2 SÄTEILYÄ JA AINETTA KUVATAAN USEILLA MALLEILLA

2.1 Röntgensäteily (1/3) Röntgensäteily kulkee suoraviivaisesti sähkö- ja magneettikentässä. Röntgensäteily läpäisee useimmat kiinteät aineet  lääketieteellinen käyttö Röntgensäteily syntyy tyhjiöputksessa, jossa on anodi ja katodi. Katodia lämmitetään sähkövirralla, jolloin siitä irtoaa elektroneja, jotka kiihdytetään suureen nopeuteen kiihdytysjännitteellä. Törmätessään anodille ne synnyttävät lyhytaaltoista röntgensäteilyä (aallonpituus n.0,1 nm.) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:02-01- Infiltrat_pa.png Röntgendiffraktion avulla on voitu selvittää kiteisen aineen rakenne.

2.1 Röntgensäteily (2/3) Röntgenputkessa elektronit kiihdytetään (katodilta) kiihdytysjännitteen (U) avulla kohti metallikohtiota (anodi). Elektronien osuessa metallin pintaan syntyy kahdenlaista röntgensäteilyä: Jarrutussäteily, joka aiheutuu varauksellisen hiukkasen liikkeen hidastumisesta. Nopeus siis muuttuu nopeasti, jolloin myös hiukkasen synnyttämä magneettikenttä muuttuu nopeasti. Näin syntyy sähkömagneettista säteilyä. Ominaissäteily, joka riippuu kohtion materiaalista. Aineen atomiin törmäävä elektronisuihku virittää elektronin ja viritystilan purkautuessa vapautuu energiaa sähkömagneettisena säteilynä. Jos elektroni luovuttaa koko liike-energiansa yhtenä kvanttina, kyseisen kvantin energia työperiaatteen mukaisesti on hf0 = ΔEk = QeU, josta saadaan jarrutussäteilyn aallonpituudelle alaraja λ0 = . Sähkökentässä elektronit ovat kiihtyvässä liikkeessä sähköisten voimien vaikutuksesta. Niiden nopeus kasvaa suureksi (tyhjiössä eivät törmää atomeihin). Jarruuntuessa suurella nopeudella liikkuvat elektronit osuvat anodimetallin pintaan. Elektronin liike-energia muuttuu säteiykvantin energiaksi, kun elektroni jarruuntuu anodimateriaalin atomien sähkökentässä. Jarrutussäteilyn aallonpituuden alaraja on esimerkki sähkömagneettisen säteilyn kvantittumisesta.

2.1 Röntgensäteily (3/3) Röntgendiffraktio Atomihilaan saapuvan röntgensäteilyn voidaan ajatella heijastuvan tiettyyn suuntaan hilatasoista. Kun hilatasojen välinen etäisyys on sopiva, vahvistavat vierekkäisistä hilatasoista heijastuvat aallot toisiaan. Hilatasojen välisen etäisyyden d ja säteilyn aallonpituuden λ välille saadaan riippuvuus, joka tunnetaan Braggin lakina. Braggin laki nλ = 2d sin θ, n = 0,1,2,… missä kulma θ on röntgensäteilyn ja hilatasojen välinen kulma eli ns. kiiltokulma. Röntgensäteilyn aallonpituus on samaa suuruusluokkaa kuin atomien välimatkat kiteissä  säteily diffraktoituu. Filmille muodostuu teräviä interferenssimaksimeja, kun säteily interferoi vahvistavasti. (Heijastuu kiteen kahdesta eri atomitasosta s.e. matkaero on säteiden aallonpituuden monikerta.

2.2 Aaltohiukkasdualismi (1/3) De Broglien lait Kaikilla säteilylajeilla on sekä aaltoliikkeelle että hiukkassuihkulle ominaisia piirteitä. Säteilyllä tarkoitetaan sekä hiukkasia että aaltoja. Tätä ominaisuutta kutsutaan aaltohiukkasdualismiksi. Aaltoja ja hiukkasia yhdistävät ominaisuudet liittyvät säteilyn liike-määrään ja energiaan. Siten hiukkasille pätee p = = mv , ja E = hf = . Liike-energian lauseke pätee ainoastaan, kun hiukkasen nopeus on pieni verrattuna valonnopeuteen. Lisää tästä luvussa 7.3, s.142.

2.2 Aaltohiukkasdualismi (2/3) Valon ja elektronien käyttäytyminen kaksoisraossa Erittäin heikko valo ja elektronisuihku käyttäytyvät samalla tavalla kaksoisraossa: Ensin varjostinpinnalle ilmestyy ainoastaan yksittäisiä osumakohtia, mutta ajan mittaan tulee näkyviin interferenssikuvio. Erittäin heikko valo Elektronisuihku

2.2 Aaltohiukkasdualismi (3/3) Elektronien sironta metallista Metallin pinnasta sironnut elektronisuihku muodostaa samankaltaisen interferenssikuvion kuin röntgensäteily. Elektronisuihkun sirontaa metallin pinnasta voidaan käsitellä Braggin lain avulla. (Esimerkki s. 39)

2.3 Aineen ja säteilyn duaalinen malli Hiukkasmalli ja aaltomalli Hiukkasmalli ja aaltomalli ovat kaksi havaintoihin perustuvaa mallia, joiden avulla kuvataan hiukkasiin ja aaltoihin liittyviä ilmiöitä. Duaalinen malli Duaalisen mallin mukaan hiukkaset havaitaan ainoastaan vuorovaikutustapahtumissa. Yksittäisen hiukkasen tilaa ei voida ennustaa tarkasti, mutta hiukkasten aalto-ominaisuuksia voidaan ennustaa. Esimerkiksi kaksoisrakokokeessa yksittäisen fotonin tai elektronin osumapaikkaa varjostinpinnalle ei voida ennustaa, mutta syntyvä interferenssikuvio voidaan ennustaa. Duaalisessa mallissa hiukkaseen olinpaikkaan ja liiketilaan liittyviä todennäköisyyksiä käsitellään matemaattisen tilafunktion ψ(r) avulla.