vajalik vaadeldava faasisiirde teostamiseks aine massiühikuga. Siirdesoojuse SI-ühikuks on 1 J/kg. Siirdel suurema siseenergiaga olekusse siirdesoojus neeldub aines, siirdel väiksema siseenergiaga olekusse – eraldub.
Pindpinevusjõud on pinnal asetsevate vedeliku molekulide omavaheline tõmbejõud. Pindpinevusjõu mõjul püüab vedelikupiisk võtta vähima pindalaga (sfäärilist) kuju.
Vedeliku pindpinevustegur näitab, kui suur pindpinevusjõud mõjub selles vedelikus pinna katkirebi­misjoone ühikulise pikkuse kohta = Fp / l (ühik njuuton meetri kohta 1 N/m).
Vaba tee pikkus on vahemaa, mille gaasimolekul keskmiselt läbib kahe põrke vahel. Ta on määratud molekuli efektiivdiameetriga d ja molekulide kontsentratsiooniga n: = 1 / (21/2 d 2 n).
Jaotusseadus näitab, millise tõenäosusega saavad teoks võrreldavad tõenäosuslikud sündmused või siis kui suur osa vaadeldavatest osakestest omab mingit parameetri (kiiruse, energia jne) väärtust selle suu­ruse ühikulises vahe­mi­kus antud väärtuse ümbruses. Jaotusseadusi uurib statistiline füüsika.
Maxwelli kiirusjaotus f(v) = dn / (n dv) näitab, kui suur osa (dn) kõigist ruumalaühikus sisal­duvatest gaasimolekulidest (n) liigub kiirusega, mille väärtus jääb v ja v + dv vahele.
Termodünaamika põhivõrrand dU = T dS p dV on sisuliselt TD I printsiip. Ta väidab, et entroopia kasvuga kaasneb süsteemi siseenergia kasv, süsteemi paisumine (dV > 0) viib aga sise­energia kahanemisele (dU T dS =

0).
Soojusmasin on seade, mis muundab soojust tööks. Soojusmasin võtab kuumalt kehalt (soojendilt) soojus­hulga Q1 , muudab osa sellest mehaaniliseks tööks A ning annab ülejäänud osa Q2 ära külmemale kehale (jahutile). Soojusmasina kasutegur = A / Q1 = (Q1 Q2) / Q1 ja selle maksimaalne võimalik väärtus m = (T1 T2) / T1 , kus T1 ja T2 on vastavalt soojendi ja jahuti temperatuurid.
Termodünaamilised potentsiaalid on TD süsteemi kindlaviisiliselt defineeritud energiad. Termodünaamilised potentsiaalid on siseenergia U, vaba energia F, Gibbsi vaba energia (Gibbsi potentsiaal) G ja entalpia H.
Vaba energia F = U – TS on “tark” (tööks muundatav) osa süsteemi siseenergiast U. Korrutis TS seevastu on “rumal” (kaootiline, korrapäratu, tööks mitte muundatav) osa siseenergiast.
Entalpia H = U + pV = pV + F + TS on siseenergia ja antud oleku saavutamiseks tehtud töö pV (seisundi tekkeparameetri) summa. Sisuliselt võrdub entalpia kogu soojushulgaga, mis tuleb süsteemile anda selleks, et viia teda singulaarsest olekust (p = 0, V = 0, T = 0, S = 0) antud olekusse.
Gibbsi potentsiaal on vaba energia ja korrutise pV summa: G = F + pV.
TD printsiipide lühisõnastused:
TD I : Te ei saa võita Ei saa teha tööd, kulutamata energiat.
TD II : Te ei saa viiki mängida Ei saa muuta kogu soojust kui energiat tööks. Osa läheb kaotsi.
Murphy täiendus: Te ei saa sellest mängust väljuda.
Kaasaegsele füüsikalisele maailmapildile on omane: 1) fermionide ja bosonite eristamine spinni alusel, 2) atomist­liku printsiibi rakendamine väljale (kvantväljateooria) ja 3) Standard­mudeli kasutamine.
Fermionid on poolarvulise spinniga osakesed. Nad on aine ehituskivid. Algfermionide spinn on ½. See tähendab, et nende sisemist liikumist kui pöörlemist saab iseloomustada impulsimomendiga, mille arv­väärtus on ½ Plancki nurkkonstanti (ħ). Spinnkvantarvu muutumine väärtuselt +½ kuni väärtuseni ½ tähendab pöörlemise suuna (impulsimomendi vektori suuna) muutumist vastupidiseks. Samas tähen­dab see ka fermioni poolt tekitatava omamagnetvälja (spinn-magnetvälja) suuna muutumist fermio­nile väljastpoolt mõjuva magnetvälja suuna suhtes vastupidi­seks. Algfermionid jagunevad kvarkideks ja leptoniteks. Fermionid alluvad tõrjutusprintsiibile ja seega ka ajalis-ruumilistele piirangutele. Fer­mionide statistilist jaotumist nende energia E väärtuste järgi kirjeldab Fermi-Diraci jaotusfunkt­sioon: fF-D = 1 / fF-D – energiataseme hõivatuse tõenäosus, EF - Fermi energia.
