Kiired ja spektrid (1)

Soojuskiirguseks nimetatakse sellist kiirgust, mida keha emiteerib ainuüksi soojusenergia arvel. See on ka üks soojusülekande vormidest (lisaks soojusjuhtivusele ja konvektsioonile). soojuskiirguse intensiivsus ja spekter keha temperatuurist. Madalatel temperatuuridel (mõnisada kraadi) on hõõgumine vaevumärgatav ja on punaka tooniga. Temperatuuri tõstmisel soojuskiirguse intensiivsus kasvab ja kiirgav keha omandab alguses kollaka (hõõglamp, 3000°), seejärel valge (Päike, 6000°) ja lõpuks sinaka tooni (alates ca 8000°). Küll aga järeldub üldistest termodünaamilistest kaalutlustest , et iga keha peab alluma Kirchhoffi seadusele: termilise tasakaalu tingimustes on keha kiirgamisvõime ja neelamisvõime võrdsed (igal lainepikkusel). Absoluutselt musta keha kiirgamis - ja neelamisvõime on mõlemad võrdsed ühega.
Elektroluminestsents- hõrendatud gaasi helendamine teda läbiva elektrivoolu toimel. Nähtust kasutatakse reklaamvalgustuses. Elektroluminestsents tekib ka pooljuhtides ja seda kasutatakse ka valdusdioodides. Ka virmalised kuuluvad elektroluminestsents nähtuste hulka. Päikese kiiratud loetud osakeste voog püütakse Maa magnetvälja poolt suures osas kinni. Pidurdamisel nad ergastuvad Maa magnetväljas hõrendatud gaasi ja põhjustavad selle helendumist. Kuivõrd pooluste lähendal on magnetväli kõige tugevam, siis on ka laetud osakeste pidurdamisel tekkinud ergastusenergia pooluste lähedal eriti tugev .
Fotoluminestsents- reeglina fotoluminestseeruvad vedelikud ja tahked ained. Kehad helendavad alati pikema lainepikkusega valgust, kui nad neelduvad. Seetõttu kaotataksegi tihti kiirgusena ultraveolettkiirgust, mis paneb ained helendama nähtava valgusega . Aega, mille vältel keha pärast kiiritamist veel helendab nim hääbumiskestus (ka järelhelendus). Selle alusel jagunevad kõik luminofoorid kahte liiki 1. Fluorestseeruvad ained- järelhelendust praktiliselt pole. 2. Fosforestseeruvad- kestev järelhelendus.
Katoodluminestsent- on tingitud mingi aine pommitamisest elektronidega. Nii nt helenduvad telerite ekraanid tänu katoodluminestsile. Tavaliselt kasutatakse hõbedaga aktiveeritud tsinksulfiidi ja kaaliumsulfiidi segu, mis elektronidega pommitamise tõttu hakkab kiirgama helesinist valgust.
Kemoluminestsents- keemiliste reaktsioonide tulemusena eralduv energia võib eralduda ka nähtava valguskiirgusena. Sel puhul jääb keha külmaks, kuivõrd kiirgusest puudub soojusenergia. Nt pehkivad haavapuu tükid või helendavad jaaniussid.
Wieni nihkeseadus. Wieni seadus (kannab ka nimetust Wieni nihkeseadus) ütleb, et musta keha maksimaalse kiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline selle temperatuuriga. Iseenesest on see ka loogiline: lühema lainepikkusega (suurema sagedusega) valgus vastab suurema energiaga footonitele, mille kiirgamist ju võibki oodata kõrgema temperatuuriga kehalt.
Stefan -Boltzmanni seadus väidab, et absoluutselt musta keha soojuskiirguse intensiivsus (võimsus) ühikulise pindala kohta kasvab võrdeliselt temperatuuri neljanda astmega:
R = σT4.
Võrdetegurit σ kutsutakse Stefan-Boltzmanni konstandiks ning selle väärtuseks on saadud . Planck suutis aastal 1900 leida teoreetilise avaldise tasakaalulise kiirguse spektri kirjeldamiseks (Plancki kiirgusseadus), millest muuseas järeldub ka Stefan-Boltzmanni seadus. Konstandi σ teoreetiliseks avaldiseks tuleb
kus k on Boltzmanni konstant, c on valguse kiirus vaakumis ning h on Plancki konstant.
