Fy2-powerpoint-Kap14-Atomen-v048-2023-11-22.pptx
Download as PPTX, PDF•0 likes•22 views
Fy2 powerpoint Kap14 Atomen
Fy2-powerpoint-Kap14-Atomen-v048-2023-11-22.pptx
- 1. Kap 14.1 Atomens storlek sida 268 Kap 14.2 Atomens ljus sida 269 Kap 14.3 Bohrs atommodell sida 271 Kap 14.4 Väteatomen sida 272 Kap 14.5 Att excitera atomer sida 274 Kap 14.6 Bohrmodellens begränsningar sida 278 Kap 14.7 Materiens vågegenskaper sida 278 Kap 14.8 Röntgenspektrum sida 280 Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 Atomen Kap 14 Heureka Fysik 2 sidor 267 - 288
- 2. Kap 14.1 Atomens storlek sida 268 Atomens massa är koncentre rad till en liten positivt laddad kärna med en diameter mellan 10-15 m och 10-14 m. Utanför kärnan befinner sig negativt laddade elektroner. Atomnumret anger antalet positiva elementarladd ningar i kärnan och därmed även antalet elektroner i den neutrala atomen. Med hjälp av det mest sofistikerade elektronmikroskop som kon struerats har man lyckats avbilda en guldatom. l den vänstra bilden har guldatomen fångat in en extra elektron, vilket framgår av den mörka ringen runt atomen. Li 3 6 Am 95 243 ¿ 28 58 År 1827 studerade Robert Brown, pollenkorn i vatten. ”Brownsk rörelse” År 1897 upptäckte J J Thomson elektronen. År 1910 bestämde Robert Millikan elementarladdningen År 1911 slutförde Ernest Rutherford sina experiment med alfapartiklar som projektiler mot guldatomer. Antalet elementarladdningar anges av atomnumret, atomens ordningstal i det periodiska systemet
- 3. Kap 14.1 Atomens storlek sida 268 Au 79 197 EXEMPEL 1 Vi kan inte se atomer. Det beror på att synen reagerar på ljus som har en våglängd runt 500 nm, och en atom är mycket mindre. En guldatom väger 3,3 · 10-25 kg. Hur stor är den? Lösning Med sambandet r = kan vi uppskatta storleken av de guldatomer som Rutherford bombarderade. Vi antar att atomerna ligger tätt packade i metallen och har formen av kuber med volymen , se figuren till vän ster. Med kännedom om densiteten r för guld får vi: Om sidan i kuben kallas får vi och = 0,25 nm Motsvarande beräkningar för andra atomslag ger resultat av samma storleksordning.
- 4. Kap 14.2 Atomens ljus sida 269 ljuskälla lins1 gitter lins2 centralbild 2:a ordningens blå linje spalt 1:a ordningens blå linje En enkel gitterspektrometer. Varje våglängd i det ljus som under söks ger upphov till en spaltbild, en spektrallinje. VI KAN INTE SE ATOMER, MEN DE AVSLÖJAR SIG GENOM SITT LJUS Undersöker man ljuset från ett urladdningsrör med en spektrometer, se figuren nedan, finner man att det är sammansatt av flera komponenter. Ljuset från ljuskällan koncentreras mot en spalt som sedan avbildas på en skärm. På vägen passerar ljuset ett gitter. Där böjs en del av ljuset, så att olika våglängder ger upphov till färgade spaltbilder- spektrallinjer- på olika ställen på skärmen. Våglängden hos var och en av de ingående ljuskomponenterna kan bestämmas med gitterformeln genom mätning av vinkeln , i ordning nummer .
