Svar:
Den fotoelektriska effekten innebär att ljus som faller in mot en metall kan frigöra elektroner ur metallen. Låt oss göra en analogi. I en hamn ligger båtar vid kajen. Det kommer in vågor från havet. Vilka vågor kan lyfta upp båtarna på land? Det är väl rätt klart att det är våghöjden som är avgörande. Är det 4 m från vattenytan till kajkanten så kan ju inte en våg med höjden 2 m lyfta upp båtarna på land men en våg med 10 m höjd klara detta. Däremot har inte våglängden någon avgörande betydelse. Det torde inte spela någon större roll om våglängden är 100 m eller 10 km. Alltså: I en vågmodell har amplituden den avgörande rollen när det gäller att "lyfta ut" saker.

I den fotoelektriska effekten är det våglängden (frekvensen, färgen) som avgör om man kan lösgöra elektronerna vilket inte är förenligt med en vågmodell, se nedanstående figur och länk 1.

För att beskriva alla fenomen behöver vi betrakta ljus ibland som en våg och ibland som en ström av partiklar. Jag tror inte man i detta fall kan ge något svar på frågan: Varför?

Denna "dualism" finns endast när vi använder vårt vardagliga språk. I den matematiska modell som kallas för kvantmekanik finns inte denna tvetydighet.

/GO 1997-03-20

Svar:
En egenskap som utmärker vågor kallas för interferens. Det innebär att två vågor
kan både förstärka och försvaga varandra. Förstärkning sker om vågtoppar från de
båda vågorna finns på samma ställe medan det vid försvagning är en vågtopp och
en vågdal från vardera vågen som möts.

Om vi sänder ut två vågor (tänk dig vattenvågor) från lite olika ställen så
kommer interferensen att medföra att vågorna kommer att förstärka varandra
i vissa riktningar och försvaga varandra i andra riktningar.

Man gör motsvarande experiment med ljus. Man tar och skickar ljus mot två
smala springor som ligger nära varandra ("dubbelspalt"). Ljuset kommer nu att förstärkas
(och försvagas) i flera olika riktningar vilket visar att ljuset kan beskrivas som en vågrörelse.

Det är inte bara ljus som är vågrörelse, också materia är det. Man
kan tillverka små "fotbollar" av 60 kolatomer (fullerener). Nu har
man upprepat dubbelspaltexperimentet genom att kasta sådana "fotbollar" mot
en dubbelspalt. Man ser samma mönster som med ljus. En fotboll
i rörelse har en våglängd.
/GO, KS 1999-10-20

Svar:
Klurig fråga! Sambandet mellan E-fältet och energin gäller emellertid amplituden och inte momentanvärdet, se länk 2. Man kan se en elektromagnetisk våg på två sätt: klassiskt enligt Maxwell (länk 1) eller kvantmekaniskt som en foton.

Tänk dig en klassisk mekanisk svängning, t.ex. en gitarrsträng. Energin i svängningen är proportionell mot amplituden i kvadrat (om den återställande kraften är -kx så blir energin kx²/2). Vid maxutslag är all energi potentiell energi. Vid nollutslag (rak sträng) är den potentiella energin noll, och all energi är rörelseenergi, se länk 2.

Jag vet inte hur långt man kan driva den mekaniska analogin när det gäller elektromagnetiska vågor - jag vet inte ens vad det är som "svänger".

Vad gäller den kvantmekaniska bilden så skulle i princip Heisenbergs obestämdhetsrelation tillåta energivariationen eftersom E = hv = h/T, där T är svängningens period:

ET = DEDT = h

/Peter E 2006-12-24

Svar:
Strålning kan vara mycket olika saker även om man begränsar sig till elektromagnetisk strålning. Allting som inte är vid absoluta nollpunkten sänder ut elektromagnetisk strålning, s.k. temperaturstrålning. Allt som belyses med elektromagnetisk strålning reflekterar en viss del av strålningen.

