Fysiikka 4 luku 1 Kappaleen liike

Liikkeen eri muotoja ovat pyörimisliike, etenemisliike ja värähdysliike. Kolmea mekaniikan peruslakia, jotka Newton esitti, voidaan soveltaa kaikkiin statiikan, kinematiikan ja dynamiikan tilanteisiin. Kappaleen liikkeen muutoksen voi aiheuttaa vain vuorovaikutus toisen kappaleen kanssa.

1.1   Tasainen liike

Sydänlihaksen liike on toistuvaa jaksollista värähdysliikettä. Veren virtaus suonissa on likimain tasaista liikettä. Vakionopeudella liikkuvan kappaleen paikka hetkellä t on

x = x0 + vt

jossa x0 on paikka hetkellä t = 0 s. Kappaleen paikkaa ajan funktiona kutsutaan kappaleen radaksi. Yksiulotteisessa liikkeessä rataa esittää (t,x)-koordinaatistoon piirretty kuvaaja.

1.2   Suhteellinen liike

Liike on erilaista riippuen siitä, minkä suhteen sitä tarkastellaan. Kun fysiikassa sanotaan kappaleen olevan levossa, yleensä sillä tarkoitetaan, että kappale on levossa maahan nähden eli liikettä tarkastellaann maanpinnan suhteen. Fysiikassa ei ole absoluuttista lepoa tai liikettä, vaan liike on aina suhteellista, vertailukohdasta riippuvaa.

1.3   Muuttuva suoraviivainen liike

Muuttuvassa liikkeessä muuttuu kappaleen nopeuden suuruus tai suunta tai kumpikin niistä. Tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä kappaleen nopeus hetkellä t on

v = v0 + at

jossa v0 on kappaleen nopeus hetkellä t = 0 s. Kappaleen paikka tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä hetkellä t on

x = x0 + v0t + ½at²

Kappaleen paikka ei välttämättä ole sama  kuin kappaleen kulkema matka. Kun 25 metrin altaassa uidaan altaan toiseen päähän ja takaisin, uintimatka on 50, mutta siirtymä eli paikan muutos on 0 m! Kappaleen keskinopeus tasaisesti kiihtyvässä liikkeessä on

v_k = v0+v / 2

Biologia 3: luku 2 Ympäristöekologista tutkimusta tehdään monella tasolla

Ympäristöekologia on nuori tieteenala

Ekologia keskittyy tarkastelemaan ihmisen toiminnan vaikutuksia luonnon ekologisiin prosesseihin. Vuonna 1923 voimaan tullut luonnonsuojelulaki painotti maisemallisesti upeiden alueiden suojelua sekä harvinaisten kasvi- ja eläinlajien rauhoittamista. Kaivinkoneen kauhan tekemä viiltohaava suohon katkaisee suon monituhatvuotisen kehityksen. Kuivuttuaan suoekosysteemi alkaa muuttua metsäekosysteemiksi.

Abioottisten ympäristötekijöiden muutokset näkyvät usein eliöiden elinkyvyssä ja runsaudessa

Jonkin lajin äkillinen runsastuminen tai katoaminen voi olla signaali siitä, että jokin olennainen tekijä on muuttunut joko elottomassa tai elollisessa ympäristössä. On todennäköistä, että vaikutus heijastuu myöhemmin myös muihin ekosysteemin lajeihin, koska lajien välillä on useimmiten hyvin monenlaisia riippuvuussuhteita.

Eliöiden levinneisyys ja hyvinvointi riippuvat monista elinympäristön elottomista eli abioottisista muuttujista, kuten lämpötilasta, happamuudesta, vedestä tai valosta. Minimitekijäksi sanotaan sitä ympäristötekijää, jota on niukimmin tarjolla suhteessa eliön tarpeisiin ja joka siten vaikuttaa eniten sen esiintymiseen.

Ihminen muuttaa eliöiden abioottista ympäristöä esim päästämällä luontoon happamoittavia tai muuten haitallisia aineita. Liian nopea, hyvin suuri tai pitkään vaikuttava muutos heikentää eliöiden elinkykyä, vaikeuttaa niiden lisääntymistä tai aiheuttaa lopulta eliöiden kuoleman. Jotkin lajit sietävät hyvin muutoksia, toiset ovat kapea-alaisia sietokykynsä suhteen. Kapea-alaiset lajit ovat tämän ominaisuutensa ansiosta  hyviä ilmentäjä- eli indikaattorilajeja, joiden runsaudessa tapahtuvat muutokset kertovat konkreettisesti elinympäristön muuttumisesta. Indikaattorilajeja tarkkailemalla voidaan tehdä helposti ja luotettavasti päätelmiä ympäristön tilasta.

On tärkeää, että ympäristössä tehdään säännöllisiä mittauksia, jotta mahdolliset muutokset havaitaan ajoissa. Ekosysteemien myrkkyjen ja niiden vaikutusten tutkimiseen erikoistunutta tieteenalaa sanotaan ekotoksikologiaksi.

Populaatioiden muutokset vaikuttavat eliöyhteisöön

Populaation kasvua sääteleviä tekijöitä sanotaan ympäristön vastukseksi. Niitä ovat ravinnon määrä, pedot, loiset ja erilaiset taudit. Ympäristön kantokyvyllä tarkoitetaan suurinta populaatiotiheyttä, jonka elinympäristö voi elättää.

Kahden tai useamman lajin välistä, läheistä yhteiselämää sanotaan symbioosiksi. Symbioosia kutsutaan mutualismiksi, jos yhdessä eläminen hyödyttää molempia osapuolia. Eliöyhteisönsä avainlajeiksi sanotaan lajeja, jotka ovat niin keskeisiä ekosysteeemin kannalta, että niiden häviäminen saisi aikaan merkittäviä muutoksia eliöyhteisössä tai ekosysteemin toiminnassa.

Eri ketojen paikalllispopulaatiot muodostavat yhdessä kokonaisuuden, jota sanotaan metapopulaatioksi. Lajin paikalliset populaatiot ovat niin pieniä, että ne uhkaavat kuolla kokonaan. Metapopulaatio kuitenkin säilyy, koska uusia yksilöitä siirtyy muista populaatioista asuttamaan tyhjiksi jääneitä niittyjä.

Kokonaiset ekosysteemit voivat muuttua ihmisen vaikutuksesta

Maanviljelyn aloittaminen ja kiinteän asutuksen alkaminen olivat ensimmäisiä askelia kohti luonnon voimaperäistä muuttamista. Teollistuminen yhdessä väkiluvun kasvun kanssa on kiihdyttänyt luonnonvarojen käyttöä entisestään. Monissa maissa metsät on hakattu melkein kokonaan, ja alkuperäinen kasvillisuus on korvautunut toisenlaisella.

