Laetud osakesi ümbritseb elektriväli. Seejuures ei ole vahet, kas laetud osakesed liiguvad või mitte. Kui laengud liiguvad, siis tekib ka magnetväli.

Eelmises peatükis uurisime veel ühte huvitavat olukorda, kus muutuv elektriväli tekitab muutuva magnetvälja, muutuv magnetväli indutseerib muutuva elektrivälja ja viimane omakorda uuesti muutuva magnetvälja. Sellist elektri- ja magnetvälja vastastikku muutumist nimetatakse elektromagnetväljaks. Elektromagnetvälja levimist ruumis nimetatakse elektromagnetlaineks. Elektromagnetlained on näiteks raadiolained, valgus, röntgenkiirgus ja $\gamma$-kiirgus. Elektromagnetlained kannavad edasi elektromagnetvälja energiat, mille hüvesid me naudime soojuse, valguse või siis Bluetoothi ja Wi-Fi näol.

Elektromagnetvälja tekkimiseks on vaja muutuvat elektri- ja magnetvälja. Sellest arusaamiseks uurime olukorda, kus paneme laengud juhtmes või metallvardas elektrivälja mõjul edasi-tagasi liikuma (vt joonis 3.1), st tekitame vahelduvvoolu.

Nii tekib juhtme või metallvarda ümber samas rütmis muutuv magnetväli – kui vool on maksimaalne, on magnetvälja väärtus suurim (joonis 3.1a), kui voolutugevus on null, magnetväli kaob (joonis 3.1b). Selliselt muutuv magnetväli indutseerib muutuva elektrivälja, nagu nägime induktsiooninähtuseid uurides. Muutuv elektriväli omakorda põhjustab muutuva magnetvälja ja nii muudkui edasi. Oleme saanud elektromagnetvälja, mis levib ruumis elektromagnetlainena.

Võib öelda, et elektromagnetkiirgus tekib alati, kui laetud osakesed liiguvad kiirendusega. Aatomid või molekulid kiirgavad elektromagnetkiirgust, kui nende koosseisus olevate laetud osakeste energia ajas muutub. Kuna ka elektronide liikumine juhtmes tähendab nende kineetilise energia muutumist, siis võib üldistavalt öelda, et elektromagnetkiirgus tekib, kui laetud osakeste energia ajas muutub.

Vaatame kolme näidet, kuidas genereeritakse erinevaid elektromagnetlaineid. Esimene on seotud elektronide võnkumisega, teine elektroni energia muutusega ja kolmas elektronide aeglustamisega.

1) Elektromagnetlained, mida kasutatakse näiteks raadio- ja mobiilsides, tekivad elektronide võnkumisel raadiosaatja antennis. Siis toimub elektri- ja magnetvälja vastastikku indutseerimine, nagu kirjeldasime joonise 3.1 juures. Raadiolainete tekitamiseks kasutatakse induktiivpoolist ja kondensaatorist koosnevat võnkeringi (vt lk 82 näidisülesannet), kus elektronid võnguvad raadiolainete tekkimiseks vajaliku sagedusega. Raadiolained levivad vastuvõtja antennini, kus elektronid hakkavad elektromagnetilise induktsiooni tõttu sama sagedusega võnkuma ja nii ongi raadiosignaal edastatud.

2) Nähtava valguse teke on seotud elektronide energiatasemetega aatomis. Valguse kiirgamiseks vajab aatom energiat, et elektron ergastuks ja saavutaks kõrgema energiataseme. Elektroni üleminekul tagasi põhiolekusse kiirgub vastava energiaga valgus.

Joonisel 3.2 on kujutatud elektronide energiatasemeid – suurema energiaga üleminekul kiirgub ka suurema energiaga valgus (joonisel märgitud sinise noolega) ja madalama energiaga üleminekul kiirgub madalama energiaga valgus (joonisel punane nool).

Joonis 3.2 vihjab samuti sellele, et aatom ei saa kiirata igasuguse energiaga valgust – elektron saab liikuda vaid ühelt energiatasemelt teisele, aga mitte nende vahele või vahelt. Samuti peaks olema arusaadav, et aatom kiirgab valgust portsjonite ehk kvantide kaupa – igale elektronide üleminekule vastab üks kvant. Valguse kvantidel on ka spetsiaalne nimi: footon. Footonite ja valguse duaalsusega tutvume täpsemalt selle kursuse lõpus.

Kuidas aga tekib valge valgus? Kuna erinevate keemiliste elementide aatomites või ainete molekulides toimuvad elektronide üleminekud väga erinevate energiatasemete vahel, kiirgavad aatomid erinevat värvi valguseid (erineva energiaga footoneid), mis põhjustabki valge valguse ehk liitvalguse tekke.

3) Röntgenlamp, nagu nimigi ütleb, kiirgab röntgenkiirgust. Röntgenlambi töö põhineb kiiresti liikuvate elektronide ülijärsul pidurdamisel. Sellisel pidurdamisel on elektronide kiirendus palju suurem kui raadiolainete tekitamisel antennis edasitagasi liikudes, nii tekib justnimelt röntgenkiirgus (vt lk 8).

Nagu näidetest näha, on kõikidel juhtudel tegu laetud osakestega ja laetud osakeste energia muutustega.

Katse leeki värvivate sooladega

Uurime erinevat värvi valguste kiirgumist. Selleks on vaja vasesoola, näiteks $CuS{O}_4$, keedusoola $NaCl$, piirituslampi või leeklampi ja silmusega traati, mille abil soola leegis hoida. Leegikatseks saab kasutada suure kontsentratsiooniga soola lahused või soolakristalle. Kui asetame keedusoola sisse kastetud metallsilmuse leeki, värvub leek Na tõttu kollakasoranžiks (joonis 3.3). Kui paneme leeki vasesoola, värvub see sinakasroheliseks. Leegi kuumus ergastab naatriumi ja vase aatomite väliskihi elektrone. Et naatriumi ning vase elektronstruktuurid on erinevad, on ka elektronide üleminekud erinevate energiatega ja aatomitest kiirgub erinevat värvi valgust.

Elektromagnetvälja avastas ja elektromagnetlainete mõiste võttis kasutusele šoti matemaatik ja füüsik James Clerk Maxwell (1831–1879), kes erakordselt andekana avaldas oma esimese teadustöö juba 14-aastaselt ja sai 25-aastaselt Aberdeeni ülikooli professoriks.

Selleks, et mõista elektromagnetlainete omadusi ja nendega seotud nähtusi, tuleb elektromagnetlaineid täpsemalt kirjeldada. Nagu nimigi ütleb, on tegu lainetega – võnkumiste edasikandumisega ruumis. Aga kui heli ja merelainete korral võnguvad aineosakesed, siis elektromagnetlainetes muutuvad perioodiliselt elektrivälja tugevus ja magnetinduktsioon. Võime ka öelda, et võnguvad väljasid kirjeldavad $E$- ja $B$-vektorid.

Elektromagnetvälja $E$- ja $B$-vektorid võnguvad üksteise suhtes risti (vt joonis 3.4), sest magnetväli on alati risti teda põhjustava elektrivoolu suunaga ja induktsioonivoolu suund (samuti ka elektriväli) on risti seda põhjustava muutuva magnetväljaga. Laine ise levib risti võnkuvate $E$- ja $B$-vektoritega.

Jooniselt 3.4 on näha elektri- ja magnetvälja vektorite võnkumise ja laine levimise suund, vastavalt $y$-, $z$- ja $x$-telje suunas. Elektromagnetlained on ristlained, sest väli võngub risti laine levimissuunaga.

Elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis on võrdne valguse kiirusega:

Elektromagnetlainete kiirus õhus on

Paneme tähele, et erinevus võrreldes elektromagnetlainete kiirusega vaakumis on tühine ja oma arvutustes me seda arvestama ei pea.

