Fotonit työmiehinä

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Mitä tapahtuu kiinteässä kappaleessa (esimerkiksi meidän talon seinässä) silloin, kun aurinko lämmmittää sitä. Auringosta tulee näkyvänä valona fotoneita, joilla ei ole massaa mutta energiaa on. Lämpö on molekyylien liikettä, näin ainakin meille opetettiin koulussa.

Siis millä ihmeellä fotonit saavat molekyylit liikkumaan. Eiväthän ne töni molekyyleja, en osaa ainakaan kuvitella miten ne sen tekisivät. Silti ne saavat seinän molekyylit liikkeeseen (ja sitten yöllä molekyylien liike-energia taas häippäsee fotoneina, tällä kerralla lämpönä). Mitä tässä välissä tapahtuu eli mikä on se mekanismi, jolla näkyvä valo lämmittää kiinteää esinettä?

Kommentit (14)

Vierailija

Fotoni iskeytyy valon nopeudella seinään ja räjähtää. Seinän molekyylit sitten huomaavat että paukahti ja siirtyvät kauhuissaan sivummalle. Kun tuota jatkuu tauotta, kohta molekyylit väpättävätkin kauhuissaan joka suuntaan.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
MHOP
Mitä tässä välissä tapahtuu eli mikä on se mekanismi, jolla näkyvä valo lämmittää kiinteää esinettä?

Fotonit virittävät elektroneja suuremmalle energiatasolle, josta ne palautuvat takaisin vapauttamalla samalla uuden fotonin. Energia ei kuitenkaan palaudu kokonaan, vaan matalaenergisempänä, usein lämpösäteilynä.

Vaan miten lämpösäteily sitten saa atomit heilumaan? Maallikkona veikkaisin että tuo elektronin siirtyminen radalta toiselle heilauttaa sähkö/magneettikenttää ja siten myös atomiydintä. Eli osa fotonin energiasta muuttuukin tätä kautta liike-energiaksi eli lämmöksi.

Mutta joo, joku tietäväisempi antakoot asiantuntevamman vastauksen.

Filosofinen kysymys: jos huoneenlämpöisen tennispallon atomit jostain tilastollisesta oikusta heilahtaisivat kaikki samaan suuntaan, millä vauhdilla tennispallo ampaisisi liikkeelle? Ja pirstoutuisiko se seinään osuessaan, kun kaikki lämpöenergia olisi muuttunut liike-energiaksi ja pallo jäätyy kalikaksi?

Vierailija

PeterH kirjoitti:

Filosofinen kysymys: jos huoneenlämpöisen tennispallon atomit jostain tilastollisesta oikusta heilahtaisivat kaikki samaan suuntaan, millä vauhdilla tennispallo ampaisisi liikkeelle? Ja pirstoutuisiko se seinään osuessaan, kun kaikki lämpöenergia olisi muuttunut liike-energiaksi ja pallo jäätyy kalikaksi?

Minusta tuo on ihan selvästi fysiikan alan kysymys, ei filosofian. Äkkiseltään vastaisin, että tapahtuu juuri noin kuin kuvasit. Miten muutenkaan siinä voisi käydä...

Vierailija
PeterH
Filosofinen kysymys: jos huoneenlämpöisen tennispallon atomit jostain tilastollisesta oikusta heilahtaisivat kaikki samaan suuntaan, millä vauhdilla tennispallo ampaisisi liikkeelle? Ja pirstoutuisiko se seinään osuessaan, kun kaikki lämpöenergia olisi muuttunut liike-energiaksi ja pallo jäätyy kalikaksi?

Fysiikassa pätee myös liikemäärän säilymislaki. Ei se pallo minnekkään lähde paitsi heittämällä tai lyömällä.

Vierailija

Ajatus säilymislaeista perustuu siihen, että törmäävät osapuolet neuvottelevat osuuksistaan yötä myöten, ja pääsevät sitten sopuun.

Moni muu luonnonlaki on vastaava. Esim hydrostaattinen paine menee siten, että pohjassa oleva molekyyli kysyy valvomosta syvyytensä, ja osaa sitten asettaa oikein paineen pisaraansa.

Vierailija
PeterH
Ja pirstoutuisiko se seinään osuessaan, kun pallo jäätyy kalikaksi?

Jos heität pakastekinkun seinään, pirstoutuuko se? Kuinka pieniä paloja siitä syntyy, mahtuvatko snapsilasiin vai näkyvätkö edes ilman mikroskooppia?

Vierailija

Siis voisiko joku kvanttimekaniikan tuntija vastata tähän:

Mitä tapahtuu kiinteässä kappaleessa (esimerkiksi meidän talon seinässä) silloin, kun aurinko lämmmittää sitä. Auringosta tulee näkyvänä valona fotoneita, joilla ei ole massaa mutta energiaa on. Lämpö on molekyylien liikettä, näin ainakin meille opetettiin koulussa.