Kasvillisuuden vaihtuminen on muuttanut myös eläimistöä, koska monien alkuperäisten lajien ekologiset lokerot ovat hävinneet. Viljellessään maata ihminen luo pellon, joka on hyvin yksinkertainen ekosysteeminä, koska siinä kasvaa usein vain yhtä kasvilajia. Yksinkertaiset ekosysteemit ovat hyvin häiriöherkkiä, koska niistä puuttuvat ne bioottiset tekijät, jotka normaalissa ekosysteemissä säätelevät populaatioiden kokoa. Esim jokin tuhohyönteinen voi lisääntyä räjähdysmäisesti, koska sillä on tarjolla runsaasti ravintoa, mutta ei sen kantaa kurissa pitävää petoa.

Ihmisen toiminnan seurauksena myös aineiden kierto ekosysteemeissä voi muuttua haitallisesti. Esim hiilen kierto on teollisena aikana muuttunut siten, että hiilidioksidia vapautuu ilmakehään yhä enemmän ja vastaavasti hiilen sitoutuminen on vähäisempää. Niimpä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on kasvanut selvästi. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvun oletetaan vaikuttavan maailmanlaajuiseen ilmaston lämpenemiseen.

Kemia 3 luku 5 Kemiallisen reaktion nopeus

Kemiallisen reaktion nopeus tarkoittaa aineen pitoisuuden muutosta aikayksikössä. Reaktionopeus määritellään siis joko lähtöaineen määrän vähenemisenä tai lopputuotteen määrän lisääntymisenä tietyllä aikavälillä. Reaktionopeutta kuvataan yleisesti suureyhtälöllä

v  = ∆c / ∆t

missä ∆c on konsentraation muutos ja ∆t aikaväli (esim s, min, h tai d). Reaktion alkunopeus voidaan määrittää mittaustuloksista piirretyltä kuvaajalta piirtämällä siihen tangentti ajanhetkellä 0 ja määrittämälllä tämän tangentin kulmakerroin. Samalta kuvaajalta voidaan määrittää myös tutkittavan reaktion nopeus millä tahansa ajan hetkellä eli ns. hetkellinen nopeus. Tämä saadaan, kun piirretään tangentti kuvaajaan kysytyllä ajan hetkellä ja määritetään tangentin kulmakerroin.

Lämpötilan vaikutus reaktionopeuteen

Hiukkasten törmätessä toisiinsa niistä muodostuu ensin pysymätön, lyhytikäinen, runsasenerginen välituote, jota sanotaan siirtymäkompleksiksi. Tämä kompleksi voi joko hajota takaisin lähtöaineiksi tai siitä voi muodostua reaktiotuotteita. Siirtymäkompleksin muodostumiseen tarvitaan lähtöaineiden keskimääräisen energian lisäksi ns. aktivoitumisenergia E_a. Aktivoitumisenergia on reaktion lähtöaineiden energian ja siirtymäkompleksin energian erotus. Reaktion aktivoitumisenergialla tarkoitetaan sitä energiamäärää, joka tarvitaan siirtymäkompleksin muodostumiseen.

Katalyytit alentavat aktivoitumisenergiaa

Katalyyttien vaikutuksesta reaktion aktivoitumisenergia alenee, eli siirtymäkompleksin muodostumiseen tarvitaan vähemmän energiaa. Kemiallisten reaktioiden nopeuttaminen katalyyttien avulla teollisuudessa on usein edullisempaa kuin korkeiden lämpötilojen käyttö, koska tällöin säästyy runsaasti energiaa. Lisäksi katalyyttien etu on, että niitä voidaan hyödyntää prosessissa uudelleen, koska ne eivät itse kulu reaktiossa. Aika ajoin katalyytit on kuitenkin vaihdettava, koska niiden teho heikkenee.

Jos katalyytti on samassa olomuodossa kuin reaktion lähtöaineet, puhutaan homogeenisesta katalyytistä. Tällaisia ovat esim soluissa toimivat entsyymit. Teollisuus hyödyntää runsaasti heterogeenisia katalyyttejä. Tällöin katalyytti on eri olomuodossa kuin lähtöaineet.

                                                                                                                                  

Inhibiittorit puolestaan ovat aineita, jotka hidastavat tai kokonaan estävät reaktioita. Monet lääkeaineet toimivat elimistössä eri entsyymien inhibiittoreina. Penisilliinien bakteereja tuhoava vaikutus perustuu niiden kykyyn inhiboida bakteerien soluseinän muodostumiselle tärkeää entsyymiä.

Konsentraation vaikutus reaktionopeuteen

Kun konsentraatio kasvaa, reaktioseoksessa on enemmän toisiinsa törmääviä hiukkasia. Tällöin myös sellaisia törmäyksiä, jotka johtavat reaktioon, tapahtuu enemmän. Reaktionopeus vastaavasti pienenee, kun lähtöaineiden konsentraatio pienenee, koska tällöin reaktioon johtavia suotuisia törmäyksiä tapahtuu vähemmän.

Tiivistettynä                                                      

-         kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat

o       lämpötila

o       katalyytti

o       inhibiittori

o       lähtöaineiden konsentraatiot

o       lähtöaineiden pinta-alat

-         reaktionopeuden lisääntyminen selitetään suotuisten törmäysten määrän lisääntymisellä

-         suotuisten törmäysten määrä lisääntyy, kun

o       reagoivien hiukkasten määrä lisääntyy

o       reagoivien hiukkasten kineettinen energia lisääntyy

o       aktivoitumisenergia alenee

Kemia 3 – luku 4 Kemiallisessa reaktiossa tapahtuvat energian muutokset

Potentiaalienergiaa on varastoituneena kemiallisiin sidoksiin, jotka ovat erivahvuisia sähköisiä vetovoimia aineen rakenneosien välillä. Kineettinen energia tarkoittaa hiukkasten liike-energiaa. Tämä koostuu hiukkasten lämpöliikkeestä ja pyörimisestä sekä sidosten taipumisesta ja venymisestä. Kun kemiallinen reaktio tapahtuu, eli aineet muuttuvat toisiksi aineiksi, tapahtuu aina energiamuutoksia. Reaktiossa vapautuva energia voidaan havaita esim valona, mutta useimmiten energia vapautuu ympäristöön lämpönä. Tällaisia reaktioita sanotaan eksotermisiksi eli lämpöä vapauttaviksi reaktioiksi.

