A tükör nem csak Hófehérke történetében játszik fontos szerepet, hanem mindennapi életünkben is, emellett alapvető eszköze a csillagászatnak és a kutatás más területeinek is különböző optikai eszközök széles skálája révén. A tükrözés pedig a megismerés, a világ ábrázolásának szimbólumává is vált, gondolkozásunk egyik sarkköve. De mennyire ismerjük azt a mechanizmust, ahogy a tükör a fényt visszaveri, fókuszálja, felnagyítja, vagy a távoli csillagokat közelebb hozza? Az optika sok törvényét szemléltethetjük egy egyszerű hasonlattal, amikor apró labdákat képzelünk el, amelyek rugalmasan visszaverődnek a tükörről és egyenes vonalban folytatják útjukat, de ez a kép nem sokat mond el a tényleges folyamatról, ami a tükrök anyaga és a fény között végbemegy. Érdemes ezért kissé mélyebben végiggondolni ezeket a folyamatokat.
Hogyan készíthetünk tükröt?
Tükröt úgy hozhatunk létre, ha az egyenletesen sima üveglapra felhordunk vékony fémréteget. De miért éppen a fémek rendelkeznek avval a tulajdonsággal, hogy jó hatásfokkal visszaverik a fényt? Ennek megértését segíti, ha megismerjük a fémek elektromos vezetésének tulajdonságait. A folyamat kulcsa az elektronok mozgásában rejlik. Az atomokban különböző héjakon helyezkednek el az elektronok, a magasabb energiájú pályák mindig sokkal diffúzabbak, nagyobb távolságokat futnak be az atom magjától mérve. A fémekre az jellemző, hogy a legkülső pályán csak egy–két elektron van, amely onnan könnyen eltávolítható. A tiszta fémekben ezek a külső pályák összekapcsolódnak és kiterjedt hálózatot hoznak létre, ezeket nevezzük sávoknak. Ezeknek a sávokban az elektron-befogadóképesség véges, ami az elektronnak egy speciális tulajdonságából következik, ez a Wolfgang Pauli (1900-1958, osztrák születési svájci-amerikai elméleti fizikus) által felállított kizárási elv. Ez megtiltja, hogy két azonos kvantummechanikai állapotban lévő fermion, azaz feles spinű részecske – ilyenek az elektronok is – ugyanazon a pályán legyen. A kizárási elv miatt a fémben lesznek olyan sávok, amelyek teljesen, és olyanok is, amelyek félig vannak betöltve. Vannak persze üres sávok is, de ide az elektron csak nagy energia befektetéssel juthat el. Kulcsszerepet a vezetésben a félig betöltött sávok játsszák, mert itt lehetőség van rá, hogy további elektronok kerüljenek oda. Ezt hívjuk vezetési sávnak. Az elektronok energia eloszlásával Enrico Fermi olasz fizikus foglalkozott, amelynek szabályai a fent említett kizárási elvből következnek.
Nem vonatkozik viszont a Pauli-elv az egész spinű bozonokra, ahol bármennyi részecske lehet ugyanazon a pályán. Ennek köszönhetjük a szupravezetést, amikor a kritikus hőmérséklet alatt valamilyen kölcsönhatás „összecsomagol” két elektront bozonokat hozva létre.
Milyen gyorsan áramlanak az elektronok a vezetékekben?
Hogyan halad az áram a vezetékben? Szemléltessük ezt egy hasonlattal! Képzeljünk el egy vízszintes vízvezeték csövet, melynek két végét egy-egy lemez félig zárja el, ez határozza meg, hogy mennyi víz tárolható a csőben. Ha a cső egyik végébe többlet vizet öntünk, megemelkedik a vízszint és kicsordul a fölösleg a túloldalon. Valami hasonló történik, amikor elektromos feszültségkülönbséget adunk a vezeték két vége közé és megindul az elektromos áram. Mennyi időre van szükség, hogy az áram végigfusson a vezetéken? Amikor felkapcsoljuk a lámpát szinte azonnal világos lesz. Ilyen gyorsan haladnának az elektronok a vezetékben? Nem, sőt az elektronok sodrási sebessége meglepően lassú, ha erre kellene várni, akár órák is eltelnének, amíg a lámpa felgyullad. Az áram tényleges sebességét az határozza meg, hogy milyen gyorsan emelkedik meg a „vízszint”, azaz jut el az elektrontöbblet a villanykörtéhez. Ha a vízcsapot kinyitjuk, a víz azonnal folyni kezd, de ha előtte lezárták a vizet és üresek a csövek, akkor meg kell várni, amíg feltöltődnek.
Mi akadályozza az elektronok áramlását?
A vezetési sávban áramló elektronok mozgása akadályokba ütközik a mozgó elektronoknak a fém atomjaival való ütközése miatt. Ennek folyamán az elektromos áram energiájának egy része elvész, és intenzívebb rezgések jönnek létre a fémrácsban megnövelve annak hőmérsékletét. Ez az áramlási ellenállás határozza meg, hogy a vezetékben az elektromos feszültségkülönbség mekkora áramot hozhat létre az Ohm-törvény szerint: I = U/R, ahol az áramot Amper, a feszültséget Volt, az R ellenállást Ω egységekben szokás megadni. Az ellenállás függ a vezeték geometriájától, nő a vezeték l hosszával, csökken az A keresztmetszettel és függ a fém anyagától is. Ez utóbbit fejezi ki a ρ fajlagos ellenállás:
A fémek jó vezetőképességét kis fajlagos ellenállás jellemzi, például a tükrökben alkalmazott ezüsté 0,016, az alumíniumé 0,028 μΩ·m, míg a szigetelők ellenállása sok nagyságrenddel nagyobb, a félvezetőké pedig a kettő között van. A fajlagos ellenállás kis értéke miatt alkalmasak a fémek tükrök készítésére. A jó vezetőképességű ezüst esetén 98-99 % hatásfok érhető el, míg a kevésbé jól vezető alumíniumnál a hatásfok 85-90% körül van.
A tükrözés hatásfokát miért a fajlagos ellenállás határozza meg?
De miért függ a fényvisszaverő képesség az elektromos vezetőképességtől? Ezt megérthetjük a fotonok és a vezetési elektronok kölcsönhatásán keresztül! Térjünk vissza a vízzel való összehasonlításra, de most egy sík víztükröt képzeljünk el! Amikor fúj a szél, a felszín fodrozódik, az erősebb szél pedig hullámokat vet. Hasonló történik az elektronok „tengerében” is, ahol a fotonok okozzák ezt a hatást. Az fotonok forgó elektromos tere kényszerrezgésbe hozza az elektronokat saját frekvenciájának ütemében. A hullámzó elektronok a fémrács atomjaihoz ütődve részben átadják energiájukat, kevesebbet az ezüstben, többet az alumíniumban. Az elektronhullámok azonban nem maradnak fenn, pillanatszerűen eltűnnek kibocsátva egy ugyanakkora frekvenciájú fotont, ez a visszavert fény. A folyamat pillanatszerű, amiről magunk is meggyőződhetünk, mert ha lekapcsoljuk szobánkban a lámpát, akkor a tükör nem bocsát ki fényt, hanem sötét marad. Az azonnali tükröződés nyilvánul meg abban is, hogy a tükörben késleltetés nélkül követhetjük a mozgásokat.
A blog további írásai elérhetők a „Paradigmaváltás a fizikában” című bejegyzésből.
