top of page

Påvisning av ljusets dubbla natur

*Förkortad version av gymnasiearbete*

AV --- & ---

--- Gymnasium 2021/2022 - 08-04-22

Sammanfattning (abstract):

I denna rapport påvisades ljusets dubbla natur. Detta genom fyra olika experiment; Aragos Fläck, Fotoelektrisk effekt: Elektroskop, Fotoelektrisk effekt: Simulering, Spaltexperiment. De båda experimenten med fotoelektriska effekten påvisade partikelegenskaper varav de andra två visade på vågegenskaper. Resultaten från experimenten sammanställdes genom tabeller, bilder och video. Utifrån dessa resultat drogs slutsatser kring hur dessa påvisade ljusets egenskaper. I Aragos fläck uppstod en fläck i mitten av skuggan. I båda experimenten om den fotoelektriska effekten lyckades fotoner att excitera elektroner. För spaltexperimentet bröts ljuset och bildade många avtagande maxima. Trots ett fåtal avvikande resultat så gav alla experimenten i helhet önskvärda resultat och de lyckades tillsammans påvisa ljusets dubbla natur.


In this paper the double nature of light was proven. This was done through four different experiments; Arago’s Spot, Photoelectric effect: Electroscope, Photoelectric effect: Simulation, Slit experiment. The two experiments using the photoelectric effect proved light’s particle properties whereas the other two showed its wave attributes. The results from the experiments were compiled through tables, photos and video. From these findings some conclusions were drawn about how they proved light’s double nature. In the experiment of Arago’s spot, a spot appeared in the middle of the shadow. For both of the experiments using the photoelectric effect, photons were able to make electrons move into an excited state. For the slit experiment the light was diffracted which made multiple spots appear with reducing intensity. Despite a few deviant results, the experiment granted satisfying results and they managed to prove the double nature of light.


Innehållsförteckning


Inledning

Ljus finns överallt. Det är en central del inom fysiken och är livsviktigt för oss människor. Många organismer utvecklades för att utnyttja denna elektromagnetiska strålning till sin fördel. Vi är anpassade efter att gå och lägga oss när det inte finns något ljus eftersom vi då inte kan se och ta in vår omvärld. När ljuset sen kommer tillbaka på morgonen så vaknar vi och kan fortsätta leva våra liv. Ljuset är alltså helt nödvändigt för att vi ska kunna leva. Men vad ljus egentligen är har länge varit ett mysterium för människan. Forskare kämpade länge för att förstå sig på det mystiska konceptet men deras resultat var ofta motsägande. Ljus verkade ibland vara vågor och ibland partiklar. Det var inte förrän under 1900-talet som man la ihop de olika resultaten och presenterade teorin om hur ljus har dubbla egenskaper: vågor och partiklar, samtidigt. Det är helt unikt för ljuset och hjälper till att öka till dess mystiska natur.


Syfte

Syftet med experimenten i denna rapport var att påvisa ljusets dubbla karaktär, det vill säga dess partikel- och vågegenskaper. Detta gjordes genom fyra olika experiment varav två påvisade partikelegenskaper och två vågegenskaper.


Bakgrund

Ljus är ett fysikaliskt fenomen som länge har intresserat forskare. Isaac Newton kom tidigt fram till att ljus var partiklar efter att han experimenterat med reflektion och brytning. Denna teori höll i sig under 1700-talet trots att många andra forskare påvisade vågegenskaper. Detta var för att Newton under denna tid var en person som många såg upp till och sällan ifrågasatte. Till slut blev det allmänt accepterat att ljus var vågor. Det var inte förrän under 1900-talet som man insåg att det hela inte var svart och vitt. Ljuset påvisar både partikel- och vågegenskaper vilket ger ljuset, vad många anser, dess “mystiska” natur.


Teori

Vågor är en serie svängningar som rör sig i en periodisk rörelse, ofta beskriven genom en sinuskurva där y är en funktion av x:

y(x)=A*sin(kx)

…där A är amplituden och k avgör frekvensen.