- 5. Kap 14.2 Atomens ljus sida 270 ljuskälla lins1 gitter lins2 centralbild 2:a ordningens blå linje spalt 1:a ordningens blå linje En enkel gitterspektrometer. Varje våglängd i det ljus som under söks ger upphov till en spaltbild, en spektrallinje. Bestäm det blå ljusets våglängd i figuren om gittret har 600 spalter per millimeter. Lösning Vinkeln uppmäts till 33°. (Vi utnyttjar andra ordningens spektrum eftersom det bör ge noggrannare resultat.) Gitterkonstanten är m Gitterformeln , ger och m Svar: Det blå ljusets våglängd är 0,45 mm. EXEMPEL 2
- 6. Kap 14.2 Atomens ljus sida 270-271 Spektraltyper Urladdningsrör som innehåller enatorniga gaser (ädelgaser eller metallångor) ger spektrer med relativt få spektrallinjer, var och en med sin bestämda våglängd - linjespektrer. Se figur a). Innehåller rören två- eller fleratomiga molekyler, blir linjerna betydligt fler och ligger ofta så tätt att de bildar band, fig. b). Ljuset från en upphettad glödtråd ger ett kon tinuerligt spektrum - en obruten kedja av spektrallinjer från violett till rött, fig. c) Tydligen ökar antalet linjer när fler atomer är bundna till varandra. Atomerna i en enatomig gas vid lågt tryck är "fria" och kan sända ut ljus opåverkade av varandra. I en molekyl är några få atomer sammanbundna, men i ett fast ämne som glödtråden binds många atomer samman och påverkar varandra. Varje atomslag har sitt karakteristiska linjespektrum, olikt alla andras. Om man sänder ljuset från ett gasformigt eller förgasat ämne genom en spektrameter och mäter våglängderna hos de spektrallinjer som uppstår, kan man därför avgöra vilka atomslag provet innehåller, figur nedan. Det kallas spektralanalys. Olika typer av spektrum. a) Linjespektrum från en enatornig gas,helium. b) Bandspektrum från fler- -atomiga molekyler av kväve. c) Kontinuerligt spektrum från ett fast ämne,en glödtråd. neonspektrum argonspektrum
- 7. Kap 14.3 Bohrs atommodell sida 271 I kapitel 12 (ljus) beskrevs fotonen och fotonens energi. Ljus med våglängden l är en ström av fotoner. Varje foton har energin Linjespektret från fria atomer innebär att de bara sänder ut fotoner med sådana energier som motsvarar de olika linjernas våglängder. När atomen sänder ut en foton med en viss energi måste den förlora motsvarande energimängd. Eftersom bara vissa våglängder förekommer i atomens linjespektrum, kan det bara finnas vissa möjliga energitillstånd i atomen. Detta ledde dansken Niels Bohr till att 1913 föreslå en förbättrad atommodell. Enligt den kan elektronerna i en atom bara befinna sig i vissa bestämda banor runt atomkärnan, var och en svarande mot ett "tillåtet" energitillstånd. Atomers energi sägs vara kvantiserad. När atomen tillförs energi - exciteras - t.ex. genom kollision med en snabb partikel, "lyfts" en elektron till någon av de energirikare banorna längre från kärnan. Elektronen återgår alltid till ett lägre energitill stånd och atomen deexciteras. Då sänds atomens energiminskning ut i form av en foton med energin En exciterad atoms återgång från ett högre till ett lägre energitillstånd är en slumpmässig process. Det går alltså inte att förutsäga när en viss atom kommer att ta språnget. Däremot kan man noggrant ange den genomsnittliga tid den stannar i ett visst exciterat tillstånd. Den tiden är ofta bara av storleksordningen 10 ·7 sekunder.
- 8. Kap 14.3 Bohrs atommodell sida 271 Bohrs atommodell kallas ofta ”skalmodellen” , då Bohr postulerade att elektronen rör sig enbart i olika ”skal”. Antaet skal är kvantifierade, bestämda efter heltal: (Dessa kallas ibland för K-, L-, M- . . . osv –skalen, men inom fysiken kommer vi att beteckna dem efter n = 1,2,3,4 . . . )
