KvantOptika (0)

KVANTOPTIKA
Valgusel on tähtis osa meie elus. Ilma valguseta ei tajuks me esemeid nagu lauad, toolid ja isegi inimesed. Me elaksime igaveses öös.
Valguse uurimine hakkas pihta juba 17. Sajandil. Kuid tekkisid vastuolud teadlaste vahel. Osad uskusid ,et valgus on laine, teised aga ,et osake. Need kes uskusid ,et tegemist on lainega, panid aluse nn. Laineteooriale. Laineteooria töötas välja hollandi füüsik C. Huygens 1678 aastal. Ja need kes uskusid ,et valgus koosneb osakestest panid aluse nn. Korpuskulaarteooriale mida tänapäeval nimetatakse Kvantteooriaks. Korpuskulaarteooria e. kvantteooria arendaja oli inglise füüsik I. Newton 1675 aastal. Aga siia maani ei ole suudetud kindlaks teha mis see valgus on, kuna valgus on dualistlik. Valguse dualistlik e. kahene iseloom tähendab, et valguse laine ja kvantteooriad ei ole vastandlikud, nad täiendavad teineteist. See, kas valgus on laine või osakeste voog oleneb, milliseid nähtusi vaadeldakse, inimene ei saa seda vahetult tajuda. Mida väiksem on osakeste energia, seda raskem on neid omavahel eristada. Suurema sagedusega elektromagnetkiirgus sarnaneb rohkem osakeste voole, väiksema kiirgusega sagedus aga lainele. Põhjus miks ei piisanud ainult laineteooria on see ,et laineteooria ei seleta paljusid valguse omadusi.
Laineteooriast ei piisanud ka 20. sajandil kui püüti seletada hõõguvate kehade kiirgus spektrit. Katse tuletada teoreetiliselt kiirgusenergia jaotust kuumutatud keha pidevspektris tegi inglise füüsik J. Rayleigh . Rayleigh-i teooria järgi peaks lainepikkuse vähenedes kiirgusvõimsus pidevalt kasvama. See tähendab ,et soojuskiirguses peaks olema ultraviolett ja röntgenkiirgust. Selle seletuse kohaselt peaks 1000 oC kuumutatud rauatükk helendama sinakat-violetset aga mitte punast. Kui see seadus kehtiks kõikidel lainepikkustel, siis oleks hõõguvakeha kogu kiirgusenergia lõpmatult suur.
Hõõguvate kehade kiirgus spektrit uuris ka saksa füüsik Wilhelm Wien. Wieni seadus e. Wieni nihkeseadus ütleb, et musta keha maksimaalse kiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline selle temperatuuriga. Iseenesest on see ka loogiline: lühema lainepikkusega e. suurema sagedusega valgus vastab suurema energiaga footonitele, mille kiirgamist ju võibki oodata kõrgema temperatuuriga kehalt.
*Must Keha- Mõiste must keha tähistab läbipaistmatut objekti, mis eraldab soojuskiirgust. Ideaalne must keha neelab kogu saabuva valguse ega peegelda seda. Toatemperatuuril oleks selline objekt ideaalselt must siit ka mõiste must keha. Kuid kõrgemal temperatuuril hakkab ka must keha eraldama soojuskiirgust.
Püüdes ületada klassikalise teooria raskusi kuuma tahke keha kiirgusspektri seletamisel, püstitas saksa füüsik Max Planck aastal 1900 hüpoteesi, mis pani aluse revolutsioonile teoreetilises füüsikas. Vagus ei kiirgu aatomeist lainena, vaid energiaportsjonite, kvantide kaupa. Valguse kvanti hakati nimetama footoniks.
Ehk siis minimaalset energiahulka, mida süsteem võib neelata või kiirata nimetatakse energiakvandiks . Energiakvant on võrdne võnkesagedusega f. Valgusosakese footoni energia E. Võrdetegurit h nimetatakse Plancki konstandiks.
E=h f
See hüpotees lahendas kehade soojuskiirguse teoreetilise kirjeldamise. Plancki saadud kiirgusenergia jaotuskõver, ühtis hästi eksperimendi tulemustega. Seaduse hea kooskõla katse tulemustega oli tema kvanthüpoteesi veenvaks tõestuseks. Kvanthüpoteesist oli kasu ka aaromi ehituse uurimisel ja optikas. M.Pancki tööd panid aluse nüüdisaegsele kvantfüüsikale.
Plancki hüpotees võimaldas ka seletada fotoelektrilist efekti, mille avastas saksa füüsika H.Hertz. Fotoefekti võib demonstreerida elektromeerti abil, kui sinna külge on kinnitatud tsinkplaat ja kui seda valgustada näiteks Hg-lambiga. Laadimata tsinkplaadi puhul ei teki mingit laengut. Kui aga valgustada negatiivsetlt laetud plaati , siis peaks elektromeeteri seier langema . See katse näitab ,et valguse toimel lahkuvad metallplaadi pinnalt negatiivse laenguga osakesed. Nende osakeste massi ja laengu mõõtmise tulemused näitasid ,et tegemist on elektroonidega. Fotoefektiks nimetatakse negatiivelt laetud elektronide väljalöömist ainest valguse toimel. Valgus ei kiirgu aatomeist lainetena, vaid kvantide kaupa. Väljumistööks nimetatakse vähimat energiahulka, mis on vajalik elektroni ainest väljaviimiseks.
Fotoefekti seaduspärasusi uuris esimesana põhjalikumalt vene füüsik A.Stoletov 1888-1890 aastatel. Kasutades kahe elektroodiga klaasballooni, milles oli vaakum , uuris Stoletov erineva intensiivsuse ja spektraalse koostisega valgusvoogude tulemusi. Et kui palju elektrone katoodilt väljalöödi.
Mis toimub?
Süsteem: Vaakumis kapslis, kus ei hõlju ühtegi elektrit juhtivat osakest, asetsevad 2 metallist plaati (anood ja katood ). Need on ühendatud galvaanomeetriga (voolu tugevuse fikseerimiseks) ja voolu elemendiga (pinge allikas).
1) Ilma valguseta kapslis vool puudub, kuna puuduvad laenguga osakesed vaakumis.
2) Valgustades katoodi hakkavad valguse osakesed elektrone katoodi pinnalt välja lööma. Elektronid sattuvad Elektrivälja (mis on tänu pinge allikale), ning hakkavad liikuma anoodi poole. Tänu tekkinud laetud osakestele tekkibki fotovool
Väljalennanud elektronide energia suureneb valguse sageduse suurenedes ja ei sõltu valguse energiast.

