5. Tulokset ja tulkinta
5.2 Tapausopettaja Tuomas
5.2.1 Esitesti ja ensimmäinen haastattelu
Esitestissä ja ensimmäisessä haastattelussa tarkastellut aiheet on esitetty taulukossa 5.11. Samoja aiheita tarkasteltiin sekä esitestissä että haastattelussa haastateltavan esitestissä esille tuoman tiedon syventämiseksi ja epäselvien vastausten varmistamiseksi tai selventämiseksi. Lisäksi haastattelussa käsiteltiin myös sellaisia aiheita, joita esitestissä ei ollut lainkaan.
Taulukko 5.11. Aiheiden esiintyminen esitestissä ja ensimmäisessä haastattelussa.
x = aihe esiintyi testissä tai haastattelussa.
AIHE Esitesti Haastattelu 1
Absorptio x x
Emissio x x
Sironta x x
Sähkömagneettisen säteilyn
syntymekanismi x
Kvantittuminen x
Hiukkanen x
Fotoni x
Elektroni x
Comptonin ilmiö x
Valosähköinen ilmiö x x
Mustan kappaleen säteily x x
A. Absorptio ja emissio
Absorptio. ”Fotoni menettää kaiken energiansa ja lakkaa olemasta. Muu hiukkanen menettää liike-energiansa ja pysähtyy esim. väliaineeseen.”
Emissio. ”Fotonin lähteminen atomin elektroniverhosta tai muun hiukkasen irtoaminen tietyllä nopeudella esim. atomiytimestä.”
Haastattelussa Tuomas kertoi, että sähkömagneettisen säteilyn absorptiossa säteily imeytyy aineeseen eli fotoni menettää kaiken energiansa. Emissio puolestaan on absorptiolle vastakkainen eli se tarkoittaa säteilyn irtoamista aineesta. Tuomas selittää, mitä emissiossa tapahtuu:
- Tämmöinen fotoni (…) jos se emittoituu atomista, niin silloin atomi on ollut, esimerkiks elektroni on ollut viritystilassaan, ja kun se viritystila (-) se siirtyy tai elektroni siirtyy alemmalle viritystilalle, niin se energiatasojen välinen ero (…) emittoituu fotonina kun energia on sopiva.
Tulkinta. Tuomas selitti absorption ja emission hyväksyttävästi sekä klassisen että kvanttimallin avulla. Ilmeisesti hän ajatteli fotonin absorptiossa syntyvän ja emissiossa kuolevan. Säteilyn imeytyminen ja irtoaminen olivat Tuomaan synonyymejä absorptiolle ja emissiolle.
B. Sironta ja Comptonin ilmiö
Sironta. ”Fotonien tai muiden hiukkasten etenemissuunnan muutos esim. törmäyksessä esteeseen.”
Tuomaan mukaan valon tai fotonien sironta on etenemissuunnan muuttumista.
Esimerkiksi Comptonin sironnassa fotoni törmää johonkin hiukkaseen, menettää osan energiastaan ja muuttaa etenemissuuntaansa. Kysyttäessä, mitä fotonin menettämälle energialle tapahtuu, Tuomas kertoi seuraavaa:
- Compton sironta on () kun tavallaan fotoni, tai valon hiukkasmallin avulla selitettävän (…) törmäyksessä säilyy liikemäärä ja (-) energia (…) jos se myös törmää paikallaan olevaan elektroniin se menettää osan energiastaan sille elektronille.
Lisäksi Tuomas arveli, että Comptonin ilmiö tapahtuu suurienergiaisella säteilyllä, esimerkiksi röntgensäteilyllä.
Tulkinta. Tuomas ymmärsi sironnan hiukkasten tai fotonien etenemissuunnan muuttumiseksi eli sovelsi sironnan klassista mallia. Klassiseksi tätä mallia kutsutaan siksi, että siinä fotoni käyttäytyy kuten klassinen kappalemainen olio törmätessään esteeseen.
