Kvantti-ilmiöiden oppimisprosessi

Esitesti ja ensimmäinen haastattelu

Timo hallitsi Comptonin ilmiön tyydyttävästi kurssin alussa. Hän kuitenkin kutsui ilmiötä röntgensäteilyn sironnaksi selittäen sen röntgenfotonin törmäyksenä vapaaseen elektroniin nojaten selityksessään energian säilymisen periaatteeseen. Hän ei kuitenkaan viittannut lainkaan liikemäärän säilymiseen tai fotonin liikemäärään. Timo ymmärsi tulevan ja sironneen fotonin eri olioiksi. Hän selitti röntgensäteilyn sironnan johtuvan dualismista eli hiukkasen massan ja jonkin aaltoilmiön, tässä tapauksessa röntgensäteilyn, vastaavuudesta. Tieteellisen käsityksen mukaan dualismilla viitataan aalto- ja hiukkasluonteeseen, eli siihen, että sähkömagneettisen säteilyn tai massallisten kvanttiolioiden käyttäytyminen tietyissä ilmiöissä voidaan tulkita joko hiukkas- tai aaltohavainnoiksi. Timon haastattelussa esille tuoma käsitys viittaa puolestaan siihen, että hän sekoittaa toisiinsa dualismin käsitteen ja Einsteinin suhteellisuusteoreettisen yhtälön.

Toinen haastattelu

Toisessa ennen Comptonin ilmiön opetusta suoritetussa haastattelussa Timo tunnisti hänelle esitetyn koeasetelman Comptonin ilmiöön liittyväksi ja määritteli sen sironnaksi, jossa aallonpituus muuttuu sirontakulman funktiona. Hän ei kuitenkaan kertonut, miten kulma vaikuttaa aallonpituuteen ja mistä sironta tapahtuu.

Kaksihuippuiset sirontaspektrit nollasta poikkeavilla sirontakulmilla olivat Timolle entuudestaan tuntemattomia ja vaikeasti ymmärrettäviä. Hän selitti ilmiön fotonin ja elektronin välisenä tapahtumana, jossa tuleva ja siroava fotoni ovat eri oliot nojaten jälleen energian säilymisen periaatteeseen kuten aiemmassa haastattelussa. Hänen Comptonin ilmiön hallintansa oli tasoltaan tyydyttävää.

Lopputesti ja neljäs haastattelu

Lopputestissä ja neljännessä eli viimeisessä haastattelussa Timon ilmaisema tietomäärä oli aiempiin haastatteluihin verrattuna laajempi, mutta hänellä edelleen esiintyvien ymmärtämisen ongelmien tähden Comptonin ilmiön hallinta oli edelleen vain tyydyttävää tasoa. Lopputestissä hän määritteli Comptonin ilmiön sähkömagneettisen säteilyn sironnaksi eli suunnan muuttumiseksi. Sekä lopputestissä ja neljännessä haastattelussa hän sanoi virheellisesti, ettei elektroneja irtoa Comptonin ilmiössä.

Oikein hän kertoo liikemäärän säilyvän Comptonin ilmiössä ja liikemääriä käsiteltävän vektorisuureina. Timo esitti Comptonin ilmiön osoittavan energian ja massan välisen yhteyden ja todistavan säteilyn ja massan vastaavuuden liikemäärän avulla eli jälleen ilmeni hänen erikoinen dualismi-käsityksensä. Hänen käsityksensä fotonin ja elektronin välisestä vuorovaikutustapahtumasta säilyi ennallaan: tulevalla fotonilla on energia, josta osa menee elektronin liike-energiaksi ja osa sironneelle kvantille.

B. Valosähköinen ilmiö

Esitesti ja ensimmäinen haastattelu

Kurssin alussa Timon ymmärrys valosähköisestä ilmiöstä oli tyydyttävä. Esitestissä hän esitti Einsteinin valosähköisen ilmiön yhtälön mainiten irrotustyön käsitteen. Samoin esitestissä Timo kertoi valosähköisen ilmiön todistavan fotonin energian, mutta haastattelussa hän esitti sen olevan osoitus dualismista. Periaatteessa hänen haastattelussa esittämänsä käsitys on oikea, mutta hänen erikoinen dualismi-käsityksensä – massan ja aaltoilmiön vastaavuus - huomioiden se ei ole hyväksyttävä.

Vaikka Timo kertoi aiemmin, että valosähköisen ilmiön avulla voidaan määrittää Planckin vakion arvo säteilyn taajuutta muuttamalla, hän ei kokenut sitä ilmiön merkityksellisyyteen liittyväksi tekijäksi. Ilmiön kannalta oleellinen rajataajuuden merkitys puuttuu Timon vastauksesta.