Vågrörelser har alltså både en amplitud och en frekvens där amplituden är A och frekvensen är antalet svängningar per sekund. Amplituden (A) är höjden på svängningen och frekvensen (f) är tätheten mellan varje period. Våglängden hos en våg är avståndet mellan två vågtoppar.1,2


Interferens är fenomenet av hur olika vågor påverkar varandra. När två vågor slås ihop så kommer deras toppar och dalar antingen förstärkas (konstruktiv interferens) eller försvagas (destruktiv interferens). Interferens är alltså fenomenet av hur vågor slås ihop.3


Partiklar är ett objekt vars storlek är försumbar när man räknar med dess rörelse. Fotoner är exempel på elementarpartiklar. Det är dessa som är de minsta byggstenarna i universum och som bygger upp allt. Definitionen av en elementarpartikel är att de inte är uppbyggda av något mindre och därmed saknar inre struktur. Elektroner är ett ytterligare ett exempel där deras laddning är negativa elementarladdningen (-1,602176*10⁻¹⁹ C)4,5,6

Ljus, ett exempel på elektromagnetisk strålning, anses besitta både egenskaperna av en våg och en partikel. Våglängderna kan beskrivas med elektromagnetiska strålningens spektrum där människor vanligtvis kan se mellan 400 nm och 750 nm (Se bild 1). Ultraviolett strålning kan hittas strax under det synliga ljuset, mellan 60 nm och 100 nm.


Ljusets partikelkaraktär brukar benämnas fotoner och rör sig i vakuum med hastigheten, c, 2,99792458*108m/s. Intensiteten på ljuset kan ses som antalet fotoner. 6,7



Bild 1: Våglängderna för det elektromagnetiska spektrumet.


Tabell 1: Tabellen visar litteraturvärden för vilka våglängder färgerna röd och grön har.8,9




Förhållandet mellan våglängd och energi för ljus kan beskrivas med formeln:

E=h*f

…där E är fotonens energi, f är frekvensen och h är Plancks konstant. Detta ger att en elektromagnetisk våg med kortare våglängd, det vill säga högre frekvens, har högre energi jämfört med en längre.10


Fortskridande vågrörelser

v=f*

…där v är vågens hastighet, f är frekvensen och lambda, , är våglängden. Vid beräkningar av elektromagnetiska vågor är v = c, alltså ljusets hastighet. 10

f=1T

…där f är frekvensen och T är perioden för vågen.10


Diffraktion uppstår när en våg passerar en skarp kant eller spalt. Detta gäller för alla typer av vågor där elektromagnetisk strålning är en utav dem. När en våg färdas genom en spalt skapas cirkulära vågor vid spaltens andra sida. Detta baseras på Huygens princip som lyder “Varje punkt på en vågfront är en källa till en ny våg som utbreder sig sfäriskt”. 11,12

Diffraktionen kan beräknas med hjälp av formeln

d*sin = k*

…där d är spaltbredden, α är vinkeln, k är numret på ordningens maxima och är våglängden.13


Aragos fläck, även kallad Poissons eller Fresnels fläck, är en ljuspunkt som uppkommer när en fixerad ljuskälla lyser på ett objekt som avger en cirkulär skugga. Experimentet påvisar ljusets vågegenskaper tillsammans med diffraktionsfenomenet.14


Utträdesarbetet är den lägsta energi som krävs för att en elektron ska frigöras ur ett visst material. Vid tillförsel av denna energi exciteras elektronen. Denna energi beror på metallen och är oftast mätt i enheten elektronvolt (eV).15


Einsteins fotoelektriska lag

h*f=E0+Ek, max

…där h är Plancks konstant, f är frekvensen, E0 är utträdesarbetet och Ek, max är den maximala rörelseenergin elektronen erhåller.10


Gränsvåglängden är den längsta våglängden som den elektromagnetiska strålningen kan ha för att få elektroner att släppa från en viss metall. Denna längd beror på vilken metall det är och mäts i enheten meter (m). Detta grundar sig i att våglängden hos en elektromagnetisk våg är direkt kopplad till dess energi. 16, 17


Zink är ett grundämne med beteckningen Zn. Metallen kan hittas i grupp 12 i det periodiska systemet och har ett utträdesarbete på 3,63 eV och en gränsvåglängd på 341 nm.18, 19


Natrium är ett grundämne med beteckningen Na. Metallen kan hittas i grupp 1 i det periodiska systemet och har ett utträdesarbete på 2,36 eV och en gränsvåglängd på 525 nm.19,20


Induktion är ett fenomen som uppstår genom interaktion mellan elektromagnetiska fält och ledare. Detta leder till att liknande laddningar repellerar och olika attraherar. 21


