Hyvä käyttäjä! Ystävällisin terveisin. Toimitus

Transkriptio

1 Hyvä käyttäjä! Tämä pdf-tiedosto on ladattu Tieteen Kuvalehden verkkosivuilta ( Tiedosto on tarkoitettu henkilökohtaiseen käyttöön, eikä sitä saa luovuttaa kolmannelle osapuolelle. Tekijänoikeudellisista syistä tiedostossa ei ole kuvia. Ystävällisin terveisin Toimitus

2 S. ELLERINGMANN/LAIF/INA Itävallassa 50 Barthenbachin laboratoriossa testataan valaistusta. Tässä tutkitaan, miten lamppujen päivänvalo valaisee Malesiaan rakennettavaa moskeijaa.

3 Monikäyttöinen hyödyke Valo on yhtä aikaa sekä aaltoliikettä että fotoneista muodostuvaa hiukkassäteilyä. Monet valon kaksoisluonteen yksityiskohdat ovat yhä hämärän peitossa, mutta sitä hyödyntämällä on tehty monia teknisiä keksintöjä. Valoon perustuvat mm. dvd-levyt, laserleikkaukset ja optinen tiedonsiirto. Valon kaksoisluonne Valon ominaisuudet: Mittaustavasta riippuen valo käyttäytyy joskus aallon, joskus hiukkasten tavoin. Osa valon ominaisuuksista voidaan selittää, jos valo51 käsitetään aalloiksi, osa, jos valo käsitetään hiukkasiksi, ja osa molemmilla.

4 Taittuminen CORBIS/SCANPIX Vuodesta 1960 lähtien piilolasit ovat taittaneet valoa miljoonien ihmisten silmissä tarkentaen näköä. Säteily Thomas Alva Edisonin 1879 kehittämässä hehkulampussa käytetään hyväksi sitä, että ohut volframilanka alkaa hehkua korkeassa lämpötilassa. Hehkulamput toimivat yhä samalla periaatteella. H. TURVEY/SPL/FOCI Valo ei loista, sillä se on näkymätöntä. Arkiajattelun näkökulmasta tämä kuulostaa kummalliselta, mutta väite on helposti todistettavissa: otetaan lasinen laatikko ja valaistaan se sivulta päin. Laatikko ei näytä olevan valaistu, vaan valo ikään kuin menee sen läpi. Vaikka ihmissilmässä on 125 miljoonaa näkösolua, silmä ei havaitse mitään. Jos sen sijaan laatikkoon sijoitetaan jokin esine, koko laatikko loistaa kirkkaana, sillä esineeseen osunut valo taittuu, jolloin myös lasilaatikko tulee näkyviin. Ilmiölle on yksinkertainen selitys. Näköaistimus syntyy, kun laatikossa olevasta esineestä heijastuu valoa silmän verkkokalvolle eli silmä käyttää hyväkseen valon heijastumista. Viime vuosikymmenien aikana tehty tutkimus on kuitenkin osoittanut, että valo osaa paljon muitakin temppuja. Tutkijat ovat kartoittaneet yli 20 valon ominaisuutta, joita ihminen käyttää hyväkseen. Valon eri ominaisuuksien hyödyntämisestä on syntynyt merkittäviä teknisiä keksintöjä. Valoa ei osata selittää Valon monet mahdollisuudet juontuvat valon kahtalaisesta luonteesta. Toisaalta ei ole saatu yksiselitteistä vastausta siihen, mitä valo on. Aristoteles uskoi, että valo lähtee ihmisen silmästä ulospäin luvun alussa Galileo Galilei ja René Descartes loivat valo-opin tieteelliset perusteet. Johannes Kepler tutki antiikin ajan eurooppalaisten ja oppeja edelleen kehittäneiden arabien optiikkaa. Isaac Newton taas kehitti jo antiikin kreikkalaisten tuntemaa emissioteoriaa, jonka mukaan valo on valonlähteestä sinkoavia hiukkasia. Valon aaltoteorian esitti 1690 Christian Huygens. Siinä valo kuvataan sähkömagneettisiksi energiakentiksi, jotka voimistuvat ja heikkenevät ja leviävät samaan tapaan kuin aallot. Valoaaltojen korkeus määrää valon voimakkuuden, ja aallonpituus eli etäisyys aallonharjasta toiseen määrää valon värin. Aina Yhteiset ominaisuudet Valon säteily, heijastuminen ja taittuminen voidaan selittää paitsi sillä, että valo on aaltoja myös sillä, että valo on hiukkasia. Säteilyä ja heijastumista käytetään hyväksi valaistuksessa: hehkulampuissa ja diodeissa. Valon taittumista taas hyödynnetään piilolinsseissä, silmälaseissa sekä teleskooppien optiikassa. 52 Teksti: Gorm Palmgren. Piirrokset: Claus Lunau Säteily: Kun hehkulankaa lämmitetään, metallin atomit saavat energiaa. Kun energia vapautuu, metalli lähettää valoa, joka voidaan kuvata joko aaltoina tai hiukkasina.