- 9. 𝐸𝑛=− 𝐸𝑅 𝑛 2 Vi ska tillämpa Bohrs beskrivning av väteatomen. energinivådiagram. Grundtillståndet är det lägsta energitillståndet och svarar mot att elektronen befinner sig i den innersta tillåtna banan. De högre liggande nivåerna representerar exciterade tillstånd. Jonisationsgränsen ligger 13,6 eV ovanför grundtillståndet Det betyder att om elektronen är i grundtillståndet, krävs energin 13,6 eV för att nätt och jämnt frigöra den från kärnan. En nivån n:s energi eV (elektronvolt) = 1,6·10-19 J ER Rydbergsenergin 13,6 eV n nivå: 1,2,3, . . 1 (ingen enhet) Kap 14.4 Väteatomen sida 272 n En 1 - 13,6 eV 2 - 3,39 eV 3 - 1,51 eV 4 - 0,85 eV 5 - 0,54 eV 6 - 0,38 eV
- 10. 𝐸𝑛=− 𝐸𝑅 𝑛 2 En nivån n:s energi eV (elektronvolt) = 1,6·10-19 J ER Rydbergsenergin 13,6 eV n nivå: 1,2,3, . . 1 (ingen enhet) Kap 14.4 Väteatomen sida 272 n En 1 - 13,6 eV = - 2,179 aJ 2 - 3,39 eV = - 0,545 aJ 3 - 1,51 eV = - 0,242 aJ 4 - 0,85 eV = - 0,136 aJ 5 - 0,54 eV = - 0,087 aJ 6 - 0,38 eV = - 0,061 aJ
- 12. Kap 14.4 Väteatomen sida 272 Balmer-serien-emissions-spektrum vätgas i tub prisma spalter 410,0 nm 434,0 nm 486,1 nm 656,2 nm
- 13. Kap 14.4 Väteatomen sida 272 UV-strålning (ultraviolett) IR-strålning (infraröd) (värmestrålning) synligt ljus
- 14. Väteatomen Vilka våglängder kan sändas ut från en väteatom om den först exciterats till nivån -1,51 eV? EXEMPEL 3 Lösning Det finns två nivåer under nivån -1,51 eV. Väteatomen kan återgå direkt till grundtillståndet vid -13,6 eV. Den kan också hamna i nivån vid -3,39 eV, men även detta tillstånd är ju exciterat och atomen kommer då att fortsätta att deexcitera till grundtillståndet De möjliga energidifferenserna är: , ger m = 103 nm ger m = 659 nm , ger m = 121 nm Svar: Våglängderna är =103 nm, =121 nm och = 659 nm, varav endast den längsta våglängden är synlig i det röda området. De båda andra ligger i det ultravioletta området. 𝐸𝑛=− 𝐸𝑅 𝑛 2 H-alfa H-beta Balmer-emissions-spektrum H-alfa H-beta
- 15. Partikelbombardemang Ett sätt att excitera atomer är att bombardera dem med elektroner. En väteatom i grundtillståndet kan exciteras till nivån med n = 2 om den träffas av en elektron som har energin 10,2 eV eller mer. Är elektronenergin exempelvis 12,5 eV kan alltså väteatomen ta upp 10,2 eV eller 12,1 eV, och elektronen fortsätta med rörelseenergin 2,3 eV respektive 0,4 eV bort från atomen. Värmerörelse Ett annat sätt att excitera atomer i en gas är att hetta upp den. Höjs temperaturen blir värmerörelsen till slut så häftig att sammanstötningar mellan atomerna själva kan leda till excitation. Vid en sådan kollision övergår antingen den ena eller båda atomerna till högre energitillstånd. Vid tillräckligt hög temperatur sker detta så ofta att man kan se gasen lysa när atomerna återgår till grundtillståndet. Fotonabsorption Fotoner kan också excitera atomer. När en foton absorberas av en atom avger den all sin energi. Det betyder att fotonens energi måste vara lika stor som någon av de energier som atomen kan ta upp, annars sker ingen absorption (se figur 1 nedan). Ett undantag är om fotonenergin är större än jonisationsenergin. I så fall blir överskottsenergin rörelseenergi hos den frigjorda elektronen (se figur 2 nedan). . Kap 14.5 Att excitera atomer figur 1 figur 2
- 16. Kap 14.5 Att excitera atomer sida 277 Absorptionsspektrer Ett kontinuerligt spektrum med absorptionslinjer kallas ett absorp tionsspektrum. Ett exempel är solljusets spektrum. Det kontinuerliga ljuset från solen passerar på sin väg mot jorden både solens och jordens atmosfärer. I atmosfärernas gaser sker en absorption på samma sätt som i natriumångan, fast det nu finns många fler möjliga energibelopp som kan absorberas. Detta spektrum visar vilka ämnen som finns i solens och jordens atmosfärer. Vår atmosfär är genomskinlig för synligt ljus, och solens livgivande strål ning kan nå jorden. Det beror på att fotonerna i synligt ljus har för låg energi för att jonisera gasatomer