F2k-laboratorion esittely 2

1F2k-LABORATORION KOKEIDEN ESITTELY 2Kaarle Kurki-Suonio ja Ari HämäläinenJohdantoThomsonin ja Millikanin kokeet toivat fysiikkaan elektronin ja alkeisvarauksen käsitteet jatäsmensivät näin käsityksiä aineen atomirakenteesta tarjoten samalla lähtökohtia atomienrakenneosien hahmottamiselle. Aineen atomirakennetta puoltavaa selitysnäyttöä olikertynyt ennen niitä jo sadan vuoden ajan. Havaintonäytönkin kynnyksellä oltiin, muttanäistä kokeista sitä ei vielä saatu. Nämä kokeet johtivat kuitenkin aivan uuteentarkkuuteen atomaaristen suureiden tarkastelussa ja loivat sillä tavalla perustan aineenatomirakenteen ja atomien fysiikan kvantitatiiviselle käsittelylle. Mutta ne nojautuivatklassiseen mielikuvarakenteeseen, eivätkä niiden tulokset ja tulkinta johtaneet suoraansen elementtien kyseenalaistukseen, jota atomifysiikan kehittyminen edellytti.Tällä toisella F2k -laboratorion esittelyluennolla tarkasteltavat kokeet "Mustankappaleen säteily", "Valosähköinen ilmiö" ja "Spektrien tutkimus" vievät paljon pitemmällemodernin fysiikan mielikuvamaailmaan. Ne ovat sen kokeellisuuden kulmakiviä, joka loiempiirisen pakon klassisen fysiikan (lähes) kaiken kattavan jatkuvuuden hylkäämiseen jaatomien ilmiömaailman epäjatkuvuuden hyväksymiseen. Ne johtavat keskelle sitäontologista kriisiä, jota keskiviikkoaamun luentoni käsittelee ja joka pakottaa rakentamaantäysin uudenlaisia mielikuvia todellisuuden kaikkien peruselementtien luonteesta.Nämä kokeet asettavat modernin fysiikan portille tulijan asenteellisen valmiudenankaraan testiin, joka tuotti suuria vaikeuksia tuon ajan fyysikoillekin.Thomsonin ja Millikanin kokeiden perusteella ei vielä ollut syytä epäillä atomien jaelektronien luonnetta hiukkasina eikä sähkömagneettisen säteilyn luonnetta aaltoliikkeenä.Mustan kappaleen säteilyn ja valosähköisen ilmiön tutkimukset kyseenalaistivat vakavastivalon aaltoluonteen ja rakensivat perustan fotonin käsitteelle. Spektritutkimukset johtivatedelleen ongelmiin, joista ei selvitty luopumatta elektronien luonteesta hiukkasina.Näiden kokeiden idean ymmärtäminen ja niiden tulosten tulkinta edellyttävät selvästisuurempaa käsitteellistä valmiutta kuin edelliset kaksi koetta. Lähtökohdaksi tarvitaanlaajempaa näkemystä klassisen fysiikan mielikuvarakenteesta.On osattava mieltää hiukkaset (kappaleet) ja kentät klassisen fysiikan olioidenkahdeksi lajiksi, joiden luonnetta tarkastellaan lähemmin seuraavassa luennossa.On tunnettava aaltoliikkeen perusominaisuudet ja ymmärrettävä, miten ja miksiinterferenssiä ja diffraktiota voidaan pitää aaltoliikkeen sitovina tunnistusilmiöinä. Onymmärrettävä aaltoliikkeen luonne taajuuden säilyttävänä energiansiirron välineenä.Erityisesti tarvitaan tähän liittyvää selvää mielikuvaa sähkömagneettisen aaltoliikkeen jaaineen varauksellisten rakenneosien vuorovaikutusten, emission, absorption ja sironnan,klassisista mekanismeista.On tunnettava sähkömagneettisen säteilyn lajit, erityisesti myös lämpösäteily, jaymmärrettävä, mitä säteilyn spektri tarkoittaa.Suurten säilymislakien hallinta on välttämätöntä. On tunnettava niiden merkityskaikissa luonnon ilmiöissä vallitsevina peruslakeina. Näiden kokeiden yhteydessätarvitaan erityisesti energian säilymislakia.Tarvitaan käsitystä aineen termisistä ominaisuuksista ja mielikuvaa termisentasapainon muodostumisen mekanismista. Vapausasteen käsite ja siihen liittyvä energiantasanjakautumisen periaate nousevat keskeiseen asemaan uuden empirianperuskokeiden tulkinnassa ja siihen perustuvien uusien rakenteellisten hahmojentunnistamisessa.Arons esittää kirjansa 1 10.9–10 erinomaisen katsauksen fotonin käsitteensyntyhistoriaan. Hän kertoo mustan kappaleen säteilyn tutkimusten merkityksestäEinsteinin fotoniväittämän lähtökohtana mutta tarkastelee ainoastaan valosähköisen ilmiön1A. B. ARONS (1997). Teaching Introductory Physics. John Wiley & Sons, New York.

