6.1 Fotoelektrinen ilmiö ja Comptonin sironta

Etusivu ／ Luku 6: Kvanttialue

Energiasäieteoriassa (EFT) valo on aalto­paketti: tensorihäiriön muodostama aalto, joka etenee “energian meressä”. Häiriöstä tulee vakaa paketti vasta, kun se ylittää paikallisen tensorikynnyksen; samoin vastaanotin voi ottaa energiaa vastaan vasta, kun sen oma rakenne ylittää absorptiokynnyksen. Siksi havaittu “hiukkasmaisus” ei tarkoita, että valo olisi jyvämäinen virta. Se syntyy, koska emittointi ja absorptio tapahtuvat jakamattomina annoksina, jotka kynnykset määräävät, kun taas matka lähteestä vastaanottimeen noudattaa aallon lakeja—etenemistä, vaihetta ja interferenssiä. Yhteenvetona: aalto määrittää reitin, kynnykset määrittävät annoksen.

I. Yksi mekanismi: kolme kynnystä, kolme diskreettiä vaihetta

Valon täysi “tulo–meno” jakautuu kolmeen osaan. Nämä kynnys­kohdat yhdessä selittävät, miksi energiaa vaihdetaan annoksittain.

• Lähdekynnys: paketinmuodostuksen kynnys
  Lähteessä tensori ja vaihe kertyvät ja kehittyvät. Kun vapautus­kynnys saavutetaan, varastoitunut energia poistuu koherenttina kotelona—yhtenä kokonaisena pakettina. Kynnyksen alla ei ole “tiputtelua”; kynnyksellä emittointi on täysi. Siksi emittointi annostuu.
• Reittikynnys: etenemisen kynnys
  Energian meri ei “anna vapaa­kulkuoikeutta” kaikille häiriöille. Vain riittävän koherentit, läpinäkyvyys­ikkunaan asettuvat taajuudet ja pieni­impedanssiseen kanavaan suuntautuvat häiriöt etenevät kauas vakaina paketteina. Muut lämpenevät, siroutuvat tai hukkuvat taustakohinaan lähellä lähdettä.
• Vastaanotinkynnys: sulkeutumiskynnys
  Ilmaisin tai sidottu elektroni joutuu läpäisemään materiaalin portin, jotta absorptio/emissio katsotaan valmiiksi. Portti on jakamaton: joko mitään ei tapahdu tai se sulkeutuu yhdelle täydelle annokselle. Siksi detektointi ja energianvaihto tapahtuvat “yksi annos kerrallaan”.

Yhdellä lauseella: paketinmuodostuksen kynnys tekee emittoinnista diskreettiä, etenemisen kynnys suodattaa sen, mikä pääsee kauas, ja sulkeutumis­kynnys tekee absorptiosta diskreettiä. Tämä kynnysketju yhdistää aallon kulun ja “annos­kirjanpidon” yhdeksi fysiikan kuvaksi.

II. Kaksi klassista koetta kynnysketjun näkökulmasta

1. Fotoelektrinen ilmiö: värikynnys, ei odotusta, intensiteetti muuttaa “määriä”
   Historiallinen katsaus: Vuonna 1887 Hertz huomasi ultraviolettivalon edistävän kipinöintiä. Vuonna 1902 Lenard raportoi kolme lakia: on värikynnys (taajuus); elektronit ilmestyvät välittömästi; intensiteetti muuttaa elektronien lukumäärää, ei yksittäisen elektronin energiaa. Vuonna 1905 Einstein selitti ilmiön diskreeteillä energia-annoksilla; vuosina 1914–1916 Millikan vahvisti riippuvuudet tarkasti.

Energiasäieteorian tulkinta:

• Miksi “yksi kerrallaan”: Diskreettiys esiintyy molemmissa päissä: lähde päästää täydet paketit muodostus­kynnyksellä, vastaanotin sulkeutuu täydelle annokselle materiaalin portissa. Reitti on aallon ohjaama; transaktiohetkellä lasketaan annoksia.
• Intensiteetti muuttaa “tahtia”, ei “annoksen kokoa”: Intensiteetti määrää pakettien lukumäärän aikayksikössä, joten virta kasvaa intensiteetin mukana; energia annosta kohden riippuu väristä, ei intensiteetistä.
• Ei havaittavaa odotusta: Kyse ei ole hitaasta kertymästä; kun kriteerit täyttävä paketti saapuu, transaktio sulkeutuu heti.
• Värillä on kynnys: Sidotun elektronin on läpäistävä materiaalin portti vapautuakseen. Yhden paketin “lyöntivoiman” määrää lähteen tahti—siis väri. Liian punainen väri tekee yhdestä annoksesta liian “pehmeän”; pelkkä intensiteetin nosto ei auta.