eller excitera gasatomer som befinner sig i sitt grundtillstånd. Däremot har UV-fotoner tillräcklig energi för att excitera eller jonisera gasatomerna. När atomen joniseras behöver fotonens energi inte stämma exakt med ett givet energisprång. Över skottsenergin blir rörelseenergi hos den nu frigjorda elektronen. Denna process motsvarar den fotoelektriska processen för en metallyta. Fotoner med olika överskottsenergi kommer att ge olika rörelseenergi till den utsända fotonen i figuren nedan. I stratosfären på 15-30 km höjd finns ozon. Det bildas där genom att syremolekylen O2 sönderdelas till atomärt syre av UV-ljus med våglängder kortare än 240 nm. Det atomära syret reagerar sedan med O2 -molekyler och bildar ozon, O3 . Ozonet i sin tur absorberar UV- strålning från solen i våglängdsområdet 240-300 nm. På så sätt skyddas livet på jorden effektivt från skadlig UV-strålning. Den pågående uttunningen av ozonskiktet befa ras kunna leda till skador på växter och djur och ökad risk för hudcancer. solspektrum är kontinuer ligt, men genomdraget av ett stort antal absorptionslinjer. Linjerna visar på förekomst av väte, natrium, syre, helium, järn och kalcium
- 17. Kap 14.5 Att excitera atomer sida 277 Absorptionsspektrer Ett kontinuerligt spektrum med absorptionslinjer kallas ett absorp tionsspektrum. Ett exempel är solljusets spektrum. Det kontinuerliga ljuset från solen passerar på sin väg mot jorden både solens och jordens atmosfärer. solspektrum är kontinuer ligt, men genomdraget av ett stort antal absorptionslinjer. Några av dem syns i figuren. Linjerna C, F och G orsakas av väte,och D-linjen, som egentligen är dubbel,av natrium. De övriga linjerna visar på före komst av O (syre), He (helium), Fe (järn) och Ca (kalcium).
- 18. Kap 14.6 Bohrmodellens begränsningar sida 278 Bohrs och Rutherfords atommodell med elektroner cirklande runt en kärna är enkel att föreställa sig. Men den har stora brister. Bohr förutsatte villkoret . I vänsterledet är elektronens medelavstånd till kärnan, mv dess rörelsemängd och i högra ledet ett heltal. Villkoret väljer visserligen ut exakt de energitillstånd man observerar hos väte atomen och liknande system med en ensam elektron (en gång joniserat helium, två gånger joniserat litium etc.). Men det finns inget i modellen som förklarar varför enbart motsvarande elektronbanor är tillåtna. Och redan för heliumatomen, med två elektroner, stämmer modellen dåligt. En annan brist hänger samman med elektronernas cirklande runt kärnan. Vi vet att en sådan rörelse är centripetalaccelererad. Laddade partiklar som accelereras utsänder strålning. Elektronerna borde alltså fortlöpande förlora energi, deras fart minska och atomen kollapsa. Fysiken behövde en betydligt bättre atommodell och för att finna den krävdes ett stort mått av nytänkande. I dag betraktas elektronen inte enbart som en partikel i atomen, den beskrivs även som en våg, precis som de Broglie förutsåg. Rutherford Bohr de Broglie
- 19. Kap 14.6 Bohrmodellens begränsningar sida 278 Bohrs och Rutherfords atommodell med elektroner cirklande runt en kärna är enkel att föreställa sig. Men den har stora brister. . . . . . . det finns inget i modellen som förklarar varför enbart motsvarande elektronbanor är tillåtna. Och redan för heliumatomen, med två elektroner, stämmer modellen dåligt. En annan brist hänger samman med elektronernas cirklande runt kärnan. Vi vet att en sådan rörelse är centripetalaccelererad. Laddade partiklar som accelereras utsänder strålning. Elektronerna borde alltså fortlöpande förlora energi, deras fart minska och atomen kollapsa... Rutherford Bohr de Broglie - + - + - +