Influens, eller elektrostatisk induktion, uppstår till när ett laddat föremål förs nära ett oladdat och att elektronerna i det oladdade ordnar sig och skapar dipoler. Det laddade föremålet påverkar alltså det oladdade till att få dipol.21,22


Elektroskopet är ett verktyg för att detektera ifall ett system är laddat. Ett elektroskop består av en statisk och en rörlig metallpinne. Dessa är sammankopplade och kommer därmed dela samma laddning. Ifall systemet är laddat så kommer de båda pinnarna att repellera varandra och den rörliga pinnen kommer nå en ungefärlig vinkel på 900 för att maximera avståndet (ifall laddningen är tillräckligt stor).23


Elektrisk spänning mellan två punkter kan beräknas genom detta förhållande:

U=EQ

…där U är spänning, E är skillnaden i elektrisk energi och laddningen är Q.24


Ohms lag I förklarar förhållandet mellan spänning, resistans och ström:

U=R*I

…där U är spänning, R är resistans och I är ström.24


Experimentella Metoder

Aragos Fläck

Till att börja med konstruerades ställningar, en som skulle hålla i metallkulorna och en som höll i laserpekarna. Därefter hängdes ett vitt A4-papper upp som laserpekaren senare strålade mot. Rummet mörklades. Kulornas diameter mättes med ett skjutmått. Efter det påbörjades experimentet genom att ett antal faktorer förändrades. Dessa faktorer var kulans storlek, avståndet mellan kulan och väggen, avståndet mellan lasern och kulan, samt laserns färg. Alla värden noterades och fördes in i tabell 2. Dessutom fotades varje försök vilket kan ses under “bilagor”.


Fotoelektrisk effekt: Elektroskopet

Denna dellaboration påbörjades med att en zinkplatta slipades medelgrovt med en maskinslip för att ta bort eventuellt oxiderad zink och få fram den rena, icke oxiderade, metallen. Plattan fästes sedan på toppen av ett elektroskop med en metallklämma så att de delade laddning. Därefter användes en bit ylletyg och en plastlinjal för att få systemet laddat med elektroner. Detta gjordes till det att elektroskopet gav ett tydligt utslag. Sedan utsattes zinkplattan för olika ljuskällor. Dessa var ett lysrör och två olika lampor som emitterade ultraviolett ljus. Detta videodokumenterades och resultaten fördes in i tabell 3.


Fotoelektrisk effekt: Simulering

Simuleringen utfördes med hjälp av University of Colorado Boulders simulering för fotoelektrisk effekt.25 Spänningen ställdes in på -0,5 V. Till en början användes en laser med våglängden 650 nm (rött ljus) och med tre olika intensiteter: 33%, 67% respektive 100%. Den uppmätta strömmen uppmättes och antecknades. Därefter utfördes samma process fast med kortare våglängder. Intervallet mellan dessa var 100 nm och gick ner till 150 nm.


Spaltexperimentet

Laborationen påbörjades med att montera på en laser, de utbytbara gitterskivorna och bildskärmen på varsina ställningar. Avståndet mellan lasern och de utbytbara gitterskivorna var konstant under hela laborationen. Bildskärmen utgjordes av ett papper med streck där avståndet mellan varje streck var 1 cm. Därefter utfördes tio försök där färgen på lasern, gitterskivor med olika spaltbredder och avståndet mellan gitterskivorna och bildskärmen varierade. Dessa värden antecknades och fördes in i tabell 6.




Resultat och analys

Aragos Fläck

Tabell 2: Resultat från försöken av aragos fläck.




Fotoelektrisk effekt: Elektroskop

Youtube-länk till en video som visar utfallet när UV-lampa 2 lyser på zinkplattan:


Tabell 3: Tabellen visar resultatet av att lysa med olika ljuskällor på zinkplattan samt hur snabbt elektronerna avgavs.



Fotoelektriskt effekt: Simulering

Tabell 4: Resultat från simuleringen där ämnet natrium användes.



Tabell 5: Resultat från simuleringen där ämnet zink användes.




Spaltexperimentet

Tabell 6: Resultat från spaltexperimentet.





Diskussion

Aragos fläck

I det här experimentet fick vi delvis tydliga resultat. Exempelvis försök 3.


Bild 2: En bild från försök 3. Här syns tydligt aragos fläck i mitten av skuggan.


Sen fanns det även vissa försök där resultaten inte alls blev lika tydliga. En grej som de flesta av dessa lyckade försöken har tillsammans är att de alla har den mindre kulan.