2. Comptonin sironta: yksi annos, yksi elektroni, yksi tapahtuma
   Historiallinen katsaus: Vuonna 1923 Compton sirotti monokromaattista röntgensäteilyä lähes vapailla elektroneilla ja havaitsi, että suurempi sirontakulma tuottaa “punaisempaa” (matalampi taajuus) sironnutta valoa. Hän tulkitsi tämän yksi–yhteen-transaktioksi elektronin kanssa ja sai Nobelin vuonna 1927.

Energiasäieteorian tulkinta:

• Aallot muovaavat yhä tuloksen: Ennen ja jälkeen tapahtuman kotelo ja vaihe noudattavat aallon lakeja; diskreettiys ilmestyy vain transaktiohetkellä.
• Diskreetit sirontatapahtumat: Vastaanotinportti pakottaa, että jokainen sulkeutuminen koskee yhtä täyttä annosta—yhtä annosta ei jaeta usealle elektronille.
• Yhden annoksen transaktio: Tensoripaketti “lukittuu” elektroniseen alarakenteeseen, joka voi avata portin, ja sulkeutuu yksi–yhteen, luovuttaen energiaa ja liikemäärää; sironnut valo siirtyy punaiseen, ja suuremmilla kulmilla luovutus kasvaa.

III. Kynnysketjun seuraus: kaikki häiriöt eivät kulje kauas

Moni “signaali” kuolee lähteessä tai jää lähikenttään etenemis­kynnyksen vuoksi:

• Riittämätön koherenssi: Kotelo hajoaa syntyessään, eikä vakaata pakettia muodostu.
• Väärä ikkuna: Taajuus osuu ympäristön voimakkaasti absorboiviin kaistoihin ja vaimenee lyhyellä matkalla.
• Kanava ei täsmää: Sopivaa pieni­impedanssista kanavaa ei ole tai suuntaus ei täsmää, jolloin energia häviää nopeasti.

Kauas etenevät signaalit täyttävät samanaikaisesti kolme ehtoa: hyvä paketinmuodostus, oikea läpinäkyvyysikkuna ja kanavasovitus.

IV. Suhde vakiintuneisiin teorioihin

• Yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa: Väite “jokaisen diskreetin annoksen energia skaalautuu taajuuden mukana” pitää paikkansa. Energiasäieteoria ankkuroi diskreettiyden alkuperän muodostus­kynnykseen (lähde) ja sulkeutumis­kynnykseen (vastaanotin) ilman uusia entiteettejä.
• Yhteensopiva kvanttisähködynamiikan kanssa: Laskentatapa, jossa valoa käsitellään kenttäkvantteina, säilyy sellaisenaan käyttökelpoisena. Energiasäieteoria lisää konkreettisen substraatti­näkymän: meri rajaa etenemistä ja vaihetta, kun taas säikeet ja materiaali tarjoavat kynnykset ja sulkeutumiset.
• Johdonmukainen klassisen aaltoteorian kanssa: Interferenssi ja diffraktio ovat aaltollisia ilmiöitä. Energiasäieteoria korostaa: aalto muovaa reitin, kynnykset kvantittavat transaktion—molemmat puolet ovat samanaikaisesti totta.

V. Keskeiset huomiot

• Valo käyttäytyy aaltopaketteina, jotka etenevät ja interferoivat energian meressä aallon lakien mukaisesti.
• Diskreettiys (“yksi kerrallaan”) nousee kynnyksistä: paketinmuodostus lähteessä ja sulkeutuminen vastaanottimessa tekevät emissiosta ja absorptiosta annosmaisia.
• Fotoelektrinen ilmiö osoittaa vastaanottimen kovan kynnyksen: väri ratkaisee, ylittääkö annos portin; intensiteetti muuttaa vain annosnopeutta, ei energiaa annosta kohden.
• Comptonin sironta paljastaa geometrian yksi annos–yksi elektroni: suurempi kulma → enemmän energiaa luovutetaan → voimakkaampi punasiirtymä.
• Kaikki häiriöt eivät muutu “kauas kantavaksi valoksi”: vain paketit, jotka ovat hyvin muodostettuja, oikeassa ikkunassa ja kanavaan sovitettuja, kulkevat pitkälle; muut vaimenevat lähteen lähellä.