Bosonid on täisarvulise spinniga osakesed. Enamasti on nad välja algosakesed. Bosonina võivad aga käituda ka kahest vastandlike spinnidega fermionist koosnevad terviklikud süsteemid. Vastastikmõjusid vahen­davaid bosoneid (footon, gluuon , uikon ja graviton) nimetatakse sageli ka vaheosakesteks. Footoni, gluuoni ja uikoni spinn on 1. See tähendab, et lainena liikudes kannavad nad edasi impulssi, mis on leitav bosoni lainearvu korrutamisel ühe Plancki nurkkonstandiga. Bosoni tekkimisel või kadumisel muutub mõne protsessis osaleva fermioni impulsimoment esialgsele vastupidiseks. Bosonite jaotumist nende energia väärtuste järgi kirjeldab Bose-Einsteini jaotusfunktsioon: NB-E = 1 / NB-E on bosonite keskmine arv vaadeldaval energiatasemel ja E - taseme energia. Bosonid ei allu tõrjutusprintsiibile ja seega ka vastavatele ajalis-ruumilistele piirangutele.
Kvargid (d, s ja b elektrilaenguga –1/3 e ning u, c ja t elektrilaenguga +2/3 e) osalevad kõigis vastastik­mõjudes. Elektrilaengut (– 1e) omavad leptonid (elektron, müoon ja tauon) ei osale tugevas mõjus. Elektrilaenguta leptonid (elektron-, müü- ja tauneutriino) osalevad vaid nõrgas ja gravitatsioonilises mõjus. Leptonite seisumassid on oluliselt väiksemad kvarkide omadest ( lepton – kr.k. väike münt).
Kvarkidest koosnevad osakesed on alati valged. See tähendab, et nende värvilaeng on tasakaalus. Erinevad värvilaengud tõmbuvad (nii nagu ka erimärgilised elektrilaengud). Stabiilne seisund võib tekkida kahel viisil: 1)värvus esineb koos antivärvusega. Nii tekkivaid liitosakesi nimetatakse mesoniteks; 2)esineb segu kolmest värvusest või siis kolmest antivärvusest. Nii tekivad vastavalt kas siis barüonid või anti­barüonid. Ka meie tavalise aine osakesed prooton ja neutron on barüonid.
Osakese ja antiosakese kohtumisel nad lähevad üle vaakumolekusse ( lahkuvad reaalmaailmast). Seda protsessi nimetatakse annihilatsiooniks. Aineosakeste energia arvel tekivad väljaosakesed (vastava mõju vahebosonid). On võimalik ka vastupidine protsess – suure energiaga vahebosonite muundumine osakese ja antiosakese paariks.
Neutriinod on väga väikese seisumassiga elektriliselt neutraalsed fermionid, mis tagavad leptonlaengu jäävuse nõrga vastastikmõju protsessides ja üldise arvamuse kohaselt moodustavad suure osa Universumi varjatud (teleskoopide abil mittevaadeldavast) massist.
Gluuonid omavad ise värvilaengut (samaaegselt nii mingit värvust kui ka antivärvust). See eristab neid teistest vahebosonitest, millel vastava interaktsiooni laengut ei ole. Suure energiaga gluuonid võivad oma energia arvelt muunduda kvark - antikvark paarideks. See on ka põhjus, miks kvarke vabas olekus ei esine (eksisteerib kvarkvangistus). Kui mingi kvark lüüakse välja liitosa­kesest, siis ei suuda kvark vabaneda “oma” gluuonitest, mis liiguvad talle järele kiirusega c. Gluuonid muunduvad kvark-anti­kvark paarideks ning üks uutest kvar­kidest asendab liit­osakesest lahkunud kvargi. Ülejäänud kvargid ühinevad tugeva mõju liitosakesteks ehk hadroniteks (mesoniteks või barüonideks) ja värvustasakaal on taastunud. Nii realiseerubki tugev vastastikmõju (hard – ingl.k. tugev).
