Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä

Ismo Elo
2011

Vähän sähköstä

Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, eli se perimmäinen aiheuttaja on sähkövoima eli sähköinen vuorovaikutus.

Nykyisin tunnemme aineessa kaksi sähköistä hiukkasta, protonin ja elektronin. Protonin sähkövarausta on totuttu nimittämään
positiiviseksi varaukseksi ja elektronin negatiiviseksi. Positiivisen ja negatiivisen sähkövarauksen välillä on vetovoima.
Ne siis pyrkivät yhteen. Kaksi samannimistä varausta sensijaan hylkivät toisiaan. Hiukkasfyysikot väittävät, että ne
vaihtavat keskenään fotoneja. Mikä sitten on se fotoni, jää arvioitukseksi.

Vapaa elektroni, vaikuttaa kaikkiin lähellä oleviin protoneihin ja elektroneihin. Atomin ympärillä kiertävää
elektronia se hylkii ja ytimen protoneja se vetää puoleensa. Elektronin rata siirtyy kauenmmaksi. Atomi polarisoituu ulkoisen elektronin vaikutuksesta.
Kun elektroneja ja protoneja on paljon on kokonaistilanne monimutkainen.

Charles Augustin Coulomb (1736-1806) tutki tätä sähkövoimaa ja kehitti kuuluisan Coulombin lain. Hän huomasi, että
magneettinen voima noudatti samanlaista lakia.

Michael Faraday (1791-1867) otti käyttöön säkökentän ja magneettikentän käsitteet. Riippumatta siitä, kuinka todellisia
nämä kentät ovat, niiden avulla on helppo käsitellä ja havainnollistaa sähkövoiman vaikutusta eri kohdissa. Kenttä on
matemaattinen apuneuvo, jonka avulla asioita on helppo käsitellä, mutta itse fysiikka hukkuu sen alle. Seuraavassa käytän
kenttiä varoen silloin, kun ne eivät hukkaa käsiteltävää asiaa. Sensijaan käytän vanhaa kunnon hiukkasfysiikkaa, vaikka
se on hankala suuria hiukkasjoukkoja käsiteltäessä.

Kun elktroni liikkuu tasaisella nopeudella, sen ympärille syntyy magneettiikenttä. Magneettinen voima on sähkövoiman yksi muoto, ja se on kohtisuorassa sen aiheuttamaa sähkökenttää vastaan. En tässä yhteydessä käsittele magneettista voimaa enkä magneettikenttää sen tarkemmin Jos liike on kiihtyvää elektronin kiihdytykseen
tarvitaan voimaa. Jos tämä voima tekee työtä, siihen tarvittava energia ei häviä, vaan se poistuu sähkömagneettisena aaltoliikkeenä.
Energiaperiaatteen mukaan sähkömagneettinen allto ei näyttäisi lähtevän elektronin kiihtyessä, vaan sen hidastuessa. Suuressa elektronijoukossa osa elektroneista kiihtyy ja osa hidastuu, siksi näyttää siltä, että sen kiihtyessäkin syntyy sähkömagneettista aaltoliikettä. Tasaisessa ympyräliikkeessä elektroni on määritelmän mukaan kiihtyvässä liikkeessä, koska liikkeen suunta muuttuu, mutta
työn määritelmän mukaan elektronia radalla pitävä voima ei tee työtä, koska elektroni ei liiku voiman suunnassa. Säteilyä ei
synny, koska ei tehdä työtä. Siksi atomin ydintä kiertävä elektroni ei lähetä säteilyä, mutta poikittaisessa suunnassa liikkuminen
aiheuttaa säteilypulssin.

Sähkömagneettisen aallon synty antennissa

Maxwell yhdisti kokeellisesti saadut tulokset matemaattisesti. Tuloksena oli neljä yhtälöä, joita kutsutaan Maxwellin yhtälöiksi.
Ne ennustivat, että kiihtyvässä liikkeessä oleva sähkövaraus lähettää ympärilleen sähkömagneettisia aaltoja. Aaltojen nopeudeksi
hän sai saman nopeuden, joka oli mitattu valon nopeudeksi, josta voitiin päätellä, että valokin on sähkömagneettista aaltoliikettä.
Myöhemmin Herts tuotti radioaaltoja.

Aaltoliike vaatii väliaineen, joka värähtelee aallon tahdissa. Maxwellin mielestä nämä värähtelijät pitää olla sähkömagneettisia
pyörrekenttiä. Atomeja ei silloin vielä tunnettu. Pääteltiin kuitenkin, että avaruuden täyttää eetteri, jossa valo etenee. Kuviteltiin
kuitenkin, että tämä eetteri on ehdottomassa levossa (absoluuttisessa levossa). Tämä ehdoton lepotila oli perua Isaac Newtonilta.

