Fysiikka 8 – luku 1 Säteily ja kvantit
1.1
Säteily paljastaa uutta fysiikkaa
Kuvassa
on sähkömagneettinen aalto. Kiihtyvässä liikkeessä oleva varauksinen hiukkanen
lähettää sähkömagneettista säteilyä. Sähkömagneettinen aalto etenee valon
nopeudella. Sähkömagneettinen aalto on sähkökentän ja magneettikentän
säännönmukaista värähtelyä aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa
tasossa. Säteilyn aallonpituus riippuu säteilylähteestä. Aallonpituusalueita
ovat gammasäteily, röntgensäteily, ultraviolettisäteily, näkyvä valo,
infrapunasäteily ja radioaallot.
Mustan kappaleen säteily
Lämpösäteilyksi
kutsutaan kappaleen lähettämää sähkömagneettista säteilyä, joka muuttuu
lämpötilan mukaan. Lämpösäteilyn spektri on jatkuva. Planckin kvanttihypoteesin
mukaan aine vastaanottaa ja luovuttaa sähkömagneettista säteilyä vain
tietynsuuruisina energia-annoksina eli kvantteina. Kvantin energia on
E =
hƒ
jossa
f on säteilyn taajuus ja h Planckin vakio eli 6,620755*10-34 Js =
4,135660*10-15 eVs.
Valon kvanttiteoria
Valon kvanttiteorian mukaan sähkömagneettinen säteily
muodostuu valokvanteista eli fotoneista. Fotonit ovat massattomia ja ne
etenevät valon nopeudella. Fotonin energia ja liikemäärä ovat
E = hf ja p = h/λ
noita yhtälöitä kutsutaan Einsteinin yhtälöiksi.
1.2
Valosähköinen ilmiö
Valosähköiseksi
ilmiöksi kutsutaan sähkömagneettisen säteilyn aiheuttamaa elektronien
irtoamista metallin pinnasta. Kohdatessaan elektronin fotoni luovuttaa sille
energiansa ja häviää. Osa energiasta kuluu elektronin irtoamiseen metallista,
loppu ilmenee irronneen elektronin liike-energiana. Pienintä mahdollista
elektronin irrottamiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan irrotustyöksi W0.
Alkalimetallleilla on pienin irrotustyö. Valosähköisessä ilmiössä elektronin
suurin mahdollinen energia on
Ekmax
= hf – W0
jossa
Ekmax on nopeimman irronneen elektronin liike-energia, f valon
taajuus ja W0 irrotustyö.
Rajataajuudeksi
eli kynnystaajuudeksi kutsutaan pienintä säteilyn taajuutta, jolla elektroni
saadaan irtoamaan metallin pinnasta. Kun säteilyn taajuus on rajataajuus, koko
fotonin energia kuluu elektronin irrottamiseen eikä irronneella elektronilla
ole tällöin lainkaan liike-energiaa. Rajataajuus on
f0 =
W0 / h
Rajataajuuden
alittava säteily ei saa aikaan valosähköistä ilmiötä, vaikka säteilyn kestoa
pidennettäisiin tai valon intensiteettiä lisättäisiin. Metallista valosähköisen
ilmiön seurauksena irronneiden elektronien liike-energia saadaan selville
pysäyttämällä ne sähkökentän avulla. Sähköinen voima tekee elektronin
pysäyttäessään työn s
W =
qU
ja
muuntaa elektronin liike-energian sähköiseksi potentiaalienergiaksi. Tuossa
yhtälössä U on kentässä vallitseva vastajännite ja q elektronin varauksen
itseisarvo. Nopeimpien elektronien pysäyttämiseen vaadittava vastajännite
saadaan yhtälöstä
qU =
Ekmax
Comptonin ilmiö
Comptonin
ilmiössä säteilyn fotoni törmää vapaaseen elektroniin, ja fotonin liikkeen
suunta muuttuu. Se luovuttaa törmäyksessä osan energiastaan elektronin
liike-energiaksi.
