Bevezet�s

Az anyag a vil�g l�that� �p�tõk�ve. Meg�rt�s�vel, magyar�zat�val elsõk�nt a filoz�fia foglalkozott. Az idealista (teremt�selvû) �s a materialista (anyagelvû) felfog�s az eredetet tekintve ellent�tes magyar�zattal szolg�l. Az idealista filoz�fusok szerint az anyagot felsõbbrendû szellem teremtette, s a teremt�stõl l�tezik. A materialista felfog�s szerint az anyag tudatunkt�l f�ggetlen, �r�kk� l�tezõ objekt�v val�s�g. A term�szettudom�nyok sem tudtak d�ntõ �rveket hozni a fenti k�t alapvetõ felfog�s mellett, vagy ellen.

A anyagi vil�got fel�p�tõ �p�tõk�vek az atomok. Az atomok atommagb�l �s elektronburokb�l �p�lnek fel. Az atommagot elektromosan t�lt�ssel rendelkezõ (proton) illetve nem rendelkezõ (neutron) elemi r�szecsk�k alkotj�k. Az atommagban �sszpontosul az atom t�meg�nek t�lnyom� h�nyada, de a t�rfogat�nak csak t�red�k�t teszi ki. Az atommagot alkot� r�szecsk�k k�z�tti k�lcs�nhat�s erõs. Az atommag k�r�l elektronburok helyezkedik el, amelyben a protonnal azonos m�retû, de ellenkezõ elõjelû elektromos t�lt�ssel �s jelent�ktelen t�meggel rendelkezõ r�szecsk�k, az elektronok keringenek. A kiegyens�lyozotts�g �rdek�ben az elektromosan semleges atomokban a protonokkal azonos sz�m� elektronp�ly�n keringenek elektronok.

K�mai jellemzõk

Az atomokban l�võ protonok sz�ma (atomsz�m), illetve az ezeket kiegyens�lyoz� elektronok sz�ma alapvetõen megszabja az atomok k�miai viselked�s�t. A k�l�nb�zõ atomsz�m� atomokat k�miai elemeknek nevezz�k. Az oxig�nben (atomsz�ma 8) p�ld�ul nyolc proton �s nyolc neutron alkotta mag k�r�l nyolc elektron kering. Az atomok "m�sodlagos nemi jellegeit", azaz vegy�letalkot�si hajlam�t, oldhat�s�g�t, m�s atomokhoz val� kapcsol�d�s�nak m�dj�t alapvetõen az elektronp�ly�k sz�ma, helyzete �s bet�lt�tts�ge hat�rozza meg.

Az elektronp�ly�kban csak bizonyos sz�m� �s geometri�j� elektronp�lya-konfigur�ci� lehets�ges, illetve megengedett energetikailag. Ha ezek mind bet�lt�ttek, akkor a k�vetkezõ rendsz�mn�l �j elektronh�j ki�p�l�se (peri�dus) kezdõdik.

A k�miai elemek az atommag �s elektronh�j konfigur�ci� alapj�n peri�dusos t�bl�zatba rendezhetõk. A t�bl�zat oszlopai az elekronh�j pozici�inak elektronnal val� bet�lt�tts�g�t, a t�bl�zat sorai az elektronh�jak sz�m�t jelzik. Az egy f�ggõleges oszlopba tartoz� elemek hasonl� tulajdons�g�ak.

Az Univerzumban a H �s a He a messze domin�ns elemek, a t�bbi elem gyakoris�ga ezeknek csup�n t�red�ke. A F�ld�n a term�szetben 92 k�miai elem fordul elõ. A peri�dusos rendszer 92 feletti rendsz�m� elemei a term�szetben nem ismertek, csak mesters�gesen �ll�that�k elõ. A 92 elem k�z�l mind�ssze nyolc elem alkotja a F�ld �sszet�tel�nek 99 %-�t. Ezek mind az 56 atoms�lyig tart� sorozatba tartoz�, �n. "k�nnyû" elemek, a peri�dusos rendszer 2-4 oszlop�b�l. A mai fizikai ismereteink szerint az Univerzum elemeinek ar�nya, gyakoris�gi eloszl�sa az Õsrobban�st r�viddel k�vetõ idõszakban j�tt l�tre, s az�ta gyakorlatilag v�ltozatlan.

A felt�telez�sek szerint a F�ld �tlagos �sszet�tel�t legjobban a kondritos meteoritok k�zel�tik meg. Az al�bbi t�bl�zat a kondritok �tlag�t, valamint a F�ld becs�lt �tlagos k�miai �sszet�tel�t mutatja be.