- 20. Kap 14.6 Bohrmodellens begränsningar sida 278 Bohrs och Rutherfords atommodell med elektroner cirklande runt en kärna är enkel att föreställa sig. Men den har stora brister. . . . Rutherford Bohr de Broglie . . . Fysiken behövde en betydligt bättre atommodell och för att finna den krävdes ett stort mått av nytänkande. I dag betraktas elektronen inte enbart som en partikel i atomen, den beskrivs även som en våg, precis som de Broglie förutsåg. 𝑛=1 𝜆1=2·𝜋 ·𝑟1 𝑛=2 2· 𝜆2=2· 𝜋 ·𝑟2 𝑛=3 3· 𝜆3=2·𝜋 ·𝑟 3 𝑛=1 𝑛=2 𝑛=3
- 21. Kap 12.8 de Broglies hypotes: partiklar har också vågegenskaper sida 237 de Broglie 𝐸=h· 𝑓 n p e- 𝑝= h 𝜆 𝑝= h 𝜆 𝑝= h 𝜆 𝑝= h 𝜆 𝑝=𝑚·𝑣 𝑝=𝑚·𝑣 𝑝=𝑚·𝑣 (omöjligt vid relativistiska beräkningar) foton proton neutron elektron gäller även för partiklar, (t ex elektroner). Det insåg de Broglie innebär att: Eftersom rörelsemängden för en partikel med massan , så borde en ström av partiklar med hastigheten ha en våg tilldelad sig, med våglängden ("de Broglie-våglängden"): Formeln innebär att snabbare och mer massiva partiklar har kortare våglängd än långsamma och lätta partiklar. de Broglies formel:
- 22. Kap 14.7 Materiens vågegenskaper sida 278 Bohrmodellen introducerade kvantiseringen av atomens energier. Liknande kvantisering har vi stött på när vi studerade stående vågor. I exem pelvis en sträng med given längd kan stående vågor uppkomma bara för vissa våglängder, och varje svängningstillstånd motsvarar en bestämd svängningsenergi. En elektron som är bunden i en atom måste uppehålla sig inom ett område av storleksordningen 0,1 nm. Enligt de Broglie kan en elektron med rörelsemängden betraktas som en våg med våglängden . Därför kan atomers energitillstånd förknippas med svängningstillstånd hos olika stående vågor. Dessa stående vågor består dock inte av vibra tioner i något medium. Inte heller är de en elektromagnetisk svängningsrörelse. De är rent matematiska hjälpmedel, vågfunktioner. Kvadraten på vågfunktionen är ett mått på sannolikheten att registrera en partikel. I kvantmekaniken beskrivs alltså en partikel som en våg, och våg funktionen används vid beräkningar av t.ex. energier med en differen tialekvation som kallas Schrödinger-ekvationen. Den har samma roll för vågfunktionerna som Newtons kraftekvation har för ett föremål. Newtons ekvation får man som ett specialfall av Schrödingers ekvation, i situationer där vågkaraktären inte dominerar. Med hjälp av kvantmekanik kan man beskriva atomernas egenskaper och beräkna kvantiserade energier och bindningar i molekyler. Man har fått ett kraftfullt hjälpmedel för att t.ex. förutsäga nya materialegenskaper eller hur molekyler kommer att fungera tillsammans med kroppens celler. e- 𝑝= h 𝜆 𝑝=𝑚·𝑣 elektron de Broglie Newton Schrödinger
- 23. Kap 14.7 Materiens vågegenskaper sida 278 En elektron som är bunden i en atom måste uppehålla sig inom ett område av storleksordningen 0,1 nm. Enligt de Broglie kan en elektron med rörelsemängden betraktas som en våg med våglängden . Därför kan atomers energitillstånd förknippas med svängningstillstånd hos olika stående vågor. Dessa stående vågor består dock inte av vibra tioner i något medium. Inte heller är de en elektromagnetisk svängningsrörelse. De är rent matematiska hjälpmedel, vågfunktioner. Kvadraten på vågfunktionen är ett mått på sannolikheten att registrera en partikel. I kvantmekaniken beskrivs alltså en partikel som en våg, och våg funktionen används vid beräkningar av t.ex. energier med en differen tialekvation som kallas Schrödinger-ekvationen. Den har samma roll för vågfunktionerna som Newtons kraftekvation har för ett föremål. Newtons ekvation får man som ett specialfall av Schrödingers ekvation, i situationer där vågkaraktären inte dominerar. e- 𝑝= h 𝜆 𝑝=𝑚·𝑣 elektron Schrödinger − h2 8· 𝜋 ·𝑚 ·Ψ ′ ′ (𝑥, 𝑦 , 𝑧 ,𝑡)+𝐸𝑝 ·Ψ (𝑥 , 𝑦 ,𝑧 ,𝑡 )=𝐸·Ψ (𝑥 , 𝑦 ,𝑧 ,𝑡) Schrödinger-ekvationen för elektronvågfunktionen
