Valguse teke aatomis
Valguse tekkimise aatomis selgitas esimesena N. Bohr. Tema kvanditud aatomimudel baseerub kolmel nn Bohri printsiibil:
1. aatom saab olla ainult kindlates statsionaarsetes olekutes (elektronidel on mitu võimalikku orbiiti ümber tuuma tiirlemisel. Tuumale lähemal on energia väiksem ja kaugemal suurem)
2. statsionaarses olekus aatom ei kiirga (elektronid ei vaheta orbiite)
3. üleminekul ühest olekust teise aatom kiirgab või neelab energiakvandi (kui aatom saab energiat juurde, siis elektronid liiguvad suurema energiaga orbiitidele ja aatom tervikuna neelab energiat. kui elektronid liiguvad madalama energiaga orbiitidele, siis kiirgub aatomist ülejäääv energia valgusena. Sõltuvalt sellest, milline on elektroni liikumine, võib tekkida ka erinevat värvi valgus).
Bohri aatomimudel vesiniku näitel:
http://www.fyysika.ee/opik/index.php?tase=asi&idex=945&idse=8451
Kasutusele on võetud mõisted:
ergastamine - aatomile lisaenergia andmine, mille tulemusena elektronid liiguvad kõrgematele orbiitidele
ergastatud aatom - aatom, millel on lisaenergia ja mis võib seetõttu valgust kiirata.
Sõltuvalt ergastavast energialiigist tekivadki erinevad kiirgused. ( külmad kiirgused, soojuskiirgus jne...):
1. Soojuskiirgus e. infrapunane kiirgus on nähtavast valgusest pikema lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel on ergastavaks energiaks soojusenergia. Kiirgusallikas on iga keha, mille temperatuur ümbritsevast keskkonnast kõrgem.
2. Ultraviolettkiirgus on nähtavast kiirgusest madalama lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel samuti ergastavaks energiaks on soojusenergia. Kiirgusallikateks väga kõrge temperatuuriga kehad, nagu kõik tähed ja spetsiaalsed UV-lambid.
3. Röntgenkiirgus on ka UV-kiirgusest madalama lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel on ergastavaks energiaks elektronide liikumisenergia. Kiirguse allikateks samuti tähed ja inimese poolt loodud röntgenaparaat (1895 - Wilhelm Röntgen).
4. Elektroluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on elekrienergia. Looduses esineb virmalistena ja inimese poolt loodud erinevates gaaslahendustes.
5. Katoodluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on elektronide energia. Esineb vanemates kineskoop-televiisorites.
6. Kemoluminestsents - külm kiirgus, kus erastavaks energiaks keemiline energia. Esineb looduses bioloogiliste protsesside tulemusena - jaaniussid, pehkinud puutükid, erinevad bakterid jne...
7. Fotoluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on valguse energia. Kasutatakse näiteks liiklusmärkidel, mis valguse toimel helendama hakkavad.
1. aatom saab olla ainult kindlates statsionaarsetes olekutes (elektronidel on mitu võimalikku orbiiti ümber tuuma tiirlemisel. Tuumale lähemal on energia väiksem ja kaugemal suurem)
2. statsionaarses olekus aatom ei kiirga (elektronid ei vaheta orbiite)
3. üleminekul ühest olekust teise aatom kiirgab või neelab energiakvandi (kui aatom saab energiat juurde, siis elektronid liiguvad suurema energiaga orbiitidele ja aatom tervikuna neelab energiat. kui elektronid liiguvad madalama energiaga orbiitidele, siis kiirgub aatomist ülejäääv energia valgusena. Sõltuvalt sellest, milline on elektroni liikumine, võib tekkida ka erinevat värvi valgus).
Bohri aatomimudel vesiniku näitel:
http://www.fyysika.ee/opik/index.php?tase=asi&idex=945&idse=8451
Kasutusele on võetud mõisted:
ergastamine - aatomile lisaenergia andmine, mille tulemusena elektronid liiguvad kõrgematele orbiitidele
ergastatud aatom - aatom, millel on lisaenergia ja mis võib seetõttu valgust kiirata.
