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

Ek^max = hf – W0

jossa Ek^max 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 = Ek^max

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