1. Licht en Straling
Fotonen (2/4)
Hoe interpreteren we de in ons experiment waargenomen signalen? De pulsen, geregistreerd door de teller en getoond in de oscilloscoop, brengen er ons toe aan te nemen dat de detector het licht niet als een continue golf ziet maar eerder als onregelmatige, individuele optredens, zoals in het geval van deeltjes!
Elke puls op het scherm van de oscilloscoop vertegenwoordigt een elektron dat vrijkomt door een foton op het metalen oppervlak van de detector. Zulke elektronen worden foto-elektronen genoemd. Ze worden versterkt door de detectorelektronica en geregistreerd als een puls. Elektronen hebben een negatieve lading en verschijnen daarom als een negatieve puls op de oscilloscoop. Dit is het foto-effect. In 1905 interpreteerde Albert Einstein het foto-elektrisch effect.
Einstein had geen oscilloscoop tot zijn beschikking. Deze werd pas zo'n 50 jaar later uitgevonden! Hier wordt een experiment beschreven dat op school kan worden uitgevoerd zonder oscilloscoop.
De hypothese dat licht discrete en dus gekwantificeerde eigenschappen heeft, werd voor het eerst naar voren gebracht door de natuurkundige Max Planck in 1900. Door licht te kwantificeren kon hij de helderheid en vorm van het spectrum van zwarte lichamen verklaren.
De fotoneigenschappen van licht zijn te zien
- in de straling van zwarte lichamen
- in de absorptie en emissie van spectraallijnen door atomen en moleculen.
Het spectrum van zonlicht verandert als het door de atmosfeer naar het aardoppervlak reist door absorptie door bestanddelen van de lucht. UV-straling wordt bijvoorbeeld verminderd door de absorptie van ozon, dat anders zeer schadelijk voor ons zou zijn. Dergelijke effecten worden besproken in hoofdstuk 2.
Terwijl je naar de hemel kijkt vanaf de aarde met een telescoop, kun je af en toe een paar snel bewegende voorwerpen zien: kometen! Dankzij de sterke straling van de zon worden kometen mechanisch onstabiel wanneer ze er dichtbij komen en verliezen daardoor wat stof en deeltjes. Dit materiaal is dan te zien als een heldere komeetstaart.
Soms verschijnt er een dubbele staart: de blauwe staart bestaat uit moleculen, de witte staart uit grotere stofdeeltjes. De luchtmoleculen in onze atmosfeer verstrooien ook blauw, de grotere waterdruppels in de wolken wit. De komeet op de foto hierboven laat beide staarten heel duidelijk zien. Hun verschillende oriëntatie wordt vaak verklaard met het fotonenmodel: de fotonen van het zonlicht duwen met hun botsingen de moleculen weg van de zon, wat ze niet kunnen met de veel grotere en massievere stofdeeltjes! Maxwell had echter al in 1873 aangetoond dat elektromagnetische golven ook dergelijke krachten uitoefenen.
Deze staarten worden verder geanalyseerd in supplement 1.6 en in werkblad.