Sõltuvalt ergastavast energialiigist tekivadki erinevad kiirgused. ( külmad kiirgused, soojuskiirgus jne...):
1. Soojuskiirgus e. infrapunane kiirgus on nähtavast valgusest pikema lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel on ergastavaks energiaks soojusenergia. Kiirgusallikas on iga keha, mille temperatuur ümbritsevast keskkonnast kõrgem.
2. Ultraviolettkiirgus on nähtavast kiirgusest madalama lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel samuti ergastavaks energiaks on soojusenergia. Kiirgusallikateks väga kõrge temperatuuriga kehad, nagu kõik tähed ja spetsiaalsed UV-lambid.
3. Röntgenkiirgus on ka UV-kiirgusest madalama lainepikkusega nähtamatu kiirgus, mille tekkimisel on ergastavaks energiaks elektronide liikumisenergia. Kiirguse allikateks samuti tähed ja inimese poolt loodud röntgenaparaat (1895 - Wilhelm Röntgen).
4. Elektroluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on elekrienergia. Looduses esineb virmalistena ja inimese poolt loodud erinevates gaaslahendustes.
5. Katoodluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on elektronide energia. Esineb vanemates kineskoop-televiisorites.
6. Kemoluminestsents - külm kiirgus, kus erastavaks energiaks keemiline energia. Esineb looduses bioloogiliste protsesside tulemusena - jaaniussid, pehkinud puutükid, erinevad bakterid jne...
7. Fotoluminestsents - külm kiirgus, kus ergastavaks energiaks on valguse energia. Kasutatakse näiteks liiklusmärkidel, mis valguse toimel helendama hakkavad.
Spektrid, spektraalanalüüs.
Spekter - aine poolt kiiratavate erinevate lainepikkuste kogum. Ühe aine puhul on võimalik saada erinevaid lainepikkuste kombinatsioone. Spekter sõltub aine olekust, temperatuurist ja rõhust.
Kuna igal keemilisel elemendil on erinev arv elektrone, siis on igal elemendil oma kindlad spektrid. Spektri põhjal on seega võimalik kindlaks määrata, millise elemendiga on tegu. Toimingut nimetatakse spektraalanalüüsiks.
Spektri teke:
http://www.tahvel.ee/Fail:Prisma.gif
Spekter, mis tekib aine kiirgamisel on kiirgusspekter ja kujutab endast üksikuid värvilisi jooni mustal taustal.
Spekter, mis tekib aine ergastamisel, on neeldumisspekter ja vastupidiselt eelmisele on üksikud mustad jooned värvilisel taustal. Mõlema spektri puhul on need jooned samadel lainepikkustel ja mõlema spektri põhjal on võimalik määrata kindlaks aine koostist. Ühe aine spekter sõltub temperatuurist, rõhust ja aine olekust. Seega, on võimalikke spektreid iga elemendi kohta väga-väga palju ja õige vaste otsimine tänapäeval arvuti ülesanne.
Spektraalanalüüs ei muuda aine koostist (kriminalistika), töötab ka ühe aine molekuli korral (üliväikesed kogused) ja võimaldab uurida aineid ka eemalt (astronoomia). Raskusi võib esineda mõningate ühendite kiirgama panekul.
Kuna igal keemilisel elemendil on erinev arv elektrone, siis on igal elemendil oma kindlad spektrid. Spektri põhjal on seega võimalik kindlaks määrata, millise elemendiga on tegu. Toimingut nimetatakse spektraalanalüüsiks.
Spektri teke:
http://www.tahvel.ee/Fail:Prisma.gif
Spekter, mis tekib aine kiirgamisel on kiirgusspekter ja kujutab endast üksikuid värvilisi jooni mustal taustal.
Spekter, mis tekib aine ergastamisel, on neeldumisspekter ja vastupidiselt eelmisele on üksikud mustad jooned värvilisel taustal. Mõlema spektri puhul on need jooned samadel lainepikkustel ja mõlema spektri põhjal on võimalik määrata kindlaks aine koostist. Ühe aine spekter sõltub temperatuurist, rõhust ja aine olekust. Seega, on võimalikke spektreid iga elemendi kohta väga-väga palju ja õige vaste otsimine tänapäeval arvuti ülesanne.