2sille antamaa empiiristä perustaa. Mustan kappaleen säteilyn tarjoaman primaarisennäytön hän sivuuttaa toteamuksella: "It is not possible to tell the story of black-bodyradiation in an intellectually honest and meaningful way in an introductory course, andhand-waving about it only leaves the students mystified."Tästä rohkenen olla eri mieltä. Mustan kappaleen säteilyn "tarinan" ymmärtäminenvaatii perustakseen vain vapausasteen käsitettä ja energian tasanjakautumisenperiaatetta, joiden omaksuminen edeltävässä fysiikanopetuksessa tai sen perusteella onvarmasti mahdollista. Ainoa seikka, joka siinä voi jäädä mystiseksi, on sen hämmentäväotsikko. Mustan kappaleen yhteys tarinan ideaan vaatii koko joukon ylimääräistä handwavingiä,vaikka onkin lopulta mielekkäästi perusteltavissa.VapausasteetVapausasteen käsitteen sivuuttaminen on varmasti perinteisen koulufysiikan pahin aukkomodernin fysiikan perusmielikuvien rakentamisen kannalta. Kuitenkin tämä käsitekätkeytyy fysiikan kursseihin, kunhan sen vain tiedostaa. Se ei ole yhdellä kertaa tietynotsikon alla opittava käsite, vaan se rakentuu vähitellen. Se on mukana alusta alkaen ja onvalmiina esiin vedettäväksi ja nimettäväksi jossakin sopivassa vaiheessa tekemättä siitäsen suurempaa numeroa.Ensimmäisen kerran se esiintyy kappaleen liikkeen luokitteluna etenemiseen japyörimiseen, jotka puhtaina ilmiöinä merkitsevät kappaleen paikan ja asennonmuuttumista. Jossakin vaiheessa värähtelyt tulevat mukaan kuvaan kappaleen muotoavaihtelevana sisäisenä liikkeenä.Dynamiikan eli kappaleiden liikkeen ja vuorovaikutuksen välisten yhteyksientarkastelussa newtonilainen kahden kappaleen ja yhden vuorovaikutuksen perusmielikuvaantaa hahmottavan lähestymisen edellyttämällä tavalla kaikille mekaniikan suureillemerkityksen kappaleiden, liikkeen tai vuorovaikutuksen mitattavina ominaisuuksina. Tämämielikuva tarjoa lähtökohdan myös systeemin ulkoisen ja sisäisen liikkeen erottamiselle,jotka täsmentyvät massakeskipisteen liikkeeksi ja liikkeeksi massakeskipisteen suhteen.Tämä luokittelu soveltuu tarvittaessa tai haluttaessa. yleistettäväksi mielivaltaistenmekaanisten systeemien käsittelyyn.Energian käsite tarjoaa täsmällisemmän merkityksen vapausasteen käsitteelle.Kappaleen liikkeen energian todetaan jakautuvan toisistaan riippumattomiin etenemisen japyörimisen liike-energioihin. Etenemisen liike-energia jakautuu luontevasti liikkeenkohtisuorien komponenttien liike-energioiksi. Ehkä jo tässä yhteydessä alkaa ollamahdollista puhua vapausasteista "lokeroina", joiden kesken kappaleen tai systeeminenergia jakautuu.Mekaniikan perusmielikuvan kautta, esimerkkinä vaikka kaksi jousella kytkettyäkappaletta, vuorovaikutusten potentiaalienergiat tulevat mukaan systeemien sisäisinävapausasteina.Värähtelyt mielletään luonnollisesti kappaleen tai systeemin sisäiseksi liikkeeksi.Jännitetyn kielen ja kalvon ja kimmoisten kappaleiden värähtelyjen yhteydessä kohdataanominaisvärähtelyt systeemin sisäisinä vapausasteina, joiden kesken värähtelyenergiajakautuu. Niille ominaiset taajuudet, värähtelevän systeemin ominaistaajuudet, ovat näidenvapausasteiden tunnusominaisuuksia.Mekaanista energiaa kuluttavat vuorovaikutukset, kuten kitka ja aineen sisäisetepäkonservatiiviset vuorovaikutukset lämmittävät ainetta, mikä atomirakenteen myötäymmärretään energian siirtymisenä aineen sisäisille, rakenneosasten järjestymättömänliikkeen vapausasteille.Kimmoisan kappaleen ominaisvärähtelyjen kautta tulee mahdolliseksi mieltääeritaajuiset sähkömagneettiset aaltoliikkeet sähkömagneettisen kentän vapausasteiksi.Säteilyn spektri esittää energian jakautumista vapausasteiden kesken.

