Transcript FY8 2luku - WordPress.com

+
2 SÄTEILYÄ JA AINETTA KUVATAAN
USEILLA MALLEILLA
+
2.1 Röntgensäteily (1/3)

Röntgensäteily kulkee suoraviivaisesti sähkö- ja
magneettikentässä.

Röntgensäteily läpäisee useimmat kiinteät aineet 
lääketieteellinen käyttö

Röntgensäteily syntyy tyhjiöputksessa, jossa on anodi ja
katodi. Katodia lämmitetään sähkövirralla, jolloin siitä irtoaa
elektroneja, jotka kiihdytetään suureen nopeuteen
kiihdytysjännitteellä. Törmätessään anodille ne synnyttävät
lyhytaaltoista röntgensäteilyä (aallonpituus n.0,1 nm.)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:02-01Infiltrat_pa.png

Röntgendiffraktion avulla on voitu selvittää kiteisen aineen
rakenne.
2.1 Röntgensäteily (2/3)
Röntgenputkessa elektronit kiihdytetään (katodilta)
kiihdytysjännitteen (U) avulla kohti metallikohtiota (anodi).
Elektronien osuessa metallin pintaan syntyy kahdenlaista
röntgensäteilyä:
• Jarrutussäteily, joka aiheutuu varauksellisen hiukkasen
liikkeen hidastumisesta. Nopeus siis muuttuu nopeasti,
jolloin myös hiukkasen synnyttämä magneettikenttä
muuttuu nopeasti. Näin syntyy sähkömagneettista
säteilyä.
• Ominaissäteily, joka riippuu kohtion materiaalista.
Aineen atomiin törmäävä elektronisuihku virittää
elektronin ja viritystilan purkautuessa vapautuu energiaa
sähkömagneettisena säteilynä.
Jos elektroni luovuttaa koko liike-energiansa yhtenä kvanttina, kyseisen kvantin
energia työperiaatteen mukaisesti on
hf0 = ΔEk = QeU,
josta saadaan jarrutussäteilyn aallonpituudelle alaraja
λ0 =
hc
UQ
.
e
2.1 Röntgensäteily (3/3)
Röntgendiffraktio
Atomihilaan saapuvan röntgensäteilyn
voidaan ajatella heijastuvan tiettyyn
suuntaan hilatasoista. Kun hilatasojen
välinen etäisyys on sopiva, vahvistavat
vierekkäisistä hilatasoista heijastuvat
aallot toisiaan. Hilatasojen välisen
etäisyyden d ja säteilyn aallonpituuden λ
välille saadaan riippuvuus, joka
tunnetaan Braggin lakina.
Braggin laki
nλ = 2d sin θ, n = 0,1,2,…
missä kulma θ on röntgensäteilyn ja
hilatasojen välinen kulma eli ns.
kiiltokulma.
2.2 Aaltohiukkasdualismi (1/3)
De Broglien lait
Kaikilla säteilylajeilla on sekä aaltoliikkeelle että hiukkassuihkulle ominaisia piirteitä.
Säteilyllä tarkoitetaan sekä hiukkasia että aaltoja. Tätä ominaisuutta kutsutaan
aaltohiukkasdualismiksi. Aaltoja ja hiukkasia yhdistävät ominaisuudet liittyvät säteilyn
liike-määrään ja energiaan.
Siten hiukkasille pätee
p = h = mv ,
ja
λ
E = hf =
1
mv
2
.
2
Liike-energian lauseke pätee ainoastaan, kun hiukkasen nopeus on pieni verrattuna
valonnopeuteen. Lisää tästä luvussa 7.3, s.142.
2.2 Aaltohiukkasdualismi (2/3)
Valon ja elektronien käyttäytyminen kaksoisraossa
Erittäin heikko valo ja elektronisuihku käyttäytyvät samalla tavalla kaksoisraossa:
Ensin varjostinpinnalle ilmestyy ainoastaan yksittäisiä osumakohtia, mutta ajan mittaan
tulee näkyviin interferenssikuvio.
Erittäin heikko valo
Elektronisuihku
2.2 Aaltohiukkasdualismi (3/3)
Elektronien sironta metallista
Metallin pinnasta sironnut elektronisuihku
muodostaa samankaltaisen
interferenssikuvion kuin röntgensäteily.
Elektronisuihkun sirontaa metallin pinnasta
voidaan käsitellä Braggin lain avulla.
(Esimerkki s. 39)
2.3 Aineen ja säteilyn duaalinen malli
Hiukkasmalli ja aaltomalli
Hiukkasmalli ja aaltomalli ovat kaksi havaintoihin perustuvaa mallia, joiden avulla
kuvataan hiukkasiin ja aaltoihin liittyviä ilmiöitä.
Duaalinen malli
Duaalisen mallin mukaan hiukkaset havaitaan ainoastaan
vuorovaikutustapahtumissa.
Yksittäisen hiukkasen tilaa ei voida ennustaa tarkasti, mutta hiukkasten aaltoominaisuuksia voidaan ennustaa.
Esimerkiksi kaksoisrakokokeessa yksittäisen fotonin tai elektronin osumapaikkaa
varjostinpinnalle ei voida ennustaa, mutta syntyvä interferenssikuvio voidaan
ennustaa.
Duaalisessa mallissa hiukkaseen olinpaikkaan ja liiketilaan liittyviä todennäköisyyksiä
käsitellään matemaattisen tilafunktion ψ(r) avulla.