- 24. Kap 14.7 Materiens vågegenskaper sida 278 Därför kan atomers energitillstånd förknippas med svängningstillstånd hos olika stående vågor. De är rent matematiska hjälpmedel, vågfunktioner. Kvadraten på vågfunktionen är ett mått på sannolikheten att registrera en partikel. I kvantmekaniken beskrivs alltså en partikel som en våg, och våg funktionen används vid beräkningar av t.ex. energier med en differen tialekvation som kallas Schrödinger-ekvationen. Schrödinger- modellen (sannolikhetsvåg) − h2 8· 𝜋 ·𝑚 ·Ψ ′ ′ (𝑥, 𝑦 , 𝑧 ,𝑡)+𝐸𝑝 ·Ψ (𝑥 , 𝑦 ,𝑧 ,𝑡 )=𝐸·Ψ (𝑥 , 𝑦 ,𝑧 ,𝑡) Bohr- Modellen (skal) de Broglie- modellen (våg)
- 25. Kap 14.8 Röntgenspektrum sida 280 Elektronerna i en atom är ordnade i skal och deras bindningsenergier bestäms av kvanttal. I en atom med många elektroner befinner sig de hårdast bundna elektronerna i det innersta skalet som kallas K-skalet. De näst hårdast bundna elektronerna befinner sig i L-skalet och ännu längre ut i M-skalet etc. När en atom exciteras med måttliga energier, övergår någon av de yttersta elektronerna till ett ledigt tillstånd med högre energi. Det är när sådana elektroner återgår till sina ursprungliga tillstånd som fotoner ofta emitteras inom den synliga delen av spektrum. Men med högre excitationsenergier är det också möjligt att lyfta upp en elektron som ligger djupt inne i en atom med flera skal. Betrakta en kiselatom ( ) som har K- och L-skalen fullbesatta, men lediga platser i M-skalet. Anta att en elektron från kiselatomens K-skal lyfts till en bana i M-skalet, eller längre ut. Den lediga platsen kan återbesättas av en elektron från L-skalet eller M-skalet. I båda fallen utsänds fotoner som har en energi i storleksordningen keV (1000 elektronvolt) och tillhör röntgenområdet. ( energirikare än UV-strålning ) Det är så spektrallinjerna i figuren har uppkommit. När elektroner övergår till skal djupt inne ien atom, ger alltså övergångarna upphov till rönt genspektrum. Eftersom alla atomer med många elektroner har en likartad upp byggnad av de inre skalen, kommer olika atomers röntgenspektrum att likna varandra (figur 16). Spektrallinjerna förskjuts dock mot allt högre energier och kortare våglängder när atomnumret ökar. Detta beror på att när kärnladdningen ökar så ökar också bindningsenergin för de innersta elektronerna. I ett röntgenrör bombarderas atomerna i ett ämne med energirika elektroner från en elektronkanon. När elektronerna slår emot ämnet uppstår röntgenstrålning av ytterligare ett skäl. Utöver ett linjespektrum emitteras också ett kontinuerligt spektrum p.g.a. den snabba inbroms ningen av de laddade partiklarna (figur 18). K-skal L-skal M-skal
- 26. Kap 14.8 Röntgenspektrum sida 280 Betrakta en kiselatom ( ) som har K- och L-skalen fullbesatta, men lediga platser i M-skalet. Anta att en elektron från kiselatomens K-skal lyfts till en bana i M-skalet, eller längre ut. Den lediga platsen kan återbesättas av en elektron från L-skalet eller M-skalet. I båda fallen utsänds fotoner som har en energi i storleksordningen keV (1000 elektronvolt) och tillhör röntgenområdet( energirikare än UV-strålning ). Det är så spektrallinjerna i figuren har uppkommit. K-skal L-skal M-skal Kisel: inre elektron exciteras Kisel: inre elektron exciterats Kisel: yttre elektron faller in, röntgenstrålning utsänds
- 27. Kap 14.8 Röntgenspektrum sida 280 Betrakta en kiselatom ( ) som har K- och L-skalen fullbesatta, men lediga platseri M-skalet. Anta att en elektron från kiselatomens K-skal lyfts till en bana i M-skalet, eller längre ut. Den lediga platsen kan återbesättas av en elektron från L-skalet eller M-skalet. I båda fallen utsänds fotoner som har en energi i storleksordningen keV (1000 elektronvolt) och tillhör röntgenområdet. ( energirikare än UV-strålning ). Det är så spektrallinjerna i figur 16 har uppkommit. K-skal L-skal M-skal figur 16
