FYSIIKKA 8 AINE JASÄTEILY Hanna Sorsa Helsingin Rudolf Steiner -koulu

Keskeiset sisällöt sähkömagneettinen säteily, röntgensäteily, mustan kappaleen säteily valosähköilmiö säteilyn hiukkasluonne ja hiukkasten aaltoluonne Atomimallit, esimerkkinä Bohrin atomimalli kvantittuminen, viivaspektri, atomin energiatilat ja energiatasokaavio atomiytimen rakenne radioaktiivisuus ja säteilyturvallisuus massan ja energian ekvivalenssi ydinreaktiot ja ydinenergia aineen pienimmät osaset ja niiden luokittelu

1 KVANTITTUMINEN MUUTTI KÄSITYKSEN LUONNONILMIÖISTÄ http://www.youtube.com/watch?v=tgjAap1jWl4&list=UURm1 c25y72BjWWDLB2frBpw&index=91&feature=plpp_video Historiaa valon kvanttiteorian löytymisestä

1.1 Sähkömagneettinen säteily Spektri esittää säteilyn intensiteetin aallonpituuden tai taajuuden funktiona. Hehkulampun emissiospektri Emissiospektri on aineen lähettämän eli emittoiman sähkömagneettisen säteilyn spektri. Kaasun absorptiospektristä puuttuvat kaasun imemät eli absorboimat aallonpituudet. Kaasu emittoi säteilyä vain tietyillä aallonpituusalueilla: viivaspektri Kiinteät kappaleet ja nesteet emittoivat säteilyä kaikilla aallonpituusalueilla: jatkuva spektri

1.2 Säteilijän energia on kvantittunut (1/2) Musta kappale absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn. (vrt. musta pinta ja valo) Mustan kappaleen säteilyn spektri riippuu kappaleen lämpötilasta. Wienin siirtymälaki Tλmax = b, missä T on kappaleen lämpötila λmax on säteilyn intensiteettimaksimia vastaava aallonpituus b on vakio = 2,897756 · 10-3 m · K. Wienin siirtymälaki kuvaa säteilyn intensiteettimaksimin lämpötilariippuvuutta.

1.2 Säteilijän energia on kvantittunut (2/2) Sähkömagneettisen säteilyn hiukkasmalli Säteily koostuu energiakvanteista eli fotoneista. Fotonin energia on E = hf = ja fotonin liikemäärä on p = , missä f on fotonin taajuus λ on säteilyn aallonpituus h on Plancin vakio = 6,6260755 · 10-34 Js.

Käsitteitä HILA: optiikassa käytetty levy, jossa on yhdensuuntaisia ja toisitaan yhtä etäällä olevia rakoja (tai uria). Hilaan osuessaan valon eri aallonpituudet heijastuvat eri kulmissa (diffraktoituminen)  spektri FOTONI eli valokvantti on hiukkanen, joka välittää sähkömagneettisen säteilyn. Se syntyy säteilyn emissiossa ja häviää absorbtiossa. Fotonilla on sekä aaltoliikkeen että hiukkasen ominaisuuksia. KVANTITTUMINEN: Atomit luovuttavat ja vastaanottavat energiaa vain tietyn suuruisina paketteina (kvantteina).

1.3 Valosähköilmiö (1/3) Valosähköisessä ilmiössä sähkömagneettinen säteily irrottaa elektroneja metallin pinnasta. Irronneet elektronit ovat fotoelektroneita. Irrotessaan metallin pinnasta elektroni absorboi fotonin, jonka energia on hf. Elektronilla on irrotessaan liike-energia: Ek = hf – W, Missä hf on elektronien saama kokonaisenergia ja W on elektronien irrottamiseen tarvittava työ.

1.3 Valosähköilmiö (2/3) Valosähköilmiötä tutkitaan tyhjiöputkella. Kokeessa mitataan sähkövirtaa, kun jännitettä, valon taajuutta ja intensiteettiä muutetaan. http://phet.colorado.edu/fi/simulation/photoelectric Rajataajuudella fmin fotonin energia riittää heikoimmin sidottujen elektronien irrottamiseen. Tällöin elektronit eivät saa liike-energiaa ja elektronien irrottamiseen tarvittava energia on irrotustyö Wmin = hfmin. Fotoelektronien suurin mahdollinen liike-energia on Ekmax = hf – Wmin. Rajataajuuden fmin ja irrotustyön Wmin suuruudet riippuvat käytetystä metallista. Rajataajuutta pienemmillä taajuuden arvoilla valosähköilmiötä ei tapahdu. Anodi ja katodi on asetettu lasiputkeen, josta on poistettu ilma. Katodia valaistaan valolla (aallonpituutta voidaan muuttaa) ja havaitaan, että tyhjiöputkessa on sähkövirta. Tyhjiöputki on osa suljettua virtapiiriä, kun valo sammutetaan, sähkövirta loppuu välittömästi.  Valo irrottaa katodilta vakiomäärän elektroneja aikayksikössä. Rajataajuus on pienin valon taajuus, jolla elektroneja irtoaa metallin pinnasta. Sähkövirta on suoraan verranollinen valon intensiteettiin.

1.3 Valosähköilmiö (3/3) Comptonin sironta Kun fotoni törmää kimmoisasti vapaaseen elektroniin, osa fotonin energiasta muuttuu elektronin liike-energiaksi: Ek = hf0 – hf, Missä f0 on tulevan säteilyn taajuus ja f on sironneen säteilyn taajuus. Valosähköilmiö ja Comptonin sironta osoittavat, että valo koostuu fotoneista, joiden energia on kvantittunut. Valo käyttäytyy joissakin tilanteissa kuin hiukkanen. Plancin vakion kokeellinen määrittäminen: http://www.youtube.com/watch?v=NVnkMR_myw8&feature=relmfu