Fysiikka 8 Aine ja säteily
Sähkömagneettinen säteily James Clerk Maxwell esitti v. 1864 sähkövarauksen ja sähkövirran sekä sähkö- ja magneettikentän välisiä riippuvuuksia kuvaavan teorian. Maxwellin teorian mukaan kiihtyvässä liikkeessä oleva varattu hiukkanen lähettää sähkömagneettista säteilyä. Heinrich Hertz todisti v. 1887 sähkömagneettisen säteilyn olemassaolon kokeellisesti.
Sähkömagneettisista ( sm ) aalloista Sm-aallot etenevat tyhjiössä valonnopeudella Sm-aallot ovat sähkö- ja magneettikenttien värähtelyä etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa Sm-aallot voidaan erottaa syntymekanismin ja sen aiheuttamien aallonpituuserojen perusteella (esim. näkyvä valo, radioaallot, jne.)
Mustan kappaleen säteily Ideaalinen säteilylähde paitsi että säteilee kaikilla aallonpituuksilla absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn (tästä johtuu nimitys musta kappale ). Mustan kappaleen esim. lämpötasapainossa olevan suljetun uunin seinät säteilevät (emittoivat) ja vastaanottavat (absorboivat) joka hetki saman määrän energiaa lämpösäteilynä. (huom. lämpösäteily ja infrapunasäteily eivät ole sama asia!)
Mustan kappaleen säteilyn spektri on jatkuva eli säteilyssä on lähes kaikki aallonpituudet. Mustan kappaleen lämpötila määrää spektrin intensiteettijakauman, eli sen millä aallonpituuksilla säteily on voimakkainta (materiaali ei vaikuta). Havaittiin, että jakauma poikkeaa klassisen fysiikan ennustamasta ->Ns. ultraviolettikatastrofi: lyhyillä aallonpituuksilla on vain hyvin vähän energiaa. Klassisen fysiikan mukaan intensiteetin tulisi lähestyä ääretöntä, kun aallonpituus lähestyy nollaa.
Planckin kvanttihypoteesi Max Planck esitti v. 1900 ultraviolettikatastrofin selityksen eli ns. Planckin kvanttihypoteesin: aine emittoi ja absorboi sm-säteilyä vain tietyn suuruisina energia-annoksina eli kvantteina. Kvantin energia on E hf f= säteilyn taajuus h= 6,6260755 10 34 Js = 4,135669 10 15 evs = Planckin vakio E = J tai E = ev
Valon kvanttiteoria Albert Einstein esitti v. 1905 että myös itse smsäteily koostuu erillisistä hiukkasmaisista osista, valokvanteista eli (massattomista) fotoneista. Fotonin energian (E) ja liikemäärän (p) yhtälöitä kutsutaan Einsteinin yhtälöiksi: E p hf h h = Planckin vakio f = säteilyn taajuus λ = säteilyn aallonpituus
Valosähköinen ilmiö (Hertz, v. 1887) Sähkömagneettisen säteilyn (valon) aiheuttama elektronien irtoaminen metallin pinnasta.
f 0 = W 0 h = rajataajuus
Comptonin ilmiö (Arthur Compton, v. 1923) Lopullinen varmistus kvanttiteorialle: sm-säteilyn fotoni törmää löyhästi sitoutuneeseen elektroniin, jolloin fotonin suunta muuttuu ja se luovuttaa osan energiastaan elektronin liike-energiaksi (aallonpituus kasvaa). Osoitus sähkömagneettisen hiukkasluonteesta (fysiikan Nobelin palkinto v. 1927). Aallonpituuden ja intensiteetin mittaus säteilyn
Röntgensäteily Röntgensäteilyn löysi Wilhelm Röntgen v. 1895 Röntgensäteily on lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä. Ensimmäinen fysiikan Nobelin palkinto Röntgenille v. 1901! Paljon sovelluksia: läpivalaisu, sädehoito, avaruuden röntgenlähteiden tutkimus.
Röntgenputki ja röntgensäteilyn synty Röntgensäteily syntyy, kun elektronisuihku osuu metallikohtioon (anodiin). Röntgensäteilyllä kaksi syntymekanismia: (Elektronit saavat energian E k,a = qu) vesijäähdytys K = katodi A = anodi
1. Jarrutussäteily Kohtioytimen ohittavan elektronin nopeuden suunta muuttuu ja se menettää samalla liikeenergiaansa säteilemällä fotoneita. hf = E k = E k,l E k,a Jos E k,l = 0, niin saadaan hf max = E k,a hf max = qu f max = qu h λ min = hc qu
2. Ominaissäteily Elektronisuihkun kohtioatomista irrottamien elektronien tilalle siirtyy elektroneja atomin ulommilta elektronikuorilta. Siirtymissä vapautuu energiaa fotoneina. Osoitus atomin energian kvantittumisesta. Ominaissäteilyn aallonpituudet riippuvat anodiaineesta.
Aaltohiukkasdualismi (Louis de Broglie, v. 1924) Sm-säteilyllä ja hiukkasilla molemmilla on sekä aalto- että hiukkasluonne (duaalinen luonne). Todisteena sm-säteilyn hiukkasluonteesta on mm. Comptonin ilmiö ja valosähköinen ilmiö. Todisteena hiukkasten aaltoluonteesta on mm. elektronien kaksoisrakokokeen interferenssikuvio (elektronien interferenssistä Nobel v. 1927: Davisson, Germer, Thomson). Hiukkasten aaltoluonne ilmenee ns. de Broglien aallonpituuden mittakaavassa.
Aaltohiukkasdualismin mukaan sm-säteilyä ja hiukkasia yhdistää de Broglien lait: h p E hf p = hiukkasen liikemäärä E = hiukkasen energia Hiukkasiin liittyviä aaltoja sanotaan de Broglien aalloiksi, ja niiden aallonpituus on n h mv n Saatu ehdosta p = h λ = mv De Broglien aallonpituus tukee esim. Bohrin atomimallin ennustusta elektronien liikeratojen kvantittumisesta Elektroni viihtyy radalla, joka toteuttaa ehdon 2πr = nλ