Näin vapausasteen käsite kulkee punaisena lankana läpi koko fysiikanopetuksenlaajeten asteittain kattamaan kaikki klassisen fysiikan piirissä tarkasteltavat systeemit.Tämän läpäisevän idean tunnistaminen ja esiin vetäminen opetuksen eri vaiheissa tähtääsen yhden olennaisen asian hahmottamiseen, että fysikaalisella systeemillä on aina tiettyjoukko "energialokeroita", joiden kesken sen kokonaisenergia jakautuu. Näitä lokeroitakutsutaan systeemin vapausasteiksi.Systeemin sisäisissä vuorovaikutuksissa vapausasteet ovat keskinäisessäenergianvaihdossa. Kun energia pääsee vapaasti siirtymään vapausasteelta toiselle, sepyrkii jakautumaan keskimäärin tasaisesti kaikkien vapausasteiden kesken. – Miksi jokinvapausaste olisi erityisasemassa? Tämä on klassisen tilastollisen fysiikan keskeinen,energian tasanjakautumisen periaate."Vapausasteiden jäätyminen"Samalla, kun aineen atomirakennetta tukeva selitysnäyttö laajeni 1800-luvulla, kohdattiinmyös suuria ongelmia, kun aineen ominaisuuksia yritettiin selittää käsittelemällä ainettavaratuista hiukkasista rakentuvana systeeminä. Tähän liittyy MAXWELLin lausuma vuodelta1859: Vapausasteiden jäätyminen on ongelma, johon klassinen fysiikka kaatuu!Tähän toteamukseen kätkeytyy syvällinen empiirinen näyttö sille, että jatkuva aine jakenttä tilan täyttävänä jatkuvana oliona 2 ovat klassisen fysiikan valossa suorastaanfysikaalisia mahdottomuuksia. Tämä tulee ilmeiseksi vapausasteen käsitteen ja energiantasanjakautumisen periaatteen valossa.Rakenneosasten lukumäärä kiinnittää systeemin vapausasteiden lukumäärän. Jos aineolisi jatkuvaa, kappaleilla olisi ääretön määrä sisäisiä vapausasteita, joista jokaisen pitäisikyetä ottamaan vastaan energiaa samalla tavalla. Jatkuva-aineisten kappaleidenlämpökapasiteettien pitäisi siis olla äärettömiä. Jatkuva aine olisi "pohjaton energianielu".Lämpökapasiteetin ja itse asiassa koko energian käsite olisivat tällöin mahdottomat. Näinajatellen näyttää siltä, että energian säilymislaki sinänsä on väkevä empiirinen pakkohyväksyä aineen atomirakenne. Tähän ei liity mitään muuta indikaatiota atomienluonteesta kuin, että niitä on oltava jokaisessa kappaleessa äärellinen määrä.1800-luvulla vakiintuneen atomikäsityksen mukaan tietyssä ainemäärässä mitätahansa ainetta on aina sama määrä atomeja tai molekyylejä. Yhdellä moolilla ainettapitäisi siis olla tietty kiinteä määrä vapausasteita. Tämä merkitsee, että kaikilla aineilla olisisama lämpötilasta riippumaton moolinen lämpökapasiteetti. Se olisi eräänlainen"universaalinen ainevakio", joka vain ilmaisisi ainemoolin vapausasteiden lukumäärän.Sisäisten vuorovaikutusten potentiaalienergian tarjoamien vapausasteiden vuoksi tämäkuitenkin riippuisi olomuodosta.HEIMO SAARIKKO tarkasteli ensimmäisessä luennossaan 1800-luvun lämpöopillisiatutkimuksia. Graafisissa kuvaajissa, jotka esittävät kaasujen ja kiinteiden aineiden moolisialämpökapasiteetteja lämpötilan funktiona, esiintyy tietyillä lämpötila-alueilla selviätasanteita. Näiden suureiden kokeelliset arvot näiden tasanteiden alueilla ovat (tietyssämäärin) riippumattomat aineen lajista. Nämä aineiden yhteiset vakioarvot on myös helpposelittää kvantitatiivisesti vapausasteitten lukumäärän avulla. Mooliset lämpökapasiteetitvoidaan siis todellakin tulkita yhden ainemoolin sisäisten vapausasteiden lukumääränmitaksi.Tämän, nyt siis empiirisestikin oikeutetun, tulkinnan valossa nämä kuvaajat järkyttävätklassista fysiikkaa. Ne osoittavat, että vapausasteiden lukumäärä riippuu lämpötilasta.Erityisesti lämpötilan laskiessa se pienenee. Kiinteillä aineilla se pienenee rajatta.Kaasuilla se päätyy arvoon 3N, missä N on Avogadron vakio. Tämä vastaa kolmeaetenemisliikkeen vapausastetta molekyyliä kohden. Tähän lämpökapasiteettienpienenemiseen lämpötilan laskiessa Maxwell viittaa termillään "vapausasteittenjäätyminen". Se osoittaa, että lämpötilan laskiessa vapausasteet asteittain kytkeytyvät irti2Kentän olioluonteeseen palataan seuraavassa luennossa.3

energianvaihdosta vastoin energian tasanjakautumisen periaatetta. Jokin klassisellefysiikalle tuntematon ilmiö estää vapausasteiden vapaan energianvaihdon.Lämpötasapainon muodostuminen aineessa perustuu vapausasteiden väliseenenergianvaihtoon, joka toteutuu atomien tai molekyylien välisten törmäysten avulla.Lämpötilan laskiessa nämä törmäykset heikkenevät ja niissä välittyvät energiatpienenevät. Jos vapausasteella on kynnysenergia, jota pienempiä energiaeriä se ei pystyottamaan vastaan, se ei enää voi osallistua energianvaihtoon törmäysten välityksellä, kunlämpötila laskee liian alas. Se kytkeytyy irti, jäätyy.Vapausasteiden jäätyminen saa näin luontevan tulkinnan: aineellisen systeeminvapausasteilla on niille ominaiset kynnysenergiat, joiden vuoksi ne kytkeytyvät irtienergianvaihdosta lämpötilan laskiessa, sitä korkeammissa lämpötiloissa, mitä suurempianämä kynnysenergiat ovat.Näin hahmottuva idea, vapausasteiden energianvaihdon kvantittuminen, on yksimodernin fysiikan tärkeimpiä perusoivalluksia. Vapausasteiden jäätyminen oli ja on yhä ,sen ilmenemisen primaarinen hahmo. Sen