A F�ld �s a kondritos meteoritok �sszet�tele

Az �ltalunk ismert �s mint�zhat� f�ldk�reg k�miai elemeinek gyakoris�ga elt�r a F�ld �tlagos �sszet�tel�tõl. A k�regben az O, Si �s az Al j�tszik d�ntõ szerepet, Ca, Mg, Na, K az �sszet�telben jelentõsebb, a Fe, Mg, S kisebb ar�ny�.

Geok�miai viselked�s szempontj�b�l Goldschmidt 1922-ben az al�bbi csoportos�t�st javasolta:

• sziderofil (Fe-hez t�rsul�) elemek: pl. Co, Ni, Mo, Pt, Au
• kalkofil (S-hez kapcsol�d� elemek: pl. Zn, Pb, Hg
• litofil (O-hez kapcsol�d�) elemek: pl. Na, K, Rb, Mg, Ca, Al, Si

A fenti csoportok tulajdons�gai k�zel azonosak, �s a peri�dusos rendszerben is elk�l�n�lt csoportokat alkotnak. A csoportos�t�s csak hozz�vetõleges, bizonyos elemek t�bb csoportba is sorolhat�k.

A t�megsz�m az atommagot alkot� protonok �s neutronok egy�ttes sz�ma. A k�mai elemek k�l�nf�le izot�pokb�l �p�lnek fel, az izot�pokban a rendsz�mot (�s ez�rt a k�miai karaktert) meghat�roz� proton mell� t�bblet neutron t�rsulhat. A hidrog�nt p�ld�ul az �ltal�nos H¹ t�megsz�m� izot�pj�n k�v�l H² (deut�rium) �s H³(tricium) is alkotja, melyben egy, illetve k�t neutron kapcsol�dik az atommagot alkot� egy protonhoz. Az �sszes izot�p t�meg�t ar�ny�val s�lyozottan �tlagolva kapjuk az elemre jellemzõ atoms�lyt (a H eset�ben 1,008).

Az atomok elõfordulhatnak �n�ll�an, de leggyakrabban molekul�kat alkotnak, azonos vagy elt�rõ k�miai elemekhez kapcsol�dva. A k�miai k�t�st, azaz a kapcsol�d�st, vegy�l�si hajlamot az atom elektronp�lya konfigur�ci�ja, illetve az azon tart�zkod� elektronok energiaszintje hat�rozza meg.

K�miai k�t�st�pusok k�z�l a term�szetes �sv�nyokban:

• kovalens k�t�s,
• ionos k�t�s,

illetve ezek kever�ke fordul elõ a leggyakrabban. Az ionos k�t�s gyakorlatilag elektroncsere, a kovalens k�t�s elektron p�lya �tfed�s �tj�n j�n l�tre. A kovalens k�t�s egyik v�ltozata a f�mes k�t�s, amikor az elektronp�lya �tfed�s nem csup�n k�t r�cspont, hanem az �sszes r�cspont eset�ben j�n l�tre. A k�miai k�t�s ionos, illetve kovalens term�szete az anyagok fizikai tulajdons�gait is erõsen befoly�solja.

Az elektronegativit�s az a tulajdons�g, amely meghat�rozza azt, hogy a k�miai k�t�s kovalens vagy ionos term�szetû lesz-e. Az atomok elektronegativit�s�t az ioniz�ci�s energia �s az elektronaffinit�s �sszegek�nt defini�lhatjuk. Kis ioniz�ci�s energi�j�/potenci�l� elemek k�nnyen adnak le elektront (ioniz�l�dnak), s v�lnak kationn�. Nagy ioniz�ci�s potenci�l� elemek elektronfelv�telre hajlamosak, anionn� alakulva. Az ionos k�t�sre hajlamos elemek a peri�dusos rendszer k�t sz�l�n, az ink�bb kovalens k�t�st alkot� elemek a peri�dusos rendszer k�z�psõ oszlopaiban helyezkednek el. Azok az elemek, amelyekn�l az elektronp�lya �sszes lehets�ges pozici� helye bet�lt�tt, sem elektronfelv�telre, sem elektron lead�sra nem hajlamosak, s �gy molekul�kat , illetve vegy�leteket sem alkotnak - a term�szetben ezeket nemesg�zokk�nt ismerj�k.

Ioniz�ci�s energia az az energia, amely egy e elektronnak az atom k�lsõ elektronh�j�b�l a v�gtelenbe val� kil�k�s�hez sz�ks�ges. Elektronaffinit�s az az energia, amely egy atom eset�ben egy elektron befog�s�hoz sz�ks�ges. Az al�bbi t�bl�zatban az ioniz�ci�s energia �rt�kei (z�r�jelben), illetve az elektonegativit�si �rt�k (Pauling szerint) l�that�. A tapasztalat szerint azonos elektronegativit�s� elemek k�z�tt kovalens, erõsen k�l�nb�zõ elektronegativit�s� elemek k�z�tt ionos k�t�s j�n l�tre. Az ioniz�ci�s energia �rt�ke a peri�dusos rendszer egy sor�ban balr�l jobbra nõ. A F�ldk�reg leggyakoribb �pitõk�v�ben, az SiO₄ tetra�derben 50% ionos, 50 % kovalens a k�t�s.