5 ELLINGSMANN/LAIF/INA AGENCY Heijastuminen Tämä Itävallassa Barthenbachissa sijaitseva kokoustila on valaistu erivärisellä valodiodilla. Diodeilla saadaan aikaan yhtä hyvin lämmin hämyisä valaistus kuin kirkas auringonpaistekin luvun lopulle asti uskottiin, että valon nopeus on ääretön luvun alussa valo- ja säteilyoppiin lisättiin Max Planckin ajatus siitä, että valo ja sähkömagneettinen säteily esiintyvät, liikkuvat ja imeytyvät energiapaketteina, kvantteina. Albert Einstein vahvisti teorian selittämällä valosähköisen ilmiön kvanttiteorialla Teorian mukaan valon sähkömagneettinen säteily on pakattu pieniin hiukkasiin, fotoneihin. Hiukkasteoriassa taas fotonien määrä määrää valon voimakkuuden ja kvantin energiamäärä määrää valon värin. Nykyään hyväksytään molemmat teoriat, sillä jotkin valon ominaisuuksista voidaan selittää ainoastaan, jos valo käsitetään aalloiksi, ja toiset voidaan selittää vain, jos valo käsitetään hiukkasiksi. Valoa voi syntyä monella tavalla, mutta kaikille syntytavoille on yhteistä se, että loistavan esineen atomien elektronit ovat saaneet lisäenergiaa, joka sitten vapautuu runsasenergiaisina valonsäteinä. Elektronit kiertävät atomin ydintä tietyillä radoilla, mutta jos elektronit saavat lisää energiaa, ne voivat hypätä toiselle, korkeaenergiaisemmalle radalle. Ne pyrkivät kuitenkin palaamaan omaan alkuperäiseen tilaansa. Kun se tapahtuu, lisäenergia vapautuu valonsäteenä. Valossa on siis juuri niin paljon energiaa kuin elektronin ratojen välinen energiaero on. Jokainen näistä elektronien hyppäyksistä tuottaa tietynvärisen valonvälähdyksen. Diodeilla päivänvaloa Koska aineessa voi olla erilaisia atomeja, joilla kullakin voi olla useita eri energiatasoilla olevia elektroniratoja, niistä vapautuvalla valolla on vaihteleva ener- Heijastuminen: Jos valo lähetetään kohti tasoa, osa siitä heijastuu takaisin. Tasoon tulevan valon ja tasosta heijastuvan valon kulma on tasoon nähden sama. Taittuminen: Valo voi tunkeutua aineiden läpi. Kun valo kulkee kahden aineen rajapinnan läpi, se muuttaa suuntaansa, 53 taittuu. Taittuminen on erisuuruista eri värisillä valoilla.

