Nähtusi, kus avaldub valguse kvantiseloom

  • Valguse rõhk
  • Comptoni efekt
  • Fotokeemilised reaktsioonid
  • Fotograafia
Seotud sisu
Muud tegevused

Valguse rõhk

Valguse ja gaasi rõhk

Tuletame meelde, kuidas seletatakse gaaside rõhku anuma seinale. Rõhk tekib sellest, et vastu anuma seina põrkudes antakse gaasi molekulide impulss üle seinale.

Ka footonil on impulss, seega peaks valgus kui footonite voog avaldama rõhku sellele pinnale, kuhu valgus langeb. Kuigi ühe footoni impulss on tühine, on võimalik valguse poolt avaldatud rõhku kindlaks teha. Seda sellepärast, et valgus­voos on väga palju footoneid. Näiteks lugemiseks vajaliku valgustatuse puhul langeb raamatu­lehe igale ruut­senti­meetrile sekundis 1013–1014 footonit.

Valguse rõhu mõõtmine

Valguse rõhku mõõtis esimesena 1900. a Vene füüsik Pjotr Lebedev. Tema katse­seade koosnes peenikese kvarts­niidi otsa riputatud kergest vardast. Selle otstesse olid kinnitatud õhukesed kettakesed (joon 16.1). Kogu seade oli paigutatud õhutühja klaas­anumasse. Ühe kettakese valgustamisel pöördus varras teatud nurga võrra. Pöörde­nurga φ järgi oli võimalik välja arvutada valguse rõhk.

Joonis 16.1. Valguse rõhu mõõtmise skeem.
Pjotr Lebedev (1866–1912)

Kuidas seletatakse valguse rõhku?

Valguse kvantteooria seletab valguse rõhku järgmiselt. Kui footonid langevad mingile kehale, siis annavad nad oma impulsi sellele üle. Impulsi jäävuse seaduse kohaselt suureneb sel juhul keha impulss. Impulsi muutus tähendab aga seda, et kehale mõjub jõud. Kui leida pinna­ühiku kohta tulev jõud, saamegi rõhu. Katsed näitavad, et valguse rõhk pv on võrdeline valguse intensiiv­su­sega. See tähendab, et mida rohkem footoneid ajaühikus pinnale langeb, seda suurem on valguse rõhk.

Arvutused näitavad, et Päikese poolt Maale avaldatav rõhk pv = 3 · 10–6 Pa. Võrreldes õhurõhuga, mis on keskmiselt 105 Pa, on valguse rõhk väga väike. Kuid suurele pinnale mõjudes võib ka väike rõhk avaldada suurt jõudu.

Näide. Leida, millist jõudu avaldab Päikeselt tulev valgus Maale. Maad käsitleda kui tasast ketast.

Andmed:
​pv = 3 · 10–6 Pa
​R = 6,4 · 106 m
___________________​
​F – ?

Teades rõhu suurust pv, saame leida rõhumisjõu F = pv S.

Ketta pindala S = πR2.

Seega rõhumisjõud F = pvπR2.

F = 3 · 10–6 Pa · 3,14 · 6,42 · 1012 m2 ≈

≈ 4 · 108 N

Vastus: Päikese valgus avaldab Maale rõhumis­jõudu 4 · 108 N.

Vihje
Keha tõstmiseks vajalik minimaalne jõud on võrdne keha raskusjõuga.
  • 5 · 103 kg
  • 2,5 · 108 kg
  • 0,3 kg
  • 4 · 106 kg
  • 1,3 · 107 kg

Valguse rõhu toimed

Nüüdisaegsed laserid on aga piisavalt võimsad, et avaldada kehadele juba märkimis­väärset rõhku. On tehtud katseid, kus võimsa laseri­kiire koondamisel ime­pisike­seks täpiks võib saada rõhu, mis annab väga kergele osakesele (m < 10–12 g) kiirenduse, mis ületab raskus­kiirenduse kuni miljon korda. Laseri­kiire rõhku loodetakse kasutada aatomi­füüsikas, näiteks osakeste kiirendamisel. On olemas ka ulme­projekte, kus Kuu hõlvamiseks vajaliku õhu „lükkab” Maalt Kuule laserivalgus.

Valguse rõhu seletamine laineteooria abil

Valguse rõhku saab tegelikult seletada ka laine­teooria abil, kasutades valgus­laine elektri­välja mõju aines olevaile elektronidele. Valgus­laine muutuv elektri­väli sunnib elektrone kehas võnkuma. Seda elektronide võnkumist võib vaadelda muutuva suunaga elektri­vooluna, millele mõjub valgus­laine magnet­väli. Olukord on sarnane magnet­väljas oleva juhtmega, milles on elektri­vool. Sellisele juhtmele mõjub teatud jõud – Lorentzi jõud. Ka aine elektronidele mõjub sarnane jõud. Selle jõu suund langeb kokku valguse levimise suunaga ja see seletabki valguse rõhku kehale.