Igapäevaelust teame, et kõik elektromagnetlained pole samade omadustega. Näiteks UV-kiirgus on nahale kahjulik ja röntgenkiirgus läbib kehasid, mida nähtav valgus läbistada ei saa. Millised füüsikalised suurused eristavad elektromagnetlaineid? Järgnevalt anname sellest ülevaate.

a) Lainepikkus $\lambda$ (kreeka tähestiku lambda). Lainepikkust saab mõõta näiteks kahe laineharja vahelise kaugusena (joonis 3.5). Raadiosaadete edastamiseks kasutatavate raadiolainete lainepikkus on vahemikus kaks kuni kolm meetrit.

b) Võnkesagedus $f$ näitab täisvõngete arvu sekundis mõõdetuna hertsides. Bluetooth kasutab mikrolaineid sagedusel $2,4$ kuni $2,5GHz$.

c) Elektromagnetlaine energia on võrdeline elektromagnetlainete sagedusega. Mida suurem on sagedus, seda suurem on vastava kiirguse footoni energia. Kuna sinisel valgusel on suurem sagedus kui punasel valgusel, on sinise valguse footoni energia suurem. Seega on punase viipelaseri kasutamine esitlustel ohutum.

d) Võnkeperiood $T$ näitab ühe täisvõnke kestust sekundites. Elektromagnetlainete korral võnguvad välja $E$- ja $B$-vektorid väga kiiresti, näiteks raadiolainete korral teevad nad ühe täisvõnke ligikaudu ${10}^{–8}$ sekundiga.

e) Võnkeamplituud on mehaaniliste lainete korral näiteks võnkuva osakese maksimaalne kaugus tasakaaluasendist. Elektromagnetlainete korral on võnkeamplituud $E$- või $B$-vektori maksimaalne väärtus (joonis 3.6).

f) Elektromagnetlaine intensiivsus mingil pinnal on pinnaühiku kohta tulev energiaülekande keskmine kiirus, st kiirus, millega elektromagnetlained kannavad pinnaühikule energiat. Heli korral on sama füüsikalise sisuga termin heli valjus. Elektromagnetlainete intensiivsus on seotud $E$-vektori võnkeamplituudiga, suurem võnkeamplituud tähendab suuremat intensiivsust. Elektromagnetlainete intensiivsus on oluline näiteks mobiilside levis, kus raadiolainete suurem intensiivsus tähendab suurema energia neeldumist telefonis, mis tähendab suuremat indutseeritud elektrivoolu ja järelikult ka paremat levi. Kui nähtav valgus on väga intensiivne, on see silmadele ohtlik, sest suurem amplituud tähendab suuremat energiat, mis võib rakkudes neeldudes neid kahjustada.

Vaatame, kuidas on omavahel seotud eelpool kirjeldatud füüsikalised suurused. Mistahes laine kiirus $v$ avaldub kujul

kus lambda on lainepikkus ja $T$ on laine võnkeperiood. Lainete sagedus ja periood on omavahel pöördvõrdeliselt seotud:

Et sagedus on elektromagnetlainete kirjeldamisel kasutatavaim suurus, asendame selle laine kiiruse valemisse võnkeperioodi asemele. Asendades ka kiiruse $v$ elektromagnetlainete kiirusega $c$, saame

Joonisel 3.8 on esitatud elektromagnetlainete spekter, kuhu on märgitud elektromagnetlainete liigid. Lained on järjestatud ülevalt alla energia vähenemise (sageduse vähenemise ja lainepikkuse kasvu) järjekorras. Skaaladel on esitatud elektromagnetlainete lainepikkuste ja sageduste vahemikud ning suuremaks on suumitud nähtava valguse lainepikkuste, samuti ka mikro- ja raadiolainete sageduste skaala.

Tehnikas kirjeldatakse raadio- ja mikrolaineid pigem sageduste ning valgust lainepikkuste kaudu. Nii saame otsida raadiojaamu kindlate sageduste järgi ja laseritele on peale märgitud kiiratava valguse lainepikkus.

Seega saab elektromagnetlaineid liigitada sageduste (või lainepikkuste) alusel, aga kui sageduste piirkonnad kattuvad, siis pigem kiirgusallika järgi. Nii kattuvad osaliselt gamma- ja röntgenkiirguse sagedused, aga gammakiirgust kiirgab aatomituum ja röntgenkiirgust aatomi elektronkate. Mobiilsides kasutatakse sagedusi, mis jäävad nii raadio- kui ka mikrolainete sageduste alasse, samuti kattuvad osaliselt UV- ja röntgenkiirguse sagedused.

Et paremini näitlikustada, kui olulised on inimkonna jaoks elektromagnetlained, olgu välja toodud elektromagnetlainete olulisemad rakendused.

Gammakiirgus kaasneb aatomituumade radioaktiivse muundumisega ja on kõige suurema energiaga kiirgus. Gammakiirgust kasutatakse meditsiinis vähihaigete ravis ja sellega desinfitseeritakse kirurgilisi vahendeid.

Röntgenkiirgus tekib suure kineetilise energiaga elektronide pidurdumisel või kui põhiolekusse liiguvad elektronid, mis pärinevad aatomi elektronkatte sisemistest kihtidest. Röntgenkiirguse läbimisvõime sõltub materjalist, mistõttu saab seda kasutada lennujaamade pagasikontrollis ja meditsiinis. Restaureerimisel avastatakse röntgenkiirguse abil vanade maalide erinevaid kihte, sest värvipigmendid sisaldavad metallide ja raskemetallide ühendeid, mida kiirgus erinevalt läbib.

Ultraviolettkiirgus tekib sarnaselt nähtava valgusega elektronide ergastamisel ja üleminekul tagasi põhiolekusse, aga need üleminekud on oluliselt suurema energiaga. Suurema sagedusega UV-lampidega steriliseeritakse haiglaruume ja mikrobioloogia laboreid, väiksema sagedusega UV-lampe kasutatakse nahadiagnostikas, aga ka solaariumites. UV-kiirgus on nahavähi tekke üks peamisi faktoreid ja seega tuleb üleliigsest päevitamisest hoiduda. Mõõdukas UV-kiirgus on oluline D-vitamiini sünteesiks.

Ultraviolettkiirgusel on võime põhjustada valgustundlike ainete helendust – fotoluminestsentsi. Seda omadust kasutatakse päevavalguslampide torudes, kus elektrivoolu toimel ergastatud elavhõbeda aatomitest kiirgunud UV-kiirgus paneb helendama toru sisepinnale kantud aine (luminofoori).

Nähtav valgus on elektromagnetlainetest meile ainukesena nähtav, sest silma võrkkesta valgustundlikud rakud reageerivad just selles sageduste vahemikus oleva elektromagnetlaine elektrivälja komponendile. Valgusaisting moodustub valgustundlike rakkude ehk kolvikeste koostöös. Inimese silmas neelavad kolme sorti kolvikesed valgust kolmes erinevas lainepikkuste vahemikus (joonis 3.9), kus iga vahemik vastab ühele põhivärvile: sinisele, rohelisele või punasele. Värviaisting kujunebki eri tüüpi kolvikeste reaktsiooni intensiivsustest.

Erinevad inimesed võivad tajuda värve pisut erinevalt, sest kolmele põhivärvusele tundlike nägemisrakkude suhtarv ei ole sama. Nii võib ühel inimesel olla rohkem rohelisele valgusele ja teisel punasele valgusele tundlikke kolvikesi ja seetõttu võib valgusaisting samast objektist olla erinev.

Tänu kolvikeste tundlikkusele ja nende n-ö koostööle on inimesed võimelised eristama kuni $10$ miljonit värvitooni. Kõige tundlikum on inimese silm rohelisele valgusele, sest kolvikesed, mis vastavat signaali meile ajju saadavad, on tundlikud väga laias lainepikkuste vahemikus (joonis 3.9).

Nähtavat valgust kiirgavaid lasereid kasutatakse väga paljudes valdkondades: metallide töötlemine ja lõikamine, meditsiinis saab laseritega parandada inimese nägemiskvaliteeti ja teostada n-ö noavabu operatsioone. DVD- ja CD-mängijates rakendatakse laserit plaadi lugemisel.

Infrapunakiirgus (IP-kiirgus) tekib, kui muutub molekulide ja aatomite võnkumis- või pöörlemisolek. IP-kiirgust ei tohi samastada soojuskiirgusega. Soojusena me tajume ainult seda osa IP-kiirgusest, mille sagedus vastab meie keha molekulide ja aatomite soojusliikumise võnkesagedustele. See tähendab, et me tajume IP-kiirgust soojusena, kui see neeldub meie organismi molekulides, pannes need kiiremini võnkuma.