Siis millä ihmeellä fotonit saavat molekyylit liikkumaan. Eiväthän ne töni molekyyleja, en osaa ainakaan kuvitella miten ne sen tekisivät. Silti ne saavat seinän molekyylit liikkeeseen (ja sitten yöllä molekyylien liike-energia taas häippäsee fotoneina, tällä kerralla lämpönä). Mitä tässä välissä tapahtuu eli mikä on se mekanismi, jolla näkyvä valo lämmittää kiinteää esinettä?

Vierailija

Vain osa näkyvästä valosta absorboituu seinään ja muuttuu lämmöksi. Pääasiassa seinää lämmittää auringon lämpösäteily. Mitä hiukkastasolla tapahtu voidaan selittää kvanttielektrodynamiikan avulla. Ei aivan yksinkertainen asia ole selitettäväksi. Fotonien ja elektronien vuorovaikutuksesta on kyse.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
korant
Vain osa näkyvästä valosta absorboituu seinään ja muuttuu lämmöksi.

Ihan tunnettu ilmiöhän on että mustat esineet lämpenevät valossa enemmän kuin vaaleat. Väri on näkyvän valon alueelle kuuluva ilmiö, joten jos kyse olisi pelkästä lämpösäteilystä, ero ei olisi niin suuri. Riippunee siis materiaalista johon valo osuu, paljonko näkyvästä valosta muuttuu lämpöenergiaksi. Maalaisjärkeni sanoo: mitä suurempi osa näkyvästä valosta muuttuu lämmöksi, sitä tummemmalta esine näyttää.

kfa
Seuraa 
Viestejä2516
Liittynyt13.3.2008

Ehdin vastata toisaalle, mutta poistin viestin ja siirsin tänne.

MHOP
Kyse on siitä, mitä tapahtuu kiinteässä kappaleessa (esimerkiksi meidän talon seinässä) silloin, kun aurinko lämmmittää sitä. Auringosta tulee fotoneita, joilla ei ole massaa mutta energiaa on. Lämpö on molekyylien liikettä, näin ainakin meille opetettiin koulussa.

Siis millä ihmeellä fotonit saavat molekyylit liikkumaan. Eiväthän ne töni molekyyleja, en osaa ainakaan kuvitella miten ne sen tekisivät. Silti ne saavat seinän molekyylit liikkeeseen (ja sitten yöllä molekyylien liike-energia taas häippäsee fotoneina!). Mitä tässä välissä tapahtuu eli mikä on se mekanismi, jolla näkyvä valo lämmittää kiinteää esinettä?




Yksinkertaista vastausta ei ole, mutta yritetään. Kysymykseesi vastaavan tieteenalan nimi on kiinteän aineen fysiikka eli solid state physics. Siinä käsitellään keskenään kidehilassa vuorovaikuttavien atomien kollektiivisia ilmiöitä.

Vaikka yksittäinen atomi ei voikaan absorboida valoa jollakin tietyllä aallonpituudella niin esimerkiksi kahden samanlaisen atomin muodostama molekyyli voi tuohon pystyä. Atomien väliset vuorovaikutukset lisäävät elektronirakenteen rinnalle mekaaniset värähtelyt ja pyörimisen, josta syntyy uusia absorptioviivoja eli aallonpituuksia, jolla sähkömagneettinen aaltoliike pystyy vuorovaikuttamaan molekyylin kanssa. Molekyylin koon kasvaessa näiden vuorovaikutusten määrä niinikään kasvaa, kunnes jossakin vaiheessa ollaan siirrytty molekyylistä kiinteän aineen puolelle.

Karkea yksinkertaistus: Kiteessä vierekkäiset atomit ovat paikoillaan naapureittensa välissä sähkömagneettisten kenttiensä muodostamien jousien varassa. Yksittäisen atomin värähtelyt kytkeytyvät näiden vuorovaikutusten kautta koko lähiseudun atomien värähtelyksi. Lämpöliike muualla kuin metalleissa on osa tuota hilavärähtelyä (fononit). Kun yksi atomi värähtelee niin värähtelyt etenevät koko aineeseen.

http://en.wikipedia.org/wiki/Phonon

Kaikki epäpuhtaudet ja kidevirheet aineen rakenteessa lisäävät erilaisten vuorovaikutusten mahdollisuuksia. Siksi puhdas kide (timantti, ruokasuola jne) on usein väritön, mutta epäpuhtaana se muuttuukin värilliseksi. Kidehilan värähtelyt ovat samalla myös sähköisesti varattujen hiukkasten eli kidehilan polarisoituneiden atomien värähtelyä. Tämä kytkeytyy sähkömagneettisiin aaltoihin, joten reitti valo -> lämpöliike on nyt olemassa.