- 28. Kap 14.8 Röntgenspektrum sida 281 I ett röntgenrör bombarderas atomerna i ett ämne med energirika elektroner från en elektronkanon. När elektronerna slår emot ämnet uppstår röntgenstrålning av ytterligare ett skäl. Utöver ett linjespektrum emitteras också ett kontinuerligt spektrum p.g.a. den snabba inbroms ningen av de laddade partiklarna (figur 18). figur 18 𝜆
- 29. Kap 12.4 Einstein och fotonen sida 232 Einstein upptäckte den fotoelektriska effekten, genom att observera att enstaka valenselektroner upptar energi ifrån en foton (”ett energipaket”) Denna foton måste i sig själv innehåll tillräckligt med energi för utträdesarbetet för att elektronen ska lämna atomen, överskottet av energi ger elektronen en hastighet i dess rörelseenergi . Alltså: 𝐸k= 𝑚·𝑣2 2 𝐸u h · 𝑓 En foton träffar en metall, och en elektron lämnar metallen med en viss rörelseenergi som bestäms av fotonens energi och metallens utträdesarbete.
- 30. Kap 12.4 Einstein och fotonen sida 232 Einstein upptäckte den fotoelektriska effekten, genom att observera att enstaka valenselektroner upptar energi ifrån en foton (”ett energipaket”) Denna foton måste i sig själv innehåll tillräckligt med energi för utträdesarbetet för att elektronen ska lämna atomen, överskottet av energi ger elektronen en hastighet i dess rörelseenergi . Alltså: En foton träffar en metall(yta), t ex alkalimetallen Litium och en elektron lämnar metallen med en viss rörelseenergi som bestäms av fotonens energi och metallens utträdesarbete. h · 𝑓 𝐸u ”elektronmoln” metaller delar valenselektroner över hela bitar av metall – det är det som gör dem strömledande . . .
- 31. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 I kapitel 12.4 behandlades den fotoelektriska effekten. En foton träffar en metall, och en elektron lämnar metallen med en viss rörelseenergi som bestäms av fotonens energi och metallens utträdesarbete. Genom att använda fotoner med större energi når man längre in i atomen. Elektroner som sitter fastare bundna kan då lyftas ut. I en elektronspektrameter exciteras energinivåer i den atom som undersöks av röntgenfotoner med en välbestämd energi. Den utgående elektronens rörelseenergi mäts i spektrametern (figur 19b). h· 𝑓 =𝐸u+𝐸k figur 19b I en elektrostatisk elektronspektrameter analyseras elektro ners rörelseenergier. e-
- 32. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 I en elektronspektrameter exciteras energinivåer i den atom som undersöks av röntgenfotoner med en välbestämd energi. Den utgående elektronens rörelseenergi mäts i spektrametern (figur 19b). h· 𝑓 =𝐸u+𝐸k figur 19b e- + - hög energi Ek låg energi Ek hög energi Ek låg energi Ek kan bestämmas av att är känd och att mäts. t ex CO
- 33. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 Det elektriska fältet mellan två koncentriska sfärer avböjer elektronen i en cirkelbana. Ur spänningen mellan sfärerna kan elektronens rörelseenergi beräknas. I figur 19b visas hur elektronerna passerar genom den sfäriska analysatorn och hamnar på detektorn där de registreras. Analys atorn placeras i en vakuumtank, eftersom elektronerna annars skulle stop pas av luftens molekyler innan de når detektorn. I en molekyl eller annan kemisk omgivning påverkas bindningsener gierna i en atom av atomerna i närheten, och man kan studera kemisk bindning och kemiska processer. Bindningsenergin, , beräknas ur Einsteins fotoelektriska ekvation: där mäts med elektronspektrametern och är röntgenfotonens energi. Undersökningsdjupet i fasta ämnen är bara några enstaka atomlager. Metoden är alltså extremt ytkänslig och har därför använts för att stu dera hur bilkatalysatorer fungerar. Genom studier av hur molekyler och atomer binds till katalysatorytan försöker man finna bättre och billigare katalysatormaterial (figur 19a, c). Modern fysikforskning karakteriseras vanligen av