1.3
Röntgensäteily
Saksalainen
Wilhelm Konrad Röntgen löysi röntgensäteilyn. Röntgensäteily on lyhytaaltoista
sähkömagneettista säteilyä, jota syntyy, kun elektronisuihku osuu
metallikohtioon. Röntgenkuvauksissa voidaan käyttää varjoaineita antamaan lisää
kontrastia. Varjoainekuvausta käytetään mm. kuvattaessa ruoansulatuskanavaa tai
verisuonistoa. Suurina annoksina röntgensäteily ionisoi kudosta, mikä aiheuttaa
solumuutoksia myös syvällä kudoksia. Tämän ominaisuuden takia röntgensäteilyä
käytetään syöpäsairauksien sädehoidossa.
Röntgenputken toiminta
Röntgenputkessa
anodin ja katodin välille on kytketty hyvin korkea tasajännite. Elektronit
lähtevät negatiiviselta katodilta, ja positiivinen anodi vetää niitä puoleensa.
Elektronit joutuvat anodin ja katodin välisessä sähkökentässä kiihtyvään
liikkeeseen, ja ne törmääävät suurella nopeudella anodiin. Tällöin ne
jarruuntuvat ja pysähtyvät törmäysten takia lyhyessä ajassa. Samalla ne
lähettävät sähkömagneettista säteilyä (koska muuttuvassa liikkeessä oleva
varattu hiukkanen lähettää sähkömagneettista säteilyä).
Elektronien
jarruuntumisesta johtuvaa säteilyä nimitetään röntgenputken jarrutussäteilyksi.
Anodiaine lämpenee suuresti elektronien jarruuntumisen takia, joten anodia on
jäähdytettävä esim sen sisällä virtaavalla vedellä.
Röntgensäteilyn spektri
Röntgenputkessa
kiihdytetyt elektronit saavat liike-energian Eka = qU. Kun elektroni saapuu
sähkökenttään, sen rata kaartuu (eli se on muuttuvassa liikkeessä!) ja samalla
se menettää energiaa säteilemällä fotoneita. Jarrutussäteilyn suurin taajuus syntyy,
kun elektronin koko liike-energia muuntuu yhdeksi fotoniksi. Tällöin kvantin
energia on
fmax
= qU / h
jossa
U on röntgenputken kiihdytysjännite ja q elektronin varauksen itseisarvo. Röntgenspektrin
jatkuvan säteilyn alueet johtuvat jarrutussäteilystä. Jarrutussäteily on
riippumaton anodimateriaalista.
Kun
röntgenputken kiihdytysjännite on tarpeeksi suuri, elektroni saa kylliksi
energiaa, jotta se voi iskeä elektronin irti kohtaamastaan atomista.
Syntyneeseen elektronikuoren tyhjään paikkaan siirtyy heti toinen elektroni
joltain ylemmältä elektronikuorelta. Samalla atomi säteilee sähkömagneettista
säteilyä eli fotonin, jonka energia on sama kuin elektronikuorten välinen
energiaero. Tällaista säteilyä kutsutaan röntgenspektrin ominaisssäteilyksi eli
karakteristiseksi säteilyksi. Se havaitaan röntgenspekrin piikeistä.
Jos
elektroni irtoaa alimmalta kuorelta eli K-kuorelta ja sen paikalle siirtyy
seuraavaksi alimman kuoren eli L-kuoren elektroni, syntynyttä röntgenkvanttia kutsutaan Kα-kvantiksi. Jos
aukko täyttyy M-kuorelta peräisin olevalla elektronilla, syntynyttä
röntgenkvanttia nimitetään Kβ-kvantiksi. Kullakin alkuaineella on sille
ominainen röntgenspektri. Röntgenspektrin piikkejä tutkimalla voidaan selvittää
näytteen alkuainekoostumus.
1.4
Aaltohiukkasdualismi
Aineen ja säteilyn duaalisuus
Aaltohiukkasdualismin mukaan kaikilla hiukkasilla ja
säteilyn lajeilla esiintyy sekä hiukkasille että aalloille ominaisia piirteitä.
Niitä yhdistävät de Broglien lait
p = h/ λ ja E = hf