DT vierailun
innoittamana aloimme porukalla pohtia hyvää esseevastausta kvantista. Ko. pieni
energia-annos lävistää koko modernin fysiikan kurssin ja valokvantteja tuotti
röntgenputkikin DT:n laboratoriossa. Olemme koostaneet esseen pala palalta,
jokainen on tuonut tekstiin pienen palan modernia fysiikkaa. Tieteellisen
tekstin kirjoittaminen on vaikeaa: me fyysikot rakastetaan kaavoja. Yksi kaavaa
vastaa tuhatta sanaa vai miten se nyt menee. Hyvä tiedetoimittaja kykenee kirjoittamaan
vaikeistakin asioista värikkäästi ja ymmärrettävästi ja ilman niitä kaavoja.
Toisaalta 9 pisteen jokeri YO- vastaus on myös tiukkaa asiatekstiä eli tämä on
enemmän sitä! Tekstin koostamiseen on käytetty koko kurssin sisältöjä, ei vain
yhtä tai kahta kappaletta.
Kvantti
otettiin käyttöön 1900, kun Max Planck tutki mustan kappaleen säteilyä (imee
tietysti hyvin säteilyä, mutta myös yhtälailla lähettää sitä) ja löysi spektrin
alkukohdan, jolloin säteilyä lähtee pienin määrä eli yksi kvantti. Ilmassa viipeltää
tällöin yksi valohiukkanen eli fotoni ja tietysti valonnopeudella eli 3 ja 8
nollaa metriä sekunnissa. (Päivi N)
Arthur
Compton, yhdysvaltalainen fyysikko, huomasi kokeessaan vuonna 1923 ilmiön,
jossa sähkömagneettinen säteily ei toiminut klassisen fysiikan mallien mukaan.
Kun Compton säteilytti grafiitti kappaletta lyhytaaltoisella säteilyllä,
säteilyn taajuus muuttui sen sirottua aineen pinnasta. Ilmiö voidaan selittää
sillä, että säteilyfotoni, osuessaan aineen pinnalla oleviin vapaisiin elektroneihin,
luovuttaa osan energiastaan ja sen taajuus muuttuu suuremmaksi. Tätä ilmiötä
nimitetään Comptonin ilmiöksi. Se on osoitus sähkömagneettisen säteilyn
hiukkasluonteesta ja varmisti lopullisesti valon kvanttiteorian. Compton sai
työstään Nobelin palkinnon vuonna 1927. (SK)
Taajuuden
muuttuminen tarkoittaa näkyvällä valolla värin muuttumista. Eihän valo
heijastumissa ja taittumisessa muuta väriä klassisessa fysiikassa, mutta
mikromaailma on eri juttu. (Päivi N)
Sähkömagneettinen
spektri on sähkömagneettisen säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai
taajuusjakauma. Säteily jaetaan sen syntytavan ja aallonpituuden mukaan.
Aallonpituusalueita lyhimmästä pisimpään ovat gammasäteily, röntgensäteily,
ultraviolettisäteily, näkyvä valo, infrapunasäteily ja radioaallot. Mitä
lyhyempi aallonpituus on, sitä suurienergisempää säteily on. Kun energiamäärä
on tarpeeksi suuri, voi säteily ionisoida kohtaamiaan atomeja tai molekyylejä
eli irrottaa niistä elektroneja. Yhden elektronin irrottamiseen tarvitaan yksi
täsmälleen oikean suuruinen kvantti. Ionisoivaa säteilyä ovat alfa-, beeta- ja
gammasäteily sekä röntgen- ja UVC-säteily. Säteilyn spektriä tutkimalla voidaan
saada selville atomin energiatiloja ja saada tietoja niin atomien kuin
molekyylienkin rakenteesta. Spektrin avulla aineen analysoimista kutsutaan
yleisesti spektroskopiaksi. Spektri voi olla jatkuvaa, jolloin eri
aallonpituusalueet vaihtuvat toisikseen ilman selviä rajoja muodostaen jatkumon
tai viivaspektriä, jolloin on havaittavissa vain muutamia erillisiä spektriviivoja.
(HK)
Sähkömagneettinen
säteily koostuu valokvanteista eli fotoneista. Fotonin osuessa aineeseen se
kykenee irrottamaan aineen pinnalta elektronin mikäli fotonin energia, joka
riippuu taajuudesta, on riittävän suuri. Vaadittavan energian suuruus on
suoraan verrannollinen sidosenergian suuruuteen, joten se on aineelle
ominainen. Ilmiötä kutsutaan valosähköiseksi ilmiöksi ja sitä esiintyy useimmin
metalleilla. Fotonien määrä eli valon voimakkuus vaikuttaa irtoavien
elektronien määrään. Jos fotonin irrottamisessa jää energiaa yli, jäljelle
jäänyt energia muuttuu elektronin liike-energiaksi. Valosähköistä ilmiötä
hyödynnetään mm. ovien automaattisissa avausmekanismeissa. (Aleksandra)
Annihilaatio
on ilmiö, joka tapahtuu usein vapaille elektroneille. Annihilaatiossa
elektronin antihiukkanen eli positroni kohtaa elektronin, jolloin ne
yhdistyvät. Jokainen beetasäteilyn tuottama positroni annihiloituu pian
synnyttyään, mikä johtuu elektronien paljoudesta. Annihilaation aiheuttaman
sähkömagneettisen energiapurkauksen tuloksena syntyy useimmiten kaksi
gammakvanttia. Fotonien yhteenlaskettu energia vastaa Einsteinin yhtälöstä E=mc² saatavaa energiaa. Sekä
energia että liikemäärä säilyvät, joten syntyviä fotoneita on aina vähintään
kaksi. Tapahtuman kuvaamiseen käytetään reaktioyhtälöä +10e
+ -10e →2γ. (Olli V)
Antihiukkasiin
olet törmännyt, jos olet ollut PET-kuvauksessa sairaalassa.