Seotud sisu
Muud tegevused

Comptoni efekt

Millal avalduvad kiirguse kvantomadused paremini?

Milles seisneb Comptoni efekt?

Elektromagnetkiirguse kvantomadused avalduvad seda selgemalt, mida suurem on kiirguse sagedus. Siis on kvandi energia suurem ja võib loota, et ka üks kvant suudab midagi korda saata. Seega on kvant­nähtuste leidmise tõe­näosus suurem, kui kasutada lühema­lainelist kiirgust, näiteks röntgeni­kiirgust. 1922. a avastas USA füüsik Arthur Compton, et röntgeni­kiirguse hajumisel ainetelt, mis sisaldavad vabu elektrone, suureneb kiirguse laine­pikkus. Selle efekti avastamise eest määrati talle 1927. a Nobeli füüsika­preemia.

Arthur Compton (1892–1962)

Comptoni efekti seletamine

Laineteooria ei suuda seletada sellist kiirguse laine­pikkuse muutumist. Ainele langev laine sagedusega f sunniks elektrone oma sagedusega võnkuma. Võnkuvad elektronid kiirgaksid aga omakorda sama­suguse sagedusega elementaar­laineid ja mingit laine­pikkuse muutust ei esineks.

Kvantteooria aga lubab efekti seletada. Nimelt annab footon elektroniga põrkudes osa oma energiast elektronile, suurendades selle liikumis­kiirust (joon. 16.2). Selle tulemusena elektroni energia suureneb ja footoni energia väheneb. Kui footoni energia väheneb, siis väheneb ka talle vastav sagedus, sest kvandi energia on võrdeline sagedusega. Sageduse vähenemine tähendab aga laine­pikkuse suurenemist.

Joonis 16.2. Comptoni efekt.
Seotud sisu
Muud tegevused

Fotokeemilised reaktsioonid

Millised on fotokeemilised reaktsioonid?

Terve rida keemilisi reaktsioone toimub ainult valgus­kvantide osavõtul. Selliseid reaktsioone nimetatakse foto­keemilisteks.

Footoni energia on piisav, et lõhkuda molekule, mis muidu võivad väga stabiilsed olla. See loob võimalusi keemilisteks reaktsioonideks. Foto­keemiline reaktsioon on näiteks foto­süntees, mille käigus tekivad anorgaani­lis­test ainetest orgaanilised ühendid.

Fotokeemiline reaktsioon on ka osooni tekkimine. Sel puhul footoni energia (hf) neeldub ühes hapniku molekulis (O2), viies selle suurema energiaga nn ergastatud olekusse (O2*). Selline molekul reageerib teise hapniku molekuliga (O2), mille tulemusena tekib osoon (O3) ja atomaarne hapnik (O). Vastavat reaktsiooni kirjeldab võrrand

O2 + hf → O2* ; O2* + O2 → O3 + O.

Fotokeemiliselt toimuvad mitmed reaktsioonid, mis muidu nõuaksid ainete kuumutamist tuhandete kraadideni.

Milline temperatuur vastab fotokeemilise reaktsiooni toimumisele?

Näide. Leida, millise temperatuurini tuleks ainet kuumutada, et toimuks reaktsioon, mis toimub rohelise valguse (λ = 500 nm) toimel.

Andmed:
​h = 6,6 · 10–34 J ⋅ s
​c = 3 · 108 m/s
​λ = 500 nm = 5 · 10–7 m
k=1,4⋅ 10 −23 J K
____________________________
​​​T – ?

Reaktsiooni toimumiseks on vaja energiat E1, mis eraldub „rohelise” footoni neeldumisel:
E 1 =hf=h c λ . MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaaeaadaabaaGcbaGaamyramaaBa aaleaacaaIXaaabeaakiabg2da9iaadIgacaWGMbGaeyypa0JaamiA amaalaaabaGaam4yaaqaaiabeU7aSbaacaGGUaaaaa@3FAC@

Selleks et reaktsioon toimuks soojus­energia arvel, peab E1 = E2, kus E2 on soojus­liikumise energia:
E 2 = 3 2 kT. MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaaeaadaabaaGcbaGaamyramaaBa aaleaacaaIYaaabeaakiabg2da9maalaaabaGaaG4maaqaaiaaikda aaGaam4AaiaadsfacaGGUaaaaa@3C88@