Energia jaotus spektris - energia jaotust spektris saab uurida bolomeetri abil (joonis1). Kiirguse energiat uutitakse termopaari abil. Selleks, et uurida infrapunast osa ei tohi prismat ja läätse valmistada mitte tavalisest klaasist vaid kivisoolast (haliit) ehk NaCl. Minnes üle lühema lainepikkus poole, hakkab energia spektris vähenema. Seda mööda kuidas lainepikkus lüheneb, kasvab aga kiirguse keemiline toime (joonis2). See tähendab- kiirguse toimel intensiivistuvad paljud keemilised reaktsioonid.
Spektraalaparaadid- puhtamad ja teravamad spektrid saadakse spektroskoopide abil. Toru A, kollimaator, on kitsas pilu , kuhu on paigutatud lääts. Pilu on paigutatud läätse fokaaltasandisse, mistõttu läätsest väljuvad paralleelsed kiired, mis prismale langedes lagunevad värvilisteks kiirte kimpudeks – spektriks. Eri värvid kalduvad erinevalt ning teine lääts koondab oma fokaaltasandis kiired ühte punkti, kus tekib pilu värviline kujutis ehk spekter, mis projekteeritakse ekraanile. Kui ekraani asemele panna fotoplaat, saadakse spektograaf. Silmaga vaatamiseks kasut läätse, mis paigutatakse teise läätse fokaaltasndisse ekraani asemele
Kiirgusspektrite liigid- Kiirgusspektrid jagunevad pidev-, joon- ja ribaspektriteks. Pidevspektrid. Keha temp tõstmisel üle 500 kraadi see helendub. Siis paistavad kõik spektri värvid. Kõrgema temp juures tekib nn valge hõõgumine, mil võib tekkida pidev spekter, mis algab punase ja lõpeb violetse osaga. Päikese, kaarlambi, küünla, tuletiku jms spekter pidevspekter on tingitud leegis leiduvatest osakestest. Joonspektrid. Erinevad gaasid annavad erinevatest värvilistest joontest koosneva spektri, mida nim joonspektriteks. Aine kiirgab ainult täiesti kindlate lainepikkustega valgust ning seda annavad kõik ained gaasilises atomaarses (mitte molekulaarses) olekus st iga keemilise elemendi aatomid kiirgavad rangelt kindlaid lainepikkusi. Ribaspektrid. Mõnikord koosnevad gaaside ja aurude spektrid ribadest, mis kujutavad endast üksteisele väga lähedal asuvate joonte kogumit. Ribaspektrit tekitavad mitte aatomid, vaid üksteisega sidumata või nõrgalt seotud molekulid.
Neeldumisspektrid- kiirte teele asetatakse keha, neelab ühtesid või teisi spektri kiiri , vastavalt keha poolt neelatud kiirte värvusele saame pideva spektri taustal tumedad jooned/ribad. Tumedad jooned pidevspektri foonil on neeldumisjooned , mis kokku moodustavad neeldumisspektri. Aatomite neeldumisjooned vastavad täpselt aatomite kiirgusjoontele.
Spektraalanalüüs- .. nim. mitmesuguste ainete keemilise koostise määramist nende ainete poolt kiiratud või neelatud valguse spektri järgi. Joonspektrid on kordumatu individuaalsusega, mis võimaldab teha kindlaks keha keemilist koostist. Spek.anal. võimaldab kindlaks teha aine olemasolu ka siis kui elemendi mass ei ületa 10-10kg. Spek.joonte heleduse järgi võib kaudselt ka hinnata aine hulka. Spektrite tabelid, mis vastavad erinevate elementide aatomite kiirgusele, kasutades spektrit ja lainepikkust, saame teha kindlaks elemendi olemasolu. Kasutamine: spektroskoobiga 1-2 min jooksul kindlaks teha mitmesuguste elementide sisaldus mingis aines(terases). Spektraalanalüüsi abil saadi teada päikese ja tähtede koostis. Spek.anal. kasutatakse metallurgias, masinaehituses, aatomitööstuses, geoloogias.
Röntgenikiired ja nende kasutamine- W. Röntgen 1895 . a röntgenkiired. Nende neeldumine sõltub aine tihedusest. Kiired tekivad kiirete elektronide järsul pidurdamise aines, nt anoodis. Röntgentoru, hermeetiline toru, kust on õhk väljapumbatud ja seal on katood ja anood . Katood=volframspiraal, kuumutatakse, et tekiks elektronide voog. Anoodi ja katoodi vahel kõrgepinge, elektronid saavad suure kiiruse ja põrkudes vastu anoodi pidurdavad . R.k lainepikkus on väiksem kui uv kiirte lainepikkus. Kasutatakse haiguste diagnoosimiseks ja raviks. Saab uurida ka kristallide struktuuri.
