Atomfysik, spektrum

Fysik B - NV08FMT

Material v. 10

Rekommenderade uppgifter v.10

12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.7, 12.8, 12.9, 12.10, 12.25 och 12.26

Viktiga begrepp (mm) i ovanstående avsnitt

(Emissions)spekrum, väteatomens energinivåer, energinivådiagram, excitation, deexcitation, grundtillstånd, joniseringsenergi, spektrometer, väteatomens storlek, Bohrmodellen, Bohrradie, Balmerserien, Lymanserien, Paschenserien, Rydbergs konstant, kontinuerlig röntgenstrålning / bromsstålning samt röntgenstrålningens linjespektrum (hoppas jag inte glömde något…)

Inledning

När jag planerade upplägget av detta avsnitt, atomfysiken, så började jag med att extrahera det som svarar mot kursmålen, jämföra detta mot bokens upplägg och försöka förpacka detta i ett någorlunda lättförståeligt och tilltalande paket. Alltså: vad handlar atomfysiken om i Fysik B? Det är flera olika delar, och denna vecka (v. 10) kommer att ha temat Spektrum, som i sin tur uppkommer av atomers energinivåer.

Vad är ett atomspektrum?

Ett viktigt område i denna är spektrum. Vi kommer att komma till att atomen har olika energitillstånd, och när den går från ett högre (exciterat tillstånd) till ett lägre (deexciterat) energitillstånd så skickar den ut en foton med en våglängd som svarar just mot det energigap som atomen genomgår i denna process. Alltså: vi kan förvänta oss att kunna upptäcka ljus (eller elektromagnetisk strålning av andra våglängder) i en sådan deexcitationsprocess.

Atomers energinivåer

Det är en atoms elektroner som spelar en nyckelroll för uppkomsten av spektrum (ok, det kan vara kärnan också. Det kommer vi eventuellt att beröra i kapitlet Kärnan). Vi kan tänka oss att de flyttas: ju längre från kärnan, desto högre blir atomens energitillstånd (det är laddade partiklar; jämför med gravitationell lägesenergi!). Atomen eftersträvar ett så lågt energitillstånd som möjligt, ju längre från kärnan elektronerna ligger, desto större arbete krävs det för att föra dem dit; alltså ökar atomens energi med elektronernas avstånd till kärnan.

En detalj, som kanske kan kännas lite udda, är att då en fri elektron har den potentiella energin noll så måste den ha en ”negativ” energi i närheten av en kärna (varför då?). Det ser vi i energinivådiagrammet på sid. 309 i Heureka! B. I dokumentet ”Utveckling av vågbeskrivning av elektroner” går jag igenom Bohrs postulat, av vilka vi kan härleda uttryck för en väteliknande atoms energinivåer (det är den formel som presenteras som ett faktum i avsnitt 12.4 i Heureka! B).

Röntgenspektrum

I en del fall kommer energiskillnaden mellan två tillstånd i en atom att motsvara en våglängd som korresponderar till synligt ljus (det är en märklig term som brukar användas, vad skulle osynligt ljus vara?).  I andra fall korresponderar våglängderna mot elektromagnetisk strålning utanför den synliga delen av spektrat. En viktig tillämpning på det senare är den s.k röntgenstrålningen (se avsnitt 12.10). Den skapas av tunga atomer där elektronerna sitter hårt bundna intill kärnan (se Fig. 18 på sid. 321. Hur korresponderar våglängden till atomens massa?). Om en sådan atom tillförs energi, så att någon av de innersta elektronerna förflyttas ut, kommer den under återgången till grundtillståndet att skicka ut en foton med en hög energi (kort våglängd). Det är alltså ”helt vanliga” fotoner som skapas, men när de skapas i en sådan process kallas det röntgenstrålning.

Som också framgår ur avsnitt 12.10 så är röntgenspektrat uppdelat i två delar. Ett kontinuerligt spektrum som uppkommer då infallande elektroner bromsas in i närheten av kärnan (bromsstrålning) och ett linjespekrum som svarar mot atomens energiövergångar.

Efter detta…

Under v. 11 kommer vi att titta på vad som får en atom att excitera, och även på absorptionsspektrum. Vi kommer under v. 12 att göra en laboration där vi bestämmer gasbeståndet i en lampa med hjälp av spektrometer. Vi också att bekanta oss med kvanttal och närma oss en förståelse för varför det periodiska systemet ser ut som det gör, och slutligen också slutföra ett närmande av modellen som beskriver materia som vågor (utöver de Broglie).

Atomfysik, spektrum

Kommentera