Spektraalanalüüs ei muuda aine koostist (kriminalistika), töötab ka ühe aine molekuli korral (üliväikesed kogused) ja võimaldab uurida aineid ka eemalt (astronoomia). Raskusi võib esineda mõningate ühendite kiirgama panekul.
Spektrite teke:
http://www.youtube.com/watch?v=gDuPH_7n4l0
Fotoefekt.
Fotoefektiks nimetatakse negatiivelt laetud elektronide väljalöömist ainest valguse toimel. Valgus ei kiirgu aatomeist lainetena, vaid kvantide kaupa. Valguskvant ehk footon saab neelduda ainult tervikuna. Väljumistööks A nimetatakse vähimat energiahulka, mis on vajalik elektroni ainest väljaviimiseks. (Võib defineerida ka kvandi poolt tehtud tööna elektroni väljalöömisel) Sisefotoefekti puhul ei löö valgus elektrone välja, vaid vabastab nad oma aatomite küljest. Fotoefekti põhiseadused on, et
1. valguse poolt välja löödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega,
2. valguse poolt välja löödud elektronide hulk sõltub valguse sagedusest võrdeliselt.
Plancki konstandi (6,6 · 10-34 J/s) ja valguse sageduse korrutis ( ühe valguskvandi energia) võrdub väljumistöö ja elektronile antud kineetilise energia summaga (hf = A + Ek. Seos kannab nimetust Einsteini fotoefekti võrrand)
Fotoefekti punapiir on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama.
Võib defineerida ka minimaalse sagedusena, mis on võimeline fotoefekti esile kutsuma. Seega tekib fotoefekt siis kui pealelangeva valguse sagedus on suurem või võrdne punapiirile vastava sagedusega
Mida suurem on katoodile langeva valguse intensiivsus I, seda suurem on küllastusvool ehk vool, mis mingi pinge väärtusest enam ei muutu. Fotoefektil töötavaid seadmeid kasutatakse automaatikas (valgustuses, detailide loendamises) ja telemehaanikas (elektritakistuse vähendamisega), toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel (fototakistiga, fotodioodiga, nõrka valgust fotoelektronkordistiga), kinos, televisioonis, fotograafias, päikesepatareides (hulk omavahel elektriliselt ühendatud fotoelemente; kosmoselaevades, elektrijaamades, ka kosmosesse paigutatavates) jne. Fotoelemendis tekib valguse toimel elektrivool või muudetakse valgusenergia elektrienergiaks. Footoni energia on määratud talle vastava laine sagedusega.
Footoni (kvandi) omadused:
Footonil puudub seisumass, ta ei saa eksisteerida paigalolekus.
Footon liigub vaid valguse kiirusel.
Liikuval footonil on mass, mille leidmiseks tuleb korrutada vastava valguse sagedus Planci konstandiga ja jagada valguse kiiruse ruuduga.
Footoni impulss on määratud tema massi ja kiiruse korrutisega ning selle suund ühtib valguslaine levimissuunaga.
Kui footonid langevad mingile kehale, annavad nad oma impulsi sellele üle. Valguse rõhk on võrdeline valguse intensiivsusega. Footoni põrkumisel vaba elektroniga väheneb footoni energia ja suureneb kiirguse lainepikkus. Vastavat nähtust nimetatakse Comptoni efektiks. Fotokeemilisteks nimetatakse reaktsioone, mis toimuvad vaid valguskvantide osavõtul (fotosüntees, osooni tekkimine, pildistamisel).
Fotoelektriline efekt animatsioonina:
http://www.fyysika.ee/opik/index.php?tase=asi&idex=1277&idse=8552
1. valguse poolt välja löödud elektronide arv on võrdeline valguse intensiivsusega,
2. valguse poolt välja löödud elektronide hulk sõltub valguse sagedusest võrdeliselt.
Plancki konstandi (6,6 · 10-34 J/s) ja valguse sageduse korrutis ( ühe valguskvandi energia) võrdub väljumistöö ja elektronile antud kineetilise energia summaga (hf = A + Ek. Seos kannab nimetust Einsteini fotoefekti võrrand)
Fotoefekti punapiir on selline lainepikkus, millest pikemaid lained ei ole suutelised ainest elektrone vabastama.