Bild 3: Försök 19


Bild 4: Försök 17


Det visar sig att det inte har med färgen på lasern att göra utan både den röda och den gröna lasern visar på liknande mönster. Alltså, det visar sig vara lättare för vågorna att ta sig runt kulan ifall den är mindre. Ingen av försöken med den större kulan erhöll konkreta resultat. Både avståndet mellan lasern och kulan samt kulan och väggen ändrades under experimentet. Det visade sig dock vara svårt att se någon korrelation mellan avstånd och resulterande skugga till följd av förändrade avstånd annat än att längre avstånd gav en mer diffus bild. Det gör att det blir svårt att dra några betydelsefulla slutsatser kring de olika avstånden. Så länge hela lasern täcker kulan verkar fläcken uppstå. Om man hade ändrat avstånden mer systematiskt hade vi lättare kunnat jämföra resultaten. Det hade lett till resultat som hade varit lättare att tolka.


Oavsett avståndet så kan vi se att det bildas en fläck i mitten för alla där lasern täcker hela kulan. Detta beror på diffraktionsfenomenet där Huygens lag gäller. Då ljuset passerar en skarp kant uppstår en ny källa av ljus som utbreder sig sfäriskt. Hela detta scenario kan illustreras med bild 5. Att fläcken bildas påvisar alltså ljusets vågegenskaper.




Bild 5: Bilden är en illustration av aragos fläck från sidan.


Om man jämför resultaten mellan de olika färgerna så kan man se klara skillnader. Den gröna lasern har tydligare konturer runt kulan. Det är som en tydligare “ram” runt kulan. Resten av väggen är fylld av vad som ser ut som ett slumpmässigt prickmönster. Den röda lasern har inte en lika tydlig kontur runt kulan men har istället ett regelbundet ringmönster runt kulan. Detta skulle kunna ha med våglängder att göra eftersom de borde skapa olika mönster på bildskärmen. Annars kan det också bero på skillnader i laserpekarna, såsom kvalité eller precision. Exakt vilken anledningen är är svårt att bedöma.


Fotoelektrisk effekt: Elektroskop

I det här experimentet användes tre ljuskällor, med varierande resultat. Ett lysrör och två UV-lampor. När systemet var laddat och zinkplattan utsattes för ljus från lysröret så exiterade enbart en försumbar mängd elektroner. Lysröret hade alltså ingen märkbar påverkan på elektroskopet.


Från början hände ingenting när zinken exponerades för den första UV-lampan. Däremot när lampan fördes närmare så gav det utslag hos elektroskopet, den såg ut att laddas ur. Ju närmare zinkplattan, desto mer utslag. När lampan sedan avlägsnades återgick metallpinnen i elektroskopet till sitt ursprungliga läge. Det verkade som att inga elektroner hade alltså exiterat utan systemet hade påverkats influens. Efter denna upptäckt försöktes det igen med UV-lampa 1. Den här gången hölls lampan på ett nära avstånd under en längre tidsperiod. Efter avlägsnandet av lampan återgick metallpinnen, men inte hela vägen. Det hade alltså skett en mindre urladdning.


Vid användningen av den andra UV-lampan kunde man istället se en tydlig urladdning som skedde på bara någon sekund (se bifogad länk i resultat). Slutsatsen man kan dra från detta är att fotonerna som hade avgetts från den andra lampan hade betydligt högre energi än de från den första. Alltså att den andra UV-lampan hade en högre frekvens och möjligtvis en högre intensitet. Det sista försöket visar på partikelegenskaper hos ljus eftersom att elektroner har exciterat från zinkplattan.


Fotoelektrisk effekt: Simulering

Även i detta experiment erhölls det tydliga resultat. När natrium användes så såg man att elektronerna började avges vid 450 nm och det skapades en ström vid 350 nm. För zink så började elektroner avges vid 250 nm och en ström skapades vid 150 nm.


Tittar vi först på när elektroner började avges så ser vi som sagt en skillnad mellan de två ämnena. Detta har och göra med deras utträdesarbeten, alltså den energi som krävs för att en elektron ska avges för ett visst material. Enligt litteratur är detta värde 2,36 eV för natrium och 3,63 eV för zink. Att det krävs mindre energi för att natrium ska avge elektroner i jämförelse med zink kan vi alltså se i resultaten och litteraturen. I resultaten kan man se att natrium avger elektroner före zink när energin hos fotonerna ökar.