Nõrk vastastikmõju teisendab ühtesid fermione teisteks. Näiteks neutroni -lagunemisel muutub üks d-kvark u-kvargiks, tekivad elektron ja elektron-antineutriino. Protsessi vahendab W – -uikon. Nõrk vastastikmõju on saanud sellise nime põhjusel, et uikonitel on märkimisväärne seisumass. Seetõttu on tõenäosus uikoni tekkimiseks virtuaalosakesena väga väike, mis viib alla ka nõrga mõju protsessi üldise esinemis­tõenäosuse. Vaid nõrk mõju suudab muuta ühtesid kvarke teisteks.
Virtuaalseks nimetatakse osakest, mis tekib vastastikmõju protsessides energia jäävuse seaduse ajutise rikkumise arvel (määramatusseosega lubatud ajavahemiku E = h/t jooksul). Jõud kahe vastastik­mõjus oleva fermioni vahel tekib põhjusel, et virtuaalboson on neile ühine. Kaks fermioni ei saa lahku minna, sest energia jäävuse seadus ei saa jäädagi rikutuks. Üks fermion kiirgab teise fermioni poole virtuaalbosoni ning tõmbejõu korral liigub teine fermion vahebosonile vastu (“püüab” visatud palli). Tõukejõu korral üritab teine fermion vahebosoni eest põgeneda (palli “mitte püüda”).
Plancki konstant h = 6,63 .10-34J . s näitab: 1) laineportsjoni energiat (kui sekundis tehakse üks võnge, siis laineportsjoni energia on 6,63 .10-34J); 2) osakese- ja lainemudeli vahekorda dualismiprintsiibis (valem = h /p, nt. kui osakese impulss on 1 kg m/s, siis on tema leiulaine pikkus 6,63 .10-34 m); 3) lõtku suurust ettemääratuses (kui objekti x-koordinaat on teada täpsusega 1m, siis võib objekti impulss saada x-telje suunalise prognoosimatu juurdekasvu, mis ületab 6,63 .10-34 kg m/s). Toodud näidetest ilmneb, et Plancki konstandi väiksuse tõttu pole kvantnähtused makromaailmas olulised.
Plancki parameetrid on kolmest tähtsaimast fundamentaalkonstandist (gravitatsioonikonstandist G, Plancki nurk­konstandist ħ ja absoluutsest kiirusest c) moodustatud suurused. Näiteks Plancki pikkuseks nimetatakse pikkuse dimensiooniga suurust rp = (G ħ /c3)1/2 = 1,6 .10–35 m. Plancki pikkus on vähim pikkus, millel meile tuntud füüsikas on veel mõtet. Kera, mille raadius võrdub Plancki pikkusega, võngub määra­matusseoste tagajärjel olemise ja olema­tuse vahel (tekib musta auguna ja kaob otsekohe uuesti). Kera käitub aegruumi kvantvahu mullina.
Must auk on väga väike ja väga suure massiga keha. Ta on nii tugeva gravitatsioonivälja allikas, et valgus ei pääse sellest enam välja. Mustade aukude olemasolu Universumis on tuvastatav häirete järgi nende läheduses paiknevate objektide liikumises.
Universumile on (meie vaatluste ulatuses) omane nii mateeria paiknemise üldine keskmine ühtlus kui ka selle lokaalne ebaühtlus (rea struktuursete tasandite olemasolu). Universum paisub (galaktikad eemal­duvad üksteisest nii nagu laigud täispuhutaval õhupallil). Seda tõestab Hubble’i seaduse kehtivus.
Hubble’i seadus väidab, et mida kaugema kosmilise objektiga on tegemist, seda suurema kiirusega see meist eemaldub: v = H r. Kauguse r ja spektrijoonte punanihke põhjal määratud eemaldumiskiiruse v suhe ehk Hubb­le’i konstant H võimaldab hinnata Universumi paisumise alguse (nn. Suure Paugu) toimumisaega.
Hubble’i konstant on parimate kaasaegsete hinnangute kohaselt ca 71 km/(s . Mpc) = 2,3 . 10 –18 s–1. See tähendab, et kui Universum paisub globaalselt (nii, nagu pikeneb kumminöör, mille üks ots on mis­tahes vaatleja küljes paigal ja teine ots eemaldub peaaegu absoluutkiirusega) – siis eemaldub vaatlejast 1 m kaugusel paiknev objekt vaatlejast kiirusega 2,3 . 10 –18 m/s, 2 m kaugusel paiknev objekt kaks korda suurema kiirusega jne. Hubb­le’i konstandi pöördväärtus on aeg, mille jooksul on juba olnud teel kõige kaugemad, peaaegu absoluutkiirusega meist eemalduvad kosmilised objektid. Järelikult see aeg, 4,3 . 1017 s
ehk 1,37. 1010 aastat – on Universumi vanus. Selle aja ning absoluutkiiruse korrutis 1,3 . 1036 m on kõige suurem meie jaoks mõtet omav pikkus – Universumi teoreetiline raadius.