Jos kemiallinen reaktio sitoo lämpöä ympäristöstä, sitä sanotaan endotermiseksi reaktioksi. Tällaisen reaktion seurauksena ympäristön lämpötila siis laskee. Jotta kemiallinen reaktio tapahtuisi, täytyy lähtöaineiden sidosten katketa ja reaktiotuotteiden sidosten muodostua. Sidosten katkeaminen on aina energiaa sitova eli endoterminen vaihe. Uusien sidosten muodostuminen puolestaan aina vapauttaa energiaa eli tämä on eksoterminen vaihe. Kemialliseen reaktioon liittyvä kokonaisenergiamuutos voidaan siis ajatella näiden kahden vaiheen summana.

Kemiallisten reaktioiden energiamuutoksia kuvataan entalpian muutoksella. Entalpia H kuvaa aineen sisäenergiaa, joka koostuu sidosten potentiaalienergiasta ja hiukkasten liike-energiasta. Reaktion entalpiamuutoksella ∆H tarkoitetaan reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden entalpia-arvojen erotusta eli

∆H = H (reaktiotuotteet)  - H(lähtöaineet)

Eksotermisessä reaktiossa ∆H < 0 ja endotermisessä reaktiossa ∆H >0.

Kun reaktio tapahtuu vesiliuoksessa tai aine liuotetaan veteen kalorimetrissä, lasketaan reaktioentalpia ∆H seuraavan yhtälön avulla:

∆H = cm ∆T

missä c on veden ominaislämpökapasiteetti, eli 4,19 kJ/kgK,  m veden massa (kg) ja ∆T reaktion aikana mitattu lämpötilan muutos (K).

Sidosenergia kuvaa sitä energiamäärää (kJ), joka tarvitaan katkaisemaan yksi mooli tarkasteltavia sidoksia.

Erilaisia entalpiamuutoksia

Erilaisten kemiallisten reaktioiden entalpiamuutoksia kuvataan omilla termeillään. Entalpia-sanan synonyyminä käytetään usein sanaa lämpö. Reaktioentalpialla eli reaktiolämmöllä tarkoitetaan tällöin sitä entalpiamuutosta, joka liittyy tasapainotetun reaktioyhtälön mukaisiin ainemääriin. Muodostumisentalpia eli muodostumislämpö puolestaan tarkoittaa sitä entalpiamuutosta, joka liittyy reaktioon, jossa yksi mooli nestettä syntyy alkuaineistaan.

Palamislämpö kuvaa sellaisen reaktion entalpiamuutosta, jossa yksi mooli ainetta reagoi täydellisesti hapen kanssa. Koska kaikki palamisreaktiot ovat eksotermisiä, ovat palamislämpöjen entalpia-arvotkin aina negatiivisia.

Liukenemislämpö on entalpiamuutos, joka liittyy ioniyhdisteiden liukenemistapahtumaan. Liukenemisessa ionihila hajoaa (endoterminen vaihe), ja vapautuneet ionit hydratoituvat vesimolekyyleillä (eksoterminen vaihe). Liukenemislämpö on siis näiden kahden vaiheen entalpiamuutosten summa.

Hessin lain mukaan kemiallisen reaktion reaktioentalpia on sama, vaikka reaktiotuotteet muodostuvatkin samoista lähtöaineista eri reittien kautta.

Ravinto solujemme energian lähteenä

Ravintoaineista saatava energia kuluu pääasiassa elimistön lämpötilan säätelyyn, lihasten toimintaan sekä solujen ja kudosten uusiutumiseen. Mikäli ravinnosta tulee energiaa enemmän kuin sitä kulutetaan, se varastoituu triglyserideinä rasvakudokseen.

Kemia 3: luku 3 Erialaisia kemiallisia reaktioita

Kemia 3: luku 3 Erilaisia kemiallisia reaktioita

Reaktioita voidaan luokitella seuraavasti:

1. palaminen
2. hapettuminen ja pelkistyminen
3. saostuminen
4. hajoaminen
5. protolysoituminen
6. neutraloituminen

Orgaanisille yhdisteille tyypillisiä reaktioita ovat lisäksi

1. korvautumis- eli substituutioreaktio
2. liittymis- eli additioreaktio
3. kondensaatioreaktio
4. hydrolyysireaktio
5. eliminaatioreaktio

Hapettuminen ja pelkistyminen

Hapettuminen on yleisesti määriteltynä elektronien luovuttamista. Samalla kun jokin aine hapettuu, toinen aine pelkistyy eli ottaa vastaan elektroneja. Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat siis aina yhtä aikaa. Elintarvikkeiden säilymista parannetaan erilaisilla hapettumisen estoaineilla eli antioksidanteilla. Myös soluissa antioksidanteilla on keskeinen merkitys, koska ne siellä hidastavat tai kokonaan estävät biomolekyylien haitallista hapettumista.

Palaminen

Palaminen tarkoittaa aineen eksotermistä reaktiota hapen kanssa, jolloin usein nähdään liekki. Palamisreaktiot ovat hyvin nopeita hapettumisreaktioita, joista monet saavat aikaan näkyvän liekin. Kaikissa palamisreaktioissa on palavan aineen lisäksi aina mukana happea. Palamisreaktiot ovat eksotermisiä eli reaktiossa vapautuu lämpöenergiaa. Palamisreaktiot eivät kuitenkaan käynnisty itsestään, vaan niiden käynnistymiseen tarvitaan aina ulkoista lämpöenergiaa esim liekin tai kipinän muodossa. Tämän jälkeen reaktio pysyy käynnissä niin pitkään kuin lähtöaineita riittää.

Jos palaminen on täydellistä, liekin väri on puhtaan keltainen eikä se nokea. Tällöin reaktiotuotteina syntyy ainoastaan vettä ja hiilidioksidia. Jos happea ei ole riittävästi, palaminen on epätäydellistä. Palamistuotteina syntyy tällöin myös hiilimonoksidia eli häkää CO (g), joskus jopa nokea C (s). Orgaanisten yhdisteiden täydellinen palaminen tuottaa hiilidioksidia ja vettä.

Hapettuminen ja pelkistyminen elektroninsiirtoreaktioina

Hapettumisessa atomi luovuttaa elektroneja ja pelkistymisessä se ottaa niitä vastaan. Eli se aine joka hapettuu, niin se luovuttaa elektroneja eli se aine toimii pelkistimenä. Vastaavasti pelkistyvä aine toimii hapettimena. Hapettumista ja pelkistymistä voidaan kuvata erillisillä reaktioyhtälöillä, joissa näkyy elektronien luovutus tai vastaanotto. Tällaisia reaktioita kutsutaan osa- tai puolireaktioiksi. Kun nämä reaktiot yhdistetään, tasapainotetaan siirtyvien elektronien määrä reaktioyhtälön kertoimien avulla. Näin saatua reaktioyhtälöä kutsutaan kokonaisreaktion yhtälöksi.

Hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuvat aina samanaikaisesti, eivät koskaan erikseen. Orgaanisten yhdisteiden hapettumisessa hapen määrä lisääntyy, vedyn määrä vähenee ja pelkistymisessä vedyn määrä lisääntyy ja hapen määrä vähenee.

Saostuminen

Saostumisreaktioissa muodostuu veteen niukkaliukoisia suoloja. Saostumsireaktioiden avulla voidaan tunnistaa vesiliuoksista eri ioneja, kun tiedetään, mitkä ionit saostavat toisensa. Tällöin puhutaan kvalitatiivisesta analyysistä. Jos näyteliuoksesta saostetaan kaikki määritettävät ionit ja muodostunut saostuma suodatetaan ja punnitaan kuivana, voidaan saostumisreaktioita käyttää myös kvantitatiivisessa  työskentelyssä. Tällöin puhutaan myös gravimetriasta, koska saostumisreaktiossa muodostunut kiinteä reaktiotuote punnitaan.

                                                                                                                     

Hajoaminen

Hajoamisreaktiossa yhdestä lähtöaineesta syntyy kahta tai useampaa reaktiotuotetta. Hajoaminen tapahtuu yleensä lämmön vaikutuksesta. Lämmön vaikutuksesta helposti hajoavia yhdisteitä ovat mm. vetykarbonaatit, nitraatit ja peroksidit. Räjähdysaineissa käytetään hyväksi typpiyhdisteiden hajoamisreaktioita.

Korvautumis- eli substituutioreaktio

Substituutioreaktio on tyypillinen alkaaneille, sykloalkaaneille ja aromaattisille hiilivedyille. Substituutioreaktiossa molekyylin yksi tai useampi vetyatomi korvautuu muilla atomeilla tai atomiryhmillä. Sivutuotteena syntyy lisäksi jokin pieni molekyyliyhdiste.

Halotaanit ovat turvallisia nukutusaineita, koska ne eivät aiheuta pahoinvointia eivätkä lamauta hengitys- ja verenkiertojärjestelmää.

Liittymis- eli additioreaktio

Additioreaktiossa hiilivetyjen kaksois- tai kolmoissidos aukeaa, jolloin molekyyliin liittyy lisää atomeja tai atomiryhmiä. Hydraus on vedyn liittämistä tyydyttymättömään yhdisteeseen, kun taas hydrataatiossa vesimolekyyli liittyy tyydyttymättömään yhdisteeseen. Eli vedyn additio = hydraus ja veden additio = hydrataatio. Elintarviketeollisuudessa hyödynnetään hydrausreaktiota, kun kasviöljyistä valmistetaan margariineja. Marknikovin säännön mukaan vetyatomi liittyy additioreaktiossa ensisijaisesti siihen kaksoissidosen hiiliatomiin, jossa on enemmän vetyatomeja.

Kondensaatioreaktio

Kondensaatioreaktiossa kaksi molekyyliä liittyy yhteen ja niiden väliltä lohkeaa jokin pienimolekyylinen yhdiste. Tavallisesti lohkeava molekyyli on vesi. Kondensaatioreaktiolla muodostuvat eetterit, esterit ja monet biomolekyylit kuten hiilihydraatit, rasvat ja proteiinit.

Dietyylieetteri on helposti höyrystyvä ja syttyvä neste, jota on käytetty nukutusaineena. Esteröitymisreaktiot ovat tasapainoreaktioita, mikä tarkoittaa sitä, että tietyssä vaiheessa reaktiota osa syntyneestä esteristä ja vedestä reagoi takaisin lähtöaineiksi. Tämän takia muista käyttää esteröitymisen reaktioyhtälössä kaksoisnuolta!

Hydrolyysireaktio ja saippuoituminen

Hydrolyysireaktiossa lähtöaine hajoaa veden vaikutuksesta. Esterihydrolyysi on käänteinen reaktio esteröitymiselle. Tällöin vesimolekyyli katkaisee esterisidoksen, jollion saadaan karboksyylihappoa ja alkoholia. Emäksisessä esterihydrolyysissä vapautuva karboksyylihappo neutraloituu suolaksi. Saippuoitumisessa rasva hajotetaan emäksisellä hydrolyysillä ja pitkäketjuiset karboksyylihapot neutraloituvat, jolloin muodostuu saippuaa.

Eliminaatioreaktio

Eliminaatioreaktiossa molekyylistä irtoaa osa, jolloin syntyy kaksi reaktiotuotetta. Alkoholien eliminaatioreaktiossa syntyy alkeenia ja vettä. Eliminaatioreaktio on käänteinen additioreaktiolle. Muistisääntö: additio aukeaa.

Biologia 3: luku 1 Ekologian avulla voidaan ymmärtää luonnon toimintaa

Ekosysteemin toiminta perustuu aineiden kiertoon ja energian virtaukseen

Ekosysteemi tarkoittaa toiminnallista kokonaisuutta, johon kuuluvat kaikki jollakin yhtenäisellä alueella elävät eliöt, niitä ympäröivä eloton luonto sekä eliöiden ja elottoman luonnon välinen vuorovaikutus. Kaikki maapallon ekosysteemit ovat yhteydessä toisiinsa ilmakehän kautta. Laajin ekosysteemi on koko maapallon kattava biosfääri eli se osa maapalloa, jossa on elämää. Paikalliset ekosysteemit voidaan yhdistää biomeiksi, jotka vastaavat maapallon ilmastovyöhykkeitä noudattelevia kasvillisuusvyöhykkeitä. Kaikki biomit muodostavat yhdessä biosfäärin.

Jokaisessa ravintoketjun vaiheessa suurin osa energiasta poistuu eliöistä lämpönä. Tätä eliöiden kannalta käyttökelvotonta energiaa sanotaan energian ohivirtaukseksi. Ohivirtauksen takia korkeamman asteen kuluttajilla on hyödynnettävänään vähemmän energiaa kuin ensimmäisen asteen kuluttajilla. Siksi esim huippupetojen, kuten petolintujen määrä on yleensä pienempi kuin kasvinsyöjien, kuten peltomyyrien määrä.

Ekologinen perustutkimus tuottaa tietoa ekosysteemeistä          

Ekologia tutkii eliöiden runsauteen ja levinneisyyteen vaikuttavia tekijöitä sekä eliöyhteisöjen ja ekosysteemien toimintaa. Erityisesti ympäristöongelmien ratkaisemisessa ekologinen tutkims on välttämätöntä. Etenkin teollisuuden päästöjen, yhdyskuntien jätteiden puutteellisen käsittelyn ja pelloilta valuvien lannoitteiden vuoksi haitallisia aineita joutuu maahan, ilmaan, veteen ja elöihin. Aineiden kierron tunteminen erilaisissa ekosysteemeissä on avain saastumis- ja pilaantumisongelmien ratkaisuun.