hahmottaminen aineen termistenominaisuuksien perusteella jää tässä yhteydessä kerrotun empirian varaan. Ensimmäinennyt esiteltävistä F2k -kokeista, mustan kappaleen säteily, tarjoaa siihen empiirisenmahdollisuuden sähkömagneettisen kentän osalta.Mustan kappaleen säteilySähkömagneettisen aaltoliikkeen taajuudet voivat saada rajoituksetta mitä tahansa arvoja.Koska jokainen taajuus edustaa omaa vapausastettaan, kentän vapausasteidenlukumäärä on ääretön. Klassisen fysiikan valossa kentän pitäisi sen tähden olla jatkuvanaineen tavoin "pohjaton energianielu", mikä tekisi energian käsitteen mahdottomaksi.Tämän ongelman selvittämiseksi luonnolta pitää kysyä, miten termisessä tasapainossaolevan sähkömagneettisen säteilyn energia jakautuu vapausasteiden kesken ja mitentämä jakauma riippuu lämpötilasta. Vastaus kävisi ilmi tällaisen säteilyn spektristä.On toki mahdollista määrittää tämän spektrin klassinen ennuste, joka nojautuuenergian tasanjakautumiseen. Siinä vain ei ole paljon mieltä, koska se esittää jotakin, jokajo etukäteen tiedetään mahdottomaksi. Sellainen laskelma kertoo vain, minkä muotoinenolisi tuon "pohjattoman energianielun" spektri. Lämpötilasta riippumatta sen spektrinenenergiatiheys aallonpituuteen nähden kasvaisi rajatta aallonpituuden pienentyessä. Tätäjärjetöntä ennustetta on tapana kutsua nimellä ultraviolettikatastrofi.Luonnolta kysymiseen tarvittava "puhdas ilmiö", termisessä tasapainossa olevansähkömagneettinen säteily, voidaan parhaiten toteuttaa "ontelosäteilynä" Tällä tarkoitetaankuumennettavaan umpinaiseen tilaan, uuniin, muodostuvaa lämpösäteilyä. Sen spektriävoidaan tutkia uunin seinässä olevan aukon kautta.Havaituista spektreistä nähdään se olennainen seikka, että todellisuudessa spektrinenenergiatiheys pienenee jyrkästi aallonpituuden pienentyessä eli taajuuden kasvaessa, sitäaikaisemmin, mitä alemmassa lämpötilassa säteilyä tarkastellaan. Tässä toistuu aineentermisissä ominaisuuksissa hahmottunut vapausasteiden jäätyminen. Sähkömagneettisensäteilyn vapausasteet kytkeytyvät lämpötilan laskiessa irti energianvaihdosta sitäaikaisemmin, mitä suurempi on vapausasteelle ominainen taajuus. Energianvaihdonkynnys on siis sitä korkeampi, mitä suurempi on vapausasteen taajuus.MAX PLANCK kokeili mahdollisimman yksinkertaista oletusta, jonka mukaan tämäkynnys, energianvaihdon kvantti, on verrannollinen taajuuteen E = hf. Tällä perusteellahän johti nk. Planckin säteilylain, jonka ainoa parametri on verrannollisuuskerroin h. TämäPlanckin vakio voitiin määrittää siten, että laki sopii yhteen havaitun spektrin kanssa. Näinpäädytään Planckin lakiin:Sähkömagneettisen säteilyn energianvaihto on siten kvantittunut, että kukinvapausaste voi vaihtaa energiaa vain kvanteissa E = hf.4

5Vapausasteiden välinen energianvaihto ei tapahdu suoraan säteilyn sisäisesti,sähkömagneettisen kentän sisäisten vuorovaikutusten avulla, vaan uunin seinämienvälityksellä. Säteilyn sisäinen terminen tasapaino syntyy ulkoisen tasapainon kautta.Planckin lain "energianvaihto" koskee siis ensi sijassa säteilyn vuorovaikutusta aineenkanssa.Kokeen toteutus F2k -laboratoriossa. Kokeessa mitataan hehkulampun lähettämän valonintensiteettijakaumaa aallonpituuden funktiona, kun lampun hehkulangan jännitettä jasamalla lämpötilaa varioidaan. Lampun hehkulanka on approksimaatio mustastakappaleesta, joka voi absorboida ja emittoida sähkömagneettista säteilyä kaikillaaallonpituuksilla. Ideaalinen musta kappale olisi kuumennettava ontelo, mutta sellainensäteilylähde on teknisesti paljon hankalampi toteuttaa.lamppu eli”musta kappale”virtalähdekollimaattorilinssiprismavaloanturikulma-anturimittausyksikköLampun lähettämä valo ohjataan kollimaattorilinssillä prismaan, jossa tapahtuu dispersioja valo hajaantuu spektriksi. Eri aallonpituuksien suhteelliset intensiteetit mitataanvaloanturilla, jota siirretään pitkin ympyräkaarta niin että vain kapea aallonpituusaluekerrallaan osuu anturiin. Anturin ja prisman välinen kulma mitataan kulma-anturilla.Mittausohjelma laskee kulmasta vastaavan aallonpituuden, ja piirtää kuvaajan valonintensiteetistä aallonpituuden funktiona. Mittausohjelma ohjaa hehkulampun virtalähdettä,ja laskee myös hehkulangan lämpötilan lamppuun syötetyn sähkötehon perusteella.Kokeessa tehdään sarja mittauksia varioiden hehkulangan lämpötilaa. Tuloksiksisaadaan sarja kuvaajia säteilyn intensiteetistä aallonpituuden funktiona. Kuvaajistahavaitaan:• Kaikilla lämpötiloilla säteilyn intensiteettimaksimi on näkyvää valoa pitemmälläaallonpituudella. Tämä kertoo hehkulampun huonosta hyötysuhteestavalonlähteenä.• Kun hehkulangan lämpötila kasvaa,intensiteettimaksimia vastaava aallonpituuslyhenee. Tällä on kvalitatiivinen yhteyshehkulampun valon värin muuttumiseen punaisestavalkoisemmaksi.• Kun intensiteettihuipusta siirrytään kohti lyhyempiäaallonpituuksia, intensiteetti laskee. Langan ollessakuumimmillaankin, intensiteetti laskee viimeistäänUV-alueella laitteiston rekisteröintikyvyn alapuolelle.Tämä havainto on ristiriidassa klassisen teorianlyhyille aallonpituuksille antaman ennusteen kanssa.