Miks peavad IP-kiirguse ja molekulide võnkesagedused üksteisele vastama? See on teine koht, kus siin õpikus mainime elektromagnetlainete kvante ehk footoneid. Molekulide võnkumist võib võrrelda kiigega. Kui tahame kiigele hoogu anda, peame seda tegema sama sagedusega, millega konkreetne kiik kiikuda saab. Selleks, et molekuli võnkumist muuta, peab molekuli tabama „õige“ energiaga footon, et toimuks molekuli üleminek kõrgemale energiatasemele ja molekul hakkaks kiiremini võnkuma. Kui hooandmise sagedus on väiksem või suurem, ei saa me kiike liikuma (võnkuma), ja
kui footoni sagedus on liiga suur või väike, ei neeldu see antud molekulis. IP-kiirgusi vahemikus $1300–1600nm$ kasutatakse kiudoptilistes kaablites. Teleri ja muude elektrooniliste seadmete pultides kasutatakse IP-kiirgust lainepikkusega $940nm$.

Mikrolaineid teame peamiselt mikrolaineahju kaudu, kus tänu mikrolainelise kiirguse neeldumisele hakkavad toiduainetes molekulid kiiremini võnkuma, põhjustades toidu soojenemist. Mikrolaineid  kasutatakse mobiilside, Wi-Fi (ingl wireless fidelity), GPSi, satelliitide ja radarite töös. Bluetooth-tehnoloogia ja 5G-side töötab samuti mikrolainelisel sagedusel. Eesliide „mikro“ ei tulene mikromeetrist, mis on ${10}^{–6}m$, vaid sellest, et on algselt tähistanud raadiolainete kõige lühemalainelist osa (ld mikro ’väike’).

Raadiolaineid kasutatakse raadio- ja televisioonikanalite signaali edastamiseks. Raadiolaineid eristab teistest elektromagnetlainetest see, et nad ei neeldu materjalides. Raadiolained peegelduvad elektrijuhtidelt ja läbivad dielektrikuid, seega näiteks on betoon, puit, klaas ja plastmass raadiolainele läbipaistvad. Raadiolainete sageduste kasutamine on nii rahvusvaheliselt kui ka riigisiseselt väga täpselt reguleeritud. Kui näiteks ehitada ise raadiosaatja või -vastuvõtja, siis tohib seda kasutada ainult raadioamatööridele mõeldud sagedusalal.

Miks kehad soojenevad IP-kiirguse ja nähtava valguse toimel? Miks UV-kiirgus suvel juukseid pleegitab? Miks Päikeselt tulev röntgenkiirgus neeldub täielikult Maa atmosfääris, aga nähtav valgus praktiliselt mitte? Millist valgust kasutatakse valguskaablis, et edastatav signaal ei neelduks plastikkius? Selleks, et neile küsimustele vastata, peame uurima, miks ja kuidas elektromagnetlained aines neelduvad.

Selleks, et elektromagnetlained aines neelduksid, peab toimuma elektromagnetlaine energia ülekandumine aineosakestele. Nii võib neeldunud elektromagnetlaine energia arvelt a) keha soojeneda, kui osakeste kineetiline energia kasvab, või b) toimuda keemilised reaktsioonid, sest kiirgus ioniseerib aineosakesi või lõhub aatomitevahelist keemilist sidet.

Aine neelab elektromagnetlaine footoni ja soojeneb, kui neeldunud footoni energia klapib energiaga, mis on vajalik aineosakeste võnke- või pöörlemisoleku muutmiseks. Näiteks mikrolainete sagedus on sobiv, et panna kiiremini võnkuma vee- ja orgaaniliste ainete molekulid, mistõttu mikrolaineahju kiirgus neeldub toidus ja toit soojeneb.

Aines toimuvad kiirguse toimel keemilised reaktsioonid, kui kiirguse footoni energia on samas suurusjärgus keemilise sideme energiaga. UV-kiirgus põhjustab näiteks keemilise sideme katkemist osooni ($O_3$) molekulis ja seetõttu valdav osa UV-kiirgusest osoonikihis neeldubki.

Aines toimuvad keemilised muutused ka siis, kui keemiline side ei katke, aga molekulidest lüüakse välja elektrone – toimub aineosakeste ioniseerimine. Tekkinud osakesed on keemiliselt aktiivsed ja võivad põhjustada erinevaid keemilisi reaktsioone. Röntgenpildi tegemisel neeldub kiirgus inimese kudedes – rohkem luukoes ja vähem pehmetes kudedes. Röntgenkiirguse energia on piisav kas
elektronide välja löömiseks molekulidest või keemilise sideme lõhkumiseks. Seetõttu ongi nimetatud kiirgus inimesele ohtlik, sest keemilised muutused molekulides põhjustavad ka muutusi vastavate kudede talitluses.

Kosmosest lähtuvad röntgen- ja gammakiirgused neelduvad Maa atmosfääris, ioniseerides Maa atmosfääri kõrgemaid kihte. Seda atmosfäärikihti nimetatakse ionosfääriks.

Suurema footonienergiaga elektromagnetlained (UV-, röntgen- ja gammakiirgused) põhjustavad ainetes pigem keemilisi muutusi, sest need footoni energiad on suuremad molekulide võnkumissageduse kasvuks vajaminevatest energiatest. Madalama energiaga elektromagnetlained (nähtav valgus, IP-kiirgus ja mikrolained) põhjustavad neeldumisel pigem soojuslikke muutusi. Raadiolainete footonite energia ei ole piisav ei aineosakeste võnkeolekute muutmiseks ega ka keemiliste sidemete lõhkumiseks, seega raadiolained aines ei neeldu.

Näidisülesanne

Miks tuhmuvad kaua päikesevalguses seisnud kuulutuste ja reklaamide värvid ja alles jäävad pigem sinakad ja violetsed toonid?

Lahendus

Valge valgus on liitvalgus ja sisaldab kõiki värvuseid ehk elektromagnetlainete spektri nähtava piirkonna komponente. Joonisel 3.11 on toodud valge valguse spekter. Põhikoolis õppisime, et värvilised kehad paistavad sellepärast värvilised, et mõne värvusega valgust keha pind peegeldab, aga mõnda neelab. Sinine pind peegeldab sinist valgust ja neelab suurema lainepikkusega ning seega väiksema footonienergiaga valgust. Seevastu punane värv peegeldab punast valgust, aga neelab väiksema lainepikkusega, seega suurema footoni energiaga valgust. Kuna suurema footonienergiaga elektromagnetlaine põhjustab neeldumisel enam keemilisi muutusi, pleegivadki esmalt punakad-kollakad toonid ja kauem püsivad trükiste sinakad toonid.

Polaroidprillid, vedelkristallidega ekraan (LCD, ingl liquid-crystal display) ja 3D-prillid on meile tuttavad valguse polarisatsiooniga seotud rakendused. Polarisatsiooni nähtus on seletatav elektromagnetvälja $E$- ja $B$-vektori võnketasandiga. Kui elektrivälja ja magnetvälja vektorid võnguvad muutumatult samas tasandis, on tegu polariseeritud elektromagnetlainega, nagu on näha joonisel 3.12a.

Kui me vaataks väljade võnkumist x-telje sihis, näeksime järgmist pilti (joonis 3.12b), kus $E$- ja $B$-vektorid võnguvad kumbki omas tasandis, mis on üksteisega risti ja risti ka laine levimise suunaga. Kuna polarisatsiooni rakenduste juures on olulisem just elektriväli, siis edaspidi vaatlemegi elektrivälja vektorite võnketasandeid.

Tavaline valgus, mida kiirgavad erinevad valgusallikad, on polariseerimata, sest valgusvihu elektriväljad võnguvad kõikides ruumisuundades, nagu on kujutatud joonisel 3.13a.

Raadioantenni kiiratud raadiolained on polariseeritud ja elektrivälja võnketasand on antenni-sihiline. Joonisel 3.13b on kujutatud täielikult polariseeritud elektromagnetlainet.

Näidisülesanne

Miks peab raadiolaineid vastu võttev antenn olema saateantenniga paralleelne?

Lahendus

Nende antennide paigutus on seotud raadiolainete polarisatsiooniga. Vastuvõtuantenni elektronid hakkavad võnkuma antennini jõudnud elektrivälja sihiliselt (joonis 3.14) ja sama sagedusega. Kui antenn on risti elektriväljaga, elektronid võnkuma ei hakka, signaali vastuvõttu ei toimu või signaal on väga nõrk.

Raadiolained on juba genereerimisel polariseeritud, kuna elektrivool võngub raadiosaatja antennis vaid ühes kindlas sihis. Kuidas saadakse tavalisest valgusest polariseeritud valgus? Looduses polariseerub valgus dielektrikute pindadelt peegeldudes. Näiteks asfaldilt või veepinnalt peegeldunud valgus on osaliselt polariseeritud, see tähendab, et peegeldunud valgusvihus on võnkumine suuremalt jaolt ühes tasandis (vaatleja suhtes horisontaaltasandis), aga lisandub vähesel määral ka teistes suundades võnkumisi. Osaliselt polariseerunud on ka õhumolekulidelt hajunud valgus.