Comptonin ilmiötä Tuomas piti fotonin ja elektronin kimmoisana törmäyksenä, jossa energia ja liikemäärä säilyvät, ja jonka seurauksena niiden etenemissuunta muuttuu. Hän ymmärsi fotonin valon hiukkasmalliksi. Comptonin sironnassa Tuomas ajatteli törmäävän ja sironneen fotonin olevan sama. Hän ei vaikuttanut tässä yhteydessä ymmärtävän, että fotoni vastaanottaa ja luovuttaa kaiken energiansa
välitön emissio. Ilmeisesti kyse oli Comptonin ilmiön matemaattisessa tarkastelussa käytettävän kimmoisan törmäyksen mallin ominaisuuksien liittämisestä fotonin ominaisuuksiksi.
C. Sähkömagneettisen säteilyn synty
Tuomaan mukaan sähkömagneettista säteilyä voidaan pitää myös aaltoina, jotka kuljettavat energiaa. Hän kertoi, että radioaaltoista säteilyä syntyy värähtelypiireissä ja lämpösäteilyä molekyylien värähdysliikkeessä. Näkyvän valon syntymisen Tuomas selitti elektroniverhon atomin siirtymisenä korkeammalta energiatasolta alemmalle.
Lisäksi hän kertoi röntgen- ja gammasäteilyn syntyvän atomiytimissä.
Kysyttäessä yhteistä mekanismia sähkömagneettisen säteilyn eri lajien synnylle Tuomas esitti sähkömagneettisen säteilyn synnylle kaksi erilaista mallia.
- Kyllähän siinä tavallaan on kaksi (-) eri mallia millä selitetään (…) kun varattu hiukkanen on kiihtyvässä liikkeessä, niin silloin (…) voi syntyä sähkömagneettista säteilyä. Taikka (…) voi sitten atomeissa tai muissa, et jos (…) elektroni siirtyy energiatasolta alemmalle, niin silloin syntyy (…) säteilykvantti. Et siihen on tavallaan kaksi erilaista teoriaa, joita (…) käytetään. Molemmat selittää ihan hyvin eri ilmiöitä.
- Mikä se säteilykvantti on?
- Sähkömagneettinen säteily voi (-) syntyä (…) kvantteina taikka absorboitua kvantteina ja (…) tietyt kokeelliset ilmöt, kuten valosähköinen ilmiö (…) osoittaa sen.
Tulkinta. Tuomaan ymmärrys sähkömagneettisesta säteilystä ja sen lajeista oli kokonaisuutena hyvä. Hän hallitsi sähkömagneettisen säteilyn eri lajien, kuten radiosäteilyn, näkyvän valon ja röntgen- ja gammasäteilyn syntymekanismit. Hän ymmärsi klassisen säteilyn synnyn värähtelijämallin ja atomin viritystilojen muuttumiseen liittyvän kvanttimallin selkeästi erillisiksi, yleisiksi malleiksi.
D. Valosähköinen ilmiö
Esitestissä valosähköiseen ilmiöön liittyi tehtävä, jossa pyydettiin selittämään valosähköinen ilmiö ja pohtimaan sen merkitystä.
”Fotoni törmää metallin pintaan ja absorboituu siihen. Fotonin energia (jos se on riittävän suuri) kuluu elektronin irrotustyöhön ja elektronin liike-energiaksi.”
”[Valosähköinen ilmiö] todistaa, että valo absorboituu kvantteina, fotoneina, tietyn suuruisina energia-annoksina. Fotonin energia riippuu sen taajuudesta E = hf.”
Haastattelussa Tuomas esitti, että valosähköisessä ilmiössä sähkömagneettinen säteily irrottaa metallin pinnasta elektroneja. Hän lisäsi, että esimerkiksi ultraviolettisäteily saa aikaan elektronien irtoamisen sinkin pinnasta, mutta säteilyn aallonpituuden tulee olla riittävän lyhyt elektronien irrottamiseksi tietystä metallista.
Tuomas perusteli säteilyn aallonpituuden vaikutusta ilmiön tapahtumiseen Einsteinin selityksellä:
- Täähän se on se Einsteinin selitys sille valosähköselle ilmiölle, että (-) valo absorboituu fotoneina ja yhden fotonin energia on se Planckin vakio kertaa taajuus (…) sen fotonin energia pitää olla vähintään elektronin irrotustyön suuruinen, et se elektroni voi irrota.
