Transcript Atomfysik-ppt - Gullviva Gymnasium

Atomfysik
Demokritos (c:a 460-370 f.Kr)
• Grekisk filosof och tillsammans med Leukippos
företrädare för den antika atomteorin.
• Verkligheten består av odelbara (=atom) och
oföränderliga atomer som alltid har funnits.
• Själen består av särskilt fina, runda och glatta
atomer som finns i hela kroppen.
• Den antika atomismen var mer filosofisk än
naturvetenskaplig.
Atombegreppet blir naturvetenskapligt
• Robert Boyle (1627-1691) ansåg att materien
består av osynliga små korpuskler med olika form
och storlek som kan förenas till bestämda
grupper (molekyler).
• •Väte och syre förenas alltid i det enkla
viktsförhållandet 1/8 när vatten bildas.
• •Utifrån bl a detta formulerar John Dalton (1803)
en atomteori där atomer ses som grundämnenas
minsta delar, med en för varje grundämne unik
atomvikt.
Amadeo Avogadro (1776–1856)
• Italiensk fysiker och kemist.
• Gaser reagerar alltid i enkla
heltalsförhållanden,
t ex 2 volymer vätgas (H2) och 1 volym syrgas
(O2) ger vatten (2H2O).
• Detta gav Avogadro år 1811 idéen att lika
volymer av alla gaser (vid samma temperatur
och tryck) innehåller lika antal molekyler.
Jöns Jacob Berzelius (1779-1848)
• •Kemist och en av Sveriges mest berömda
naturforskare.
• •År 1818 hade han bestämt atomvikten hos
45 av dåtidens 49 kända grundämnen.
• •Läs mer här!
Brownsk rörelse
• Robert Brown observerade 1827 att små
partiklar i en vätska rör sig oregelbundet.
• Orsaken var enligt Brown stötar från vätskans
molekyler.
• Detta bevisades av Albert Einstein 1905.
• Detta bevisar existensen av atomer och
molekyler.
• Läs mer här!
Elektronen upptäcks 1897
• I början av 1800-talet visste man att joner har
en laddning som är en multipel av ett heltal.
• År 1897 upptäcker J J Thomson (1856–1940)
att katodstrålar (elektronstrålar) består av
negativt laddade partiklar, som han kallar
korpuskler (elektroner).
• Han bestämde även dess kvot qe/me.
• Han antog att elektronen är en beståndsdel i
atomen.
Thomsons atommodell
• •Visste att atomen är elektriskt neutral.
• •Antog att de negativa elektronerna är
inbäddade i en positivt laddad partikel, vilka
tillsammans utgör atomen.
• •”Kallas Thomsons russinkaksmodell”.
• •Fick nobelpriset år 1906.
• •Läs mer här!
Radioaktiviteten upptäcks
• År 1896 upptäcker Henri Becquerel att ett uransalt
svärtar en fotografisk plåt.
• Saltet utsänder uranstrålar.
• Marie Curie (1867–1934) inför begreppet radioaktivitet
och upptäcker tillsammans med sin man Pierre olika
typer av radioaktivitet.
• Becquerel och makarna Curie tilldelas nobelpriset i
fysik 1903.
• Marie tilldelas även nobelpriset i kemi 1911.
• en benmärgsskada orsakad av radioaktiv strålning
Ernest Rutherford (1871-1937)
• •Uppväxt på Nya Zeeland, verksam i England.
Läs mer!
• •Upptäcker tre typer av radioaktivitet, som
han kallar alfa-, beta- och gammastrålning (a,
b, g).
• •Visade år 1903 att a-strålar är positiva och år
1908 att de utgörs av heliumkärnor (He2+)
med hög hastighet.
• •Nobelpris i kemi år 1908.
Rutherfords guldfolie
•
•
•
•
Bestrålade en tunn guldfolie med a-partiklar.
Flertalet partiklar passerade genom foliet.
Enstaka partiklar studsade tillbaka.