Kõige lihtsamalt saab valgust polariseerida polaroididega. Polaroid on materjal, millest läbi tulnud valguse elektrivälja $E$-vektor võngub ainult ühes võnketasandis. See tähendab, et kui kasutada näiteks polaroidprille, tuleb sealt läbi ligikaudu pool valgusest ja ülejäänud neeldub polaroidi koostisaine molekulides, andes valgusenergia üle keemilise sideme elektronidele.

Polaroidi kujutamiseks joonisel kasutame triibustikku, mis tähistab polaroidi läbilasketasandit ja seega näitab, millises sihis võnkuvat valgust polaroid läbi laseb. Joonisel 3.15a on näidatud polariseeritud valguse levimist läbi polaroidi. Polaroid laseb läbi ainult läbilasketasandiga samas tasandis võnkuvaid laineid. Kui hoida polaroidi läbilasketasand ja valguse $E$-vektori võnketasand üksteise suhtes risti, nagu joonisel 3.15b, siis valgus polaroidist läbi ei pääse.

Polaroide kasutatakse erinevates valdkondades, teadusest meelelahutuseni. Näiteks vedelkristallekraanide (LCD) töös, osades 3D-prillides ja optiliselt aktiivsete ainete uurimisel. Optiliselt aktiivsed ained lasevad valgust läbi veidi ebatavalisel kombel. Näiteks pöörab optiliselt aktiivse sahharoosi ehk tavalise suhkru lahus polariseeritud valguse võnketasandit ja seda rohkem, mida kontsentreeritum on suhkrulahus.

Vedelkristallekraanid

Vedelkristallekraanide pikslites on põhiosadeks optiliselt aktiivsed vedelkristallid ja polaroidid. Joonisel 3.16a on kujutatud ekraani ühe piksli läbilõike skeem. Reservuaari paigutatud vedelkristallid (2) paiknevad kahe polaroidi (1 ja 3) vahel, mille läbilasketasandid on üksteise suhtes risti. Valgus läbib esimest polaroidi (1), seejärel pööravad vedelkristallid (2) elektrivälja puudumisel valguse võnketasandit ${90}^{\circ }$ võrra, nii et valgus läbib ka teist polaroidi (3). Kui vedelkristalle (2) elektriväljaga mõjutada (joonis 3.16b), orienteerub nende polarisatsioonitasand elektrivälja suunas ja valgus enam teist polaroidi ei läbi. Nii saame elektrivälja tugevust (pinget vedelkristalli klemmidel) muutes erineva heledusega piksli. Kui piksel sisaldab ka värvifiltrit (4), saame erineva heledusega sinise, punase või rohelise piksli.

Kui uurida arvuti või mõne muu nutiseadme ekraani mikroskoobiga, näeme siniseid, punaseid ja rohelisi ruudu- või ristkülikukujulisi piksleid. Pikslite valguste intensiivsused määravad ära ekraani värvi. Polaroidide kasutamise tõttu on vedelkristallkuvari valgus polariseeritud.

Võib juhtuda, et telefoni levi on ruumi eri piirkondades üsna erinev. Miks on mõnes kohas signaal tugev ja teises kohas väga nõrk? Kuidas on selline nähtus seotud elektromagnetlainete omaduste ja levimisega ruumis?

Kõikidel lainetel on omadus liituda, moodustades antud ruumipunktis uue laine, mille amplituud erineb liituvate lainete amplituudidest. Veelainete liitumisel moodustub kõrgema ja madalama laineharjaga laineid. Kahest kõlarist lähtuvate helilainete liitumisel võib täheldada ruumi erinevates punktides kas valjemat või vaiksemat heli. Kuna liitumisel amplituud muutub, muutub ka laine intensiivsus, heli puhul heli valjus.

Lainete liitumise nähtust nimetatakse interferentsiks.

Uurime lähemalt, kuidas toimub elektromagnetlainete liitumine. Lihtsustame olukorda ja vaatleme ainult kahte laineharja, mis kuuluvad üksteisele vastu liikuvatele elektromagnetlainetele. Joonisel 3.17 on kujutatud kahte laineharja, mille liikumissuunad on märgitud noolega laineharja kohale.

Laine võnkeamplituud on seotud elektrivälja tugevusega ja joonisele on laineharjade amplituudid märgitud $E$-vektorina (${\overrightarrow{E}}_1$ ja ${\overrightarrow{E}}_2$). Lainete kattumisel $E$-vektorid liituvad, moodustades suurema amplituudi, mille väärtus on nüüd

Laineharjade edasi liikumisel taastub esialgne amplituud. Kui on tegemist lainetega, siis liitumine toimub sarnaselt, aga on tervikpildina keerulisem.

Lainete interferentsi on lihtsam jälgida, kui lained on koherentsed, see tähendab, et nende $E$-vektorite muutumist on võimalik kirjeldada pikkade katkematute sinusoidaalsete võnkumistena, millel on ühesugused lainepikkused (ja sagedused). Valguslained, mida kiirgavad lambid, küünlad ja Päike, pole koherentsed, sest kiirgumine toimub piltlikult kirjeldades lühikeste lainejuppidena, mille faasid on üksteise suhtes juhuslikult nihkes. Sama sagedusega raadiojaamade raadiolained ja laserikiire valguslained on koherentsed.

2. näidisülesanne

Kas joonisel 3.19 esitatud lainete paarid on 1) koherentsed ja 2) samas faasis?

Lahendus

a) Lained on koherentsed ja nende sagedus ning lainepikkus on samad, aga lained on vastandfaasis;
b) lained on koherentsed ja samas faasis; amplituud on erinev;
c) lained pole koherentsed, sest sagedused ja lainepikkused erinevad, samal põhjusel pole lained faasis.

Uurime joonise 3.20 abil koherentsete lainete interferentsi.

Olgu meil kiirgajaks kaks raadiosaatjat $1$ ja $2$, mis kiirgavad sama sageduse ja lainepikkusega laineid. Laineharjad, mida ruumiliste lainete korral on tavaks nimetada lainefrontideks, on joonisel tähistatud kaarjoontega. Neis punktides, kus kohtuvad samas faasis olevad laineharjad, on tegu maksimaalse amplituudiga (joonisel tähistatud tähega $A$) ehk konstruktiivse interferentsiga. Punktides, mis on tähistatud tähega $B$, nullivad vastandfaasis olevad lained üksteise amplituudid ja tegu on destruktiivse interferentsiga.

Seega, kui me liigutaks vastuvõtjat punktide $A$ ja $B$ vahel, muutuks signaal maksimaalsest minimaalseks. Kuna tegu on kahe koherentse lainega, tekib lainete liitumisel maksimumide ja miinimumide korrapärane muster, n-ö interferentsipilt.

Interferentsi nähtusega peab arvestama raadiosides, sest sarnased lained interfereeruvad ja võivad muuta signaali tugevust. Seetõttu on jaotatud raadio- ja mikrolainete sagedusalad riigi seadusandlusega. Raadio- ja mikrolained võivad interfereeruda metallide pinnalt peegeldunud lainetega, mistõttu on mõnes ruumipunktis signaal tugev, aga mõnes kohas võib sootuks puududa.

Looduses annab valguslainete interferents paabulinnu sulgedele ja liblikatiibadele kaunid värvid, mis on seotud valguse peegeldumisega sulgede või tiibade kattekihi erinevatelt osadelt ja nendelt peegeldunud valguste interferentsiga.

Teaduses on elektromagnetlainete interferentsi kaasabil tehtud olulisi avastusi, näiteks DNA struktuuri või gravitatsioonilainete tuvastamine.

Gravitatsioonilained

Kui kaks musta auku, mis on kahe hiidtähe lõppfaasid, üksteise ümber tiireldes lõpuks ülisuure kiirendusega kokku kukuvad, tekib tohutu suure energia muutuse tõttu gravitatsioonilaine, mille olemasolu prognoosis juba Albert Einstein oma üldrelatiivsusteoorias. Otseselt on õnnestunud gravitatsioonilaineid „näha“ tänu LIGO eksperimendile. LIGO on akronüüm ingliskeelsest nimest Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Interferomeeter on seade, kus kasutatakse laserkiirte interferentsi nii materjalide kui ka optiliste nähtuste uurimiseks. LIGO katses eeldati, et gravitatsioonilaine tõttu muutub interferomeetris laservalguse faas, mistõttu saab interferentsi muutuse abil tuvastada gravitatsioonilaineid.