6Kokeen käsitteellinen merkitys. Modernin fysiikan rakenteellisen hahmotusprosessin jakäsitteenmuodostuksen kannalta mustan kappaleen säteilyn tutkimiseksi nimetylläkokeella on selvä tarkoitus.Sen tulisi tukea "vapausasteiden jäätymisen" hahmottamista ja sen kokemistaempiiriseksi pakoksi hyväksyä sähkömagneettisen säteilyn vapausasteidenenergianvaihdon kvantittuminen siten, että energianvaihdon kvantti on sitä suurempi,mitä suurempi on vapausasteen taajuus.Tähän koe tarjoaa perustan ilman kvantitatiivisiakin tarkasteluita. Sen perusteella myösPlanckin lain kvantitatiivinen muoto on helposti omaksuttavissa.Kokeen toteutus F2k -laboratoriossa osuu jonkin verran sivuun tästä tarkoituksesta.Siinä tutkitaan hehkulangan emittoimaa lämpösäteilyä, joka ei kytkeydy mitenkäänilmeisellä tavalla vapausasteen käsitteeseen ja energian tasanjakautumiseen. Myöskääntutkimuksen kvantitatiivinen näkökulma, lämpösäteilyn spektrin maksimikohdan riippuvuuskappaleen lämpötilasta, ei liity kovin selvästi kokeen käsitteelliseen perustavoitteeseen,vaikka Stefanin ja Boltzmannin laki onkin sinänsä tärkeä laki.Yhteys kokeen tarkoitukseen voidaan tavoittaa vain perustelemalla, miksi mustankappaleen (hehkulangan) emittoimaa säteilyä voidaan pitää ekvivalenttinalämpötasapainossa olevan ontelosäteilyn kanssa. Siinä on tähän kokeeseen liittyvä "handwaving",jonka perusargumentteja ovat mustan kappaleen luonne kaiken siihen osuvansäteilyn absorbaattorina, uunin seinässä olevan reiän tulkinta tällaiseksi täydelliseksiabsorbaattoriksi sekä lämpötasapainossa toteutuva emission ja absorption tasapaino.Sähkömagneettisen säteilyn energianvaihdon kvantittuminen oli modernin fysiikanlähtölaukaus. Planckin lakia voidaan pitää modernin fysiikan ensimmäisenä peruslakina.Se tarjoaa perustan lähes kaikkien sitä seuraavien peruskokeiden tulkinnoille, sekä niidenkvalitatiiviselle mielikuvamerkityksen hahmottamiselle että niiden kvantitatiivisilleselityksille. Näin esimerkiksi valosähköinen ilmiö ymmärretään sähkömagneettisen säteilynkvantittuneeksi absorptioksi ja jarrutussäteily (jatkuvaspektrinen röntgensäteily)kvantittuneeksi emissioksi. Se on kaiken spektroskopian tulkintojen perusta. Näissätulkinnoissa klassisesta fysiikasta peräisin olevat säilymislait saavat keskeisenmerkityksen ja vahvistavat asemiaan mielikuvarakenteen peruselementteinä.Valosähköinen ilmiöKokeen toteutus F2k-laboratoriossa. Valosähköistä ilmiötätutkitaan ensin kvalitatiivisesti. Alumiinisen juomatölkin pinnastahiotaan hiekkapaperilla oksidikerros pois. Tölkki asetetaanelektroskoopin päälle, ja tölkkiin tuodaan negatiivinen varaus.Valaistaan tölkkiä UV-lampulla, jolloin havaitaan varauksenpoistuvan. Toistetaan koe tavallisen pöytälampun valolla, jolloinvaraus säilyy. Positiivinen varaus säilyy sekä UV- ettäpöytälampun valossa. Kokeen perusteella näyttää siltä, ettätarpeeksi lyhytaaltoisella valolla on kyky irrottaa alumiinistaelektroneja.Kvalitatiivinen koe tehdään erityisesti koetta varten suunnitellulla laitteistolla (katsokuva). Laitteen pääosa on valokenno, jonka valolle altistuva elektrodi (katodi) oncesiumia. Sitä valaistaan erivärisillä led-lampuilla, jolloin havaitaan että valokennon läpikulkee heikko sähkövirta. Kutsutaan sitä fotovirraksi. Tulkitaan havainto jälleen siten, ettävalo irrottaa katodin metallista elektroneja, jotka kulkeutuvat anodille. Huomioidaan myösettä cesiumista elektroneja irtoaa näkyvän valon vaikutuksesta, kun alumiinilla ilmiöna)b)c)a) alumiinitölkkib) elektroskooppic) UV-lamppu