- Lika otroligt som om du fyrar av en
femtontums granat mot ett pappersblad och
granaten kommer tillbaka och träffar dig,
enligt Rutherford.
• Thomssons atommodell orimlig!
Rutherfords atommodell (1911)
• Atomen består mest av tomrum.
• Atomassan och dess positiva laddning måste
vara koncentrerad till en ytterst liten kärna,
omgiven av elektroner.
• Mätte kärnans diameter till 10-15 m och
atomens till 10-10 m.
• Kallas även planetmodellen och gäller i
huvudsak än idag.
Planetmodellen bristfällig
• Likt planeternas rörelse runt solen måste de
negativa elektronerna cirkulera runt den
positiva atomkärnan för att inte falla in i den.
• Accelerade laddningar sänder dock ut
elektromagnetisk strålning, enligt klassisk
fysik, och kommer således att tappa fart och
falla in mot kärnan.
• Atommodellen måste modifieras.
Niels Bohrs (1885-1962)
• Dansk fysiker, nobelpris 1922.
• Bohrs två postulat år 1913 för en stabil atom:
• Elektronerna rör sig endast i vissa tillåtna
cirkulära banor runt atomkärnan utan att
sända ut strålning.
• Atomen strålar endast när en elektron övergår
från en bana till en annan och då med en
frekvens som ges av formeln hf=E1-E2
Bohrs atommodell (1913)
• Enligt Bohr rör sig elektronerna i vissa tillåtna
banor (skal)
Excitation av atomer
• Bohrs atommodell förklarar spektrallinjer med att
den exciterade atomens elektroner faller tillbaka
till lägre energinivåer (elektronbanor).
Energiminskningen utsänds som fotoner (linjer).
• Atomer exciteras på främst två sätt:
• Via rörelseenergi från en kolliderande elektron.
För excitation krävs att elektronens rörelseenergi
är minst energiskillnaden till nästa energinivå.
• Absorption av en foton, vars energi exakt är
energiskillnaden till en högre energinivå i atomen
Emissionsspektrum
• Det finns tre typer av emissionsspektrum:
• Värmestrålning från fasta material ger
kontinuerligt spektrum (alla våglängder), t ex från
glödlampor:
• Värmestrålning och urladdningar i enkla gaser ger
linjespektrum (spektrallinjer). Här från väte:
• Värmestrålning och urladdningar i molekylgaser
ger bandspektrum, t ex från lysrör. Här från järn:
Urladdningsrör
• En hög spänning (flera tusen volt) läggs över
rörets ändar.
• Röret är fyllt med en gas under lågt tryck.
• Urladdningen får elektronerna att excitera
atomerna i den tunna gasen.
• När atomerna återgår till grundtillståndet
sänder de ut fotoner, som syns som
spektrallinjer.
Spektralhistoria
• Anders Ångström (1814–74), svensk fysiker och
astronom, en av spektroskopins grundare. Den
förste (1853) som observerade vätets spektrum.
• Johann Jakob Balmer (1825–98), schweizisk
matematiker. Uppställde 1885 en formel för
vätets spektrallinjer utifrån Ångströms mätningar.
• Janne Rydberg (1854–1919), svensk fysiker och
matematiker, som 1890 förbättrade Balmers
formel.
Absorptionsspektrum
• Gas som belyses av ljus absorberar de
våglängder som gasen emitterar.
• Ljus som passerar en gas saknar alltså vissa
våglängder, vilket ses som svarta linjer i ett
kontinuerligt spektrum.
• Detta kallas ett absorptionsspektrum.
Frauenhoferlinjer
• Mörka absorptionslinjer i solens kontinuerliga
spektrum:
• Atomer och molekyler i solens atmosfär
absorberar vissa våglängder i solljuset, t ex
väte och helium.H:
• Upptäcktes (600 linjer) av Joseph von
Fraunhofer (1787–1826) år 1814.
He:
Bohr förklarar spektrallinje
• Balmers eller Rydbergs formler är empiriska och
förklarar inte varför linjepektrum uppkommer.