Luonnon eliöyhteisöjä tutkimalla on löydetty tuholaisten luontaisia vihollisia, kuten loisia ja petoja, ja siten saatu käyttöön monia käyttökelpoisia biologisia torjuntamenetelmiä kasvihuoneisiin, pelloille ja taimikoihin. Muualta peräisin olevien petojen tai loisien tuomisessa on kuitenkin aina se riski, että tuotu laji voi aiheuttaa ennalta arvaamattomia seurauksia päästessään leviämään luontoon.

Ke 3: Luku 2 Reaktioyhtälöt ja niiden käyttö

Aineen olomuodoksi merkitään sen olomuoto huoneen lämpötilassa, elleivät reaktio-olosuhteet toisin määrää. Olomuotojen päättelyä helpottavat seuraavat säännöt:

1. Ilmassa esiintyvät alkuaineet ja yhdisteet ovat kaikki kaasuja eli niiden olomuodoksi merkitään (g). Muista kirjoittaa happi, typpi, vety ja halogeenit kaksiatomisina molekyyleinä!

2. Kaikki metallit ovat elohopeaa lukuun ottamatta huoneen lämpötilassa kiinteitä aineita eli niiden olomuodoksi merkitään (s).

3. Kaikki suolat eli ioniyhdisteet ovat huoneen lämpötilassa kiinteitä. Olomuotomerkintä siis (s).

4. Happojen tai emästen vesiliuokset ja muut veteen liukenevat aineet merkitään olomuototunnuksella (aq).

5. Reaktioon osallistuva vesi merkitään olomuototunnuksella (l). Poikkeuksen muodostaa palamisreaktiossa muodostuva vesihöyry H2O (g).

NTP-olosuhteissa mitä tahansa kaasua 0 celsiusasteen lämpötilassa ja 1,01325 baarin paineessa (normaali ilmanpaine) on noin 22,41 dm³:n tilavuus. Elikkä

n = V / V_m 

missä n on kaasun ainemäärä (mol), V kaasun tilavuus (dm³) ja V_m  kaasun moolitilavuus (=22,41 dm³/mol). Jos olosuhteet eivät vastaa NTP-oloja, käytetään laskuissa kaasujen yleistä tilanyhtälöä joka on

pV= nRT

Seoslaskuissa reaktioyhtälöitä ei saa laskea yhteen, mutta reaktiosarjojen tapauksessa saa. Seoslaskuissa kaikkien tapahtuvien reaktioiden reaktioyhtälöt on kirjoitettava erikseen.

                                                                                                     

Kemia 3: luku 1 Kemialliset reaktiot

Reaktionopeuksia tutkivaa ja niitä matemaattisesti mallintavaa kemian osa-aluetta sanotaan kinetiikaksi. Reaktion aktivoitumisenergia on se energiamäärä, joka lähtöaineiden täytyy ylittää, jotta reaktio käynnistyisi. Tätä kynnystä alentamalla reaktiota pystytään nopeuttamaan. Kemiallisen reaktion nopeutta voidaan säädellä lämpötilan, aineiden konsentraatioiden ja erilaisten katalysaattorien tai inhibiittorien avulla. Termokemiassa tutkitaan kemialliseen reaktioon liittyviä energiamuutoksia.

Sokeri liukenee nopeammin kuumaan kuin kylmään veteen, koska kuumassa vedessä sokerin molekyylihila hajoaa eli molekyylit irtoavat toisistaan helpommin. Tämä johtuu siitä, että lämpö nopeuttaa molekyylien välisten sidosten katkeamista.

Maito säilyy paremmin jääkaapissa kuin huoneen lämpötilassa, koska kylmässä maidon sisältämien bakteerien toiminta hidastuu eli entsyymit toimivat hitaammin. Pullataikinaa tehtäessä maito lämmitetään kädenlämpöiseksi, koska taikinaan lisättävän hiivan entsyymit toimivat tehokkaasti noin 37 celsiusasteen lämpötilassa, jolloin hiilidioksidia muodostuu nopeasti.

                                                                                                                                                  

Elintarvikkeiden joukkoon lisätään antioksidantteja, koska antioksidantit hidastavat tai ehkäisevät kokonaan hapen reaktioita (=hapettuminen) elintarvikkeiden eri ainesosien kanssa. Pesujauheissa on proteaasi- ja lipaasientsyymejä, koska proteaasit ovat entsyymejä, jotka nopeuttavat proteiinipitoisen lian irtoamista ja lipaasit nopeuttavat rasvatahrojen hajoamista.

Fysiikka 3: luku 4 Geometrinen optiikka

4.1 Sädeoptiikan perusteet

Geometriseen optiikkaan liittyvät peruslait ovat jo tuttuja tämän fysiikkakolmoskurssin aiemmista postauksistani. Eli valon heijastumislaki ja taittumislaki. Mitäs niitä tässä enää uudelleen kertaamaan, vaan mennään eteenpäin.

4.2 Peilit

Tasopeili

Kuvaa nimitetään todelliseksi kuvaksi, kun sen muodostavat todelliset valonsäteet, ja valekuvaksi, kun sitä on muodostamassa säteiden jatkeet. Valekuvaa ei saada näkyviin varjostimella. Tasopeilin muodostama, esineen kokoinen ja oikein päin oleva valekuva syntyy, kun esineestä lähtevät valonsäteet heijastuvat peilistä katsojan silmään. Valekuvan paikka löydetään piirtämällä heijastuneiden säteiden jatkeet.

Pallopeilit

Pallon keskipistettä kutsutaan peilin kaarevuuskeskipisteeksi O. Peilin keskipisteen ja kaarevuuskeskipisteen kautta kulkeva suora on peilin pääakseli. Peilin kaarevuussäde r on sama kuin sen pallon säde, jonka osa peili on. Kaarevuuskeskipisteen O ja peilin keskipisteen puolivälissä olevaa pistettä F kutsutaan peilin polttopisteeksi ja polttopisteen etäisyyttä peilin keskipisteestä kutsutaan polttoväliksi f. Koveran peilin polttopisteeseen muodostuu korkea lämpötila. Koveraa peiliä nimitetään myös kokoavaksi peiliksi.

Kuva: Googlen kuvahaku.