Tittar vi på gränsvåglängderna, som är direkt kopplade till utträdesarbetet, så har natrium en gränsvåglängd på 525 nm och zink 341 nm. Tittar vi på våra resultat så kan vi se att inga elektroner avges för natrium vid 550 nm. Detta stämmer mycket riktigt överens med litteraturen då 550 nm är längre än 525 nm, vilket är den högsta våglängden som krävs för att avge elektroner. Vid 450 nm så kan vi sedan se att elektroner exciterade, vilket bör ske då våglängden i detta fallet var under gränsvåglängden 525 nm.

För zink är, som tidigare nämnt, gränsvåglängden 341 nm. I jämförelse med resultaten så exciterades inga elektroner vid 350 nm men vid 250 nm, av samma anledning som för natrium.


Tittar vi återigen på när elektronerna började avges så kan vi se att intensiteten inte hade en påverkan. Hos natrium spelade det ingen roll hur hög intensiteten var vid våglängden 350 nm, inga elektroner exciterade. Detta trots att den var så nära dess gränsvåglängd på 341 nm. Det krävdes att våglängden var lägre än gränsvåglängden vilket intensiteten inte påverkade. Enligt teorin om att ljus är partiklar så säger det att intensiteten ökar antalet fotoner, och frekvensen (våglängden) avgör energin för varje foton. Detta betyder alltså att antalet fotoner som man skickar på metallplattan inte har någon betydelse för ifall elektroner kommer avges eller inte, då varje foton i sig har inte tillräckligt energi för att få en elektron att excitera. Med att det däremot är ett högre antal fotoner som träffar plattan kommer det bli ett ökat antal elektroner som exciterar. Det kommer alltså bli en större ström.


För båda ämnena kan man alltså se att det skapas en ström vid en viss våglängd till följd av att elektronerna når den andra plattan. Alltså att elektronerna både exciterar och får en rörelseenergi som är tillräckligt stor för att de ska ta sig till den andra plattan. Motståndet i systemet är spänningskällan. Den är inställd på -0,5 V, vilket betyder att elektronerna måste övervinna 0,5 V för att ta sig till andra plattan.


Dessa slutsatser kan även beskrivas mer matematiskt med följande formler:

h*f=E0+Ek, max

Ep=U*Q

där… h*f är den tillförda energin av en foton

E0 är utträdesarbetet

Ek, max är rörelseenergi

Ep är elektriska potentiella energin vid andra plattan

U är spänningen

Q är laddningen för partikeln (elementarladdningen)


Med detta till hands kan man ställa upp två regler till hänsyn av en foton som träffar en elektron:

  1. Om h*f ≥ E 0 så exciteras elektronen.

  2. Om h*f ≥ E 0+Ep så både sker en excitering av elektronen och den tar sig till andra plattan.


För att beräkna energin som erhålls av elektronerna och hur denna energi omvandlas kan man då använda sig av Einsteins fotoelektriska lag. Låt oss beräkna försök 10 för natrium som ett exempel:


Våglängd i försök 10 (λ10) = 350 nm

Spänning (U) = -0,5 V

Plancks konstant (h) = 4,135667696*10-15 eV/Hz

Ljusets hastighet (c) = 299 792 458 m/s

E0= 2,36 eV


h*f=E0+Ek, max


Enligt formeln för fortskridande vågrörelse kan f skrivas om och då får vi följande:


h*cλ=E0+Ek, max

VL: h*c=

=4,135667696*10⁻¹⁵ eV/Hz * 299792458 m/s350*10⁻⁹ m=

=4,135667696*10⁻¹⁵ eV/Hz * 8,5654988*10¹⁴ Hz =

=4,135667696*8,5654988*10¹⁴⁻¹⁵ eV =

=3,542405669 eV

3,542 eV tillfört


Överbliven rörelseenergi:

Ek, max =3,542eV-E0

Ek, max=3,542eV-2,36eV

Ek, max=1,182eV


Ifall den erhållna kinetiska energin är tillräckligt stor för att övervinna motståndet 0,5V så kommer elektronen kunna ta sig till andra plattan. För att omvandla motståndet till elektronvolt kan man använda sambandet Emin=U*Q där Emin är den minsta energi som krävs för att övervinna motståndet, alltså tidigare Ep. U är spänningen i systemet och Q är partikelns laddning (i detta fallet elementarladdningen):