Tulkinta. Tuomas hallitsi hyvin valosähköisen ilmiön ymmärtäen ilmiön taajuusriippuvuuden ja mainiten irrotustyön käsitteen. Esitestin vastauksesta kävi ilmi, että hän ymmärtää käsitteet kvantti, fotoni ja energia-annos synonyymeiksi.
E. Mustan kappaleen säteily
Esitestin tehtävässä pyydettiin kertomaan, mitä mustalla kappaleella tarkoitetaan.
”Musta kappale ei heijasta muualta tullutta valoa vaan mustan kappaleen säteily on lähtöisin mustan kappaleen aineesta itsestään.”
Haastattelussa Tuomas kuvasi mustaa kappaletta ja sen säteilyä samalla tavalla kuin esitestissä kuitenkin täsmentäen, että mustan kappaleen säteily on peräisin mustan kappaleen omista atomeista. Säteilyspektrin käyttäytymistä lyhyillä aallonpituuksilla Tuomas selitti Planckin kvanttihypoteesin avulla:
- Planck on joutunu tekemään (…) kvanttihypoteesin, eli ottamaan (…) Planckin vakion käyttöön, että mustan kappaleen säteily pitää syntyä (…) energia-annoksina, että on pystyny tuon jakauman selittämään.
Tulkinta. Mustan kappaleen säteilyn ymmärtämisessä Tuomaalla oli puutteita. Hän ei osannut esimerkiksi selittää mustan kappaleen säteilyn syntyä. Lisäksi hän ei maininnut mustan kappaleen malliluonnetta. Tuomas kuitenkin vaikutti tuntevan Planckin kvanttihypoteesin. Fotonin käsitteen asemasta hän käytti tässä yhteydessä käsitettä energia-annos.
F. Kvantittuminen
Tuomas ymmärsi kvantittumisen tarkoittavan, että suureiden arvot eivät saa jatkuvasti kaikkia mahdollisia arvoja vaan portaittain tiettyjä arvoja. Esimerkkeinä hän mainitsi energian arvojen kvantittumisen elektroniverhossa, ytimen sidosenergioiden kvantittumisen atomien ytimissä sekä magneettisten kvanttilukujen, magneettikenttien suuntien ja pyörimismäärien kvantittumisen. Tuomaan käsityksen mukaan useimmat suureista ovat kvantittuneita.
Tulkinta. Tuomas liitti kvantittumisen käsitteen lukuisiin suureisiin, kuten elektroniverhon energiaan, magneettikenttien suuntiin ja pyörimismäärään. Kaikki Tuomaan mainitsevat suureet liittyivät atomiin.
G. Hiukkanen
Esitestissä kartoitettiin oppijoiden hiukkasen käsitteen ymmärtämistä tehtävällä, jossa kysyttiin mitä vastaaja ymmärtää hiukkasella; mitä ominaisuuksia hiukkasella on, ja miten hiukkasta voidaan kuvailla. Tuomas vastasi tehtävään seuraavalla tavalla:
”Hiukkanen on aineen rakenneosanen, jolla voi olla tiettyjä ominaisuuksia (massa, sähkövaraus ym.). Hiukkanen koostuu alkeellisemmista hiukkasista. Aineen perusrakenneosiksi sanotaan kvarkkeja ja leptoneita, joilla ei ole sisäistä rakennetta (ehkä nykyisin jo tutkitaan niidenkin rakenneosia). Hiukkasta saatetaan kuvata klassisen fysiikan tapaan kappaleeksi, jolla on tietty koko ja ehkä pallon muoto tai aaltomallin mukaan voidaan antaa todennäköisyysjakauma hiukkasen esiintymiselle.”