Kovera pallopeili ei kokoa pääakselin suuntaisia valonsäteitä aivan tarkasti polttopisteeseen. Pääakselista kauempana olevat säteet leikkaavat heijastumisen jälkeen pääakselin ennen polttopistettä. Tätä nimitetään pallopoikkeamaksi.

Koveran pallopeilin avulla saadaan suurennettu kuva. Siksi kasvopeileissä käytetään koveraa pintaa suurentamaan kasvojen kuvaa. Kuperassa pallopeilissä nähdyt esineet ovat pienentyneitä. Tavaratalojen kuperien peilien avulla henkilökunta voi tarkkailla asiakkaita laajemmalla alueella kuin tasopeilin avulla.

Kun tutkitaan piirtämällä kuvan muodostumista pallopeileissä, oletetaan, että peilin kaarevuus on pieni, jolloin peiliä voidaan pitää lähes tasomaisena. Heijastuessaan peilipinnasta kaikki valonsäteet noudattavat heijastuslakia.

Viivasuurennos

Viivasuurennoksella tarkoitetaan kuvan korkeuden suhdetta esineen korkeuteen. Pallopeilin kuvauksen viivasuurennos on

m = k/e = |b| / |a|

jossa k on kuvan (valekuvan) ja e esineen korkeus sekä b kuvan ja a esineen etäisyys peilistä. B:lle ja a:lle käytetään niiden itseisarvoa.

Pallopeilien kuvausyhtälö

Pallopeileille on likimäärin voimassa yhtälö:

1/a + 1/b = 1/ƒ

jossa a on esineen etäisyys peilistä, b kuvan etäisyys peilistä ja f peilin polttoväli. Peilien kuvausyhtälöä käytettäessä on noudatettava seuraavia merkkisääntöjä:

1. Jos esine, kuva ja polttopiste ovat sillä puolella peilipintaa, josta valo tulee, a, b ja f ovat positiivisia.

2. Koveran peilin polttoväli on aina positiivinen ja f = r/2, kun r on peilin kaarevuussäde. Kuperan peilin polttoväli on aina negatiivinen: f = - r/2.

3. Jos kuva (valekuva) on peilipinnan takana, b on negatiivinen. Jos esine (vale-esine) on peilipinnan takana, a on negatiivinen.

4.3 Linssit

Linssin taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Sen takia linssin pinnoilla esim punainen valo taittuu eri kulmaan kuin sininen valo. Linssin kuvausvirheitä ovat mm. pallopoikkeama ja väripoikkeama. Väripoikkeama esiintyy, kun valon taittumisen takia havaitaan dispersio.

Väripoikkeama. Kuva: Googlen kuvahaku.

Linssin kuvausyhtälö

Kuperan linssin muodostama kuva saadaan näkyviin varjostimelle. Valekuvaa ei nähdä varjostimella. Koveran linssin muodostama kuva on aina valekuva. kupera linssi voi muodostaa kuvan tai valekuvan. Kuvan muodostuminen ohuessa linssissä noudattaa likimäärin yhtälöä

1/a + 1/b = 1/ƒ

jossa a on esineen ja b kuvan (valekuvan) etäisyys linssistä ja f linssin polttoväli. Linssien kuvausyhtälöä käytettäessä on noudatettava seuraavia merkkisääntöjä:

1. Kuperan linssin polttoväli f on positiivinen ja koveran negatiivinen.

2. Jos esine on sillä puolella linssiä, josta valo tulee, a on positiivinen. Muuten a on negatiivinen.

3. Jos kuva on sillä puolella linssiä, jonne linssin läpi kulkenut valo etenee, b on positiivinen. Jos kuva muodostuu sille puolelle linssiä, josta valo tulee, b on negatiivinen.

Linssin viivasuurennos on

m = k/e = |b| / |a|

jossa k on kuvan ja e esineen korkeus sekä b kuvan (tai valekuvan) ja a esineen etäisyys linssistä.

Linssin taittovoimakkuus

Linssin taittovoimakkuus kuvaa linssin taitto-ominaisuuksia. Linssin taittovoimakkuus D on polttovälin f käänteisluku

d = 1/ƒ

Taittovoimakkuuden yksikkö on [D] = 1[f] = 1 1/m, jota kutsutaan dioptriksi (1 d). Kuperan linssin taittovoimakkuus on positiivinen ja koveran negatiivinen.

Linssisysteemit

Linssisysteemissä kaksi linssiä tai useampia linssejä on asetettu niin, että niiden pääakselit yhtyvät. Tämän systeemin muodostama kuva saadaan laskennallisesti tai piirtämällä siten, että ensimmäisen linssin muodostamaa kuvaa pidetään esineenä toiselle linssille jne. Jos linssin muodostama kuva syntyy seuraavan linssin taakse, tämä kuva on vale-esine seuraavalle linssille eli tällöin a on negatiivinen.

Fysiikka 3: luku 3 Valo

Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä. Toisin kuin mekaaninen aaltoliike, valo ei tarvitse edetäkseen väliainetta vaan se etenee myös tyhjiössä. Sähkömagneettinen aalto syntyy, kun eletkroni tai jokin muu varattu hiukkanen värähtelee edestakaisin. Sähkömagneettinen aalto etenee sähkö- ja magneettikenttien värähtelynä. Värähtelysuunnat ovat kohtisuorassa aaltoliikkeen etenemissuuntaa vastaan, eli sähkömagneettinen aaltoliike on poikittaista aaltoliikettä. Suhteellisuusteorian mukaan mikään energiaa kuljettava signaali tai hiukkanen ei voi liikkua nopeammin kuin valo tyhjiössä. Kaikki sähkömagneettinen säteily etenee tyhjiössä aina samalla nopeudella. Aaltoliikkeen perusyhtälö valolle on

c = ƒλ

3.2 Valon voimakkuus

Valolähteen voimakkuuden mittana käytetään valolähteen valovirtaa Φ. Valovirta on valolähteen säteilyteho suhteutettuna siihen, miten voimakkaana ihmissilmä aistii sen. Valovirran yksikkö on 1 lm (lumen). Leikkaussalissa kirurgien ja hoitajien vihreä vaatetus vähentää valon häikäisevää heijastumista. Pinta näyttää sitä valoisammalta, mitä suurempi valovirta sille tulee. Pinnan valaistusvoimakkuus E on

E = Φ / A

missä Φ on pinnalle A osuva valovirta. Valaistusvoimakkuuden E yksikkö on 1 lm/m², josta käytetään nimitystä 1 lx (luksi). Valovoima I kuvaa valolähteen kirkkautta. Valovoima on SI-järjestelmän perussuure ja sen yksikkö on 1 cd (kandela). Toisin kuin valaistusvoimakkuus, valovoima ei riipu valolähteen etäisyydestä, vaan se ilmaisee, kuinka suuren valovirran valolähde lähettää kuhunkin suuntaan. Valovoima ei liity valaistukseen tai havaitsijan kokemaan valon määrään, vaan se on valolähteen ominaisuus.

