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 UV-ljus. 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 (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

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 Pauli-principen: 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