att den bedrivs i stora forskarlag med hjälp av dyrbar och utrymmeskrävande apparatur. Den experimentella verksamheten utförs ofta av doktorander. Figur 19 är ett resultat från ett sådant projekt, utfört vid Maxsynkrotronen i Lund. Synkrotronljuset från Max möjliggör bl.a. att man kan variera vågläng den l för det exciterande röntgenljuset inom ett stort våglängdsområde. Sedan 2002 projekteras och byggs världens största synkrotonring i Lund (figur 20). Den kommer att ha en diameter på 160 meter och kosta 2,6 miljarder kronor. Synkrotronringen är Sveriges största forsknings projekt genom tiderna och beräknas vara färdig 2014. h· 𝑓 =𝐸u+𝐸k figur 19b
- 34. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 h· 𝑓 =𝐸u+𝐸k figur 19c Det elektriska fältet mellan två koncentriska sfärer avböjer elektronen i en cirkelbana. Ur spänningen mellan sfärerna kan elektronens rörelseenergi beräknas. I figur 19b visas hur elektronerna passerar genom den sfäriska analysatorn och hamnar på detektorn där de registreras. Analys atorn placeras i en vakuumtank, eftersom elektronerna annars skulle stop pas av luftens molekyler innan de når detektorn. I en molekyl eller annan kemisk omgivning påverkas bindningsener gierna i en atom av atomerna i närheten, och man kan studera kemisk bindning och kemiska processer. Bindningsenergin, , beräknas ur Einsteins fotoelektriska ekvation: där mäts med elektronspektrametern och är röntgenfotonens energi. Undersökningsdjupet i fasta ämnen är bara några enstaka atomlager. Metoden är alltså extremt ytkänslig och har därför använts för att stu dera hur bilkatalysatorer fungerar. Genom studier av hur molekyler och atomer binds till katalysatorytan försöker man finna bättre och billigare katalysatormaterial (figur 19a, c). Katalysatorn byggs upp av tre lager, där rodium (Rh) är den aktiva metallen
- 35. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 h· 𝑓 =𝐸u+𝐸k där mäts med elektronspektrometern och är röntgenfotonens energi. Någon av elektronerna i yttersta (delade mellan C (kol) och O (syre) skalet frigörs med röntgenfotonen. 𝒉 · 𝒇 𝐸k 𝐸b C O C O
- 36. figur 19c Kap 14.9 Elektronspektrum sida 282 𝐸b=h· 𝑓 − 𝐸k Undersökningsdjupet i fasta ämnen är bara några enstaka atomlager. Metoden är alltså extremt ytkänslig och har därför använts för att stu dera hur bilkatalysatorer fungerar. Genom studier av hur molekyler och atomer binds till katalysatorytan försöker man finna bättre och billigare katalysatormaterial (figur 19a, c). figur 19a Elektronspektrum från koloxid CO som fastnat på rhodium. Rhodi um används i en katalysatormodell. Uppbyggnaden av modellen visas i figur 19c. Spektra visar hur CO gradvis bryts upp när katalysatorns tempe ratur ökas (1), (2), (3). Kvar blir till slut endast atomärt kol. l figuren ser man hur den kemiska omgivningen påverkar bindnings - energin för en kolelektron. Elektronen sitter tydligen fastare bunden till kolet i CO ( 286 eV) än i atomärt kol ( 284 eV).
- 37. Kap 14.9 Elektronspektrum sida 281 Modern fysikforskning karakteriseras vanligen av att den bedrivs i stora forskarlag med hjälp av dyrbar och utrymmeskrävande apparatur. Den experimentella verksamheten utförs ofta av doktorander. Figur 19 är ett resultat från ett sådant projekt, utfört vid Maxsynkrotronen i Lund. Synkrotronljuset från Max IV möjliggör bl.a. att man kan variera vågläng den l för det exciterande röntgenljuset inom ett stort våglängdsområde. Sedan 2002 projekteras och byggs världens största synkrotonring i Lund (figur 20). Den kommer att ha en diameter på 160 meter och kosta 2,6 miljarder kronor. Synkrotronringen är Sveriges största forsknings projekt genom tiderna och beräknas vara färdig 2014. figur 19c figur 19b figur 19a Bild av hur Max IV kommer att se ut. Jämför med människor och bilar i figuren. figur 20