Lopputesti ja neljäs haastattelu

Lopputestin vastauksen ja neljännen haastattelun perusteella Timo hallitsi valosähköisen ilmiön melko lailla opetuksen tavoitteiden mukaisesti keskeiset käsitteet irrotustyö ja rajataajuus halliten. Hän myös esitti Planckin vakion määrityksen valosähköisen ilmiön avulla sekä lopputestissä että haastattelussa. Hänen erikoinen dualismi-käsityksensä oli kuitenkin luonteeltaan pysyvä.

Timon käsityksen mukaan valosähköinen ilmiö on osoitus massan ja energian välisestä suhteesta: ilmiössä fotoni, sähkömagneettinen säteily, joka on levossa massatonta, mutta jolla on liikkeessä liikemassa ja liikemäärä, saa liikkeelle massallisen partikkelin elektronin. Ensinnäkin sähkömagneettisen säteilyn ja fotonien käsitteitä ei voida käyttää synonyymisinä, ja on perusteetonta puhua sähkömagneettisen säteilyn lepotilasta. Fysiikan näkökulmasta fotonin massa pitäisi ymmärtää hitautena, jos se ylipäätään halutaan fotoniin liittää.

Timon tulkinta fotonin ja elektronin vuorovaikutustapahtumalle on erikoinen, ja viittaa esimerkiksi Comptonin ilmiön matemaattisessa tarkastelussa käytettävän kimmoisan törmäyksen mallin soveltamiseen. Valosähköisen ilmiön tarkastelussa on perusteltua käyttää energian säilymisen periaatetta, mutta Timon soveltama ”massan ja energian suhteen periaate”, jolla on ilmeisesti juuret Einsteinin suhteellisuusteoreettisessa yhtälössä, ei ole fysiikan näkökulmasta järkevä.

C. Mustan kappaleen säteily

Esitesti ja ensimmäinen haastattelu

Timo hallitsI mustan kappaleen säteilyn esitestissä vaatimattomasti. Hän määritteli sen kaikilla taajuuksilla yhtä voimakkaasti säteileväksi ideaalisäteilijäksi, joka on mahdoton.

Tieteellisen käsityksen mukaan mustan kappaleen säteilyspektri noudattaa sille tyypillistä muotoa, joka riippuu vain mustan kappaleen lämpötilasta. Säteily ei siten ole yhtä voimakasta kaikilla taajuuksilla. Lisäksi ideaalisen mustan kappaleen säteilijän konstruoiminen on mahdotonta. Ultraviolettikatastrofiksi kutsutaan klassiseen energian tasanjakautumisen periaatteeseen perustuvaa Rayleighin ja Jeansin lain antamaa ennustetta, jonka mukaan säteilyn energiatiheys kasvaa hyvin suureksi jo näkyvän valon aallonpituusalueella. Tämä tilanne on mahdoton.

Haastattelussa Timo ei osannut kertoa juurikaan enempää mustan kappaleen säteilyn aiheesta. Hän yrittää muistella Wienin lain sisältöä, mutta ei muistanut sitä täysin oikein. Vaikka Timo mainitsi Planckin vakion valosähköisen ilmiön yhteydessä, ei hän sitä maininnut mustan kappaleen säteilyn tapauksessa.

Toinen haastattelu

Mustan kappaleen säteilyn opetuksen jälkeen suoritetussa toisessa haastattelussa Timo kertoi vain, että täydellistä mustaa kappaletta ei ole olemassa, mutta aurinko on aika lähellä sitä. Muuta Timo ei suostunut mustan kappaleen säteilystä kertomaan.

Lopputesti

Lopputestissä Timon mustan kappaleen aiheen hallinta oli tyydyttävää tasoa. Hän määritteli mustan kappaleen opetuksessa esitetyn määritelmän mukaisesti. Vastauksesta kuitenkin puuttui ontelosäteilijän malli ja selitys seisovan aaltoliikkeen syntymisestä mustan kappaleen mallina käytetyn onkalon sisälle. Hän osoitti ymmärtävänsä mustan kappaleen säteilyspektrin muodon lämpötilariippuvuuden. Opetuksessa käsitellyn tiedon kanssa ristiriitaisia käsityksiä Timolla ei mustan kappaleen säteilyn yhteydessä ilmennyt kurssin lopussa.

5.4.3 Kvanttiolioiden oppimisprosessi