6 Synkronointi JOE MCNALLY Suurissa joukkokohtauksissa tai mielikuvituksellisissa tieteiselokuvissa näyttelijöiltä vaadittaisiin inhimillisesti mahdottomia suorituksia. Yli-inhimillisissä kohtauksissa käytetään skanneria, joka laservaloa synkronoimalla tekee mallin näyttelijän vartalosta. Sitten tietokone luo näyttelijästä digitaalisen kloonin, joka tekee vaaralliset temput. giamäärä. Havaittavan valon väri syntyy eri värien kaoottisesta sekoituksesta. Hehkulamppu, jonka Thomas Edison keksi vuonna 1879, loistaa, koska sähkövirta lämmittää volframilangan noin 1200 celsiusasteeseen. Korkea lämpötila saa metallin vapauttamaan valonsäteitä, mutta tämän valon energia on jakautunut epäsuhtaisesti. Siinä on enemmän aaltoja tai fotoneja, joiden energiamäärä vastaa punaista valoa, verrattuna sinisen valon määrään. Tästä sekoituksesta syntyy lamppujen tuttu kellertävä hehku. Viime vuosina hehkulamppu on saanut valodiodeista kovan kilpailijan. Diodeja käytettiin ensimmäisen kerran 1970-luvun taskulaskimissa ja digitaalikelloissa, joiden kömpelöt punaiset valot olivat diodeja. Sittemmin valodiodit ovat kehittyneet huomattavasti. Toisin kuin hehkulamppu, valodiodi lähettää vain yhdenlaista valoa, jolla on tietty aallonpituus eli väri. Valodiodeita on mm. punaisia, sinisiä ja vihreitä. Valodiodin väri määräytyy puolijohdemateriaalista, josta diodi on valmistettu. Diodeja käytetään nykyisin esimerkiksi merkkivalojen tilalla, koska ne ovat halpoja, pitkäikäisiä ja vievät vähemmän virtaa kuin hehkulamput. Saattaa olla, että tulevaisuudessa hehkulamput häviävät, ja tilalle tulevat valodiodipaneelit, joissa on tuhansia diodeja. Niillä pystytään luomaan eri tiloihin juuri toiveiden mukainen valaistus. Laseria helppo ohjata Toinen yksivärisen valon lähde on laser, josta on kehittynyt tärkeä apuväline niin teollisuudessa kuin tutkimuksessakin. Lasersäteessä on vain yhtä aallonpituutta olevaa valoa, joka on lisäksi samassa vaiheessa eli valoaallot etenevät tahdissa. Tällöin valoaallot siis liikkuvat nipussa niin, että valonsäteet eivät levity laajalle alueelle, vaan valonsäde on keskitetty tiettyyn pisteeseen. Valon helpon suunnattavuuden ansiosta laserilla on monia Aalto-ominaisuudet Synkronointi, interferenssi ja polarisaatio voidaan selittää vain, jos valo käsitetään aalloiksi. Kun valoa synkronoidaan, saadaan yhdenmukainen valonlähde, laser. Useasta valonsäteestä voidaan luoda hologrammeja interferenssillä. Polarisaatiosuodattimella voidaan poistaa ei-toivottu valo. 54 Synkronointi: Kun valonsäteen aallot ovat samassa tahdissa, syntyy synkronoitu valonlähde, joka voidaan kohdistaa mikroskooppisen pieneen pisteeseen.