Seega  h c λ = 3 2 kT, MathType@MTEF@5@5@+= feaagGart1ev2aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbnLNCPf gzGaLCVbqedmvETj2BSbqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE 0jxyaibaieIcFv0Je9sqqrpepC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9 vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=x fr=xb9adbaqaaeGacaGaaiaabeqaaeaadaabaaGcbaGaamiAamaala aabaGaam4yaaqaaiabeU7aSbaacqGH9aqpdaWcaaqaaiaaiodaaeaa caaIYaaaaiaadUgacaWGubGaaiilaaaa@3E63@

T= 2hc 3kλ ;
T= 2⋅6,6⋅ 10 −34 ⋅J⋅s⋅3⋅ 10 8 m s 3⋅1,4⋅ 10 − 23 J K ⋅5⋅ 10 −7  m =2⋅ 10 4  K.

Vastus: reaktsioon saaks toimuda temperatuuril 2 · 104 K.

Seotud sisu
Muud tegevused

Fotograafia

Varjatud kujutise tekkimine

Ilmutamine ja kinnistamine

Fotokeemiline reaktsioon on ka fotograafiast tuntud hõbe­bromiidi lagunemine valguse toimel Ag ja Br aatomeiks. Fotograafias kasutatakse valgus­tundlikes materjalides peale AgBr ka mitmeid teisi ühendeid. Pildistamisel toimub valgustatud kohtades reaktsioon

AgBr + hf → AgBr* → Ag + Br.

Selle tulemusena tekib filmile nn „varjatud kujutis”. Nähtava kujutise saamiseks tuleb film ilmutada. Ilmutamise käigus eraldub emulsioonist atomaarne hõbe. Emulsiooni jäävad alles Br aatomid, mis neelavad valgust ja tekitavad negatiiv­kujutise. Et teha see valgus­kindlaks, tuleb filmi veel kinnistada.

Negatiiv ja positiiv

Selleks töödeldakse filmi teise lahuse, kinnistiga. Kinnistamisel lahustatakse valgustamata kohtadesse alles­jäänud hõbe­bromiidi kristallid ja pestakse need emulsioonist välja. Nüüd on negatiiv valmis. Negatiiviks nimetatakse seda sellepärast, et rohkem valgustatud ehk heledamatele kohtadele vastavad filmil tumedamad kohad ja vastupidi. Selleks, et saada positiivi, tuleb fotopaberit valgustada läbi negatiivi. Seejärel toimub analoogiline keemiline töötlemine nagu negatiivi saamisel. Tulemuseks ongi positiiv, s.o kujutis, kus negatiivi tumedatele kohtadele vastavad heledad kohad ja vastupidi.

Seotud sisu
Muud tegevused

Ülesanded

1. Valguse rõhk ja jõud

Vastus. · 10 N

2. Comptoni efekt

Vastus. · 10 J.

3. Kiirguskvandi põrge elektroniga
Vihje
Kasutage energia jäävuse seadust.
Elektroni mass on 9,1 · 10–31 kg.

Vastus. · 10 ms.

4. Hõbebromiidi lagunemine
Vihje
Kui palju energiat kulub ühe AgBr molekuli lagundamiseks?
Avogadro arv NA = 6 · 1023 mol–1.

Vastus. · 10 Hz.

  1. *Valgus langeb tasapinnalisele plaadile nii, et langemisnurk ei võrdu nulliga. Millises suunas tõukub plaat: a) kui pind neelab kogu valguse? b) kui pind peegeldab kogu valguse?
Seotud sisu
Muud tegevused

?

  1. Kas sama intensiivsusega valgus avaldab suuremat rõhku valgele või mustale pinnale? Vihje: valgelt pinnalt põrkuvad footonid tagasi, mustas pinnas neelduvad.
  2. Komeetide saba on alati suunatud Päikesest eemale. Miks?
  3. Fotode ilmutamisel võib kasutada pimikus punast valgust. Miks?
  4. Kvartslambi põlemisel on tunda osooni lõhna. Miks?
Seotud sisu
Muud tegevused

🌈 Oluline

  1. Valgus avaldab rõhku sellele pinnale, kuhu ta langeb.
  2. Rõhk on seda suurem, mida intensiivsem on valgus.
  3. Footoni põrkumisel vaba elektroniga väheneb footoni energia. Selle tulemusena suureneb kiirguse lainepikkus.
  4. Fotokeemilisteks nimetatakse reaktsioone, mis toimuvad footonite osavõtul.
Seotud sisu
Muud tegevused