Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Transkriptio

1 Kvantittuminen Planckin kvanttihypoteesi Kappale vastaanottaa ja luovuttaa säteilyä vain tietyn suuruisina energia-annoksina eli kvantteina Kappaleen emittoima säteily ei ole jatkuvaa (kvantittuminen) Kvantin energia: E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs

2 Fotonit Sähkömagneettisen säteilyn hiukkasia kutsutaan fotoneiksi (valokvantti) massattomia kulkevat valonnopeudella c niiden koko energia on liike-energiaa: E = hf Suhteellisuusteorian mukaan fotonin liikemäärä p ja energia E riippuvat toisistaan kaavan E = pc mukaisesti p = E/c = hf/c = h/

3 Valosähköinen ilmiö Tietyn taajuuden f 0 ylittävä sähkömagneettinen säteily (riittävän suurienergiset fotonit) pystyy irrottamaan elektroneja metallista Säteilyn intensiteetti ei vaikuta Valosähköinen ilmiö on eräs todiste valon hiukkasluonteesta Sovelluksia: valodiodi, aurinkopaneeli, valaistusmittari Fotonin energia (hf) kuluu Elektronin irrotustyöhön W 0 Elektronien kineettiseksi energiaksi E k max E k max E k hf f W 0 W 0 f0 hf W E max 0 k Nopeimpien (helpoimmin irtoavien) elektronien liike-energia

4 Aaltohiukkasdualismi Sähkömagneettisella säteilyllä ja aineella on molemmilla sekä aaltoliikkeen, että hiukkasten ominaisuuksia Valon duaalinen luonne Aaltomalli interferenssi ja diffraktio (kaksoisrakokoe, hilat) Polarisaatio Suureita: Aallonpituus, amplitudi ja taajuus Hiukkasmalli Valosähköinen ilmiö Mustan kappaleen säteily Comptonin sironta Suureita: Fotonin liikemäärä ja energia

5 Aineen (hiukkasten) aaltoluonne De Broglie: aaltohiukkasdualismi koskee myös muitakin hiukkasia kuin valon fotoneja Hiukkasta voidaan kuvata aaltona Aallonpituus Hiukkasjoukon etenemistä voidaan kuvata aaltoyhtälöllä Aaltofunktion aallonpituus λ = h p

6 Röntgensäteily Kiihtyvässä (tai hidastuvassa liikkeessä) oleva varauksellinen hiukkanen lähettää sähkömagneettista säteilyä. Röntgensäteily syntyy röntgenputkessa jarrutussäteilynä. Katodilta irronneet elektronit saavuttavat suuren nopeuden tasajännitteen kiihdyttämänä ja hidastuvat sitten hyvin nopeasti törmätessään anodiin. Törmäyksessä elektronien liike-energia voi muuttua kokonaan tai osittain säteilyksi. Tämän vuoksi säteilyssä voi esiintyä kaikkia aallonpituuksia tietystä minimiaallonpituudesta min lähtien.

7 Pienintä aallonpituutta vastaa kvantin suurin energia, jolloin koko sähkökentän elektronille tekemä työ W = eu muuttuu kvantin energiaksi. E hc Jarrutussäteily muodostaa jatkuvan aallonpituusjakauman eli spektrin, jonka minimiaallonpituus riippuu vain kiihdytysjännitteestä (käänteisesti). eu Röntgensäteilyn spektrissä esiintyy usein myös intensiteettipiikkejä. hf max min Tätä säteilyä kutsutaan röntgenputken ominaissäteilyksi eli karakteristiseksi säteilyksi. min hc eu

8 Intensiteettipiikkien aallonpituudet riippuvat vain anodiaineesta. Piikit syntyvät, kun riittävän suurella jännitteellä kiihdytetyt elektronit virittävät törmäyksessä anodin atomeja. Elektroni voi siirtyä esimerkiksi ydintä lähinnä olevalta K-kuorelta ylemmälle kuorelle (L, M, N) Viritystila ei ole pysyvä, vaan se purkautuu välittömästi ylemmän kuoren jonkin elektronin täyttäessä aukon. Röntgensäteilyn aallonpituusalueella esiintyvät piikit syntyvät viritystilan purkautuessa takaisin K-kuorelle Siirtymä L-K on selvästi todennäköisin, joten sen intensiteettipiikki K α on aina korkeampi ja suuremmalla aallonpituudella kuin muiden siirtymien. M-K: K β N-K: K γ

9 Atomin energiatilat Atomin elektroniverhon elektronien kokonaisenergia riippuu elektronin etäisyydestä ytimestä Atomin energiatilat (tarkemmin sanottuna elektronien energiatilat) ovat kvantittuneet Vain tietyt tasot mahdollisia Nämä esitetään energiatasokaaviolla Atomi on perustilassa alimmalla energiatasolla, jolloin pääkvanttiluku n = 1 Kun atomi absorboi energiaa, elektroni voi virittyä, jolloin elektroni siirtyy korkeammalle energiatasolle Viritystilat ovat lyhytikäisiä. Ne purkautuvat kokonaan tai osittain atomin luovuttaessa eli emittoidessa fotonin E 3 E 2 E E 1 emissio absorptio pääkvanttiluku n = 3 n = 2 perustil a n = 1 Atomin energia voi muuttua vain energiatasojen erotuksena, jolloin (emittoituvan tai absorboituvan) kvantin energia on: hf E m E n

10 Spektrit Emissiospektri syntyy aineen emittoidessa (lähettäessä) sähkömagneettista säteilyä (valoa) Jatkuva tai viivaspektri Absorptiospektri syntyy kaasuatomien absorboidessa säteilystä vain tiettyjä aallonpituuksia Kaasu absorboi valosta ne aallonpituudet, jotka se pystyy emittoimaan