• Bohrs atommodell förklarar att spektrallinjer
uppkommer när en elektron hoppar mellan
tillåtna energitillstånd (skal) och då sänder ut
fotoner med bestämd våglängd.
• Bohrs atommodell förklarar dock inte varför
elektronerna endast tillåts existera i vissa banor
(energinivåer).
Stående vågor och elektronbanor
• Förklaringen ligger i de Broglies materievågor.
• Elektronen kan endast existera i banor där
elektronvåglängden ger stående vågor.
• Elektronbanans omkrets motsvarar ett helt
antal (n=1, 2, 3…) elektronvåglängder.
Väteatomen
• Väte upptäckts år 1766 av Henry Cavendish
(1731–1810) i London.
• Vanligaste grundämnet – universums vikt
utgörs av 70-80 % av väte.
• Enklaste grundämnet – en proton och en
elektron.
• Lätt att beräkna radie och energinivåer för.
Bohrradien för väte
• Rydbergs formel för väte, samt väteatomens
radie (R) och energinivåer kan beräknas.
• Bohrradien R1=0,0529 nm är väteatomens
radie i grundtillståndet (n=1).
• Elektronen har då hastigheten v=2,19 Mm/s
Väteatomens energinivåer
• Energinivåerna En härleds med klassisk fysik
kombinerat med uttrycket för bohrradien (se
länk).
• Grundtillstånd för n=1.
• Negativa energinivåer därför att den
joniserade väteatomen (d v s då elektronen
avlägsnats) antas ha energin 0 eV.
• Jonisationsenergin är 13,6 eV.
Väteatomens energinivådiagram
Väteatomens emissionsspektrum
• Spektrat indelas i tre serier:
• Lymanserien – övergångar till
grundtillståndet (n=1), som ger
kortvågigt osynligt UV-ljus.
• Balmerserien – övergångar till
nivån n=2, där övergångar från
nivåerna n=3, 4, 5, 6 ger synligt
ljus, resten är energirikare UVljus.
• Paschenserien – övergångar till
nivån n=3, där allt ljus ligger i
infraröda området.
Stimulerad emission
• I en exciterad atom faller elektronerna normalt
tillbaka till lägre energinivåer slumpmässigt.
• Belyses en exciterad atom med fotoner med
samma energi som mellan två energinivåer
utlöses emision.
• Detta kallas stimulerad emission och är principen
för laser - Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation.
Koherent ljus
• Laserljus har två värdefulla egenskaper:
• Ljuset har en frekvens (d v s en våglängd, en
färg).
• Ljusvågorna/fotonerna är i fas med varandra.
• Detta kallas koherent ljus.
Laserns funktion
• Blixtlampan exciterar atomerna i gasröret.
• Fotoner som reflekteras i speglarna stimulerar
exciterade atomer till emission. Läs mer här!
Laserhistoria
• År 1917 förklarade Albert Einstein
teoretiskt grunderna för stimulerad
emission.
• År 1954 uppfanns den första masern ’laser’ för mikrovågor, vilket gav N
Basov, C H Townes och A Prochorov
nobelpris 1964.
• År 1958 publicerar A L Schawlow och C
H Townes principerna för laserverkan.
Schawlow fick nobelpris 1981.
• År 1960 konstruerar T Maiman den
första lasern.
Röntgenstrålning
• Elektromagnetisk strålning (som ljus) med kort
våglängd (0,001-50 nm).
• Skapas genom att beskjuta en metallyta med
elektroner med hög fart (hög energi, c:a 50
keV).
• Röntgenrör
med vattenkylning:
Röntgenspektrum
• Topparna visar den karakteristiska strålningen
som är unik för materialet i metallplattan
(anoden).
• Kurvan visar bromsstrålningen.
(0,01 nm),Karakteristisk
strålning, Bromsstrålning
Två typer av röntgenstrålning
• Vid inbromsningen av elektronerna skapas
två typer av röntgenstrålning:
• Bromsstrålning – laddningar som accelereras
sänder ut kontinuerlig strålning.