Atomin energia on kvantittunut eli jokainen elektroni on
tietyllä etäisyydellä atomin ytimestä. Pääkvanttiluku ilmoittaa elektronin
etäisyyden ytimestä. Energiatasokaavio ilmoittaa pääkvanttilukuja vastaavat
energiat. On sovittu, että energiatasokaaviossa energiat ilmoitetaan
negatiivisena.
Atomilla
on kyky absorboida tai emittoida energiaa. Atomin absorboidessa energiaa atomin
elektroni (yksi tai useampi) siirtyy energiatasoltaan ylemmälle kuorelle. Tämä
voi aiheutua esimerkiksi säteilykvantista tai törmäyksessä saadusta energiasta.
Kun tämä viritystila purkautuu, atomin energiatila alenee, ja atomi emittoi
(luovuttaa) kvantin eli fotonin. Tämä voi näkyä esimerkiksi valona. Emittoidun
tai absorboidun kvantin energia lasketaan kaavasta hf = Em-En. (Em
ja En ovat energiatilojen m ja n energiat, m>n. )(
Ossi. K ja Sampo. M)
Onko
valo painotonta vai ei? Fotonin eli valohiukkasen liikemäärän lauseke, joka
saadaan jakamalla Planckin vakio (h) säteilyn aallonpituudella, poikkeaa muiden
hiukkasten liikemäärän lausekkeesta (saadaan kertomalla massa nopeudella),
sillä fotonilla ei ole lepomassaa. Fotonilla on kuitenkin energiaa ja Einsteinin
laatiman kaavan E=mc^2 mukaan fotonilla tulisi olla massaa. Tämän vuoksi
fotonin massan oletetaankin liittyvän vain fotonin liike-energiaan. Fotonin
liikemäärä ilmenee esimerkiksi säteilypaineena, joka syntyy, kun aineen
hiukkaset absorboivat fotonit ja saavat samalla itselleen fotonin liikemäärän.
Fotonipommitus aiheuttaa aikaan painetta, joka pyrkii työntämään hiukkasia
poispäin eli valo toimii ”massaisesti” .(Noora)
Kaikkialla
luonnossa esiintyy säteilyä, joka on lähtöisin atomien ytimissä tapahtuvista
muutoksista. Alkuaineiden ytimet voivat olla joko pysyviä (stabiileja) tai
radioaktiivisia (epästabiileja). Ytimissä on tiettyjä kvantittuneita
energiatiloja. Radioaktiivien ydin voi hajota itsestään eli spontaanisti,
jolloin ytimestä syntyy samalla säteilyä. Hajoamista nimitetään
radioaktiiviseksi hajoamiseksi ja säteilyn eri lajeja ydinsäteilyksi.
Ydinsäteilyn lajeja ovat alfa-, beeta-, gamma- ja neutronisäteily.
Alfahajoamisessa
vapautuu energiaa, koska emoytimen massa on suurempi kuin tytärytimen ja
alfahiukkasen massojen summa.
Kun
ytimet emittoivat elektroneja tai positroneja, on kyse beetasäteilystä. Kun
ydin emittoi elektronin, kyseessä on β− hajoaminen. Kun atomin ydin emittoi
positronin, kyseessä on β+ hajoaminen. Beetasäteilyssä syntyvien elektronien ja
positronien energiaspektri on jatkuva.
Gammasäteilyä
esiintyy alfa- ja beetahajoamisen yhteydessä. Kun tytärydin siirtyy
viritystilasta alempaan viritystilaan tai perustilaan, ytimestä emittoituu
gammakvantti. Gamma säteily voi vuorovaikuttaa aineen kanssa kolmella tavalla:
valosähköisessä ilmiössä, Comptonin ilmiössä ja parin muodostuksessa. (J-P ja
Joni)
Kvantti
on monessa mikrofysiikan ilmiössä tärkein selittävä tekijä ja sen keksiminen
vei tiedettä huimasti eteenpäin 1900-luvun alkukymmenillä.
Esseen
kirjoittamiseen osallistuivat Susanna Kaan,
Aleksandra Alaraasakka,
Henna-Sofia Kakko, Olli Vitikka, Sampo Mäkelä, Ossi Kiuru, Noora
Nevalainen, Joni Laurila, Jukka-Pekka Pauanne
ja opettaja Päivi Niiranen.