Energiansäästölamppujen lumen-arvot eli valon voimakkuudet ovat wattia kohden huomattavasti suurempia kuin hehkulamppujen lumen-arvot.

3.3 Valon heijastuminen, taittuminen ja kokonaisheijastuminen

Diffuusi heijastuminen tarkoittaa heijastumista epätasaisesta pinnasta. Jokaisessa pinnan kohdassa toteutuu heijastuslaki eli se että tulokulma on yhtä suuri kuin heijastuskulma. Aineen taitekerroin määritellään yhtälöllä

n = c / c_aine

jossa n on taitekerroin, c valon nopeus tyhjiössä ja c aine valon nopeus aineessa. Mitä enemmän aine taittaa valoa, sitä hitaammin valo etenee siinä ja sitä suurempi on sen taitekerroin. Taitekerroin on aina suurempi kuin yksi, jasn arvo riippuu myös valon aallonpituudesta. Taitekerroin tyhjiössä on tasan 1. Ilman taitekerroin on 1,0028, mutta useimmiten ilmaa voi pitää tyhjiön kaltaisena eli sen taitekertoimelle voi käyttää arvoa n = 1,00.

Voimakkaasti valoa taittavan aineen sanotaan olevan optisesti tiheä ja vähän valoa taittavan optisesti harva. Kun valo tulee optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen (n1 < n2), niin silloin valon nopeus pienenee ja valo taittuu normaaliin päin. Kun valo tulee optisesti tiheämmästä aineesta optisesti harvempaan aineeseen (n1 > n2), niin valon nopeus kasvaa ja valo taittuu normaalista poispäin. Valonlähde määrää valon taajuuden, joten sen arvo ei muutu taittumisen yhteydessä.

Optisesti harvemman aineen taitekerroin on pienempi kuin optisesti tiheämmän aineen. Kokonaisheijastumisen avulla valo voidaan ohjata kulkemaan haluttuun suuntaan ilman peilejä optisissa laitteissa. Valokuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastumiseen kuidun seinämistä. Kuidun päästä lähetetty valo tulee ulos toisesta päästä, vaikka kuitu olisi mutkitteleva. Lasista tai muovista vedetty kuitu päällystetään jollakin sitä optisesti harvemmalla aineella. Optisessa tiedonsiirrossa valokuiduissa käytetään näkyvän valon sijasta infrapunasäteilyä.

Endoskooppi on valokuituja hyödyntävä laite, jolla lääkäri tähystää ihmiskehon onteloita, kuten vatsaa ja suolistoa, ja rakennustarkastaja etsii esim homevauriota talon rakenteista. Tähystäminen tapahtuu lähettämällä muutaman kuidun kautta valoa kohteeseen ja katselemalla muiden kuitujen takaisin tuomaa kuvaa laitteen okulaarista tai tietokoneen näytöltä.

3.4 Valon aaltoilmiöitä

Aineen taitekertoimen riippuvuutta valon aallonpituudesta kutsutaan dispersioksi. Prisma saa valon hajaantumaan eri väreihin.  Spektriä tarkastelemalla huomataan, että punainen valo taittuu vähiten ja violetti eniten. Tulevan säteen ja eniten taittuneen läpimenneen säteen välistä kulmaa δ kutsutaan kokonaispoikkeamaksi. Kulmaa fii kutsutaan prisman taittavaksi kulmaksi.

Spektrin syntyminen osoittaa, että tulevassa valossa on kaikkia aallonpituuksia eli kaikkia värejä. Tällaista valoa kutsutaan valkoiseksi valoksi. Valoa, jossa on vain yhtä aallonpituutta, kutsutaan monokromaattiseksi eli yksiväriseksi valoksi. Esim laserin valo on tällaista valoa.

Värien muodostuminen

Valoa aistitaan silmän verkkokalvon sauva- ja tappisoluilla. Sauvasolut auttavat näkemään pimeässä, mutta ne eivät erota värejä. Tappisolujen yksi laji on herkin spektrin punaiselle päälle, toinen siniselle päälle ja kolmas välialueelle, erityisesti vihreälle värille. Väriaistimus syntyy aivoissa siitä yhteisvaikutuksesta, jonka silmiin tuleva valo aiheuttaa eri tappisoluissa. Kun kaikki kolme tappisolutyyppiä reagoivat valoon sopivassa suhteessa, aistimme valon valkoisena. Tällaista värinmuodostusta kutsutaan yhdistäväksi eli additiiviseksi värinmuodostukseksi. Punaista, vihreää ja sinistä kutsutaan additiivisen värinmuodostuksen pääväreiksi.

                                                                                                                             

Värin muodostumista siten, että valkoisesta valosta osa absorboituu, kutsutaan vähentäväksi eli subtraktiiviseksi värinmuodostukseksi. Kun kappaleeseen osuu kaikkia aallonpituuksia sisältävää valoa, kappale imee itseensä osan valosta ja heijastaa osan. Heijastunut osa määrää kappaleen värin. Subtraktiivisen värinmuodostuksen päävärit ovat syaaninsininen, magentanpunainen ja keltainen. Kun niitä sekoitetaan sopivassa suhteessa keskenään, saadaan mustaa. Kun kappale on musta, se ei heijasta mitään väriä vaan kaikki valon aallonpituudet absorboituvat siihen. Kappale on valkoinen, kun se heijastaa kaiken valon.

Interferenssi ja diffraktio            

Interferenssillä tarkoitetaan eri aaltojen yhteisvaikutusta. Diffraktiolla tarkoitetaan esteen aiheuttamaa valon taipumista. Diffraktio on heijastumisen ja taittumisen lisäksi kolmas ilmiö, joka muuttaa valon kulkusuuntaa. Kun laserin valo osuu kohtisuorasti kaksoisrakoon, valo hajaantuu varjostimella erillisiksi valopisteiksi, joista kirkkain on keskellä. Kuvio syntyy eri raoista pallomaisesti leviävien aaltojen interferoidessa keskenään. Valoisa kohta syntyy varjostimelle, kun on voimassa ehto

d sin α = kλ, k = 0, 1, 2, 3, ....

jossa d on rakojen välimatka, α taipumiskulma, λ aallonpituus ja k valoisan kohdan kertaluokka. Valoisia kohtia kutsutaan k:n arvon mukaan nollannen, ensimmäisen, toisen, jne kertaluvun valomaksimeiksi eli diffraktiomaksimeiksi. Keskellä on nollannen kertaluvun valomaksimi ja sen molemmilla puolilla ovat muiden kertalukujen valomaksimit. Maksimien kirkkaus heikkenee kertaluvun kasvaessa eli kohti diffraktiomaksimin reunoja.

