Röntgensäteilystä kvanttiin

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 = E_m-E_n. (E_m ja E_n 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.