Joonisel 3.21 on esitatud interferomeetri põhikomponendid. Interferomeetri L-kujulised harud on $4km$ pikkused ja seade on ehitatud äärmise täpsusega. Interferomeeter (joonisel 3.21) koosneb laserist $L$ ja poolläbilaskvast peeglist $P$, mis jaotab koherentse laserkiire kahte kimpu. Kiired peegelduvad peeglitelt $P_1$ ja $P_2$. Läbides poolläbilaskvat peeglit või sellelt peegeldudes, kohtuvad kiired ja tekitavad detektorile $D$ lainete liitumisel valgustäpi, nagu on näidatud joonisel 3.21b. Kui gravitatsioonilaine $GL$ jõuab LIGO interferomeetrini, põhjustab see ühe interferomeetri õla lühenemist, mis omakorda põhjustab valguslaine faasi muutuse. Valguslaine jõuab ekraanini vastandfaasis ja signaal ekraanil kaob.

Gravitatsioonilainete vahetu mõõtmine on avanud nii astrofüüsikas kui ka osakeste füüsikas uusi võimalusi universumi koostise ja arengu uurimiseks.

Interferentsi nähtus on omane kõikidele lainetele. Merelained ja helilained liituvad samuti, andes interferentsi miinimume ja maksimume. Destruktiivset interferentsi kasutatakse müra summutavates kõrvaklappides, kus genereeritakse registreeritud müra baasil täpselt vastandfaasis võnkuv heli, mis interfereerudes müra suures ulatuses summutab.

Bioloogias kasutatavate valgusmikroskoopide abil saab näha objekte, mille mõõtmed on ligikaudu pool valguse lainepikkusest ehk $250nm=0,25\mu m$. Seega valgusmikroskoobiga saab uurida rakke ja baktereid (suurusvahemikus $1–100\mu m$), aga viiruseid ja makromolekule enam mitte (suuruses $10–100nm$). Mis seab piirid valgusmikroskoopiale? Piirid seab valguse laineline iseloom ja lainete levimisel esinev difraktsioon.

Põhikoolis uurisime valguse levimist valguskiirte abil. Selles käsitluses tekitab näiteks punktvalgusallika kiiratud valgus tõkete taha täisvarju, sest sirgjooneliselt leviv valgus tõkete taha kuidagi ei pääse. Difraktsioon on nähtus, kus laine, jõudes tõkkeni, levib ka tõkke taha (joonis 3.22).

Helilainete difraktsiooni tõttu kuuleme näiteks läbi avatud akna tänaval rääkivaid inimesi, ehkki me ei näe neid, kes juttu ajavad. Nüüd teame, et ka valgus on laine.

Valguse difraktsioon esineb kõikide takistuste korral, aga nähtus on paremini jälgitav, kui ava või tõke on valguse lainepikkusega enam-vähem võrdne. Võib ka öelda, et valguse käsitlemine lainetena ja difraktsiooni uurimine lubab meil valguse levimist tundma õppida täpsemalt, kui see on võimalik valguse käsitlemisel valguskiirte kimbuna.

Joonisel 3.23 on kujutatud kahe erineva suurusega ava. Mõlemal juhul on laineharjad kujutatud heleda joonega. Joonisel 3.23a on ava laius võrdne lainepikkusega, joonisel 3.23b aga mitu korda suurem. Joonisel 3.23a muudab suurem osa valgusest suunda, joonisel 3.23b vastupidi, enamus valgusest levib sirgjooneliselt edasi.

Difraktsiooni korral valguse lainepikkus ja levimiskiirus ei muutu. Valguse amplituud, seega ka intensiivsus väheneb, sest valgus kandub järjest suuremale alale. Sarnaselt märkame, et kui heli lähtub toast läbi akna ja kaugeneb majast, väheneb heli valjus.

1. näidisülesanne

Miks ei saa mikroskoobiga vaadelda näiteks viiruseid või antikehi?

Lahendus

Vastamiseks uurime joonist 3.24, kus lainefrondid on tähistatud siniste joontega ja uuritav objekt mustana. Bioloogiliste objektide vaatlemine läbi mikroskoobi põhineb õhukese preparaatide läbivalgustamisel ja objektiivi tekitatud kujutise suurendamisel. Kujutiste piirjooned peavad olema teravad. Kui objekt on palju suurem valguse lainepikkusest (joonis 3.24a), siis enamus valgusest levib sirgjoonelisest ja objekti taha tekib terav vari. Kui uuritava objekti suurus on võrreldav valguse lainepikkusega (joonis 3.24b), muutub objekti vari häguseks või kaob hoopis. Mikroskoobiga ei saa vaadelda objekte, mille mõõtmed on väiksemad kui valguse lainepikkus, mida mikroskoobis kasutatakse, sest mistahes punkti kujutise mõõtmed on määratud valguse lainepikkusega – need ei saa olla väiksemad lainepikkusest.

Optilistes riistades, nagu mikroskoobid ja teleskoobid, seab just valguse laineline iseloom ja difraktsioon piirid nii kujutise teravusele kui ka kogu süsteemi lahutusvõimele. Valguse kui laine leviku uurimisel on difraktsioon lahutamatult seotud interferentsiga.

Interferentsi peatükis lk 106 uurisime jooniselt 3.20 kahe koherentse raadiolaine interferentsi. Sarnase pildi saame ka siis, kui asetame valguse teele tõkke, milles on kaks kitsast pilu. Kui pilude laiused on võrreldavad valguse lainepikkusega, peame piludest läbi läinud valguse levimise uurimisel arvestama difraktsiooniga. Olukorda on kujutatud joonisel 3.25.

Näeme, et tõkke taga moodustub kaks hajuvat lainet, mis teatud kaugusel tõkkest alates servast kattuvad (joonis 3.25a). Kuna tekkinud lained on koherentsed, annavad nad liitumisel korrapärase mustri, st ekraanile tekib interferentsipilt (joonis 3.25b). Interferentsipildil näeme:

a) vaheldumisi heledaid ja tumedaid triipe. Heledamatel aladel on lained liitunud samas faasis ja tumedatel on lained liitunud vastandfaasis;
b) keskmised triibud on suurema intensiivsusega kui äärmised. Valgusenergia kandumisel suuremale alale, st otsesihist kaugemale väheneb laine amplituud ja seega ka valguse intensiivsus. Seetõttu ongi äärmised jooned tuhmimad.

Katse laservalguse difraktsiooni ja interferentsi uurimiseks

Katseks läheb vaja laserit, näiteks laserpointerit, õhukest pappi, vaibanuga, statiivi, näpitsaid ja ekraani.

Lõika ettevaatlikult papitüki sisse kaks võimalikult lähestikku paiknevat paralleelset pilu. Pilud peaksid olema võimalikult kitsad, st silmale vaevu nähtavad. Kinnita piludega papitükk ja laser statiividele ning suuna laseri valgus piludele nii, et laseri valguskimp kataks mõlemad korraga (joonis 3.26). Ekraaniks võib kasutada klassiseina, aga võib teha ka eraldi valgest paberist ekraani. Parima pildi saamiseks nihuta katsevahendeid üksteise suhtes. Uuri tekkinud interferentsipilti (tee sellest foto).

Katset võib edasi arendada, lisades pilusid, teha pilude asemel nõelaga auke neid erinevalt paigutades või uurida erinevate lainepikkustega laserite difraktsiooni.

NB! Laseriga tuleb olla ettevaatlik, et laseri valgus silma ei satuks. Laserikiir on tasalaine, kiirteoptikas tuntud kui tasaparelleelne kiirtekimp, ja silmalääts koondab selle silma võrkkestal väga väikeseks punktiks. Seetõttu on laserivalguse intensiivsus selles punktis väga suur ja silma võrkkestale võib tekkida püsiv kahjustus. Ära kunagi vaata otse laserisse! Ära kunagi suuna laserit kellegi poole!

Valguse difraktsioon toimub kõigil valguse teele jäävatel tõketel. Samas on selle jälgimiseks vaja koherentset valgust. Nii on näiteks põnev uurida laservalguse difraktsiooni juuksekarvalt.

Valguse murdumise seaduspärasusi oleme õppinud 8. klassi valgusõpetuses. Valguse murdumine teeb võimalikuks valguse koondamise kumerläätse abil või selle hajutamise nõgusläätse abil. Valguse murdumise tõttu atmosfääris näib loojuv päike mõnikord horisontaalsihis lapergune. Kas murdumine on omane ainult nähtavale valgusele või murduvad üleminekul teise keskkonda kõik elektromagnetlained?