7syntymiseen tarvittiin UV-valoa.1) valokennon suojakupu2) valoa suuntaava putki3) nanoampeerimittari fotovirralle4) jännitemittari pysäytysjännitteelle5) vastajännitteen karkea säätö6) vastajännitteen hienosäätö7) valolähteen kirkkauden säätö8) valolähteen pistoke9) virtalähteen pistoke10) valolähteinä toimivat LEDitValokennon elektrodien välille tuodaan ulkoinen jännite, jota varioidaan. Havaitaanettä se vaikuttaa fotovirran suuruuteen. Jos jännite on positiivinen (katodi negatiivinen),fotovirta kulkee. Jos jännite on negatiivinen (katodi positiivinen), fotovirta pienenee, jatietyllä jännitteen arvolla fotovirta loppuu kokonaan. Negatiivisilla jännitteillä elektrodienvälillä vallitseva sähkökenttä jarruttaa elektronien liikettä katodilta anodille. Tulkitaanhavainto niin, että katodiin osuva valo antaa elektroneille liike-energiaa, joka riittääviemään elektronin anodille vain mikäli liike-energia on suurempi kuin elektronin kenttäävastaan tekemä työ. Pysäytysjännitteellä irtoavan elektronin suurin mahdollinen liikeenergiaon yhtä suuri kuin elektronin kenttää vastaan tekemä työ.Lisää esikvantifioivia havaintoja:• Niillä jännitteen arvoilla joilla fotovirta kulkee, ledin kirkkaus vaikuttaa fotovirransuuruuteen. Tulkinta: voimakkaampi valo irrottaa enemmän elektroneja.• Jännite joilla fotovirtaa ei kulje (pysäytysjännite) on erivärisillä ledeillä erilainen:mitä lyhytaaltoisempi valo, sitä suurempi pysäytysjännite. Tulkinta: valonaallonpituus vaikuttaa irtoavan elektronin saamaan energiaan.• Pysäytysjännitteellä ledin kirkkaus ei vaikuta fotovirtaan, vaan virta pysyynollassa 3 . Tulkinta: irtoavan elektronin saama maksimienergia riippuu vain valonaallonpituudesta, ei valonvoimakkuudesta.Tehdään kvantitatiivinen mittaussarja, jossamääritetään pysäytysjännite ja edelleen siitälaskettu elektronin suurin liike-energia valontaajuuden funktiona. Todetaan ettämittauspisteet asettuvat suoralle. Mikäli koevoitaisiin tehdä toisella katodimateriaalilla,havaittaisiin että pisteet asettuvat silloinkinsuoralle jolla on sama kulmakerroin, muttasuora leikkaa E k -akselin eri kohdassa.Tulkitaan tulos niin, että leikkauspisteen jaorigon etäisyys vastaa työtä, jonka elektronin on tehtävä päästäkseen irti metallista.Tämä irrotustyö on eri metalleilla erilainen. Elektronin valolta saama energia on E = hf,jossa riippuvuussuoran kulmakerroin h on kaikilla metalleilla sama.Ek (eV)10,50-0,5-1-1,5-20,00E+00 1,00E+14 2,00E+14 3,00E+14 4,00E+14 5,00E+14 6,00E+14 7,00E+14f (Hz)3Koelaitteistolla tämä pitää paikkansa vain osalla ledeistä. Muiden ledien aallonpituus muuttuu hieman kirkkaudenmyötä, jolloin fotovirta alkaa kulkea vaikka pysäytysjännite pidetään vakiona.