Hur mycket olika apparater strålar är svårt att säga. I vilken enhet? Watt, fotoner/sekund eller i förhållande till skadliga nivåer? Eftersom endast det senare är av praktiskt intresse koncenterar vi oss på dessa. Låt oss gå igenom det elektromagnetiska spektret med utgångspunkt från nedanstående bild (Bilden är från NASA och därmed fri att användas med angivandet av källan. Den finns i större skala på Wikipedia Electromagnetic_spectrum.)

Radiovågor

Anses vara ofarliga eftersom de innehåller mycket lite energi och dessutom går rakt igenom kroppen. Apparater med radiosändare är t.ex. trådlös telefon, trådlöst nätverk.

Mikrovågor

Dessa innehåller mer energi och är dessutom i resonans med vattenmolekylen. Detta betyder att de absorberas i kroppen och kan ge upphov till en viss uppvärmning. Faran med mobiltelefoner är mycket diskuterad, men även mikrovågsugnar läcker en del mikrovågor, se mikrovågsugn.

Infrarött (värmestrålning)

Fjärrkontroller använder ofta infrarött, men de är så svaga at de knappast utgör någon fara. Värmeelement och spisplattor strålar i infrarött, men eftersom huden stoppar stålningen samtidigt som den är känslig för värmen, så bör värmeelement normalt inte utgöra någon fara. Största delen av effekten i glödlampor strålar i infrarött, så glödlampor är egentligen bättre som värmeelement än ljuskällor.

Synligt ljus

Synligt ljus är en form av elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan cirka 390 och 770 nanometer. Genom att ögat är känsligt för strålning i just detta intervall, kan vi se vår omgivning. (Ljus)

Ljus kommer från glödlampor, lysrör och lysdioder. Synligt ljus har mycket liten inträngningsförmåga i kroppen, varför strålningen knappast utgör en fara - bara ögat påverkas. Lysdioder (små lasrar) finns även i t.ex. CD-spelare. Ljuset från dessa kan i princip vara skadligt, men bara om man skruvar isär apparaten.

Ultraviolett

Kommer från UV-lampor. Kan orsaka brännskador vid överdriven exponering. Kan på längre sikt även orsaka hudcancer.

Solen är annars den viktigaste och starkaste källan för infrarött, synligt ljus och UV-strålning. Även stjärnor strålar mest i dessa våglängder, men eftersom effekten avtar med kvadraten på avståndet så är effekten från stjärnor helt försumbar.

Röntgenstrålning

Kommer naturligtvis från röntgenapparater, men de har man knappast hemma. Eftersom en gammal tjock-TV ritar bilden med 20 keV elektroner, så kommer det lite röntgenstrålning från bildskärmen. Platt-TV fungerar på ett annorlunda sätt, så de ger ingen röntgenstrålning.

Röntgenstrålning och gammastrålning är vad som betecknas joniserande strålning. Den är genomträngande och kan jonisera (slita loss elektroner) materia den träffar. Joniserande strålning är därför skadlig - speciellt kan den orsaka skador på DNA och därmed, på sikt, cancer.

Gammastrålning

Gammastrålning är en del av den naturliga strålningsbakgrunden från bergarter och från byggnadsmaterial. Så länge bakgrundsnivån inte är mycket förhöjd får man betrakta den som ofarlig - den går knappast att undvika.

Annan strålning

Alfastrålning är inte elektromagnetisk strålning utan består av He-kärnor som utsänds från tunga kärnor. Alfastrålning förekommer i brandvarnare (därför skall dessa när de är slut tas om hand på ett ordnat sätt). Radon, som finns i varierande mängd överallt i bostäder mm, är i vissa fall definitivt ett hälsoproblem.

Har jag glömt något? Det har jag säkert. Vi har inte heller diskuterat magnetfält och elektriska fält som bildas av elektriska apparater. Skadligheten hos dessa är dåligt känd och ganska kontroversiell.