Vierekkäisten atomien elektronirakenteet kytkeytyvät toisiinsa (band structure). Absorptioviivat levenevät ja niitä tulee lisää eli ryhmä atomeita pystyy vuorovaikuttamaan valon kanssa aivan eri tavalla kuin yksittäinen atomi.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure

Metallissa vierekkäisten atomien elektronirakenteiden keskinäinen vuorovaikutus on niin voimakas, että osa elektroneista muodostaa koko metallin kattavan johtavuuselektronien kaasun. Tämä reagoi ulkoiseen sähkömagneettiseen kenttään (valo) niinikään kollektiivisesti. Vaikka yksittäiset metalliatomit eivät heijastakaan valoa niin kiinteänä aineena samaiset atomit voivat muodostaa lähes täydellisen peilipinnan tai suoraan absorboida fotonin. Metalleissa vapaa elektronikaasu vastaa myös aineen lämmönjohtavuudesta ja lämpökapasiteetista ( = lämpöliike) huoneenlämpötilassa, joten tätä kautta löytyy reitti valo -> lämpö.

Ylläoleva on siis karkea yksinkertaistus. Tarkempaa tietoa löytyy kirjoista, joiden nimissä esiintyy "Optical properties" ja "Solid State".

Kim Fallström kfa+news@iki.fi

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005
korant
PeterH
jos huoneenlämpöisen tennispallon atomit jostain tilastollisesta oikusta heilahtaisivat kaikki samaan suuntaan
Fysiikassa pätee myös liikemäärän säilymislaki. Ei se pallo minnekkään lähde paitsi heittämällä tai lyömällä.

Pallon paikallaan pysyminen lämpöliikkeestä huolimatta johtuu siitä että atomit liikkuvat kaikki eri suuntiin ja keskimäärin kumoavat toistensa impulssit. Puhuin tilastollisesta oikusta: mitäpä jos kaikki lämpöliike sattumalta tapahtuisikin yhtenäiseen suuntaan?

Kysymys ei ole edes alunperin omani. Lukion fysiikanopettajani esitti että jos huoneenlämpöisen luokkahuoneen ilman kaikki molekyylit liikkuisivat sattumalta samaan suuntaan, liikemäärä riittäisi lyömään huoneen takaseinästä läpi.

Ilmiö on puhtaasti spekulatiivinen, vähän kuin Maxwellin demoni.

Vierailija
PeterH
jos kaikki lämpöliike sattumalta tapahtuisikin yhtenäiseen suuntaan?
Olkonkin spekulatiivinen, mutta jos lehmän kaikki molekyylit heilahtaisivat lämpöliikkeessä ylös niin lehmäkin lentäisi. Mutta kun tuon liikemäärän säilymislain nojalla ei voi. Jos tennispallon molekyyleistä edes toinen puoli liikahtaisi yhteen suuntaan niin se toinen puoli heilahtaisi silloin vastakkaiseen suuntaan koska painopiste on paikallaan eikä sitä lämpöliike hetkauta mihinkään.

PeterH
Seuraa 
Viestejä2875
Liittynyt20.9.2005

No pistetään sitten jatkokysymys: olisiko tarpeeksi pienellä nanokytkimellä mahdollista muuttaa lämpöliike mekaaniseksi liikkeeksi, tai jopa sähköksi?

Jos olisi vaikka pöntöllinen huoneenlämpöistä raskasmolekyylistä kaasua (esim. rikkiheksafluoridia), ja pöntön sisäseinät on päällystetty tiheällä matriisilla nanokytkimiä jotka ovat niin herkkiä että riittävän lämpöliikemäärän omaavan kaasumolekyylin törmäys riittää vapauttamaan elektronin. Saataisiinko tällöin huoneenlämmöstäkin suoraan sähkövirtaa? Kylmenisikö pönttö nopeasti kaasun menettäessä lämpöliike-energiaa? Olisiko kyseinen tapa tuottaa sähköä riippumaton lämpötilaerosta, vai häiritsisikö kytkinten oma lämpöliike kaasumolekyylien törmäysten talteenottoa?

Vierailija
PeterH
No pistetään sitten jatkokysymys: olisiko tarpeeksi pienellä nanokytkimellä mahdollista muuttaa lämpöliike mekaaniseksi liikkeeksi, tai jopa sähköksi?

Jos olisi vaikka pöntöllinen huoneenlämpöistä raskasmolekyylistä kaasua (esim. rikkiheksafluoridia), ja pöntön sisäseinät on päällystetty tiheällä matriisilla nanokytkimiä jotka ovat niin herkkiä että riittävän lämpöliikemäärän omaavan kaasumolekyylin törmäys riittää vapauttamaan elektronin. Saataisiinko tällöin huoneenlämmöstäkin suoraan sähkövirtaa? Kylmenisikö pönttö nopeasti kaasun menettäessä lämpöliike-energiaa? Olisiko kyseinen tapa tuottaa sähköä riippumaton lämpötilaerosta, vai häiritsisikö kytkinten oma lämpöliike kaasumolekyylien törmäysten talteenottoa?




Yhdysvaltain presidentiksi nouseva Barack Obama on nimittänyt Steven Chun energiaministerikseen.

Steven sai nobelin 1997 laserjäähdytyksestä.

Uusimmat

Suosituimmat