Röntgenikiirte omadused- a) röntgenkiired tungivad läbi paljude ainete, mis nähtavale valgusele on läbipaistmatud. Kehtib seaduspärasus: mida tihedam on aine, seda rohkem kiirgust neeldub. Põletikulised kohad neelavad rohkem röntgenkiirgust ja paistavad seetõttu tumedamatena. Selleks, et parandada haigete kudede nähtavust, vaadeldakse neid BaSO4 taustal. b) nii nagu kõik elektromagnet lained nii ei kaldu ka räntgeni kiired mägnetväljas kõrvale. C) röntgenkiirte murdumisnäitaja on peaaegu 1, see tähendab, et ühest keskkonnast teise üleminekul nad peaaegu ei muudagi oma suunda. Seda omadust kasutatakse ka meditiinis. D) röntgenkiired kahjustavad rakke, kuid pahaloomulisi kasvajarakke ja põletikulisi rakke kahjustavad nad rohkem. Seetõttu on võimalik täpselt doseeritud röntgenkiirusega pidurdada kasvaja arengut.
Röntgenitoru ehitus ja töötamise põhimõte- . Röntgentoru, hermeetiline toru, kust on õhk väljapumbatud ja seal on katood ja anood. Katood=volframspiraal, kuumutatakse, et tekiks elektronide voog. Anoodi ja katoodi vahel kõrgepinge, elektronid saavad suure kiiruse ja põrkudes vastu anoodi pidurdavad. R.k lainepikkus on väiksem kui uv kiirte lainepikkus. Kasutatakse haiguste diagnoosimiseks ja raviks. Saab uurida ka kristallide struktuuri.
Fotoelektriline efekt- Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase lävisageduse. Kui kiirguse sagedus on lävisagedusest väiksem, siis elektronide emissiooni ei toimu, sest nad ei saa elektromagnetkiirguselt energiat, mis on vajalik vabanemiseks seosest aatomituumadega. Fotoefekti käigus minema löödavaid elektrone nimetatakse fotoelektronideks. Footoni energia on sõltuv talle vastava laine sagedusest. Seega, mida suurem on pealelangeva valguse sagedus, seda tõenäolisemalt vabaneb metalli pinnalt elektrone. Matemaatiliselt väljendub fotoefekt järgmises võrrandis:
, kus A on väljumistöö ehk energia, mis on vaja anda elektronile, et teda metalli pinnalt vabastada; on väljunud elektroni kineetiline energia (m on elektroni mass ja v on elektroni kiirus) ninghν on footoni ehk valguskvandi energia (ν on footonile vastava laine sagedus ning h on Plancki konstant). Kui footoni energia on suurem kui väljumistöö, siis väljub elektron , mille kineetiline energia võrdub footoni energia ja elektroni väljumistöö vahega. Teades elektroni massi, on võimalik arvutada tema kiirus.
Kvant - süsteemi üleminekul ühest olekust teise, kui selle süsteemi olekud vastavad teatud füüsikalise suuruse (enamasti energia) diskreetsetele väärtustele.Näiteks elektroni energia aatomis on kvantiseeritud. Kui elektron läheb üle madalama energiaga energianivoole, siis kiiratakse kvant, ja kui toimub üleminek kõrgema energiaga energianivoole, siis neelatakse kvant. Sellise kvandi energia on vastavate energianivoode energiate vahe
Plancki konstant- Plancki konstant (tähis ) on füüsikaline konstant, mis iseloomustab kvantide suurust. Plancki konstanti kasutatakse näiteks valguse footonite energia arvutamiseks. See leitakse valemi abil, kus tähistab kvandi energiat, Plancki konstanti ja valguskvandi sagedust.
Plancki konstandi väärtus:
küllastunud fotovool - fotovool saab kasvada ainult seni, kuni kõik katoodist lahkuvad elektronid on jõudnud anoodile.
fotoefekti punane piir- kõige madalamat sagedust, mil fotovool tekib.
Stoletovi seadused- Stoletovi seadused:
- küllastunud fotovoolu tugevus ei sõltu kiirguse intensiivsusest vaid kiirguse võnkesagedusest.