7 sovelluksia. Teollisuudessa käytettävillä lasereilla voidaan leikata ja hitsata. Laseria voidaan käyttää myös tutkan tavoin, kun lähetetään valopulssi ja mitataan sen heijastumiseen kuluva aika. Lääketieteessä laseria käytetään mm. leikkauksissa ja mm. kaupoissa viivakoodin lukijoissa. Laseria alettiin kehittää 1960-luvulla. Ensimmäisessä laserlaitteessa käytettiin rubiinikidettä ja salamalamppua. Siinä rubiinisauvan päädyt olivat suorat ja yhdensuuntaiset. Toinen pääty oli hopeoitu kokonaan, toinen osittain. Kun valonlähteestä suunnataan voimakas valopulssi rubiinikiteeseen, kiteen ylimmän kuoren elektronit saavat lisää energiaa ja ne siirtyvät korkeammalle energiatasolle. Kun elektronit palaavat perustilaan, vapautuva energia lähtee valonsäteinä joka suuntaan. Jotkut aallot lähtevät sauvan hopeoituun päähän ja heijastuvat sieltä takaisin. Matkalla aalto osuu elektroniin, joka on vielä korkeammalla energiatasolla. Törmäyksen voimasta elektroni putoaa perustilaansa, jolloin vapautuu energiaa valona. Törmäys saa aikaan myös sen, että uusi aalto lähtee samaan suuntaan kuin alkuperäinen aalto, jolloin uusi aalto on myös samassa vaiheessa kuin alkuperäinen aalto. Aallot on siis synkronoitu, ja ne jatkavat matkaa edestakaisin hopeoitujen päiden välillä. Tästä seuraa ketjureaktio, jossa aalto toisensa jälkeen osuu uuteen elektroniin, josta syntyy jälleen synkronoitu aalto. Silmänräpäyksessä kaikki rubiinissa olevat valoaallot ovat samassa vaiheessa ja niiden aallonpituus on sama. Koska Interferenssi Seteleissä käytetään tunnistimina interferenssikuvioita, hologrammeja, joiden kopioiminen on vaikeaa. Polarisaatio Hematoksyliini-väriaineen kiteitä voidaan tutkia mikroskoopissa, jossa on polarisaatiosuodatin. A. SYRED/SPLL/FOCI C. KOCHER/SPL/FOCI rubiinisauvan toinen pää on vain osaksi hopeoitu, osa näkyvästä valosta purkautuu ympäristöön. Se on laservaloa. Laservaloa voidaan rubiinin lisäksi tuottaa muilla kiinteillä aineilla, kaasuilla, nesteillä tai puolijohteilla. Se aine, jossa synkronoitu valoaalto liikkuu, määrää laservalon voimakkuuden ja aallonpituuden. Rubiinilaserista saadaan punaista valoa, jonka aallonpituus on 694 nanometriä. Hiilidioksidilaserilla taas saadaan pitkäaaltoista infrapunavaloa, jonka aallonpituus on nanometriä. Hiilidioksidilaserin säteen infrapunavalo on itse asiassa lämpösäteilyä ja niin kuumaa, että se sulattaa reiän lähes mihin tahansa aineeseen. Näitä voimakkaita lasereita käytetään teollisuudessa. Laserin arkipäiväisiä sovelluksia ovat cd- ja dvd-soittimet. Tieto tallennetaan cd- ja dvd-levyjen alumiinipintaan koloina. Kun laservalo hipaisee levyn pintaa, se heijastuu takaisin, jolloin takaisin heijastunut valo osuu optiseen lukupäähän ja kolo rekisteröidään yhdeksi informaatiobitiksi. Dvd-levyillä käytetään mm. pienempiä koloja kuin cd-levyillä, joten tietoa voidaan tallentaa tiheämmin. Aallot kumoavat toisensa Valon aaltoluonne tulee ehkä kaikkein selvimmin ilmi interferenssissä. Interferenssi syntyy kahden samanlaisen aaltoliikkeen yhtyessä. Jos aaltoliikkeet ovat samassa vaiheessa, ne vahvistavat toisiaan. Jos ne ovat hiukan eri vaiheessa, yhteisvärähtely on heikompi, ja jos vaiheet ovat vastakkaiset, ne kumoavat toisensa, jolloin syntyy valoton kohta. Fysiikassa interferenssiä hyödynnetään mm. interferometreissa, joissa Interferenssi: Jos valoaalto lähetetään seinässä oleviin reikiin, valo hajoaa toisella puolella kahdeksi säteeksi, jotka interferoivat eli kumoavat tai vahvistavat toisiaan. Polarisaatio: Polarisoimattomassa valossa on eri suuntiin värähteleviä aaltoja. Kun tutkitaan yhdellä 55 tasolla lähetettyä valoa, säde ohjataan ohuen raon läpi.