Suur Pauk on ca 13,7 miljardit aastat tagasi toimunud hiigelplahvatus, milles sai alguse Universum. Infot selle kohta annab taustkiirgus – kosmiline soojuskiirgus, mille spektraalne koos­tis vastab kiirgava keha absoluutsele temperatuurile 2,8 K. Sellise temperatuurini on paisumise käigus jahtunud Univer­sum. Universumi algsele (nn. singulaarsele) olekule oli üldtunnustatult omane vastastikmõjude erista­matus, mateeria esinemine bosonkujul ja (energia ülikõr­gest kontsentreeritusest tingitud) aegruumi ülim kõverus (sõlmseisund).
Süsteemi sümmeetria iseeneslik (spontaannne) vähenemine ilmneb mistahes füüsikalise süsteemi (sh. Universumi) arenguprotsessis. Areng tähendab süsteemi mitmekesisuse suurenemist. Selle käigus ilmnevad süsteemi uued omadused ja väheneb süsteemi sümmeetria. Universumiga toimuvaid muutusi kirjeldab selles aspektis globaalsete faasisiirete teooria, mille kohaselt Universumi jahtumisel tekkisid osakeste energia või temperatuuri mingil kindlal väärtusel Universumile uued omadused (toimus glo­baalne faasisiire ).
Globaalsete faasisiirete teooria jagab Universumi arengu Plancki ajastuks (esimesed 10–43 s = Plancki aeg), kiirgusdominantseks ajastuks (Plancki ajastule järgnev sekund) ja ainedominantseks ajastuks (ülejäänu kuni tänapäevani).
Esimene faasisiire 10–43 s peale Universumi tekkehetke, osakeste energia väärtusel 1019 GeV ja tempera­tuuril 1032 K, viis Universumi Plancki ajastust (kus vastastikmõjud ehk interaktsioonid olid täiesti eristamatud ja Universumis toimivad füüsikaseadused meile täiesti arusaamatud) Suure Ühenduse ajastusse. Viimasele oli omane kvarkide ja antikvarkide (aine ja antiaine ) tasakaal (arengu inflat­siooniline faas), mis lõpuks kaldus aine kasuks, tekkisid pikaealised kvargid, gravitatsioon eraldus teistest vastastikmõjudest, mis säilitasid ühtsuse (tugev+nõrk+elektromagnetiline ühendinteraktsioon)
Teine faasisiire 10–35 s peale Universumi tekkehetke, osakeste energia väärtusel 1015 GeV ja tempera­tuuril 1028 K, viis Universumi Suure Ühenduse ajastust elektronõrga mõju ajastusse. Suur ühendinterakt­sioon lahknes elektronõrgaks ja tugevaks . Aine esines veel kvark-gluuonplasmana (vabad kvargid).
Kolmas faasisiire 10–10 s peale Universumi tekkehetke osakeste energia väärtusel 100 GeV ja tempera­tuuril 1015 K, viis Universumi elektronõrga mõju ajastust hadronite ja leptonite ajastusse. Kvargid hakkasid ühinema hadroniteks (sh. prootoniteks ja neutroniteks) ning jäid neisse vangi, elektronõrk mõju lahknes nõrgaks ja elektromag­netiliseks, tekkisid leptonid (sh. elektronid ja positronid).
Neljas faasisiire ca 1 s peale Universumi tekkehetke osakeste kineetilise energia väärtusel 1 MeV ja tempera­tuuril 1010 K, lõpetas kiirgusdominantse ajastu. Algas footonite ajastu. Elektronid ja positronid hakkasid annihileeruma reaalfootoniteks. Tekkisid kergemad tuumad. Ajastu lõpuks koosnes aine ¾ osas H tuumadest (vabadest prootonitest) ja ¼ osas He tuumadest (alfaosakestest).
300 000 aastat peale Universumi tekkehetke, tempera­tuuril 4000 K, hakkasid aine ja kiirgus selgesti lahknema (reaalfootoneid oli juba väga palju), Universum muutus läbipaistvaks, hakkasid tekkima kergemad aatomid.
1 miljard aastat peale Universumi tekkehetke, tempera­tuuril 10 K, algas tähtede ja galaktikate teke. Hakka­sid tekkima raskemate elementide tuumad ja seejärel ka vastavad aatomid ise.
10 miljardit aastat peale Universumi tekkehetke, tempera­tuuril 3 K, hakkasid galaktikates tekkima planeete omavad (Päikese-sarnased) tähed. Tekkis põhiosa Universumis eksisteerivatest reaalfootonitest – kosmiline taustkiirgus. Järgneva 3-4 miljardi aastaga jõudis planeet Maa oma tänapäevasesse olekusse.