-teisest seadusest järeldub, et kiirguse sageduse vähendamisel tekib niisugune olukord kus fotovool lakkab.Kõige madalamat sagedust, mil fotovool tekib nim fotovoolu panaseks piiriks .
Muutes katoodi materjale leidsi Stoletov, et sama kiirgus sageduse puhul on fotovool erinevate materjalide puhul erinev.
-Fotoefekti punane piir sõltub üksnes elektroodi materjalist, ega sõltu kiirguse intensiivsusest
Katoodist väljunud elektronide arv on võrdeline valgusvooga.
Ik ~ fii
Suur osa kvantide energiast läheb valgust neelava aine soojendamiseks ja ainult väike osa
fotoelektronidele.
Peale käsitletud välisfotoefekti on olemas ka sisefotoefekt, mida täheldatakse
dielektrikutes ja pooljuhtides.
Siin toimub elektronide ümberpaiknemine valentsitsoonist juhtivustsooni.
Esimesel tekib auk-, teisel elektronfotojuhtivus.
Sisefotoefektil põhineb nn. fototakistite töötamise põhimõte.Moodustuvate
laengukandjate arv on võrdeline langeva valgusvoo suurusega.Fototakisteid kasutatakse
fotomeetrias ning paljudes automaatika skeemides.
Mõnikümmend järjestikku lülitatud räni pn – siiret moodustavad juba nn.päikesepatarei.
Fotoefekti selgitamine kvantteoorias- Tuginedes Max Planci poolt viis aastat varem loodud kvantteooriale, pidas Einstein valgusele korpurskulaarseks nähtuseks: valgus saab neelduda või kiirata kindlate diskreetsete väärtuste (kvantide) kaupa. Einstein oletas, et valgust kandev osake ( footon )lööb metalli pinnalt välja elektroni siis, kui footoni energia on suurem kui elektroni väljumistöö .Footoni energia on sõltuv talle vastava laine sagedust. Seega, mida suurem on pealelangeva valguse sagedus, seda tõenäolisemalt vabaneb metalli pinnalt elektrone. Matemaatiliselt väljendub fotoefekt järgmises võrrandis:hv=A puls mv2/2 kus .A on väljumistöö ehk energia, mis on vaja anda elektronile, et teda metalli pinnalt vabastada; mv2/2on väljunud elektroni kineetiline energia (m on elektroni mass ja v on elektroni kiirus) ning hν on footoni ehk valguskvandi energia (ν on footonile vastava laine sagedus ning h on Plancki konstant)Kui footoni energia on suurem kui väljumistöö, siis väljub elektron, mille kineetiline energia võrdub footoni energia ja elektroni väljumistöö vahega. Teades elektroni massi, on võimalik arvutada tema kiirus.
Footonid - Footon on fundamentaalne elementaarosake, mis vahendab elektromagnetilist vastasmõju. Enamasti tähendab see, et elektriliselt laetud kehad vahetavad omavahel virtuaalseid footoneid. Näiteks positiivselt laetud aatomituum ja negatiivselt laetud aatomi elektronkate mõjutavad teineteist virtuaalsete footonitega. Footoni energia on määratud valemiga:
kus on footoni energia, on Plancki konstant, on footoni sagedus ja on tema lainepikkus (sagedus ja lainepikkus on teineteisega pöördvõrdelised). E tähistab footoni poolt edasi kantavat energiat. See on ühtlasi ka vähim võimalik lainepikkusega elektromagnetvälja (ja elektromagnetkiirguse) "portsjon", ehk kvant.
Kuna footoni seisumass on 0, siis liigub footon alati valguse kiirusega Footonil on mass, mis on võrdne footoni poolt edasi kantava energiaga. Kui mingi keha neelab footoni, siis saab ta endale selle footoni energia ning selle võrra suureneb ka keha mass
footoni impulss - selleks, et arvutada katoodist välja löödud elektroni energia, oeame teadma footoni impulssi . Impulssi suund ühtib valguse levimise suunaga. Kuivõrd Plancki konstant on väga väike, siis seetõttu on ühe footoni energia tühine. Kasutades footoni impulssi, näitas vene füüsik, et kui õhutühjas ruumis valgustada väga kergesti pöörlevat tiivikut, siis hakkab see pöörlema tema külg ees(peegelpinna suunas).