8Käsitteellinen merkitys. HEIMO SAARIKKO tarkasteli luennossaan yksityiskohtaisestivalosähköisen ilmiön käsitehistoriaa.Valosähköisen ilmiön ensimmäiset tässä esitetyn kokeen kaltaiset tutkimukset tekiPHILIPP LENARD (1902). Hän teki kaksi tärkeää havaintoa:Ilmiön synnyttämän sähkövirran kyllästysarvo oli verrannolliseksi valon intensiteettiinhyvin heikoista intensiteeteistä alkaen.Fotoelektronien pysäytysjännite oli tästä intensiteettistä riippumaton.Kumpikin havainto oli selvässä ristiriidassa ilmiön klassisen selityksen kanssa, jokaperustui sähkömagneettisen aaltoliikkeen absorptioon.EINSTEIN esitti kuuluisassa vuoden 1905 artikkelissaan ilmiölle selityksen, joka perustuiideaan valon luonteesta fotoneina. Tosiasiassa valosähköinen ilmiö ei ollut tämänartikkelin pääaihe. Lähtökohtana oli mustan kappaleen säteily. Olettamalla, ettälämpösäteily muodostui fotoneista, joilla oli Planckin lain mukainen energia, hän johtiuudelleen tämän säteilyn spektrin muodon.Valosähköisen ilmiön tarkastelu oli täydentävä ylimääräinen tarkastelu. Fotoni-ideajohti ennusteeseen, jonka mukaan pysäytysjännite riippui lineaarisesti valon taajuudesta.Tämän lineaarisuuden ja sitä esittävän Einsteinin yhtälön todentaminen on F2k -kokeenkeskeinen tarkoitus. Se ei sisältynyt Lenardin koetuloksiin. Millikan käytti 10 vuotta sentestaamiseen ja, kuten hän itse sanoi, joutui vihdoin vuonna 1915 odotustensa vastaisestimyöntämään Einsteinin ennusteen oikeaksi.Einsteinin esittämät mustan kappaleen säteilyn ja valosähköisen ilmiön selitykset olivatristiriidassa kaikkien interferenssi- ja diffraktiokokeiden vakiintuneen tulkinnan kanssa,jonka mukaan valo "oli aaltoliikettä". Einstein käsitteli valoa fotonisuihkuna ja fotoniaklassisen mielikuvan mukaisena hiukkasena palaten näin Newtonin alkuperäiseenselitysmalliin. Millikanin lausuma kuvaa hyvin sen ontologisen kriisin syvyyttä, johon nämäkaksi koetta johtivat.Einstein meni kuitenkin tulkinnoissaan liian pitkälle. Kokeiden empiirinen pakkokohdistuu vain sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutukseen aineen kanssa. Ne eivätosoita mitään itse sähkömagneettisen säteilyn luonteesta. Niiden perusteella voidaantodeta vain se, minkä edellä esitetty Planckin lain muotoilukin sanoo:Fotoni on sähkömagneettisen säteilyn ja aineen välisen vuorovaikutuksen kvantti.Mustan kappaleen säteilyn ja valosähköisen ilmiön tutkimusten kvalitatiivinen merkitys olivallankumouksellinen. Se keskittyy fotonin käsitteeseen, joka tuli fysiikkaan jäädäkseen.Muut kokeet, kuten jarrutussäteilyn ja Comptonin sironnan tutkimukset ja spektroskopia,täsmensivät ja täydensivät sen merkitystä. Nyt fotoni merkitsee, että sähkömagneettinenvuorovaikutus muodostuu vapausastekohtaisista hetkellisistä ja paikallisista tapahtumista,joissa energia, liikemäärä ja pyörimismäärä välittyvät yhtaikaa vapausasteen taajuudestariippuvina tietynsuuruisina kvantteina. Tapahtumat muistuttavat klassisia törmäyksiä javahvistavat yhä yleistä harhaista mielikuvaa fotonista itsenäisenä hiukkasena, joka onkuitenkin vailla empiiristä perustaa. 4Planckin vakiosta tuli modernin fysiikan perustaan kuuluva universaalinenluonnonvakio. Valosähköisen ilmiön kvantitatiivinen merkitys oli sen tarjoama uusi selvästitarkempi menetelmä tämän vakion määrittämiseen.4Tähän palataan lähemmin ontologista kriisiä käsittelevässä luennossa.

9SpektritutkimusKokeet F2k-laboratoriossa. Käytettävissä on käsispektroskooppeja kvalitatiivisiintutkimuksiin, ja tietokoneeseen liitetty spektrometri kvantitatiivisiin kokeisiin.Käsispektroskoopissa on 600 viivaa/mm hila,jonka muodostama spektri nähdään laitteenobjektiivista. Laitteella havaitaan selvästi eri tyyppisetspektrit:• Hehkuvien kiinteiden kappaleiden, kutenlampun hehkulangan, lähettämän valon spekrion jatkuva, eli siinä on kaikkia näkyvän valonaallonpituuksia. Myös Auringon valon spektrion (laitteen erottelutarkkuudella) jatkuva.• Hehkuvilla kaasuilla on viivaspektri, eli niiden säteilemä valo koostuu erillisistäaallonpituuksista, jotka näkyvät spektrissä ohuina viivoina.• Laservalossa on vain yksi aallonpituus.