Halmaz�llapotok

Az anyag a term�szetes k�r�lm�nyek k�z�tt h�rom halmaz�llapotban fordul elõ. Mindh�rom halmaz�llapot� anyag r�szt vesz a f�ldk�reg fel�p�t�s�ben. A f�ldk�regben a szil�rd halmaz�llapot� anyag a szil�rd v�zat, a foly�kony �s g�z halmaz�llapot� anyag oldott �llapot� vegy�letek sz�ll�t� k�zeg�t alkotja. A halmaz�llapotok az anyagot alkot� molekul�k energia tartalm�t�l f�ggnek. Szil�rd halmaz�llapotban ez az energia viszonylag kicsi, az anyag atomjai m�ret�k, t�lt�s�k �s k�t�st�pusuk meghat�rozta r�csszerkezetben (krist�lyszerkezetben) r�gz�tve hõrezg�st v�geznek. A krist�lyos anyaggal energi�t k�z�lve a hõrezg�s nõ mindaddig, am�g a r�csszerkezet felbomlik, molekula l�ncot alkotva foly�kony halmaz�llapot� lesz. Tov�bbi energia felv�tellel a molekula l�ncok is felbomlanak, egyedi molekul�kk�, g�z halmaz�llapotban. A folyamat nyom�st�l �s hõm�rs�klettõl f�gg, �s az egyes anyagokra jellemzõ folyamatg�rb�t k�vetve megy v�gbe. A legjobban ismert halmaz�llapotok a F�ld felsz�n�hez k�zeli viszonyokra vonatkoznak. A F�ld belsej�ben l�võ igen nagy nyom�s �ltal deform�lt anyagok halmaz�llapota val�sz�nûleg egyetlen, a felsz�nen ismert halmaz�llapotnak sem felel meg.

A f�ldtan sz�mos �ga a szil�rd term�szetes anyagokkal (�sv�nyokkal) �s ezek alkotta kõzetekkel, l�trej�tt�kkel, fizikai viselked�s�kkel foglalkozik (pl. �sv�ny-kõzettan, �rcteleptan, litol�gia, sztratigr�fia, stb). A f�ldtani tudom�nyok m�sik csoportja kifejezetten a szil�rd k�zegben mozg� foly�kony �s g�z halmaz�llapot� fluidumokat vizsg�lja (kõolajf�ldtan, v�zf�ldtan, �raml�stan, stb). Egy harmadik csoport a szil�rd �s fluid anyagok alkotta rendszer eg�sz�t vizsg�lja (pl. szerkezetf�ldtan, geofizika, geok�mia).

Egy m�sik csoportos�t�s szerint az anyagok szervesek (azaz szerves anyagokb�l sz�rmaz� sz�n alkotta vegy�letek) vagy szervetlenek (nem szerves anyagokb�l sz�rmaz�, ak�r sz�natomot is tartalmaz� vegy�letek). A f�ldtanban a szerves �s szervetlen anyagok egyform�n jelentõs s�lyt kapnak, b�r a szerves anyagok a f�ldt�rt�neti m�lt kõzeteiben csak erõsen m�dosult form�ban nyomozhat�k (pl. kõsz�n, kõolaj, borosty�n, stb).

Erõ - az anyag mozgat�ja

A term�szetben ma n�gyf�le erõt, k�lcs�nhat�st ismer�nk.

Gravit�ci�

A klasszikus fizika szerint az anyag illetve r�szecsk�i a t�rben mozognak, s mozg�suk ir�nya, illetve sebess�ge akkor v�ltozik, ha erõ hat r�juk. Az erõ egyik form�ja egy t�volra hat� gyenge k�lcs�nhat�s, a gravit�ci�. A gravit�ci� a t�megektõl f�ggõ nagys�g� vonz�s, amely t�megek szorzat�val egyenesen, t�vols�guk n�gyzet�vel ford�tottan ar�nyos.

A gravit�ci� hat�sa a domin�ns b�rmif�le t�meg mozg�s�ban term�szetes k�zegekben - �gy a gravit�ci� jelens�g�t vizsg�ljuk, ha a foly�vizek hat�s�t, a tengeri �ramlatokat, a sz�l sz�ll�t�k�pess�g�t, illetve a magma fel�raml�s�t vizsg�ljuk.