U=0,5V

Q=1,602176*10⁻¹⁹C

Emin=U*Q

Emin=0,5V*(1,602*10-19)C

Emin=0,801*10-19J

Detta värde är i joule. För att konvertera det till elektronvolt kan man använda sig av detta förhållandet 1J=6,241509*1018 eV :

Emin=0,801*10-19*6,241509*1018 eV

Emin=4,99945*10-19+18 eV

Emin ≈ 0,5 eV


Genom beräkning av alla försök kan de beräknade värdena sammanställas och jämföras i två tabeller. En för respektive material:



Tabell 7: Beräkningsresultat för materialet natrium.





Tabell 8: Beräkningsresultat för materialet zink.




Dessa beräkningar stämmer till en början överens med de erhållna resultaten. Excitation uppstod då beräkningarna förutspådde att de borde ha skett. Alla värden såg lovande ut, men tittar vi på försök 13 till 15 för zink så kan vi se att ett annorlunda fenomen uppstår:


Enligt beräkningarna (se tabell 8, försök 13-15) så är den tillförda energin väldigt mycket större än utträdesarbetet E0. Detta ger en rörelseenergi på 1,330 eV, vilket är mycket större än den minsta energin som krävs för att elektronerna ska ta sig till den andra plattan. Alltså borde det skapas en ström. Men tittar man på resultaten så kan vi se att ingen ström har skapats. Det är alltså något här som inte går ihop.


Tittar man då på själva simuleringen för detta scenario så kan man se att det varierar i hur långt varje elektron tar sig. Vissa tar sig cirka ⅙ av sträckan, vissa hälften och andra tar sig till strax innan den andra plattan. Det man även kan se är att det finns ett fåtal som faktiskt tar sig till andra plattan. Slutsatsen man kan dra från detta är att alla elektroner inte får samma mängd överbliven energi. Alltså att vissa lyckas få en högre rörelseenergi än andra. Då alla ovannämnda elektroner träffas av fotoner med samma mängd energi (samma frekvens) och energi varken kan skapas eller förstöras så måste det betyda att vissa kräver en högre energi till sin excitering. Alltså att de har olika utträdesarbeten. Dessa utträdesarbeten beror förmodligen på var i elektronskalet dessa elektroner befinner sig. Ju längre in i metallens elektronskal en elektron befinner sig, desto mer energi krävs det att släppa taget om metallen.


Hur detta har att göra med vårt påstötta fenomen är att den energi vi får fram är för elektroner som befinner sig i det yttersta elektronskalet. Den stora majoriteten av elektronerna som vi kan se i simuleringen har alltså ett annat utträdesarbete, vilket gör att den överblivna energin inte är tillräcklig för att övervinna motståndet 0,5V. Att den uppmätta strömmen för dessa försök är 0,000 A trots att man kan se att ett fåtal elektroner tar sig till den andra plattan kan ha ett flertal förklaringar. Antingen så är antalet elektroner som tar sig till den andra plattan så få så att de inte registreras, alltså att amperemätaren inte är tillräckligt känslig, eller så kan det vara något fel med programmet i sig. Bortsett från detta så är övriga resultat tydliga och stämmer bra överens med ovanstående beräkningar.


Spaltexperimentet

I spaltexperimentet användes fem olika gitterskivor, 600, 300, 80, 40 och 20 spalter/mm, med varierande resultat. Oberoende färg blev resultaten mer och mer svårtolkade desto färre spalter det var per millimeter. Försök 5 och 10 var väldigt svåra att tolka. I försök 10 blev resultatet för otydligt för att kunna mäta exakta avstånd mellan de olika maxima. Anledningen till det är att avståndet mellan gitterskivorna och bildskärmen är så stort. I både försök 5 och 10 så fick lasern lysa tvärs över rummet, mer än 7 meter. Detta gjorde att laserns skärpa avtog avsevärt och de olika maxima blev då mycket diffusa och svårtolkade.


Försök 5 och 10 skiljer sig även från resten eftersom att deras resultat är väldigt underliga. Det förväntade resultatet från denna laboration är att det finns ett nollte ordningens maxima och det blir ett första, andra, tredje… ordningens maxima på vardera sida av nollte ordningens med avtagande intensitet. Försök 7 visar tydligt hur man kan förvänta sig att spaltexperimentet skulle se ut. I både försök 5 och 10 däremot uppfattas två nollte ordningens maxima samt en varierande intensitet hos de olika maxima.