Tulkinta. Tuomas vaikutti ymmärtävän klassisen ja kvanttihiukkasen eroavuudet pääpiirteittäin. Hiukkasen Tuomas määritteli epäsuorasti malliksi. Sanoessaan
”aaltomallin mukaan voidaan antaa todennäköisyysjakauma hiukkasen esiintymiselle”
Tuomas ilmeisesti viittasi kvanttifysiikan hiukkasiin. Aaltomallin käsitteen käyttö tässä yhteydessä ei ole täsmällisesti ottaen oikein, koska yleensä sillä viitataan klassiseen aaltomalliin. Tieteellisesti hyväksyttävämpää olisi käyttää Bornin todennäköisyystulkintaa, jonka mukaan aaltofunktion amplitudin neliö on verrannollinen hiukkasen todennäköisyyteen esiintyä tietyssä pisteessä tietyllä ajanhetkellä (Born 1965, ks. myös Maalampi & Perko 2002).
H. Fotoni
Jos Tuomaan pitäisi kertoa fotonista sellaiselle henkilölle, joka ei ole koskaan kuullut fotonista, hän sanoisi fotonin olevan ”ajateltu valohiukkanen, massaton hiukkanen, joka liikkuu valon nopeudella”. Fotonilla on myös liikemassa, ja se on tavallaan malli valon kuvailemiseen, valon hiukkasmalli. Kysyttäessä, miten Tuomas ymmärtää fotonin malliluonteen hän kertoi seuraavaa:
- Yhtä hyvin hiukkasen aaltoluonne, kun (…) sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonne, nii näis on tämä dualismi (…) mä en oo vieläkään mistään lukenu siihen selkeetä selitystä millä sen vois ymmärtää.
Ei-klassisista ominaisuuksista tiedusteltaessa Tuomas totesi, etteivät fotonit kuulu klassiseen fysiikkaan, jossa valoa pidetään aaltoliikkeenä. Tuomas kuitenkin arveli, että fotonin lepomassattomuus ja liikemassallisuus ovat sellaisia ominaisuuksia, joita klassinen fysiikka ei tunne.
Tiedusteltaessa miten fotoneista on saatu tietoa, Tuomas viittasi fotonikäsitteen muotoutumiseen Planckin mustan kappaleen säteilyn, Einsteinin valosähköisen ilmiön ja Comptonin sironnan kautta.
- Se oli tämä Planckin mustan kappaleen säteily taikka tämä Einsteinin esittämä valosähköisen ilmiön teoria ja Compton sironta joilla (…) tää fotoni (-) ja valon hiukkasluonteeseen on (…) päädytty (…) kai (...) useimmissa kvanttimekaniikan ilmiössä joissa (…) joudutaan sitä valoakin käsittelemään, niin ilman muuta (-) fotoneja sitten käytetään. (…) En osaa sanoa missä (…) jotain ihan oleellista tietoa tulis muuta (-) tietysti suhteellisuusteoriakin jotain tietoa siitä antaa.
Tulkinta. Tuomas määritteli fotonin valohiukkaseksi ja valon hiukkasmalliksi: malliksi, jota käytetään valon kuvailuun. Tuomas viittasi dualismilla hiukkasen aaltoluonteeseen ja sähkömagneettisen säteilyn hiukkasluonteeseen, mutta ei mielestään täysin ymmärtänyt dualismin merkitystä.
Ominaisuuksiltaan Tuomaan fotonimalli oli vaatimaton ja kaikki hänen fotoniin liittämät ominaisuudet olivat itse asiassa sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia, ei aidosti fotonin. Tuomas kertoo fotonin klassisista olioista erottaviksi ominaisuuksiksi lepomassattomuuden ja liikemassallisuuden. Massan liittäminen fotonin ominaisuudeksi ei ole kuitenkaan fysiikan kannalta perusteltua.
Fotonia koskevan haastatteluosion perusteella Tuomaan fotonin ymmärryksestä saatu kuva oli vaatimaton. Tuomas kuitenkin mainitsi fotonin kvantittuneen energian mustan kappaleen säteilyn ja valosähköisen ilmiön yhteydessä. Comptonin ilmiötä selittäessään Tuomas viittasi energian ja liikemäärän säilymisen, mutta ei fotonin
liikemäärään, josta Comptonin ilmiö toimii osoituksena. Comptonin ilmiössä Tuomas sanoi fotonin luovuttavan osan energiastaan elektronille, mikä on väärä ajattelutapa.