Michelson ja Moorley mittasivat valon nopeuden peilien väälissä siten, että peilit olivat maan kulkusuunnassa ja kulkusuuntaan nähden
kohtisuorassa. Tuloksena oli sama nopeus kummassakin suunnassa. Maan liike ei vaikuttanut nopeuteen. Jos eetteri olisi ollut levossa,
maan liike olisi vaikuttanut mitattuun nopeuteen. Tulos tulkittiin niin, ettei eetteriä ole ja että valo voi kulkea ilman väliainetta.

Kaikki tutkijat eivät hyväksyneet tulkintaa, todellisuudessa koe osoitti vain, ettei eetteri ole ehdottomassa levossa. Tulos osoitti itse
asiassa, että eetteri liikkui mittauslaitteen mukana. Osoitettiin, että valo kulkee nopeammin nopeasti virtaavan veden virtauksen
suuntaan kuin virtaamattomassa vedessä. Tulos sivutettiin, perusteluna, ettei nopeus kasvanut yhtä paljon kuin veden virtausnopeus.
Tämä oli toinen virhepäätelmä. Ei nopeuden olisi pitänytkään kasvaa niin paljon, koska peräässä tulevat lähimmät värähtelijät toimivat
välittäjinä. Kyse oli tutkijoiden arvovallasta. Vielä tänä päivänä opetetaan, että Michelsonin ja Moorleyn koe kumosi eetterihypoteesin.

Tarkastelemme aluksi radioaallon syntymistä antennissa. Antennin päiden välillä on jännite-ero eli toisessaa päässä
on enemmän elektroneja kuin toisessa päässä. Sähkövoima kiihdyttää elektroneja kohti positiivista päätä kunnes varausero tasaantuu.
Sen jälkeen elektronien liike hidastuu ja pysähtyy lopulta. Tämä aiheuttaa yhden allon pituisen siniaaltopulssin, jota kvanttifyysikot
kutsuvat fotoniksi. Värähtelypiiri kääntää jännitteen ja sama toistuu toiseen suuntaa. On huomattava, että yksittäinen elektroni ei kulje
antennin päästä päähän, vaan kaikki elektronit siirtyvät vähän. kuitenkin koko elektronijoukon siirtymistä voidaan ajatella yhtenä kappaleena.
Kun elektronit kulkevat samaan suuntaan, niiden magneettikentät yhtyvät yhdeksi suuremmaksi kentäksi. Työ, jolla elektroneja kiihdytetään
poistuu sähkömagneettisena säteilynä.

Seuraavaksi katsomme röntgensäteilyn syntyä. Röntgenputkessa on negatiivisesti varattu katodi ja positiivisesisesti varattu anodi.
Katodia kuumennettaessa siitä irtoaa elektroneja, jotka syäksyvät kohti anodia kiihtyvällä nopeudella. Kun katodin ja
anodin välinen jännite on suuri, elektronit saavat suuren liike-energian. Elektronien syöksy on nopea. Syntyvä alltopulssi eli fotoni on
lyhytaaltoinen ja suurienerginen. Puhutaan jarrutussäteilystä. Jarrutussäteilyssä selvästi säteily syntyy elektronien hidastuessa.

Fotoni käyttäytyy hiukkasen tavoin. Se voi irroittaa elektroneja kohtaamansa aineen atomeista sitä paremmin, mitä suurempi energiaa sillä on.
Ilmiö muistuttaa maton ravistamista. Jos ravistat mattoa kevyesti, siihen syntyy maton mittainen, pitkä aalto. Roskat kuitenkin pysyvät maatossa.
Jos sensijaan lyöt mattoa nopeasti, siihen syntyy lyhyt aalto, jolla on suuri energia ja roskat lentävät pois matosta. Fotonien energialla on suuri
käytännön merkitys koska se vaikuttaa kohtaamaansa aineeseen sen mukaan minkälainen energia sillä on. Suurienerginen säteily on vaarallista
ihmiselle, koska se muuttaa atomien rakennetta soluissa.

Valo ja lämpösäteily syntyvät yleensä siten, että atomit törmäilevät toisiinsa heittäen elektroneja ulommille radoille, eli ne virittyvät.
Ne palaavat takaisin kiihtyvällä nopeudella synnyttäen fotoneja. Myös osa röntgensäteilystä syntyy virittymisen kautta. Näin tapahtuu myös röntgenputkessa. Elektronit törmäävät anodin atomeihin ja virittävät niitä, viritysten purkautuessa syntyy ominaissäteilyä, koska se riippuu anodin aineen atomitrakenteesta.

Valon eteneminen

Yksi keskeinen syy miksi eetterihypoteesi hylättiin oli se, että valo tulee meille miljardien valovuosien etäisyydeltä läpi tyhjän avaruuden.
Ajateltiin, ettei valo tarvitse ainetta välittäjäkseen. Täysi tyhjiö on kuitenkin mahdottomuus. Ulkoavaruudessakin on atomeja keskimäärin
senttimetrin välein. Sähkövoima on niin suuri, että vielä 1m etäisyydellä kaksi elektronia aiheuttavat toisilleen kiihtyvyyden 254 m/s²