Klaasprisma ja spektrid

Kui suunata nähtav valgus klaasprismasse (joonis 3.27), murdub kõige rohkem violetne valgus ja kõige vähem punane valgus. Kuidas aga murduvad UV- ja IP-kiirgused?

1800. aastal avastas Frederick William Herschel (1738–1822) infrapunakiirguse, uurides erinevate valguste soojuslikku toimet nende neeldumisel tumedas materjalis. Ta lahutas prisma abil valge valguse spektriks ja asetas siis tumedaks värvitud termomeetreid erinevatesse spektri osadesse. Kõige kõrgem temperatuur oli piirkonnas, kus lõppes punase spektri osa ja puudus igasugune nähtav valgus. Seega joonisel 3.26 piirkonda $1$ murdub IP-kiirgus ja seda saab tõestada termomeetriga.

Joonise 3.27 piirkonda $2$ murdub UV-kiirgus. Kuna UV-kiirgus tekitab neeldumisel pigem keemilisi muutusi kui paneb molekule kiiremini võnkuma, saab UV-kiirguse murdumist tõestada fotokeemilise reaktsiooniga – reaktsiooniga, mis vajab toimumiseks valgust. Aastal 1801 UV-kiirguse avastanud Johann Wilhelm Ritter (1776–1810) kasutas erinevate valguste keemilise toime uurimiseks hõbekloriidi tumenemist valguse mõjul. Mida suurema energiaga valgus, seda intensiivsem on hõbekloriidist pulbrilise musta värvi hõbeda teke. Katses muutus mustaks kõige kiiremini ala, mis jäi violetse spektriosa taha (joonisel 3.27 piirkond $2$) ja UV-kiirgus oligi avastatud.

Katsed on näidanud, et üleminekul teise keskkonda võivad murduda kõik elektromagnetlained. Kõige rohkem rakendusi on aga nähtava valguse murdumisel.

Kui valgus jõuab ühest keskkonnast teise, näiteks õhust vette, siis valguse kiirus väheneb. Põhjus on elektromagnetvälja ja aine vastastikmõju.

Vaatame jooniselt 3.28 lainepaketi murdumist valguse üleminekul vaakumist mingisse läbipaistvasse keskkonda.

Kui lainehari (tähistatud siniste joontega) jõuab teise keskkonna piirile ja siseneb sellesse, siis laine kiirus väheneb ja lainehari jõuab sama ajaga vähem edasi. Seega tervikuna lainepaketi suund muutub. Valguskiir, mida tähistatakse joonistel noolega, on laineharjade ristsirge sihiline.

Joonisel 3.28 märkame ka seda, et lisaks kiirusele väheneb nurk kiire ja pinna ristsirge vahel, nii nagu murdumise kohta ka varasemast teame. Muutub laineharjadevaheline kaugus ehk lainepikkus.

Vaatleme joonisel 3.29 kujutatud olukorda, kus valgus murdub vaakumist läbipaistvasse keskkonda.

Langemisnurga tähis on $\alpha$ ja murdumisnurga tähis $\gamma$. Põhikoolist teame, et kui suurendame langemisnurka, suureneb ka murdumisnurk. Aga kui palju? Osutub, et murdumise kirjeldamiseks on olemas jääv suurus – valguse langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe erinevate langemisnurkade korral ei muutu. Seda suurust nimetatakse murdumisnäitajaks. Kui valgus levib vaakumist keskkonda, iseloomustab murdumisnäitaja selle keskkonna optilisi omadusi ja tegu on absoluutse murdumisnäitajaga $n$. Matemaatiliselt saab selle avaldada kujul

Keskkonna absoluutne murdumisnäitaja on seotud ka valguse kiirusega selles keskkonnas. Kui valguse kiirus vaakumis on $c$ ja keskkonnas $v$, siis absoluutne murdumisnäitaja näitab, mitu korda on valguse kiirus vaakumis suurem kiirusest antud keskkonnas:

Valemist märkame, et mida väiksem on valguse kiirus, seda suurem on selle keskkonna murdumisnäitaja.

Katse klaasi murdumisnäitaja määramiseks

Katseks läheb vaja klaastahukat, paberit, pliiatsit ja nelja nööpnõela.

Aseta klaastahukas paberile ja joonista sellele tahuka piirjooned. Seejärel torka ühele
poole klaastahukat paberisse kaks nööpnõela umbes $4cm$ vahega, nagu on näidatud joonisel 3.30a. Nüüd tuleb vaadata nööpnõelu läbi klaastahuka noolega näidatud suunas nii, et nööpnõelad asuksid ühel sirgel. Seejärel ikka veel klaasitaguseid nööpnõelu vaadates torka kaks nööpnõela paberisse nii, et kõik neli nööpnõela näivad olevat ühel sirgel. Pealt vaadates peab nööpnõelte ja tahuka paigutus olema selline, nagu joonisel 3.30b. Joonista nööpnõelte järgi valguskiire käik, tähista ja mõõda nurgad.

Kasutades murdumisseadust, arvuta klaasi murdumisnäitaja. Kuna valguse kiirus õhus on meie katse mõõtemääramatuse juures võrdne valguse kiirusega vaakumis, oled määranud klaasi absoluutse murdumisnäitaja. Tee kaks korduskatset erinevate langemisnurkade juures ja leia keskmine. Võrdle tulemust tabelis esitatud väärtusega.

Jooniselt 3.30b on näha, et klaasist väljudes on valguse murdumisnurk suurem kui langemisnurk. Selline seaduspärasus kehtib, kui valgus levib suurema murdumisnäitajaga keskkonnast väiksema murdumisnäitajaga keskkonda.

Murdumisseadust, mis kehtib mis tahes kahe erineva läbipaistva keskkonna jaoks, saab esitada järgmisel kujul:

Siin $v_1$ ja $v_2$ on valguse kiirused vastavalt esimeses ja teises keskkonnas ning $n_1$ ja $n_2$ on nende keskkondade murdumisnäitajad. Murdumisnäitajat $n_s$ nimetatakse suhteliseks murdumisnäitajaks ja see iseloomustab valguse üleminekut ühest neist kahest keskkonnast teise.

Murdumisnäitaja on suurus, mis on oluline väga erinevates valdkondades. Optilise kaabli ja selle katte murdumisnäitajad määravad ära signaali leviku kvaliteedi. Kalade või putukate läbipaistvad vastsed on sarnase murdumisnäitajaga kui on veel. Nii pole vastseid märgata ja nad jäävad tõenäolisemalt ellu. Murdumisnäitaja abil saab määrata lahuste kontsentratsiooni või tihedust. Vastavat mõõteriista nimetatakse refraktomeetriks (ingl refraction ’murdumine’). Refraktomeetrit kasutavad näiteks mesinikud ning õlle- ja veinitootjad suhkrusisalduse määramiseks.

3. näidisülesanne

Miks tundub läbi vee vaadates merepõhi olevat lähemal ja vesi madalam, kui see tegelikult on?

Lahendus

Nähtus on tingitud valguse murdumisest ja asjaolust, et me näeme asju olevat seal, kust poolt valgus silma tuleb. Selgitame täpsemalt joonise 3.31 abil. Keha $B$ asub merepõhjas ja sellelt peegelduv valgus murdub (pidevajoonega tähistatud kiir) vaatleja $A$ suunas. Kuna vaatleja näeb kehade asukohti silma jõudnud kiirte suunas, näitab kiirte pikenduste (tähistatud punktiirjoonega) lõikumiskoht keha näivat asukohta $C$. Sama joonise saaks teha merepõhja mis tahes punkti kohta.

Tegeledes aianduse või mahepõllundusega, tasub kindlaks teha, et muld ei sisalda mürgiseid raskemetalle, näiteks pliid, arseeni, koobaltit või elavhõbedat. Selleks tuleks tellida keskkonnauuringute laborist vastavate keemiliste elementide spektraalanalüüs. Kui tahame mõista, kuidas liiguvad tähed, galaktikad, galaktikaparved, või teada saada, millest erinevad astronoomilised objektid koosnevad, tuleb jällegi analüüsida spektreid.

Selles peatükis käsitleme valguse spektreid ja nende baasil tehtavat spektraalanalüüsi, kuid spektreid annavad ka kõik teised elektromagnetlainete liigid.

Spektri uurimiseks spektraalaparaadis on klaasprismat või difraktsioonivõret.