Võib defineerida ka minimaalse sagedusena, mis on võimeline fotoefekti esile kutsuma. Seega tekib fotoefekt siis kui pealelangeva valguse sagedus on suurem või võrdne punapiirile vastava sagedusega
Mida suurem on katoodile langeva valguse intensiivsus I, seda suurem on küllastusvool ehk vool, mis mingi pinge väärtusest enam ei muutu. Fotoefektil töötavaid seadmeid kasutatakse automaatikas (valgustuses, detailide loendamises) ja telemehaanikas (elektritakistuse vähendamisega), toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel (fototakistiga, fotodioodiga, nõrka valgust fotoelektronkordistiga), kinos, televisioonis, fotograafias, päikesepatareides (hulk omavahel elektriliselt ühendatud fotoelemente; kosmoselaevades, elektrijaamades, ka kosmosesse paigutatavates) jne. Fotoelemendis tekib valguse toimel elektrivool või muudetakse valgusenergia elektrienergiaks. Footoni energia on määratud talle vastava laine sagedusega.
Footoni (kvandi) omadused:
Footonil puudub seisumass, ta ei saa eksisteerida paigalolekus.
Footon liigub vaid valguse kiirusel.
Liikuval footonil on mass, mille leidmiseks tuleb korrutada vastava valguse sagedus Planci konstandiga ja jagada valguse kiiruse ruuduga.
Footoni impulss on määratud tema massi ja kiiruse korrutisega ning selle suund ühtib valguslaine levimissuunaga.
Kui footonid langevad mingile kehale, annavad nad oma impulsi sellele üle. Valguse rõhk on võrdeline valguse intensiivsusega. Footoni põrkumisel vaba elektroniga väheneb footoni energia ja suureneb kiirguse lainepikkus. Vastavat nähtust nimetatakse Comptoni efektiks. Fotokeemilisteks nimetatakse reaktsioone, mis toimuvad vaid valguskvantide osavõtul (fotosüntees, osooni tekkimine, pildistamisel).
Fotoelektriline efekt animatsioonina:
http://www.fyysika.ee/opik/index.php?tase=asi&idex=1277&idse=8552
Elektroni laineomadused:
Ülesanded.
1. Määra fotoefekti punapiir kaaliumi jaoks, kui väljumistöö on 2 eV. (4,8 x 10 astmel 14)
2. Millise sagedusega valgus peab langema plaatinale (A = 6,3 eV), et elektronid saavutaksid kiiruse 3000 km/s? (7,6 x 10 astmel 15)
3. Fotoefekti punapiir hõbeda jaoks on 11,5 x 10 astmel 14. Leia väljumistöö. ( 7,6 x 10 astmel -19)
4. Leie footoni mass infrapunasele kiirgusele, mille lainepikkus on 0,0003 m.
5. Elektroni väljumistöö kulla jaoks on 4,59 eV. Kui suur on kulla punapiir? Kas nähtav valgus kutsub esile kullas fotoefekti? ( punapiiri lainepikkus 270 nm - järelikult ei kutsu)
6. Leia tsingi pinnalt välja lennanud elektronide kineetiline energia, kui tsinki valgustatakse valgusega, mille lainepikkus on 200 nm ja väljumistöö tsingi korral on 6,7 x 10 astmel -19 J (3,2 x 10 astmel -19 J)
2. Millise sagedusega valgus peab langema plaatinale (A = 6,3 eV), et elektronid saavutaksid kiiruse 3000 km/s? (7,6 x 10 astmel 15)
3. Fotoefekti punapiir hõbeda jaoks on 11,5 x 10 astmel 14. Leia väljumistöö. ( 7,6 x 10 astmel -19)
4. Leie footoni mass infrapunasele kiirgusele, mille lainepikkus on 0,0003 m.
5. Elektroni väljumistöö kulla jaoks on 4,59 eV. Kui suur on kulla punapiir? Kas nähtav valgus kutsub esile kullas fotoefekti? ( punapiiri lainepikkus 270 nm - järelikult ei kutsu)
6. Leia tsingi pinnalt välja lennanud elektronide kineetiline energia, kui tsinki valgustatakse valgusega, mille lainepikkus on 200 nm ja väljumistöö tsingi korral on 6,7 x 10 astmel -19 J (3,2 x 10 astmel -19 J)