Luonto

Valon ja aineen vuorovaikutus

Kvanttien pimennys. Einstein oletti sähkömagneettisen säteilyn - siis myös valon - koostuvan kvanteista. Kuvassa auringonpimennys kuvattuna Kiinassa maaliskuussa 1997.
Luonto 9.10.2005 0:00
Helena Aksela
Tekniikan nopea kehittyminen 1800-luvun loppupuolella mahdollisti fyysikoille monien uudenlaisten valon luonteeseen ja aineen rakenteeseen liittyvien kokeiden tekemisen.

Heinrich Herzt havaitsi vuonna 1881, että metallipintaan osuva valo voi irrottaa metallista elektroneja. Klassisen fysiikan teoriat eivät pystyneet selittämään koetuloksia. Kokeen osoittamalle valon ja aineen vuorovaikutusilmiölle haettiin teoreettista selitystä yli 20 vuoden ajan. Työssä onnistui lopulta Albert Einstein vuonna 1905.

Einsteinin julkaisema valosähköisen ilmiön selitys on fysiikan kehityksen kannalta tärkeässä asemassa. Se vaikutti merkittävästi modernin fysiikan toisen keskeisen teorian, kvanttimekaniikan, syntyyn ja toi Einsteinille myös Nobelin palkinnon 1921.

Einsteinin selitykselle on käänteentekevää, että hän oletti sähkömagneettinen säteilyn - siis myös valon - koostuvan energiapaketeista eli kvanteista. Kun säteilykvantti törmää aineeseen, se osuu yksittäiseen atomiin, johon kvantin energia imeytyy eli absorboituu.

Atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä olevista elektroneista. Jos atomiin törmäävän valokvantin energia on tarpeeksi suuri, atomista irtoaa elektroni. Se osa kvantin energiasta, joka ei kulunut elektronin irrottamiseen, menee irronneen elektronin liike-energiaksi.



Hyödyllinen menetelmä


Irtoavaa elektronia kutsutaan fotoelektroniksi ja sen mittaamiseen voidaan käyttää elektronispektrometriä.

Valosähköisen ilmiön pohjalta on syntynyt fotoelektronispektroskopiaksi kutsuttu tutkimusmenetelmä. Se soveltuu hyvin aineen rakenteen ja käyttäytyminen tutkimiseen.

Fotoelektronispektroskopiassa tutkittavaan aineeseen törmäytetään esimerkiksi ultraviolettivaloa tai röntgensäteilyä. Spektrometrillä mitataan aineesta säteilyn vaikutuksesta irronneiden elektronien energiat. Mittaustuloksien perusteella pystytään päättelemään erittäin tarkasti tutkittavan aineen ominaisuuksia.



Kirkkaita lähteitä


Elektronispektroskopian perinteisiä säteilylähteitä ovat ultraviolettivaloa lähettävät kaasupurkauslamput ja röntgensäteilyä tuottavat röntgenputket. Viime vuosina on synkrotronisäteily aineeseen törmäävänä säteilynä syrjäyttänyt perinteiset menetelmät fysiikan perustutkimuksessa.

Synkrotronisäteily on myös mullistanut useiden alojen, kuten, kemian, pintafysiikan ja biologisten makromolekyylien rakenteen tutkimuksen. Menetelmän käyttö on laajentunut myös lääketieteellisiin ja teknisiin sovellutuksiin sekä ympäristötieteisiin ja geokemiaan.

Synkrotronisäteilyyn liittyviä mittauksia suoritetaan kansainvälisissä synkrotronisäteilylaboratorioissa, joista Oulun yliopistoa lähin sijaitsee MAX-laboratoriossa Lundissa Ruotsissa. Suomalaiset tutkijat ovat rakentaneet laboratorioon säteilylinjan.

Elektronispektroskopiassa Einsteinin sata vuotta sitten julkaisema valosähköisen ilmiön tutkimustulos on tänään laajassa käytössä, tieteessä ja käytännössä.



Ahkera luonto


Luonto on täynnä säteilyn ja aineen vuorovaikutukseen liittyviä ilmiöitä. Revontulet syntyvät, kun ilmakehän kaasumolekyylit siirtyvät kvanttitilasta toiseen niin, että niistä irtoaa valokvantti eli fotoni.

Kasvit absorboivat auringon valoa ja käyttävät saamansa energian kasvamisessa tarvittavien yhdisteiden tuottamiseen.

Aineen ja säteilyn vuorovaikutuksen ymmärtämistä osataan hyödyntää myös monissa tekniikan sovelluksissa. Esimerkiksi ikkunamateriaaliksi valitaan aine, joka läpäisee hyvin näkyvää valoa mutta estää haitallisen ultraviolettivalon pääsyn sisälle ja lämmön karkaamisen ulos. Samalla periaatteella voidaan kehittää aurinkolaseihin mahdollisimman hyvin sopivia pinnoitteita.

Aurinkopaneeli on esimerkki sovelluksesta, jossa sähkömagneettinen säteily muunnetaan valosähköistä ilmiötä hyödyntämällä sähkövirraksi.

Sarja esittelee fysiikkaa sata vuotta suhteellisuusteorian keksimisen jälkeen. Kirjoittajat ovat Oulun yliopiston fysiikan laitoksen tutkijoita. Professori Helena Aksela työskentelee fysikaalisten tieteiden laitoksella elektronispektroskopian tutkimusryhmässä. Sarjan ensimmäinen osa julkaistiin 2.10.

Tiedätkö aiheesta enemmän?
Lähetä vinkki, kuva tai video!
13222
MAINOS

Kommentoi

Uutisvirta

Etusivulla nyt

Paikallissää

Juttutupa

Päivän tykätyin viesti

Osittainen varhennettu vanhuuseläke

että työeläkettä saava maksaa myös omalla tekemällään työllä. Miten et osaa arvostaa tehtyä työtä? Taidat saada liikaa s... Lue lisää...
unohdat aina

Jari ja sarjakuvat

Jari

23.6.
Jari on tauolla.

Naapurit

19.10.

Fingerpori

19.10.
;

Uutiset osastoittain

Palvelemme sinua

Asiakaspalvelumme auttaa sinua mielellään Kalevan tilausasioissa ja muissa lukijan palveluissa.

Asiakaspalvelu

(08) 5377 610 (ma-pe 9-16)

www.kaleva.fi/asiakaspalvelu

Kalevan medioilla tavoitat 331 000 lukijaa.

Yrityspalvelut

(08) 5377 180

yrityspalvelut.kaleva.fi


stats-image