Kahden raon koetta kutsutaan myös Youngin kokeeksi Thomas Youngin mukaan. Hän todisti vuonna 1801 valon aaltoluonteen ja osoitti Newtonin esittämän valon hiukkasteorian vääräksi. Kaksoisrakokokeen tulos voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla. Elikkä sen mukaan molemmat raot ovat palloaaltojen lähteitä. Kun palloaaltojen välillä tapahtuu interferenssi, aallot joko vahvistavat tai vaimentavat toisiaan valon kulkusuunnasta riippuen ja varjostimelle syntyy vuoronperään valoisia ja tummia raitoja.

Diffraktio. Kuva Googlen kuvahaku.

Hila

Hila on levy, jossa on yhdensuuntaisia ja toisistaan yhtä etäällä olevia rakoja tai uurteita. Viereisten rakojen välimatkaa sanotaan hilavakioksi d. Mitä lähempänä raot ovat toisiaan, eli mitä pienempi hilavakio on, sitä voimakkaampi on taipuminen hilassa ja sitä leveämpi on varjostimelle syntyvä diffraktiokuva.

Polarisaatio

Valoaalossa sähkökenttä värähtelee aallon etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa. Se voi värähdellä tässä tasossa kaikissa suunnissa. Osittain polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee jossakin suunnassa enemmän kuin muissa suunnissa. Täydellisesti polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee sen sijaan ainoastaan polarisaatiosuunnassa.

Polarisoivat aurinkolasit eivät päästä lävitseen vaakasuunnassa polarisoitunutta valoa, ja niiden läpi kulkenut valo värähtelee lasien pystysuunnassa. Polarisoituneen valon polarisaatiosuunnaksi on sovittu valoaallon sähkökentän suunta. Polarisoituminen on poikittaiseen aaltoliikkeeseen liittyvä ilmiö. Pitkittäinen aaltoliike ei voi polarisoitua, koska värähtelyt tapahtuvat siinä aina aallon etenemissuunnassa.

Valo on yleensä polarisoitumatonta. Tämä johtuu valon mikroskooppisesta syntytavasta kun kyseessä on auringonvalo tai hehkulampun valo. Auringonvalo syntyy elektronien värähtelyistä, joiden suunta määrää säteilyn sähkökentän värähtelysuunnan. Auringonvalo koostuu suunnattomasta määrästä yksittäisten elektronien lähettämiä aaltoja. Koska elektronit värähtelevät mielivaltaisiin suuntiin, värähtelee yhdistetyn aallon sähkökenttä myös kaikkiin suuntiin eli valo on tällöin polarisoitumaton.

Polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee siis jossakin suunnassa eli polarisaatiosuunnassa voimakkaammin kuin muissa suunnissa. Valo voi polarisoitua kulkemalla polarisaattorin läpi, heijastumalla aineiden rajapinnasta tai sirotessaan.

Polarisaattori päästää lävitseen vain tiettyyn suuntaan värähtelevän sähkökentän ja absorboi muihin suuntiin värähtelevät kentät. Polarisaattoria voi käyttää myös analysaattorina, eli sen avulla voi tutkia, onko tuleva valo polarisoitunutta ja mikä on sen polarisaatiosuunta.

                                                                                                                                               

Polarisoivien aurinkolasien linsseissä on ainekerros, jossa pitkät molekyylit ovat asettuneet yhdensuuntaisiksi ketjuiksi niin, että ne estävät häiritsevien heijastusten pääsyn linssien läpi. Eräät aineet kiertävät polarisoituneen valon sähkökentän värähdystasoa. Tällainen aine on esim ruokosokeriliuos. Tällaisia aineita sanotaan optisesti aktiivisiksi aineiksi. Nestekidenäytön toiminta perustuu nestekiteiden kykyyn kiertää valon polarisaatiosuuntaa.

Valo polarisoituu heijastuessaan eristeen pinnasta. Muista aineista se ei polarisoidu. Polarisoituminen tapahtuu ainoastaan silloin, kun valo tulee rajapintaan vinosti. Tällöin sekä heijastunut että taittunut valo ovat osittain polarisoituneet, ja sopivassa tulokulmassa ne ovat täydellisesti polarisoituneet.

Osittain polarisoituneessa valossa sähkökenttä värähtelee jossakin suunnassa enemmän kuin muissa suunnissa, ja täydellisesti polarisoituneessa valossa se värähtelee ainoastaan polarisaatiosuunnassa. Ilmakehästä sironnut auringonvalo on polarisoitunutta. Mehiläiset käyttävät tätä suunnasta riippuvaa taivaansinen polarisoitumista hyväksi suunnistaessaan.

Brewsterin lain mukaan heijastunut valo on täydellisesti polarisoitunut silloin, kun heijastuneen ja taittuneen säteen välinen kulma on suora. Brewsterin laki pätee vain eristeille. Täydellinen polarisaatio aineiden 1 ja 2 rajapinnassa tapahtuu, kun valon tulokulma α1 toteuttaa ehdon

tan α1 = n2/n1

jossa n1 ja n2 ovat aineiden taitekertoimet.

Laser

Laserin valo on koherenttia valoa. Se koostuu aalloista, joilla on sama taajuus ja vaihe. Laservalolla on suuri intensiteetti, koska koherentti valo on tiivistynyt siinä hyvin kapeaksi säteeksi. Laseria käytetään mm. lasertulostimissa, poliisien lasertutkissa, etäisyyden mittaamisessa, leikkauksissa ja tutkimuksessa. Kaupan kassalla lasersäde tunnistaa hinnan tuotteen viivakoodista. Hiilidioksidilaserilla voidaan työstää metalleja. Pienitehoisia lasereita käytetään cd-soittimissa. Silmän laserleikkauksissa laserhoito perustuu noin yhden millimetrin läpimittaisen laserpulssin aiheuttamaan sarveiskalvon hiontaan.

Laseria käytetään myös tiedonsiirtoon ja tallentamiseen. Sinisen laserin aallonpituus on punaista laseria lyhyempi ja sinisen laserin tallennuskapasiteetti on punaista laseria paljon suurempi. Tämä perustuu siihen, että sinistä valoa lähettävän laserin säde on kapeampi kuin punaista valoa lähettävän. Tämä mahdollistaa suuremman bittimäärän lukemisen ja kirjoittamisen levyn pinta-alaa kohden.