• Loisteputkilla ja ledeillä on epäjatkuva spektri, joka koostuu yksittäisistä viivoista jaleveämmistä juovista.Tietokoneeseen kytketty spektrometri mittaa aallonpituuksien suhteelliset intensiteetitalueelta 380 nm – 950 nm. Mittausohjelma esittää kuvaajana intensiteetin aallonpituudenfunktiona. Kuvaajan taustana on jatkuva värispektri, joten kuvaaja esittää hyvinhavainnollisesti, mitä aallonpituuksiaja värejä tutkittava valo sisältää.Spektrometrilla voidaan tehdäsamat tutkimukset kuinkäsispektroskoopillakin, muttaspektrien keskinäinen vertailu onhelpompaa. Voidaan havainnollistaaalkuaineiden tunnistamista spektrinavulla, esimerkiksi vesihöyrynspektrissä havaitaan vedylle jahapelle tunnusomaisetaallonpituudet.Tutkittava valo johdetaan spektrometriin valokuidun avulla. Koska valonsisäänmenoaukko kuituun on pieni, kuidun avulla voidaan tutkia pienelle alueelle osuvaavaloa, kuten osaa varjostimelle lankeavasta spektristä. Periaatteessa pitäisi ollamahdollista tutkia esimerkiksi ohuessa kalvossa tapahtuvaa interferenssiä, muttakäytännön kokeita ei ole vielä tätä kirjoitettaessa tehty.Käsitteellinen merkitys. Spektritutkimus on siinä suhteessa eri asemassa kuin edellisetkokeet, ettei se ole mikään selvästi yksilöityvä koe, vaan atomifysiikan kokeellinenperusmenetelmä. Sellaisena se on valtava kokeellisen tiedon lähde, empiirinen avainatomin rakenteeseen, atomimalleihin, atomaarisiin ilmiöihin ja kvanttimekaniikkaan.Spektrien tutkimus jatkaa edellisten kokeiden käynnistämää modernin fysiikankehitystä. Viivaspektrien rakenteesta hahmottunut Ritzin kombinaatioperiaate on fotoninkäsitteen ja Planckin lain valossa vahva empiirinen näyttö atomien energiankvantittumisesta ja atomien stationaarisista tiloista. Franckin ja Hertzin koe vahvistaatämän tulkinnan.Vetyatomin spektriä esittävä Balmerin laki oli Ritzin periaatteen esikuva jaerityistapaus, jolle Bohr perusti esittämänsä atomimallin. Hänen päättelynsä nojautui

Balmerin laista seuraavaan vetyatomin stationaaristen tilojen energian lausekkeeseen,jonka perusteella hän päätyi elektronien radat määräävään nk. Bohrin kvanttiehtoon. Useinoppikirjoissa päättelyn suunta esitetään päinvastaisena, jolloin kvanttiehto näyttäämielivaltaiselta päähänpistolta ja mallin empiirinen perusta hämärtyy.Vaikka Bohrin malli osoittautuikin Sommerfeldin täsmennyksen jälkeen sisäisestiristiriitaiseksi ja vaikka se, stationaaristen tilojen energioita lukuun ottamatta, johti vääriinspektroskooppisiin ennusteisiin, sillä on kiistämätön merkitys kvanttimekaniikansemiklassisena esivaiheena.Spektroskopian kautta alkavat selvitä atomien ja molekyylien rakenteet ja dynamiikka,ja kokonainen uusi atomaaristen ilmiöiden maailma avautuu. Siinä erottuvat elektronistentilojen, värähtelyjen ja rotaatioiden spektrit ja hahmottuvat atomien rakenteellisetperusteet, spinin käsite, elektronien luonne fermioneina, joka ilmenee Paulinkieltosääntönä ja elektroniverhon rakentumisen periaatteena, jne.Tunkeutuminen yhä syvemmälle aineen rakenneosien hierarkiassa johtaa sarjaan erikertalukujen spektrejä.Ydinspektroskopia, ydinten gammaspektrit johtavat ydinten rakenteeseen.Hadronispektri, spektrien seuraava kertaluku tulee vastaan, kun hiukkasfysiikassa löydettylaajeneva hadronien eli baryonien ja mesonien joukko saa tulkinnan kvarkkisysteemeinäja niiden viritystiloina.Hiukkaslajien samastuminen systeemin tiloihin johtaa ajattelemaan yleisemminkintällaisen käänteisen tulkinnan mahdollisuutta. Voidaanko myös kaikki ydinten ja atomienstationaariset tilat ymmärtää eri hiukkaslajeiksi, ja mitä tämä mahdollisuus merkitseesuurempien aineellisten systeemien kannalta? Näin joudutaan yksilö- ja laji-identiteetinongelmaan, jolla on tärkeä merkitys modernin fysiikan maailmankuvassa.Vuorovaikutusten "välittäjähiukkasia", kuten gluoneja hadroneissa ja pioneja ytimissä,jopa fotoneja atomeissa ja molekyyleissä voidaan tällöin ajatella rakenneosina. Jokaisenhiukkasen, systeemin tai olion laji määräytyisi tällöin yksikäsitteisesti tiettyjenrakenneosien yhdistelmänä. Tällä tavalla olemassa olevien tai mahdollisten lajien spektrilaajenisi äärettömästi.Lajien samastus stationaarisiin tiloihin ja siihen liittyvä spektrin mielikuva vie ajatuksettakaisin tämän luennon alkaneeseen vapausasteen käsitteeseen. Näin tarjoutuumaailmankuvan pohdinnan lähtökohdaksi ajatus, jonka mukaan hiukkaslajit ovat"olemassaolon" vapausasteita. Jos olemassaolon perustilaa sanotaan tyhjiöksi päädytään,tässä spektroskopiasta alkaneessa ajatusketjussa, olemassaolon salaisuutta kuvailevaanlopputoteamukseen, jonka mukaanTyhjiö on olemassaolon kaikkien vapausasteiden potentiaalisen eksistenssin kenttä –eksistenssin realisoituminen riippuu energiasta ja noudattaa säilymislakeja!Siinä sopiva ajatus pohdittavaksi ennen seuraavia luentojani, joissa tarkastelen fysiikanajautumista ontologiseen kriisiin.10