Atomfysik

1. Atomfysik

2. 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.

3. Atombegreppetblir 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.

4. 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.

5. 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!

6. 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!

7. 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 JThomson (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.

8. 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!

9. Radioaktiviteten upptäcks • År 1896 upptäcker Henri Becquerel att ett uransaltsvärtar 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

10. 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.

11. 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!

12. 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.

13. 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.

14. 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

15. Bohrs atommodell (1913) • Enligt Bohr rör sig elektronerna i vissa tillåtna banor (skal)

16. 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

17. 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:

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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:

22. 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).

23. 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.

24. 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.

25. Bohrradien för väte • Rydbergs formel för väte, samt väteatomens radie (R) och energinivåer kan beräknas. • Bohrradien R1=0,0529nm är väteatomens radie i grundtillståndet (n=1). • Elektronen har då hastigheten v=2,19 Mm/s

26. 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.

27. Väteatomens energinivådiagram

28. 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 UV-ljus. • Paschenserien – övergångar till nivån n=3, där allt ljus ligger i infraröda området.

29. 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 - LightAmplification by Stimulated Emission ofRadiation.

30. 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.

31. Laserns funktion • Blixtlampan exciterar atomerna i gasröret. • Fotoner som reflekteras i speglarna stimulerar exciterade atomer till emission. Läs mer här!

32. 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.

33. 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). • Röntgenrörmed vattenkylning:

34. Röntgenspektrum • Topparna visar den karakteristiska strålningen som är unik för materialet i metallplattan (anoden). • Kurvan visar bromsstrålningen. (0,01 nm),Karakteristisk strålning, Bromsstrålning

35. 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.

36. 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).

37. 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.

38. Bohr-Sommerfelds atommodell • Finstrukturen kan ej förklaras med enbart huvudkvanttalet n (d v s elektronskalen K, L, M …). • Sommerfeld inför ytterligare ett kvanttal – banimpulmomentkvanttaletl, 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 änen en elektron angerl-kvanttalen olikaenergitillstånd (underskal).

39. Zeeman-effekten • År 1896 upptäckte Pieter Zeeman (1856-1943) 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

40. 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.

41. 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 ochmlges av schrödingerekvationen.

42. Pauli-principen och kvanttalen • Wolfgang Pauli (1900-1958), tysk fysiker. • • • Uppställde 1925 Pauli-principen: Varje elektron i en atom har en unik kombination av de fyra kvanttalen. • Nobelpris år 1945.

43. Periodiska systemet

44. Periodiska systemets historia • Den ryske kemisten Dmitrij IvanovitjMendelejev (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.

45. Mer atom- och kvantfysik • Utbildningsradions (UR) länk http://www4.ur.se/orbital/ínnehåller mycket om atom- och kvantfysik, bl a animeringer