Valgus on pärit uuritavatelt objektidelt: tähtedelt, LEDidelt, galaktikatelt, hõõguvatelt kehadelt. Uurida võib ka valgust, mis on peegeldunud ükskõik milliselt pinnalt, planeetidelt või Kuult.

Klaasprisma ja difraktsioonivõre „lahutavad“ objekti kiiratud valguse spektriks, st nad suunavad erineva värvusega (lainepikkusega) valguse komponendid erinevatesse suundadesse. Klaasprismas põhjustab sellist nähtust see, et erineva lainepikkusega valgusele on klaasi murdumisnäitaja erinev. Nii saame murdumisseaduse rakendamisel erineva värvusega kiirtele erinevad klaasist väljumise suunad – violetne valgus muudab rohkem suunda kui punane valgus. Seda nähtust nimetatakse dispersiooniks. Valguse dispersioon vihmatilkades annab meile kauni loodusnähtuse – vikerkaare.

Difraktsioonivõre on ülikitsaste paralleelsete pilude süsteem ($20–2400$ pilu ühe millimeetri kohta). Ka difraktsioonivõrelt peegeldunud või seda läbinud valgus muudab suunda erinevalt, sõltuvana selle lainepikkusest. Aga erinevalt klaasprismast muudab võre suurema lainepikkusega (punasema) valguse suunda rohkem kui lühema lainepikkusega valguse suunda.

Difraktsioonivõre tööpõhimõtte selgitamiseks peaksime määrama suunad, mille all võre piludelt peegeldunud valgus interfereerub konstruktiivselt. Nii selgubki, et suurema lainepikkusega punane valgus kaldub oma esialgsest levimise suunast rohkem kõrvale, sest selle lainepikkus on võrreldes võre pilude vahelise kaugusega suurem.

Tänapäevastes spektromeetrites kasutatakse pigem difraktsioonivõresid, sest nende lahutusvõime on prisma lahutusvõimest suurem.

CD-plaat oma spiraalsete kitsaste vagudega käitub samuti difraktsioonivõrena ja seda saab kasutada spektroskoobi valmistamiseks.

Lihtsates spektroskoopides (kr skopeo ’vaatlen’) vaadeldakse spektreid vahetult silmaga. Teaduslike uuringute jaoks on tihti vaja spektreid töödelda (võimendada, suumida), analüüsida ja mõõta. Sel korral kuvatakse spektrid valgustundlikele ekraanidele, mis muudavad valgusenergia elektrienergiaks (fotodiood või CCD).

Vaatame joonise 3.33 abil, kuidas tekib keemilise elemendi aatomi spekter.

Valgus tekib ergastatud elektronide üleminekul madalama energiaga olekusse (joonis 3.33a), antud joonisel vastavad kahele üleminekule kaks erineva energiaga valgust. Seejärel lahutatakse kiiratud valgus klaasprisma abil (joonis 3.33b) spektriks. Kuna suurema energiaga ehk väiksema lainepikkusega valgus murdub rohkem ja väiksema energiaga valgus vähem, saamegi spektri, milles on kaks joont kahe ülemineku kohta. Tekkinud joonspektri saab kuvada intensiivsuse-lainepikkuse graafikule, kus igale üleminekule vastab spektris terav maksimum ehk spektrijoon (joonis 3.33c). Spektroskoobiga vaadates näeksime sellist pilti nagu joonisel 3.33d.

Joonisel 3.34 on kujutatud lämmastiku kiirgusspektrit. Uurime lähemalt, kuidas selline spekter on saadud.

Kui kuumutada lämmastikku kõrge temperatuurini, toimuvad soojusliikumise energia arvelt elektronide üleminekud kõrgematele energiatasemetele. Kui elektronid lähevad uuesti üle oma põhiolekusse, kiirgavad aatomid valgust. See valgus lahutatakse spektraalaparaadi abil spektriks, nagu näidatud joonisel 3.32. Ka nüüd vastab igale võimalikule elektronide üleminekule spektris üks joon. Lämmastiku aatomil on erinevatel orbitaalidel kokku 15 elektroni, neist välisel kihil viis. Võimalikke üleminekuid neile viiele elektronile on palju, seepärast ongi saadud spekter tihedalt jooni täis.

Paneme tähele, et saadud spekter on omane ainult lämmastikule. Erineva elektronstruktuuri tõttu on kõikidel keemilistel elementidel ainult neile omased spektrid. Seega, kui võrdleme spektraalaparaadis saadud kiirgusspektreid laboris varem tehtud keemiliste elementide spektritega, võime tuvastada keemilisi elemente, olgu need mulla või mõne kauge tähe atmosfääri koostises.

Eelpool käsitletud spektrid olid kiirgusspektrid, järgnevalt vaatame neeldumisspektreid. Kui kiirgusspektrit uurides tunneme huvi, milliste lainepikkustega valgust üks või teine objekt kiirgab, siis neeldumisspektris uurime, milliste lainepikkustega valgus ühes või teises keskkonnas neeldub.

Näiteks päikeselt kiirgunud valgus neeldub osaliselt esmalt Päikese atmosfääris ja siis hiljem ka Maa atmosfääris. Algselt kiirgab Päike valgust, mille spekter on pidev (nn musta keha kiirgus). Pärast Päikese ja Maa atmosfääri läbimist saab see spekter kuju, nagu näidatud joonisel 3.35 – spektrisse on tekkinud tumedad jooned.

Joonisel 3.36 on maapinnale jõudnud päikesevalguse spekter esitatud kahel kujul – värvilise ribaspektrina ja graafikuna. IP-valguse spektri osa on kujutatud värvilisel spektril hallina. Ülemisel joonisel on näha neeldunud valguse lainepikkustele vastavaid tumedaid vertikaalseid jooni. Graafikul näeme neis kohtades valguse intensiivsuse langust.

Keemilised elemendid neelavad täpselt sama energiaga valgust, nagu nad ise kiirgaksid. Seega igale mustale joonele vastab mõne keemilise elemendi elektroni üleminek kõrgema energiaga olekusse – kuna selliste sagedustega spektri komponendid neelduvad, põhjustades elektroni üleminekuid, siis vastava energiaga valgust meieni ei jõua. Spektraalaparaadis lahutatakse valgus spektriks ja vastaval lainepikkusel on valguse intensiivsus minimaalne.

Kuna joonisel kujutatud spekter läbib ühtlasi Maa atmosfääri, on selles ka atmosfääris leiduvale hapnikule vastavad neeldumisjooned. Tugevaim on neist $\lambda \approx 760nm$ juures – selle sagedusega IP-kiirgus neeldub peaaegu täielikult meie atmosfääris.

8. klassis õppisime, et on olemas külmad ja soojuslikud valgusallikad. Külmad valgusallikad kiirgavad põhiliselt nähtavat valgust, soojuslikud valgusallikad kiirgavad lisaks nähtavale valgusele ka palju soojuskiirgust. Järgnevalt kirjeldame valgusallikaid nende spektrite kaudu.

a) Soojuslike valgusallikate kiiratud valguse spekter on pidev. Tegu on kuumade kehadega, mis kiirgavad valgust laias lainepikkuste vahemikus kõikidele kuumadele kehadele (sealhulgas tähtedele) omast musta keha kiirgust, mille värvus sõltub valgusallika temperatuurist.

Volframniidiga hõõglambi (spekter on joonisel 3.41) töötemperatuur on umbes $2500{}^{\circ }C$.

Spektrilt on näha, et lisaks nähtavale valgusele kiirgab hõõglamp ka IP-kiirgust, mille intensiivsus on märkimisväärselt suurem kui nähtaval valgusel. Halogeenlamp (spekter on joonisel 3.42) on samuti volframist hõõgniidiga hõõglamp, aga halogeeniaurude sisalduse tõttu on selle töötemperatuur umbes $3000{}^{\circ }C$. Halogeenlampe kasutatakse autode esituledes, koduses valgustuses ja nende kuumakindluse tõttu ka näiteks ahjudes.

Graafikutelt on näha, et kuumema halogeenlambi kiirgusmaksimum jääb lühemate lainepikkuste poole. Selgub, et see on kõigi soojuslike valgusallikate korral kehtiv fundamentaalne seaduspära: mida kuumem valgusallikas, seda sinisem valgus. Tänu sellele saab soojuslike valgusallikate valguse spektri maksimumi järgi määrata valgusallika temperatuuri. Nii määratakse näiteks tähtede pinnatemperatuurid.

b) Külmade valgusallikate spektrites (vt joonist 3.43 ja 3.44) praktiliselt puudub IP-kiirguse spektriosa, elektrienergia muutub valdavalt valgusenergiaks.