8 Valosähköilmiö Teleskoopeissa on CCDdetektori, joka muuttaa kaukaisen kohteen valon sähkövirraksi. Kun detektori on kerännyt valoa kyllin kauan, se tuottaa siitä kuvan. L. BERKELEY NATL. LAB./SPL/FOCI valonsäde ensin jaetaan kahteen osaan ja kootaan sitten uudelleen yhteen. Kun jaetut valonsäteet kohtaavat, ne interferoivat eli luovat interferenssiä. Jos toinen valonsäde on matkallaan ollut jonkin esineen vaikutuksessa, tämä vaikutus voidaan mitata kuvion muutoksina. Yleisesti tunnettu interferenssin sovellus on hologrammi. Esineestä voidaan tehdä hologrammi kohdistamalla siihen laservalo, mutta ennen kuin valo osuu kohteeseen, se jaetaankin kahteen osaan signaalisäteeksi ja referenssisäteeksi. Näin toinen osa säteestä osuu suoraan filmiin, johon kuva syntyyy, ja toinen osuu ensin kohteeseen ja vasta sitten filmiin. Koska toinen lasersäteen osa on muuttunut kohteen vaikutuksesta ja toinen ei, säteiden valoaallot eivät enää ole samassa vaiheessa osuessaan filmiin, ja siten syntyy interferenssikuvio. Kohdat, joissa aallot ovat olleet eri vaiheessa, kumoavat toisensa, eikä filmiin synny jälkeä. Kohdat, joissa aallot ovat samassa vaiheessa, jättävät filmiin jäljen. Kun filmi on kehitetty, valmis hologrammi muodostuu tummista ja vaaleista pisteistä, jotka eivät varsinaisesti muistuta mitään esinettä. Näissä tummissa ja vaaleissa pisteissä on kuitenkin kaikki se tieto, joka tarvitaan mielikuvan luomiseen esineestä. Jokainen pieni hologrammin osanen sisältää tiedon siitä, miltä esine näyttää tietystä kulmasta. Siksi koko esineen näkee hologrammista vain siirtämällä katsetta hieman, jolloin syntyy kolmiulotteinen vaikutelma. Optinen pinsetti siirtää soluja Toisinaan valon ominaisuuksien selittämiseen tarvitaan aaltojen asemesta hiukkasia, fotoneja. Jo pitkään on tiedetty, että fotonit voivat siirtää mikroskooppisen pieniä hiukkasia, joten niitä voidaan käyttää eräänlaisina optisina pinsetteinä. Ensimmäinen tätä valon säteilypaineeksi kutsuttua voimaa hyödyntävä pinsetti kehitettiin 1960-luvun lopussa. Se tarvitsi Hiukkasominaisuus Joissakin tilanteissa valon käyttäytyminen voidaan selittää vain hiukkasmallilla. Valon hiukkasominaisuus on mm. ainoa tapa selittää valosähköilmiö, jota käytetään aurinkopaneeleissa ja CCD-detektoreissa. Elektroni Ydin Fotoni 56 Energiakvantti: Atomi lähettää valoa, kun elektroni palaa matalammalle energiatasolle. Valo kulkee energiapakkauksina, joita kutsutaan kvanteiksi tai fotoneiksi. Ne vastaavat kahden energiatason välistä eroa.

