F2k-laboratorion esittely 2

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