A fizika kalandja

Miért a fémekből lehet jó tükröt készíteni?

2018. augusztus 03. - 38Rocky

 

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.

A bejegyzés trackback címe:

https://afizikakalandja.blog.hu/api/trackback/id/tr2614159083

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

csimbe 2018.08.06. 15:32:54

"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."

Ez a pillanatszerűség hasonló, vagy azonos azzal a pillanatszerűséggel ami a kvantummechanikában szerepel? Vagy a fénysebességet nem meghaladó a "visszapattanás" folyamata?

38Rocky 2018.08.06. 16:11:38

@csimbe: Jogosan veted fel a kérdést! Természetesen arról van szó, hogy milyen gyorsan áll vissza a vezetési sávban a gerjesztett elektronállapotok visszarendeződése az alapállapotba. Ez a kvantummechanikai relaxációs időnek felel meg.

csimbe 2018.08.06. 16:51:45

@38Rocky: Ez alatt a relaxációs idő alatt nem veszítenek energiát a fotonok?

38Rocky 2018.08.06. 17:21:54

@csimbe: Energiát nem, csak időt kb 1ns nagyságrendben. Ezt például mágneses rezonanciaméréskor lehet látni, ha a vezetési elektronok abszorpcióját vizsgáljuk.

csimbe 2018.08.06. 17:38:20

@38Rocky: Ez azt jelenti, hogy a relaxációs idő zsugorodik, megrövidül? Így már érthetőbb a pillanatnyiság fogalma. :)

38Rocky 2018.08.06. 20:13:36

@csimbe: Ez azt jelenti, hogy a fény hatására gerjesztett állapotba kerülő elektronok 1 ns, azaz a másodperc egy milliárdod része alatt visszakerülnek az alapállapotba, ami a hétköznapi gyakorlatban pillanatszerűnek vehető.

csimbe 2018.08.07. 21:32:19

@38Rocky: Ez számomra is világos, hogy a hétköznapi és a kvantum szintű idő mérőszámai nagyságrendekkel különbözik. Azonban az idő lelassulása, más szóval a „folyási” sebességének megváltozása, netán megállása, már nagyon homályos, nehezen beilleszthető kirakós darabja a világképemnek.

38Rocky 2018.08.08. 07:45:15

@csimbe: Nehéz és talán lehetetlen elképzelni a görbült teret. A négydimenziós téridő görbülete azt jelenti,hogy a tér az idő irányában, az idő a tér irányába is begörbülhet. Ez utóbbi jelenti az idő "lassulását". Ennek azonban nincs köze a fénysebesség lassulásához optikai közegekben, ez csupán a fotonok és elektronok kölcsönhatásához kapcsolódik.

csimbe 2018.08.08. 12:43:22

@38Rocky: Köszönöm a választ, már tisztul a kép.