• Karakteristisk strålning – elektronerna
exciterar metallatomerna genom att slå ut
elektroner i de innersta skalen. Fotoner med
hög energi skapas när dessa skal besätts med
fria elektroner.
• Metallytan består av tunga atomer (wolfram,
molybden) med många elektroner.
Röntgenhistoria
• År 1895 upptäcker Wilhelm Conrad
Röntgen (1845-1923)
röntgenstrålningen, som då var
okänd och kallades X-ray.
• Fick första nobelpriset i fysik 1901.
• Röntgenbilden är från år 1896.
• Max von Laue (1879-1960) upptäckte
1912 att röntgen är elektromagnetisk
strålning genom diffraktion i kristaller
(nobelpris 1914).
Bohrs atommodell modifieras
• Redan innan Bohr presenterade sin
modell för väteatomen 1913 hade
man med högupplösande
spektroskopi upptäckt att bl a vätets
spektrallinjer består av flera tätt
liggande linjer, s k finstruktur.
• År 1916 modifierade Arnold
Sommerfeld (1868-1951) Bohrs
atommodell till att omfatta
elliptiska elektronbanor.
Bohr-Sommerfelds atommodell
• Finstrukturen kan ej förklaras med enbart
huvudkvanttalet n (d v s elektronskalen K, L, M …).
• Sommerfeld inför ytterligare ett kvanttal –
banimpulmomentkvanttalet l, som kan anta värdena l
=0, 1, 2, 3, n-1 och anger elektronbanans excentricitet.
• l = 0, 1 och 2 kallas
även s-, p- och
d-elektroner.
• I atomer med mer än
en en elektron anger
l-kvanttalen olika
energitillstånd (underskal).
Zeeman-effekten
• År 1896 upptäckte Pieter Zeeman (18561943) att spektrallinjer uppspaltas om
ljuskällan placeras i ett magnetfält. Detta
kallas Zeeman-effekt.
• Nobelpris 1902.
• Bohr-Sommerfeld-modellen tolkar detta
som att elektronens banrörelse skapar
ett magnetfält som samverkar med det
yttre magnetfältet.
• Effekten beskrivs med det magnetiska
kvanttalet
ml = 0, ±1, ±2… ±l
Elektronspinn ger vätets finstruktur
• År 1925 antar Samuel Goudsmit och George Uhlenbeck att
elektronen roterar runt sin axel (som jorden) i sin bana runt
atomkärnan.
• Detta påverkar atomens energitillstånd.
• De inför elektronspinnkvanttalet
• Detta beskriver finstrukturen i vätets spektrum.
• Bra länk om kvantmekanik.
Elektronbanor och kvanttal
• Elektronbanorna är inte cirkulära,
utan sfäriska.
• Det finns heller inte ”banor”, utan
sannolikheter att finna elektronen på i
ett visst läge i ”elektronmolnet”.
• Med de fyra kvanttalen n, l, ml och ms
kan emellertid elektronernas
fördelning i elektronskalen anges.
• Kvanttalen n, l och ml ges av
schrödingerekvationen.
Pauli-principen och kvanttalen
• Wolfgang Pauli (1900-1958),
tysk fysiker.
• •
• Uppställde 1925 Pauliprincipen: Varje elektron i en
atom har en unik kombination
av de fyra kvanttalen.
• Nobelpris år 1945.
Periodiska systemet
Periodiska systemets historia
• Den ryske kemisten Dmitrij Ivanovitj
Mendelejev (1834-1907) och tyske
kemisten Lothar Meyer (1830-1895)
sammanställde oberoende av varandra
år 1869 det första periodiska systemet
för de då 63 kända grundämnena.
• Grundämnena ordnades efter stigande
atomvikt.
• Läs mer om periodiska systemet och
om Mendelejev och andra kemister.
Mer atom- och kvantfysik
• Utbildningsradions (UR) länk
http://www4.ur.se/orbital/ ínnehåller mycket
om atom- och kvantfysik,
bl a animeringer