Elektromos k�lcs�nhat�sok

Az erõ m�sik form�ja egy r�vid t�vols�gra hat� erõs k�lcs�nhat�s, amelynek sor�n atomi m�retekben erõk mûk�dnek, gyakorlatilag k�tf�le dolog k�z�tt. Ha ezek a dolgok egyform�k, az erõ tasz�t�s, ha k�l�nb�zõek, vonz�s l�p fel k�z�tt�k. Ezt a k�lcs�nhat�st fenntart� jelens�get t�lt�snek nevezz�k, a k�tf�le t�pust a meg�llapod�s szerint pozit�v �s negat�v jellel jel�lt�k. A t�lt�ssel nem rendelkezõ anyag kiegyens�lyozott, a negat�v �s pozit�v t�lt�sek hat�sa egym�st kiegyenl�ti.

Az anyagot n�gy fajta erõ - k�lcs�nhat�s - mozgatja: a gravit�ci�, az erõs atommag k�lcs�nhat�s a gyenge atommag k�lcs�nhat�s �s az elektrom�gness�g. Az elektromos k�lcs�nhat�s t�bb nagys�grenddel nagyobb erõss�gû, mint a gravit�ci�, de mivel az atomok pozit�v �s negat�v t�lt�sekbõl �p�lnek fel, �gy a t�lt�sek szempontj�b�l kiegyens�lyozottak, erõhat�s nem �szlelhetõ. Eg�szen kev�s t�lt�s t�bblet vagy hi�ny �szrevehetõ elektromos hat�st hoz l�tre. A t�lt�sek k�r�l elektromos t�r alakul ki, ebben a t�rben a t�lt�sekre erõk hatnak, melyek mozg�sba hozz�k õket. B�r a t�lt�sek l�trehozta erõ a t�vols�g n�gyzet�vel cs�kken, a t�lt�s mozgat�s�val a hat�s l�nyegesen t�volabbra is terjed - hull�mjelens�gek l�pnek fel, elektrom�gneses t�r keletkezik. Az elektrom�gneses hull�mok frekvenci�t�l f�ggõen sz�mos form�ban jelentkezhetnek:

Az elektromos k�lcs�nhat�sok eredm�nye minden k�miai reakci�k�nt ismert folyamat, kõzetk�pzõd�s �s old�d�s, m�ll�s, oxid�ci�, hidrat�ci�. Hasonl� k�lcs�nhat�sokra �p�l a F�ld elektromos erõter�nek vizsg�lata s ennek alkalmaz�sa a f�ldtani kutat�sok sor�n.

Magerõk

Az 1920-as �vektõl kezdõdõen, az atommag r�szletes megismer�s�vel jutott el a fizika k�t m�sik k�lcs�nhat�s megismer�s�ig. Az egyik az atommagot �sszetart� erõs k�lcs�nhat�s, a magerõ, amely az elõzõekhez k�pest nagys�grendekkel nagyobb energi�t t�rol. Az elõzõ, elektromos jellegû k�lcs�nhat�s sor�n felszabadul� k�miai energia �s a magerõk felszabad�t�sa k�z�tt akkora a k�l�nbs�g, mint egy hagyom�nyos bomba �s egy atombomba felrobban�sa sor�n felszabadul� energia k�z�tt. Ez az erõ az, amely a protont �s a neutront az atommagban �sszetartja.

B�ta-boml�s

R�szlegesen ismert k�lcs�nhat�s, melynek sor�n a neutron lassan protonra elektronra �s neutrin�ra bomlik.

A n�gyf�le k�lcs�nhat�s nagys�grendi ar�nyai:

Mai felt�telez�s�nk szerint ezek az erõk az Õsrobban�st k�vetõen 15 GeV energiaszinten, 10²⁸ K hõm�rs�kleten, 10^-35 sec idõben v�ltak sz�t egym�st�l.

Az energi�nak, az erõk kifejezõd�s�nek sok k�l�nb�zõ megjelen�si form�ja van: - gravit�ci�s (helyzeti), - kinetikus (mozg�si), - rugalmas, - hõ, - k�miai, - radioakt�v, - mag, - t�megenergia. Az energi�ra az energiamegmarad�s t�rv�nye �rv�nyes. Ez azt �ll�tja, hogy van egy bizonyos, energi�nak nevezett mennyis�g, amely a term�szetben v�gbemenõ v�ltoz�sok sor�n, idõtõl f�ggetlen�l v�ltozatlan marad. Ehhez kapcsol�dik n�h�ny m�s megmarad�si t�rv�ny: az impulzusmegmarad�s, t�lt�smegmarad�s, �s m�g h�rom, a szubatomi r�szecsk�k vil�g�t le�r� megmarad�si t�rv�ny.

A rendelkez�sre �ll� energi�t, illetve az energi�k keltette folyamatok lezajl�s�nak menet�t a termodinamikai t�rv�nyek �rj�k le. Ezek l�nyege, hogy az energia megmarad, de a felhaszn�lhat� energia ennek csak egy r�sze.