I. Elektroni
Elektronin ominaisuuksiksi Tuomas mainitsi negatiivisen alkeisvarauksen ja massan.
Hän lisäsi elektronin kuuluvan leptoneihin ja olevan rakenteeton. Kysyttäessä onko elektronilla sellaisia ominaisuuksia, joita ei voida selittää klassisen fysiikan avulla, Tuomas kertoi seuraavaa:
- Kun se elektroni nimenomaan (…) on (…) niinkin kevyt hiukkanen, niin sillä on nää aalto-ominaisuudet (…) erityisen selvästi tullu esille. Et tuota (-) joudutaan käyttämään elektronin (…) liikkeen kuvailemiseen niin aaltomallia (…) jota ei pysty klassisen fysiikan mukaan selittämään.
Kysyttäessä miten elektroneista on saatu tietoa, Tuomas viittasi interferenssikokeisiin, joissa tulokset olivat samankaltaiset kuin valolla.
- Kokeellisesti (…) elektroni tietysti aika myöhään vasta havaittiinkin et se nyt on olemassa, mutta (…) tais olla (…) sitten (-) interferenssikokeita, että elektronisuihkuista saatii samannäkösiä interferenssikuvioita kun (…) näkyvälläki valolla, jos vaan löydettiin sopivan (-) pienet rakosysteemit tai muut, että kun niiden aallonpituudet on niin paljon pienemmät, elektronien aineaallonpituudet.
Tuomas lisäsi, että television kehitystyössä keksittiin elektronisuihkun käyttö elektronimikroskoopeissa, joissa hyödynnetään elektronin aaltoluonnetta. Hän myös mainitsi, että teoreettisesti esitetyn aineaallon verifioivat kokeellisesti Davisson ja Germer.
Tulkinta. Tuomas ymmärsi, että elektronin liikettä ei voida kuvailla klassisen fysiikan avulla vaan siihen on käytettävä aaltomallia. Aaltomalliin Tuomas viittasi jo hiukkasen käsitteen yhteydessä kertoen sen antavan todennäköisyysjakauman elektronin esiintymiselle. Tuomas käytti elektronin aallonpituudesta puhuessaan synonyymiä aineaallonpituus tuntien Davissonin ja Germerin kokeen, jossa havaitaan elektronisuihkun interferenssi. Hän viittasi myös elektronien aineaallon hyödyntämiseen elektronimikroskoopeissa. Tuomaan käsitys aaltomallin käsitteestä poikkesi täten tavanomaisesta käsityksestä. Kuten jo hiukkasen käsitteen yhteydessä esitettiin, tieteellisesti hyväksyttävämpää olisi käyttää Bornin todennäköisyystulkintaa, jonka mukaan aaltofunktion amplitudin neliö on verrannollinen hiukkasen todennäköisyyteen esiintyä tietyssä pisteessä tietyllä ajanhetkellä.
J. Tuomaan käsiteverkko esitestissä ja ensimmäisessä haastattelussa
Tuomaan elektronin ja fotonin ontologiaan liittyvien esitestin ja ensimmäisen haastattelun vastauksista muodostettua käsiteverkkoa esittää kuvio 5.2. Laajassa käsiteverkossa aaltomallin ja hiukkasen käsitteet saavat tieteen näkökulmasta virheellisen merkityksen. Lisäksi fotonin ominaisuudeksi liittyy tieteellisen käsityksen vastaisesti liikemassan käsite. Fotonin käsitteen kanssa synonyymisiä ilmaisuja ovat valon kuvailuun käytettävä malli, valon hiukkasluonne ja valon hiukkanen. Tuomaan käsitysten taustalla voidaan nähdä valon rakenneosamalli.
Kuvio 5.2. Tuomaan esitestin ja ensimmäisen haastattelun vastausten perusteella muodostettu käsiteverkko. Aloituskäsitteet on merkitty huutomerkillä, tieteellisen käsityksen mukaiset käsitykset positiivisella hymiöllä ja sen vastaiset negatiivisella hymiöllä. Lisäksi tieteellisen käsityksen vastaiset kytkeytymiset on osoitettu katkoviivalla.