Bild 6: Försök 7, här syns tydligt hur resultatet förväntas se ut.



Bild 7: Försök 5, här syns två nollte ordningens maxima.

Detta skulle exempelvis kunna ha att göra med en reflektion i gittret eller något liknande men en definitiv förklaring är svår att komma fram till. Eftersom det bara är försöken med gitterskivan 20 spalter/mm som detta avvikande resultat erhölls kan vi anta att det har med skivan att göra. Resten av resultaten som erhölls ansågs tillräckligt tillfredsställande för att laborationen inte skulle upprepas. Istället förbises resultaten från försök 5 och 10 vid kommande slutsatser. För att få bättre resultat hos en gitterskiva på 20 spalter/mm bör laborationen göras om.


Med detta experiment kan våglängden hos lasrarna beräknas. Formeln som då används ser ut enligt följande:


d*sin = k*


…där d är spaltbredden, α är vinkeln, k är numret på ordningens maxima och är våglängden.



d*sin = k*=d * sin k


Försök 1 ser ut enligt följande där nollte och första ordningens maxima syns.




Först beräknas vinkeln .


=tan-1(0,0700,171)=22,26206914


Värdet k är 1 eftersom att det är avståndet mellan nollte och första ordningens maxima som används.


I försök 1 användes en gitterskiva med 600 spalter/mm. Avståndet mellan varje spalt (d) skrivs upp som följande:

d=1600 mm


Det gör att våglängden kan beräknas:


=d * sin k=sin 22,26206914600 mm

=6,314059509*10-4 mm

=6,314059509*10-7 m

=631,4059509*10-9 m

=631,4059509 nm

=631 nm


Samma beräkning utfördes för resten av försöken vilket summeras i tabell 9.


Tabell 9: Beräkningsresultat för spaltexperimentet.




Beräkningarna visar på samma sak som beskrivits förut, att resultaten från försök 5 inte går att använda. Det resultatet sticker ut avsevärt och är nästan tio procent av resterande resultaten från röd laser. Därav kommer resultaten från försök 5 att förbises.


Det går inte att använda ett medel- eller medianvärde för resultaten i spaltexperimentet. Det är för att försöken för de olika färgerna har alla olika spaltbredd hos gittret. Det gör att värdena inte kan jämföras på det sättet. Eftersom att försök 1 och 6 har lägst spaltbredd gör det att dessa försök i teorin borde ha tydligast resultat. Därav borde dessa ge resultat som är mest nära till litteraturvärden. Litteraturen säger att röd färg finns mellan 620-750 nm. Det gör att resultatet från försök 1 överensstämmer med litteraturen. Resultatet från försök 6 däremot passar inte med litteraturen för grön färg på 500-560 nm. Försök 6 hamnar precis under det gröna spektrumet. De andra resultaten som inte borde vara lika tydliga ger värden som anses vara gröna. Försök 6 hade därmed kunnat blivit fel när avståndet mättes. Det hade lett till felaktiga resultat. Mätfel är alltså en felkälla som hade kunnat leda till något felaktiga resultat.


Slutsats

Utifrån dessa fyra experiment kan vi dra slutsatsen att ljus både har våg- och partikelegenskaper. Aragos fläck påvisar vågegenskaper eftersom att ljuset böjde sig runt kulan och skapar en ljusfläck bakom. Det kan enbart förklaras med att ljus har vågegenskaper. Även spaltexperimentet lyckades påvisa vågnaturen hos ljuset. De båda versionerna av fotoelektrisk effekt visar hur elektroner exciterar efter att ha exponerats för ljus. Excitationen hade inte kunnat ske utan ljusets partikelegenskaper. Det innebär att vi påvisat ljusets dubbla natur, dess våg- och partikelegenskaper.


Tillkännagivanden

Till sist vill vi tacka vår handledare --- för gott stöd och hjälp i utformningen av denna rapport. Utan din hjälp hade det varit svårt att lyckas få ihop en sådan här genomarbetad rapport. Stort tack!