Figuren nedan innehåller mycket nyttig information om elektromagnetisk strålning. Överst visas t.ex. att endast radiostrålning och synligt ljus släpps igenom jordens atmosfär. Termometern längst ner visar vilka våglängder som utstrålas vid olika temperaturer. Synligt ljus utsänds alltså vid temperaturer mellan 1000 K (c:a 700^oC) och 10000 K.

/Peter E 2008-01-18

Svar:
Hej Jonas! Ja, det är inte lätt! Försök med
Maxwells ekvationer, dom säger allt om elektromagnetisk strålning. Skämt åsodo :-), detta är ett problem. Vi måste acceptera två fakta vad gäller fysik och även annan naturvetenskap:

Djupare förståelse för många fenomen kräver goda kunskaper i matematik och fysik.

På en fundamental nivå förstår vi ingenting. Ingen vet t.ex. varför två massor attraherar varandra, varför elektromagnetisk strålning finns eller varför elektronens massa är vad den är.

När det gäller att undervisa i fysik tycker jag att man skall följa nedanstående punkter: alltså börja med naturvetenskapens grundvalar experiment och observationer och inte alltför tidigt teoretisera för mycket. Fysikundervisning utartar alltför ofta i att lösa tillrättalagda problem genom att sätta in värden i en formel. Problemet reduceras då ofta till ett meningslöst gissande vilken formel man skall använda. Det är bättre att koncentrera sig på experiment, och om man skall räkna så skall det vara verklighetsförankrade s.k. kontextrika problem - dvs sådana man ställs inför i verkligheten, se länk 1.

Glöm inte att fysik är en experimentell vetenskap! Albert Einstein (som för de flesta är urtypen av en teoretisk fysiker) har sagt:

"In the matter of physics, the first lessons should contain nothing but what is experimental and interesting to see.
A pretty experiment is in itself often more valuable than twenty formulae extracted from our minds; it is particularly important that a young mind that has yet to find its way about in the world of phenomena should be spared from formulae altogether. In his physics they play exactly the same weird and fearful part as the figures of dates in Universal History."

Den franske matematikern Henri Poincaré hävdade att arbetet med fysik var som att driva ett bibliotek:

"Den experimentella fysiken svarar för förvärven, och det är bara den ensam som kan berika biblioteket. Den matematiska fysiken ska ordna katalogen. Biblioteket blir inte rikare om katalogen är lätt att hitta i, men läsaren kan utnyttja dess rikedomar bättre. Och genom att visa bibliotekarien på luckorna i samlingarna, kan resurserna användas klokt, vilket är helt avgörande, då resurserna alltid är bristfälliga."

För elektromagnetisk strålning är en möjlig utgångspunkt att beskriva användningen av och faran med strålning av olika våglängder, se fråga [15570]. Fråga [13590] ger en starkt förenklad model av vad elektromagnetisk strålning är. Vad gäller experiment med elektromagnetisk strålning är det lättast att begränsa sig till de typer vi kan uppfatta med sinnerna, dvs ljus och värmestrålning.

Nu tillbaka till lite allmänt om fysikens väsen:

1 Experimentera, observera

Detta är grunden för all naturvetenskap. Observationer i modern mening gjordes först av dansken Tycho Brahe (se Tycho_Brahe)under slutet av 1500-talet. Han mätte framför allt planeten Mars' bana. Italienaren Galileo Galilei (se Galileo_Galilei) fortsatte 1609 observationerna av stjärnhimlen med det nyuppfunna teleskopet, men han utförde även många andra experiment framför allt i mekanik.

2 Se släktskap mellan olika fysikaliska fenomen

För många grenar av fysiken, som kan tyckas mycket olika, visar det sig att tolkningen av fenomen ofta har stora likheter. Teoretiska modeller från ett område kan ofta överföras med mindre modifikationer till ett annat. Alla mikroskopiska system (storlek atom och nedåt) styrs i princip av en enda ekvation, schrödingerekvationen.

