KATSE: pideva spektri erinevatesse kohtadesse paneme punase paberi. Mujal paistab paber must, ainult punases piirkonnas on punane. MIKS?
Kui valgus langeb ainele, siis võib sellega juhtuda kolm asja: see kas peegeldub, läheb läbi või neeldub.
Neeldumine on protsess, mille käigus valgusenergia muutub aine siseenergiaks – soojuseks.
Ei neeldu seda värvi valguslained, millist värvi keha ise on valges valguses. Need lained peegelduvad tagasi. Sellist peegeldumist nimetatakse valikuliseks ehk selektiivseks peegeldumiseks.
Kuidas tekib selektiivne peegeldumine? Jälle tuleb põhjust otsida valentselektronides, mis on kõige nõrgemini seotud tuumaga ja seetõttu reageerivad kõige paremini valguse E-vektorile. Kui kehale langevas valguses on selliseid laineid, mille sagedus vastab mõne valentselektroni omavõnkesagedusele, siis paneb see elektroni tugevamini võnkuma ja elektron kiirgab sama sagedusega valgust . Nii tekibki peegeldunud valgus: keha neelab teatud sagedusega valgust ja kiirgab sama sagedusega valgust, tegemist on optilise resonantsiga. Teiste sagedustega valguslainete poolt tekitatud elektroni võnkumised sumbuvad ( lakkavad ) ja see energia muutub siseenergiaks – soojuseks.
KATSE: Optilise resonantsi analoog – akustiline resonants. On kaks ühesugust heliharki, üks helisema, paneb ka teise helisema (see on peegeldunud valgus). Kui helihargid on erinevad, ei teki helinat.
Kas praegu ei teki vastuolu dispersioonijutuga. Seal oli jutt, et elektronide omavõnkesagedus on UV piirkonnas, nüüd aga räägime, et hoopis nähtavas piirkonnas? Vastuolu ei ole, sest enne olid meil vaatluse all valgust läbilaskvad ained,
nüüd mitte.
Valguse neeldumine on tegelikult keerulisem protsess, sest valgust ei neela mitte ainult valentselektronid, vaid ka vabad elektronid ja ioonid (ioonkristallides). Neid nähtusi me ei käsitle.
Üldiselt võib öelda, et kui elektronid saavad sooritada sundvõnkeid igasuguse nähtavasse piirkonda kuuluva sagedusega, siis on keha valge. Kui elektronid ei saa sooritada sundvõnkeid mitte ühegi nähtavasse piirkonda kuuluva sagedusega, siis on keha must.
Ka läbipaistvad ained võivad olla värvilised. Näiteks punane klaas laseb läbi ainult punast valgust, kõik teised värvused (neile vastavad lained) neelduvad aines.
Värvus on tingitud mingi aine aatomitest, mille valentselektronide omavõnkesagedus langeb kokku antud värvusele vastava valguslaine sagedusega. Need tekitavad jällegi optilise resonantsi, mille tulemusena vastava sagedusega lained levivad aines. Neid aineid nimetatakse värvaineteks.
Teiste sagedustega valguslained aga neelduvad aines, soojendades seda. Eriti hästi neelavad valgust metallid (pole läbipaistvad). Seal paneb valguslaine E-vektor vabad elektronid liikuma, tekitades kõrge sagedusega elektrivoolu väikestes ruumiosades. Sellega kaasneb aga Joule- Lenzi soojuse eraldumine.
Valguse intensiivsus väheneb alati mingit ainet läbides. Seda kirjeldab Bougueri seadus
I = I0 e-kl ,
Kus I on ainet läbinud valguse intensiivsus, I0 ainele langeva valguse intensiivsus, l ainekihi paksus ja k – neeldumiskoefitsient, mis oleneb aine ehitusest ja ka valguse lainepikkusest.
Neeldumist kirjeldatakse neeldumiskoefitsiendi abil. Neeldumiskoefitsient näitab, kui suur osa valguse energiast jääb ainesse, mida valgus läbib. See oleneb kindlasti ka ainekihi paksusest. Bougueri seadusest saame avaldada neeldumiskoefitsiendi
 , kui  , siis  ja võime öelda, et neeldumiskoefitsient on arvuliselt võrdne pöördväärtusega ainekihi paksusest, millest läbiminekul valguse intensiivsus väheneb e korda (umbes 2,7). Neeldumiskoefitsiendi mõõtühikuks on m-1.
Kui valgus ei neeldu, siis on I = I0 ja k = 0. Kui valgus neeldub täielikult, st I = 0, siis k = .
6. Kvantoptika
6.1. Footon
Valgust saab kirjeldada lisaks lainele ka kui osakest – footonit (nii nimetatakse elektromagnetvälja kvanti). Footonite olemasolu tõestati katseliselt fotoefekti abil.
Footon eksisteerib ainult liikudes ja selle kineetiline energia on E = m c2.
Kuhu on jäänud ½ , sest oleme ju õppinud, et Ek = ½ mv2.
Tuletame meelde, kust üldse tuleb ½. Energia leitakse töö kaudu, mis tuleb teha, et panna keha liikuma kiirusega v.
Seega Ek = A = Fs = mas, aga kiirendus a = v/t ja läbitud teepikkus s = v/2.t , kus v on keskmine kiirus). Siit saamegi, et Ek = ½ mv2.
Kuid footon liigub alati ühesuguse kiirusega c ja nüüd ½ ei tule.