Joonis 3.43. Päevavalguslambi valguse spekter.	Joonis 3.44. LED-lambi valguse spekter.

Päevavalguslambis on töötavaks gaasiks elavhõbeda aurud, mille aatomite elektronid ergastuvad lampi läbinud elektrivoolu toimel. Ergastatud elavhõbeda aatomid kiirgavad UV-kiirgust, mis ergastab omakorda klaaskatte sisepinnale kantud luminofoori. Luminofoorid on keemilised ühendid, mis hakkavad kõrgema energiaga valguse (UV-kiirguse või sinise valguse) toimel kiirgama valgust. Joonisel 3.43 on näha päevavalguslambis kasutatava luminofoori kiirgusspekter. Spektris näeme kolme põhivärvi, mis annavad kokku valge valguse – see on iseloomulik päevavalguslampidele. Kui kasutaksime lambi klaasina puhast kvartsklaasi ilma luminofoori kihita, saaksime UV-lambi.

LED-lampide töö põhineb pooljuhtides elektronide üleminekutel energiatasemete vahel. LED-lampide kiirgus on tavaliselt ühevärviline ehk monokromaatiline. Selleks, et saada valge valgusega LED-lampe, lisatakse UV-kiirgust või sinist valgust kiirgava LEDi sisepinnale kollast luminofoori või luminofooride segu.

Uurime LED-lambi spektrit joonisel 3.44, kus on näha sinise valguse spektri piik ja kõrval kohe luminofoori kiirgusspekter. Sinine valgus ergastab luminofoori elektrone ja viimane hakkab kiirgama kollakat valgust. Kui soovime vähendada „külma“ tooni, tuleb lisada erinevaid luminofoore, mille tõttu spektri parempoolse osa intensiivsus kasvab ja valguse toon muutub „soojemaks“.

Valget valgust saab ka siis, kui kasutada korraga punast, rohelist ja sinist värvi LED-lampe. Sellisel juhul peab vaatleja olema piisavalt kaugel, et neid valgena näha, või lambid asuma üksteisele väga lähedal.

Valgusallikate spektrite uurimine annab võimaluse teha kindlaks valgusallika temperatuuri. See aitab hinnata valgusallikate sobivust igapäevaseks tarbimiseks, samuti konstrueerida külmi valgusallikaid, mille valgus tundub meile soe.

Õpiku eelmistes osades oleme võrrelnud erinevate elektromagnetlainete liikide energiaid. Oleme maininud ka seda, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel tuleks rääkida pigem valguse kvandi ehk footoni energiast. Ühtlasi oleme uurinud elektromagnetlainete spektreid ja spektrijoonte intensiivsusi ning uurinud aatomis elektronide energiatasemeid. Vaatame nüüd täpsemalt üle, mida selle all mõeldakse, kui räägitakse elektromagnetlainete energiast.

Vaatame esmalt uuesti üle valguse tekke aatomis. Elektromagnetlainete spektri uurimisel selgitasime, et nähtav valgus tekib, kui elektronid lähevad üle kõrgematelt energiatasemetelt madalamatele. Et sellised üleminekud võimalikud oleks, on vaja anda elektronile lisaenergiat. Kiirgumisel vabaneb sama palju energiat kui kulub ergastamiseks. Ühe ülemineku puhul on tegu väga konkreetse energia hulgaga ja see ei saa olla suurem ega väiksem neeldunud või kiirgunud energiast. Seda konkreetset portsu energiat on hakatud nimetama kvandiks. Võib öelda, et elektronide energiatasemed aatomis on kvanditud – nad saavad olla kas ühe või teise energiaga, aga mitte kunagi midagi vahepealset. Kui tuua paralleel igapäevaelust, võime näiteks öelda, et õpilaste olek koolis on kvanditud: ollakse kas 11. või 12. klassis, aga mitte vahepeal 11,3. või 11,9. klassis.

Ka valguse kvandi nimetus on siin õpikus juba mitut puhku kõlanud: valguse kvanti nimetatakse footoniks. Kui käsitleme valguse kiirgumist mikrotasemel, siis saame väita, et valgus on footonite voog. Energia neeldumise või kiirgumise kvanditud iseloom seletab ära ka spektrijooned. Igale elektroni üleminekule vastab üks kindel spektrijoon, millel on konkreetne lainepikkus ja sagedus ning seega ka konkreetne energia väärtus.

Elektronide üleminekutel energiatasemete vahel kiirguvad footonid, mille energia on vahemikus $0,1–10eV$. Footoni energia sõltub võrdeliselt elektromagnetlaine sagedusest. Valem, mis seda seost kirjeldab, on Plancki valem:

kus $E$ on footoni energia ja $h$ Plancki konstant; $h=6,626\cdot {10}^{–34}Js$.

Kui kasutame džaulide asemel elektronvolte, on Plancki konstandiks

Max Planck (1858–1947) oli kvantfüüsika rajaja. Kvantfüüsika seaduspärasustega puutume kokku lähemalt füüsika järgmistes kursustes.

Tegelikult on kõiki elektromagnetlainete liike võimalik käsitleda nii lainete kui ka footonitena. Nii räägitakse sageli gammakvandist või suure energiaga röntgenkiirguse footonitest. Raadiolainete korral raadiokvandi mõistet ei kasutata, sest sellise kvandi energia on väga väike ja mikromaailmas pole protsesse, mida oleks võimalik selliste energiatega käivitada. Üldiselt avalduvadki osakese omadused pigem suurema sagedusega elektromagnetkiirguste korral ja lainelised omadused madala sagedusega kiirguste ehk raadiolainete korral.

Kuidas on seotud footonite energia ja elektromagnetlainete intensiivsus? Mida rohkem footoneid ajaühikus meile silma jõuab, seda intensiivsem on valgus. Samas kui tegu on näiteks punase ja väga intensiivse valgusega, on iga üksiku footoni energia ikkagi madal, ja olgu neid rohkem või vähem, elektrone ei ole nende abil molekulidest välja lüüa võimalik. Kui rasket kivi võib aidata tõsta see, et kutsud kolm sõpra appi, siis kui elektroni ergastamiseks on vaja näiteks $10eV$ energiat, ei piisa isegi miljonist $1eV$ footonist – elektronide energiatasemed aatomis on kvanditud ja aatomi ergastamiseks on vaja n-ö õige energiaga footonit.

Alljärgnevalt on uuesti näha meile juba tuttav elektromagnetlainete skaala, kuhu on lisaks lainepikkustele ja sagedustele märgitud ka vastavate footonite energiate väärtused elektronvoltides (joonis 3.46). Näeme, et nähtava valguse footoni energia on suurusjärgus $1eV$, raadiolainete energia väärtused aga jäävad vahemikku mikroelektronvolt kuni pikoelektronvolt.

Tabelis 3.2 on toodud molekulide või aatomitega toimuvate liikumiste või muutustega seotud energiate ligikaudsed väärtused.

Kui võrrelda tabeli andmeid elektromagnetlainete energiatega, saame teha mitmeid olulisi järeldusi.

a) IP-kiirguse energiast piisab osakeste rotatsiooni või vibratsiooni energia muutmiseks ehk soojusliikumise suurendamiseks.

b) Selleks, et lõhkuda molekulidevahelisi sidemeid, näiteks sulatada jääd, piisab IP-kiirgusest. Tugevamate sidemete lõhkumiseks, näiteks plastmassi lagundamiseks, on vaja suuremaid energiaid ehk pigem UV-kiirgust. Kui plastist esemed on vees või kaetud näiteks mullaga, ei ole lootustki, et plastik valguse toimel laguneks.

c) Keemilisi reaktsioone vallandavad kiirgused alates nähtavast valgusest kuni gammakiirguseni välja.

d) Suure energiaga gammafootonid võivad põhjustada muutusi aatomituumades, mille seoseenergiaid mõõdetakse megaelektronvoltides.

Valguse kvantmudeliga on seletatav fotoefekti nähtus, kus footon lööb elektrone ainest välja ainult sellisel juhul, kui elektron neelab footoni energia ja sellest energiast piisab nii keemilise sideme lõhkumiseks kui ka elektronile vajaliku kineetilise energia andmiseks. Valguse kvantmudeliga on seotud mitmed olulised rakendused, nagu päikesepatareid ja valguse registreerimiseks kasutatavad CCD-sensorid.