9 kuitenkin kolme eri valonlähdettä, ja hiukkasten liikuttelu sen avulla oli vaikeaa. Pinsetillä voitiin siirtää vain erittäin kevyitä hiukkasia, joten sen käyttömahdollisuudet olivat rajalliset. Uudentyyppisiä optisia pinsettejä kehitettiin kiivaasti. Vuonna 1986 New Jerseyssä toimivan Bell-laboratorion tutkija Arthur Askin ja Steven Chu kalifornialaisesta Stanfordin yliopistosta esittelivät huomattavasti kehittyneemmän optisen pinsetin. Se pystyi siirtämään suuria hiukkasia, kuten bakteereja, kolmiulotteisessa tilassa lasersäteen avulla. Uusi laite oli suuri menestys ja helpotti erityisesti biologien työtä, sillä laservalo ei vahingoita eläviä soluja gigahertsin tietokone Näihin päiviin asti tutkijat ovat ohjanneet valon liikkeitä linssien ja peilirakennelmien avulla. Viime vuosina alalla on kuitenkin tapahtunut huimaa kehitystä niin kutsuttujen fotonikiteiden osalta. Fotonikiteillä voidaan ohjata valoa paikasta toiseen niin, että energiaa ei mene hukkaan. Kyseessä on huomattava edistysaskel valon manipuloimisessa, sillä fotonikiteet tarjoavat uusia mahdollisuuksia kehittää yhä nopeampia tiedonkäsittelyjärjestelmiä. Fotonikiteitä on jo testattu laboratorioissa eri puolilla maailmaa. Pohjoismaissa fotonikiteitä tutkitaan mm. Tanskan teknillisessä korkeakoulussa ja Ruotsissa Chalmersin teknillisessä yliopistossa Göteborgissa. Fotonikiteitä voidaan tehdä eri materiaaleista, mutta niille on yhteistä se, että niissä on mikroskooppisen pieniä, saman kokoisia reikiä, joka ovat säännönmukaisissa kuvioissa. Reikien koko määrää sen, mitkä fotonit pääsevät läpi, ja fotonikiteen rakenne sen, että valo ei pääse pois ohjatulta reitiltä. Ensimmäisellä fotonikiteellä, joka tehtiin 1987 poraamalla reikiä sähköä eristävään aineeseen, ei kuitenkaan ohjattu näkyvää valoa, vaan pidempiaaltoisia mikroaaltoja. Koska näkyvän valon aallonpituus on vain millimetrin kahdestuhannesosa, fotonikiteen rakenteita ei saada aikaan poraamalla, vaan esimerkiksi holografialla, syövyttämällä tai itseorganisoituvalla rakenteella. Tulevaisuudessa fotonikide voi pienentää tiedonsiirron mittasuhteita huimasti. Nykyisin käytettäviä valokaapeleita ei voida taivuttaa niin tiukalle mutkalle, että onnistuttaisiin ohjaamaan valoa uuteen suuntaan millimetrin tuhannesosan matkalla. Fotonikiteellä tämä temppu onnistuu, eikä valonsäde tarvitse peilejä taittuakseen. Jos fotonikidekuitu on ontto, myös tiedonsiirron nopeus kasvaa, sillä ontossa kuidussa valo etenee noin kilometriä sekunnissa eli huomattavasti nopeammin kuin valokaapelissa, jossa lasi hidastaa nopeuden noin kilometriin sekunnissa. Ehkä fotonikiteen avulla tulevaisuudessa tietotekniikassa sähkövirta voidaan kokonaan korvata valolla. Uudessa tietokoneessa fotonikiteet siis korvaisivat kokonaan niin virtalähteet, sähkönjohtimet kuin piistä valmistetut mikrosuorittimetkin. Lisäksi tiedonkäsittely sujuisi nykyistä paljon luotettavammin ja tehokkaammin: valon nopeudella. Toiveikkaimmat tutkijat uskovat, että fotonikidetietokoneet saattavat tulla markkinoille jo 20 vuoden kuluessa. Silloin kaupan hyllyllä voisi olla tarjolla jopa gigahertsin tietokoneita. Energiakvantti Fotoni Elektroni Ydin Valosähköilmiö: Kun riittävän suurella nopeudella liikkuva valohiukkanen osuu metallin pinnan atomeihin, pinnasta vapautuu elektroneja, kun elektronit hyppäävät pois radaltaan. J. JOANNOPOULOS/MIT/SPL/FOCI Fotonikiteessä on pieniä reikiä. Ne ohjaavat energiakvantteja haluttuun suuntaan ilman energiahukkaa. 57