3 Enkla modeller

För att föreställa sig ett fysikaliskt fenomen använder man sig ofta av enkla modeller. Bohr-atomen, med elektroner som rör sig i banor kring atomkärnan, beskriver en liten del av verkligheten och har därför ett visst värde. Man får emellertid inte övertolka förenklade modeller - modellen är inte verkligheten även om vissa modeller beskriver mätbara värden mycket väl.

4 Begränsa antalet grundläggande lagar

Olika fysikaliska lagar och teorier har olika dignitet eller status. Keplers lagar för planeternas rörelse kan t.ex. härledas från Newtons gravitationslag. Denna senare får därmed en högre status. På samma sätt beskriver Maxwells ekvationer (se ovan) det mesta som har att göra med elektricitet och magnetism, inklusive elektromagnetisk strålning. På så sätt kan vi beskriva världen med ett rimligt antal fundamentala lagar.

Följden Nicolaus Copernicus (idén att jorden kretsade kring solen), Tycho Brahe (noggranna observationer av planeternas rörelser), Galileo Galilei (mekanikförsök och observationer av astronomiska objekt med teleskop), Johannes Kepler (lagar för planetrörelsen) och Isaac Newton (universella gravitationslagen och Newtons rörelselagar) brukar framställas som början till ett modernt arbetssätt i vetenskapen. Detta brukar kallas den vetenskapliga revolutionen (Scientific Revolution, History_of_physicsScientific_Revolution).

Om man följer ovanstående punkter och bara går så långt som elevernas begreppsbild och andra färdigheter tillåter uppkommer inte problemet att läraren egentligen känner att han/hon inte förstår fenomenet fullständigt. Läraren får trösta sig med att det gör ingen!

Några nyckelord i frågelådan som är relevanta för naturvetenskaplig metod:

  vetenskaplig metod

  fysik

  fysikalisk modell

  fysik, förståelse av

  fysik, nytta med

  pseudovetenskap

  parapsykologi

  astrologi
/Peter E 2008-02-12

Svar:
Hej Ali! Bra fråga! Formeln för fotonens energi

E = hv (av konvention använder man oftast v [grekiska ny] för fotonens frekvens)

är ju så djupt rotad i den moderna fysiken att man kanske glömmer vad den kommer ifrån.

När det gäller fysikaliska samband uppkommer de typiskt på ett av två sätt:

1 ett experimentellt uppmätt samband eller lag

2 ett antagande som leder till andra samband som kan verifieras experimentellt

eller en kombination av 1 och 2

När det gäller fotonens energi är det till att börja med fall 2: Max Planck (Max_Planck) gjorde antagandet att energin var proportionell mot frevensen för att härleda ett fungerande uttryck för den den experimentellt observerade fördelningen hos temperaturstrålning (1900), se Plancks strålningslag, speciellt fråga [12397] och Planck's_law (den senare på engelska).

Bilden nedan från Wikimedia Commons Ultraviolet_catastrophe) visar uppmätt temperaturstålning för tre olika temperaturer (nedre kurvorna). Den övre, svarta kurvan visar den klassiska förutsägelsen (Rayleigh–Jeans law). Som synes avviker den senare mycket från den observerade fördelningen, speciellt för korta våglängder.

Plancks uttryck representerade uppmätta data mycket bra även för korta våglängder. Plancks antagande att energin var given av strålningens frekvens var en avvikelse från den klassiska teorin där energin gavs av amplituden hos strålningen. Utan att veta det förebådade Planck den kommande kvantmekaniken.

Einstein var i sin artikel om fotoelektriska effekten (1905) mycket tydlig med kvantiseringen, och införde begreppet foton för en "ljus-partikel". I fråga [2931] visas data för fotoelektriska effekten som visar proportionaliteten mellan energi och frekvens.