Källförteckning

[1] - Kvist, Göran och Nilsson, Klas och Pålsgård, Jan. ERGO FYSIK 2. 4. uppl. Stockholm: Liber AB, 2019 (Sid 8-15)


[2] - Nationalencyklopedin, vågor. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/v%C3%A5gor (Hämtad 11-02-2022)


[3] - Nationalencyklopedin, interferens. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/interferens (Hämtad 11-02-2022)


[4] - Nationalencyklopedin, partikel. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/partikel (Hämtad 11-02-2022)


[5] - Nationalencyklopedin, elementarpartikel. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/elementarpartikel (Hämtad 11-02-2022)


[6] - Ekholm, Per Uno och Frænkel, Lars och Hörbeck, Sven. FORMLER & TABELLER I FYSIK, MATEMATIK & KEMI. 9. uppl. Göteborg: KONVERGENTA HB, 2013 (Sid 3)


[7] - Nationalencyklopedin, ljus. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/ljus (Hämtad 11-02-2022)


[8] - WolframAlpha, red. https://www.wolframalpha.com/input?i=red (Hämtad 18-03-2022)


[9] - WolframAlpha, green. https://www.wolframalpha.com/input?i=green (Hämtad 18-03-2022)


[10] - Ekholm, Per Uno och Frænkel, Lars och Hörbeck, Sven. FORMLER & TABELLER I FYSIK, MATEMATIK & KEMI. 9. uppl. Göteborg: KONVERGENTA HB, 2013 (Sid 49)


[11] - Nationalencyklopedin, diffraktion. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/diffraktion (Hämtad 11-02-2022)


[12] - Wikipedia, Huygens princip.


[13] - Ekholm, Per Uno och Frænkel, Lars och Hörbeck, Sven. FORMLER & TABELLER I FYSIK, MATEMATIK & KEMI. 9. uppl. Göteborg: KONVERGENTA HB, 2013 (Sid 45)


[14] - Wikipedia, Arago spot. https://en.wikipedia.org/wiki/Arago_spot (Hämtad 11-02-2022)


[15] - Wikipedia, Utträdesarbete. https://sv.wikipedia.org/wiki/Uttr%C3%A4desarbete (Hämtad 11-02-2022)


[16] - Wikipedia, Fotoelektrisk effekt. https://sv.wikipedia.org/wiki/Fotoelektrisk_effekt (Hämatad 11-02-2022)


[17] - Nationalencyklopedin, fotoeffekt. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/fotoeffekt (Hämtad 11-02-2022)


[18] - Nationalencyklopedin, zink. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/zink (Hämtad (11-02-2022)


[19] - Ekholm, Per Uno och Frænkel, Lars och Hörbeck, Sven. FORMLER & TABELLER I FYSIK, MATEMATIK & KEMI. 9. uppl. Göteborg: KONVERGENTA HB, 2013 (Sida 15)


[20] - Nationalencyklopedin, natrium. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/natrium (Hämtad 11-02-2022)


[21] - Nationalencyklopedin, induktion (i fysiken). https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/induktion-(i-fysiken) (Hämtad 11-02-2022)


[22] - Nationalencyklopedin, influens. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/influens (Hämtad 11-02-2022)


[23] - Nationalencyklopedin, elektroskop. https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/elektroskop (Hämtad 11-02-2022)


[24] - Ekholm, Per Uno och Frænkel, Lars och Hörbeck, Sven. FORMLER & TABELLER I FYSIK, MATEMATIK & KEMI. 9. uppl. Göteborg: KONVERGENTA HB, 2013 (Sida 38)


[25] - PHET-projektet av University of Colorado Boulder, Photoelectric Effect (1.10), https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/photoelectric/latest/photoelectric.html?simulation=photoelectric (Hämtad 10-12-2021)





77 visningar

Senaste inlägg

Visa alla

Sommarjobb och extrajobb

Att arbeta deltidsjobb samtidigt som du studerar kan vara ett bra sätt att få arbetslivserfarenhet, tjäna lite extra inkomster och lära dig värdefulla färdigheter i tidshantering. Även om det kan vara

Vilken relevans har vietnamkriget idag?

Vietnamkriget blev ett krig som tillsammans med Koreakriget speglade spänningarna mellan stormakter efter andra världskriget. Nordvietnam fick stöd från Sovjetunionen och Kina. Sydvietnam fick stöd fr

Vilken roll hade media under Vietnamkriget?

Vietnamkriget blev ett krig som tillsammans med Koreakriget speglade spänningarna mellan stormakter efter andra världskriget. Nordvietnam fick stöd från Sovjetunionen och Kina. Sydvietnam fick stöd fr

Comments


bottom of page