• Väljalennanud elektronide arv suureneb valguse intensiivsuse suurenedes.
  
• Fotovool ei tekki igasuguse lainepikkusega valguse puhul. Alates punapiirist voolu ei teki. Punapiir – maksimum laine pikkus millepuhul suudab valgus ainest elektrone välja lüüa.
  
• Fotovoolu tugevus (If) sõltub rakendatud pingest (U) ja valguse intensiivsusest (I)
  
• Fotovoolu sõltuvus pingest kaob alates teatud pingest – tekkib fotovoolu küllastus (kõik e- jõuavad anoodile)
  
• Nõrk fotovool on olemas ka pinge puudumisel (kaob, kui rakendatakse vastu pinge)
  

Fotoefektile andis seletuse A. Einstein 1905 a.Einstein täiendades Plancki senist hüpoteesi väitega ,et valguskvant saab neelduda ainult tervikuna . See tähendab kui elektron neelab footoni ,siis elektronienergia suureneb hf võrra.
Ainele langev footon peab fotoefekti tekitamiseks elektroni ainest vabastama.Footon peab tegema tööd aine positiivsete ioonide tõmbejõudude ületamiseks. Seda tööd nimetatakse (A) väljumistööks. Ja veel tuleb elektronile anda kineetilist energiat (mv2/2) ,et ta pinnalt eemalduks.
Fotoefekti punapiir e. piirsagedus on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama. Ehk peab olema teatud sagedus mis suudaks ainest elektronid välja lüüa.
Punapiir:
- kogu kvandi energia E kulub e- väljalöömiseks A (kineetilise en.- ks footoni energiat enam ei jätku)
Punapiiri lainesagedus (suurenedes väheneb footoni E)
Tundub ,et ma rääkisin juba algul valguse dualistlikust iseloomust ma loodan ,et sellest piisas. Kokkuvõtteks ütlen ,et valgus mis paistab nii tavaline on hoopis keerulisem kui ta paista laseb .