Footoni energia E = h f, kus võrdetegur kvandienergia E ja valguse sageduse f vahel on nn Plancki konstant h = 6,62 .10 –34 J.s
Footon on osake, millel massi tavalises mõttes pole, st kaaluda teda ei saa. Footoni massi saab leida tema energia kaudu: m = E/c2 = hf/c2. Näiteks rohelise valguse footoni mass on 4,4 . 10-36 kg
6.2. Fotoefekt
KATSE: valgustame elektroskoobiga ühendatud laadimata tsinkplaati , siis laeme selle negatiivselt, siis positiivselt. Paneme valguse teele klaasplaadi.
Kui plaat oli laadimata, ei tekkinud valguse toimel elektrilaengut. Kui plaat oli laetud positiivselt, laeng ei muutunud valguse toimel. Kui plaat oli laetud negatiivselt, siis laeng kadus valguse toimel. Kui negatiivselt laetud plaadi ette pandi klaas, siis laeng ei kadunud.
Püüame katsetulemusi seletada.
Efekti avastas 1887.a. H. Hertz, kui ta uuris elektroodide vahel tekkivat sädelahendust. Ta märkas, et säde tekkis paremini, kui elektroode valgustada. Põhjalikumalt uuris Aleksander Stoletov 1888.a. Tema katseseade oli selline.
Vakumeeritud torus olid kaks elektroodi, mis olid ühendatud vooluallikaga. Sai muuta ja mõõta pinget elektroodide vahel ning mõõta ka torus tekkiva voolu tugevust. Vool tekkis ainult katoodi valgustamisel.
Katsetulemused on toodud järgmisel joonisel.
Pinge suurenedes voolutugevus algul kasvab kuni mingist pinge väärtusest alates jääb muutumatuks. Seda voolutugevust nimetatakse küllastusvooluks.
Küllastusvool oleneb katoodile langeva valguse intensiivsusest. Nõrga välja (madala pinge) korral on katoodi ümber elektronpilv, mis koosneb väljalöödud elektronidest ja need takistavad teiste elektronide liikumist anoodile. Suurema tugevusega väli aga viib neid väljalöödud elektrone järjest rohkem anoodile ning mingist pingest alates jõuavad kõik sinna – tekib küllastusvool.
Efekti ei osatud kaua aega seletada, isegi pärast seda kui tehti kindlaks , et ainest lüüakse välja elektronid. Laineteooria kohaselt oleks pidanud elektronid ainest eralduma ca 1 tund pärast valgustamise algust, aga vool tekkis silmapilkselt.
Nähtusele andis seletuse A. Einstein 1905.a., kasutades valguskvandi mõistet. Tema järgi kvandienergia kulub elektroni väljalöömiseks ning selle liikumapanemiseks:
kus a on väljumistöö – vähim energiahulk, mis on vajalik elektroni väljalöömiseks ainest. Kui hf A, siis pole fotoefekt võimalik. See on nn punapiir. See on valguse lainepikkus, millest suuremad lainepikkused fotoefekti ei tekita. Tavaliselt on see UV piirkonnas , tsingil näiteks 300 nm.
Väljumistöö kulub elektronil pinna kohal olevast elektronpilvest läbitungimiseks ja positiivsete ioonide mõjust vabanemiseks.
Vaakumfotoelement
Fotoelektronkordisti
Sellist fotoefekti, kus elektrone lüüakse ainest välja, nimetatakse ka väliseks fotoefektiks. Kuid on ka teistsugust valguse toimet elektronidele., mida nimetatakse sisefotoefektiks.
Väline fotoefekt esineb metallide korral, kus on palju suhteliselt nõrgalt seotud elektrone. Kuid valgus võib mõjuda ka pooljuhtides olevaile elektronidele, valguskvandi neelanud valentselektron võib selle tulemusena vabaneda oma aatomist ja muutuda vabaks elektroniks – juhtivuselektroniks. Tsooniteooria kohaselt: toimub elektroni üleminek valentsitsoonist juhtivustsooni.
Selle tulemusena väheneb aine elektritakistus. Vastavaid seadmeid nimetatakse fototakistiteks.
KATSE Valguse toimel suureneb voolutugevus läbi pooljutdioodi. See näitab takistuse vähenemist.
Seeletada saab nähtust valguse mõjuga pooljuhi aatomitele.
Pooljuhtdioodi oluline osa on p-n siire. See esineb kahe erineva juhtivusega pooljuhi (n-pooljuht ja p-pooljuht) kontaktil, kus tekib piirkond, mis takistab vabade laengukandjate liikumist ühest pooljuhist teise ja mida nimetatakse tõkkekihiks.
Kui näiteks n- pooljuhti valgustada, siis tekivad selles vabad elektronid ja augud. Läbi
tõkkekihi saavad minna ainult augud, liikudes piki tõkkekihi elektrivälja. Elektronid jäävad n- pooljuhti ja see laadub negatiivselt. Seda nähtust nimetatakse fotogalvaaniliseks efektiks .
Nii töötab ka fotorakk. Kui neid rakke ühendada palju jadamisi, siis saadakse nn. päikesepatarei, mis muudab otseselt valgusenergiat elektrienergiaks. Kasutegur on küllalt väike, tavaliselt ca 20 % , kuigi viimasel ajal (2008) on saadud ka 35% . Seega võib Päikese valgus anda kuni 300 W/m2 (kui lähtuda solaarkonstandi väärtusest 1350 W/m2).
Esineb ka pöördefekt, st dioodist voolu läbiminekul tekib valgus. Nii töötavad LED lambid (Light Emission Diod)
|