Det mest direkta beviset kom genom Bohrs atommodell (1913). Man kunde bygga upp energidiagram där skillnaden i energin mellan två tillstånd var lika med energin hos fotonen som utsändes vid en övergång. Man kunde mäta våglängden och med hjälp av det generella sambandet mellan vågens utbredningshastighet c, våglängden l och frekvensen v

c = lv

verifiera proportionaliteten mellan energi och frekvens. Senare infördes namnet Plancks konstant h för denna proportionalitetskonstant.

År 1923 verifierade Arthur Compton sambandet återigen genom sitt experiment att sprida fotoner på elektroner, se comptonspridning.

Länk 1 är en intressant artikel om Max Planck och länk 2 beskriver den historiska utvecklingen av atomteorin.

/fa

/Peter E 2010-02-23

Svar:
Engelska Wikipedia säger följande om elektromagnetisk strålning:

Electromagnetic radiation (EMR) is a form of radiant energy released by certain electromagnetic processes. Visible light is one type of electromagnetic radiation, other familiar forms are invisible electromagnetic radiations such as X-rays and radio waves.

Classically, EMR consists of electromagnetic waves, which are synchronized oscillations of electric and magnetic fields that propagate at the speed of light. The oscillations of the two fields are perpendicular to each other and perpendicular to the direction of energy and wave propagation, forming a transverse wave. Electromagnetic waves can be characterized by either the frequency or wavelength of their oscillations to form the electromagnetic spectrum. (Electromagnetic_radiation)

Maxwells ekvationer ger en vågekvation där amplituden på stort avstånd från källan (se nedanstående figur) avtar som 1/r. Detta är ditt strålningsfält. Fälten ser ut som i figuren i fråga [15035]. Man ser att E och B svänger i takt.

Nära källan är fälten mycket mer komplicerade eftersom vi har både laddningar och magnetism. Dessa (induktionsfältet) avtar emellertid hastigare än 1/r och försvinner på stort avstånd. Det är alltså bara strålningsfältet, som avtar som 1/r, som överlever på stort avstånd.

Det är alltså amplituden på fälten som avtar som 1/r. Energitransporten ges emellertid av Poyntings vektor (Poynting_vectorPlane_waves):

P = konstExB = konstE²/c,

och avtar, som sig bör, som 1/r².

Se även Electromagnetic_radiationNear_and_far_fields, Electromagnetic_radiationDerivation_from_electromagnetic_theory och fråga [2867].

Hoppas det blev lite klarare, Rose, men detta är inte helt lätt. Bra föreläsningar om Maxwells ekvationer och elektromagnetisk strålning av professor Shankar (Yale) finns under länk 1 och 2. Mot slutet av föreläsning 2 visar föreläsaren hur den magnetiska kraften uppkommer som en relativistisk effekt på laddningar som rör sig. Det var detta som fick Einstein att utveckla sin speciella relativitetsteori.

/Peter E 2015-03-14

Svar:
Därför att mikrovågorna i huvudsak lämnar sin energi (absorberas) av vattenmolekyler, och skorpan innehåller mycket lite vatten medan mjölken innehåller mycket vatten. Se fråga [15744].

Anledningen till att mikrovågor absorberas av vattenmolekyler är att dena molekyl är en elektrisk dipol, dvs positiv och negativ laddning är förskjutna i förhållande till varandra.

En elektrisk dipol är inom fysiken två elektriska laddningar med samma magnitud men olika tecken placerade med ett litet inbördes avstånd.

Figuren nedan från Elektrisk_dipol illustrerar laddningsfördelningen hos vattenmolekylen. Mikrovågorna utgörs av oscillerande elektriska och magnetiska fält. Den elektriska komponenten påverkar molekylerna och sätter dem i svängning. Den ökade rörelseenergin övergår genom kollisioner till värme.

Anledningen till att is värms mycket mindre effektivt än flytande vatten är att molekylerna i vatten är fritt rörliga medan molekylerna i is är bundna till varandra och därmed mindre benägna att "svänga med".

Se även MikrovågsugnTeknisk_bakgrund och Microwave_ovenPrinciples.

/Peter E 2017-12-13