Atomfysik
Från Demokritos till Schrödinger
Atomer, vågor och/eller partiklar??
Atomens historia
•
•
Demokritos, En ”gammal grek”, levde på 400-talet f.kr., filosof
Teori: ”Alla ämnen är uppbyggda av små partiklar som inte kan sönderdelas”
•
•
•
Aristoteles, En annan ”gammal grek”, levde något efter Demokritos, filosof
Teori: ”Allt en blandning av de 4 elementen luft, eld, jord och vatten”
Övriga forskningsområden: ”Fritt fall”, ”synen”
Våg eller partikel?
Newton – ljus är partiklar (korpulusker)
Huygens/Young – ljus är en våg
Einstein – med partikelegenskaper, foton
De Broglie – ALLT har vågegenskaper
IDAG – våg/partikeldualitet
simulering
Atommodeller
440 f.kr.
Demokritos – atomer och tomrum
Thales/Aristoteles – elementteorier
1600-talet
Boyle – grundämnen
1803
Dalton – atomer med olika vikt
1897
Thomsons ”bullmodell”
positivt ämne
elektroner
Rutherford spridning
1911 utförde Rutherford och medarbetare
ett experiment där energetiska alfapartiklar
träffade en tunn guldfolie.
Det oväntade resultatet var att vissa
alfapartiklar helt ändrade riktning,
och att vissa till och med kom
tillbaka i motsatt riktning.
Dessa resultat kunde inte förklaras
med gällande atommodeller, utan
istället antogs att atomens positiva laddning var koncentrerad
till en liten kärna, omgiven av elektroner (”planetmodell”).
Atommodeller
Rutherford
Tänkte ett planetsystem,
där kärnan utgjorde solen
Niels Bohr
Tänkte sig att elektronerna
fanns i ett elektronmoln runt
kärnan man kan bara säga
hur stor sannolikheten är
att hitta en elektron på en
viss plats i molnet.
Kristoffer Brandström, Fribergaskolan
1911
Rutherfords kärnmodell
-e
Ze
-e
-e
1913
Bohrs atommodell,
n3
n2
n1
hf
e
-e
simulering
1920-t
Kvantmekanisk modell,
Framtiden
Supersträngar?
simulering
Historisk översikt
440 f.kr
1600-t
1650-t
1803
1807
1814
1871
1885
Demokritos, ”atomer och tomrum”
Övergavs för elementteorin.
Boyle, grundämnen av partiklar
Newton, bl.a. vitt ljus är sammansatt
John Dalton, grundämnen är atomer
med olika vikt
Young, dubbelspaltsexperiment
Frauenhofer, mörka linjer i solspektrat
Bunsen/Kirchoff, spektroskop
Mendeleyev, periodiska systemet
Balmer, modell för vätelinjer
Historisk översikt, forts.
1886
1887
1896
1897
1900
1905
1911
1913
1914
1922
Rydberg, formel för alla vätelinjer
Hertz, upptäckte fotoeffekten fotoeffekten
Becquerel, radioktivitet hos uran
Thomson, upptäcker elektronen
Planck, atom kan bara ta emot/sända ut
energi i vissa mängder, kvanta
Einstein, foton förklarar fotoeffekten
Rutherford, atom har kärna –guldfolieexp.
Bohr, modell för väteatomen
Franck-Hertz, exp. bekräftar atommodell
Compton, krockar elektroner och fotoner
Historisk översikt, forts.
1923
1924
1926
1927
1927
.
.
???
De Broglie, partiklar har vågegenskaper
Pauli, uteslutningsprincipen för atomskal
Schrödinger, kvantmekanisk vågekvation
Davidsson-Germer, exp. partikelvåg
Heisenberg, osäkerhetsprincipen
1933 proton-neutron modell
The grand unifying theory (supersträngar?)
Porträttgalleri
Joseph John Thomson
1856-1940
Max Planck
1858-1947
Albert Einstein
1879-1955
Porträttgalleri
Ernest Rutherford
1871-1937
Niels Bohr
1885-1962
Erwin Schrödinger
1887-1961
Porträttgalleri
Gustav Ludwig Hertz James Franck
1887-1975
1882-1964
Louis de Broglie
1892-1987
Porträttgalleri
Clinton Davisson Lester Germer
1881-1958
Werner Heisenberg
Wolfgang Pauli
1901-1976
1901-1976
Porträttgalleri
Sir Isaac Newton
Elektronbanor
• Elektroner kan bara kretsa i vissa bestämda
banor på bestämda avstånd från kärnan
• Då ett ämne värms upp tillförs energi till
atomerna i ämnet
•
elektronerna hoppar från sina
bestämda banor till en bana längre ut från
kärnan
• Detta kallas att elektronerna exciteras
Bohrs väteatom - beskrivning av modellen
Bohr utgick från Rutherfords bild av atomen,
dvs en positivt laddad kärna omgiven av
elektroner, men gjorde två nya antaganden.
+
• Elektronerna kan bara befinna sig i vissa
diskreta energinivåer.
• Elektronerna utsänder inte e-m vågor
i dessa banor.
Dessa tillstånd/banor kallas därför för
stationära tillstånd, eller stationära orbitaler.
När en elektron byter tillstånd
så utsänds en foton med frekvens f, där
h f = Ei - Ef
(Ei > Ef )
n =1
n =2
n =3
Ei
-
Ef +
• Ju längre hopp, desto större är atomens
energinivå !
• Vad händer sedan med elektronerna
som ”hoppat ut”?
• Elektronerna strävar efter att återgå till
grundtillståndet, antingen direkt eller
via mellanlandningar.
• En ljusblixt avges när återhoppet sker!
Ljusblixten = energi = foton
• Ljusets färg(=fotonens energi) beror på
mellan vilka banor elektronen faller
Spektrum
• ”Då vitt ljus bryts i ett prisma och delas
upp i olika färger”
• 3 olika sorters spektrum:
- Kontinuerligt spektra
- Linjespektra
- Absorbtionsspektra
Elektromagnetiskt spektrum
Synligt ljus
Färg
Våglängdsområde
Frekvensområde
Röd
~ 625-740 nm
~ 480-405 THz
orange
~ 590-625 nm
~ 510-480 THz
Gul
~ 565-590 nm
~ 530-510 THz
Grön
~ 520-565 nm
~ 580-530 THz
Cyan
~ 500-520 nm
~ 600-580 THz
Blå
~ 450-500 nm
~ 670-600 THz
indigo
~ 430-450 nm
~ 700-670 THz
Violett
~ 380-430 nm
~ 790-700 THz
Linje spektra
• Individuella atomer som sänder ut ljus, sänder bara ut ljus av
vissa diskreta våglängder.
• Dessa våglängder är karakteristiska för varje atom och ger
viktig information om atomens struktur.
• Med hjälp av ett diffraktionsgitter kan de olika våglängderna
separeras och en linje erhålles för varje våglängd som sänds ut.
• En sådan serie med linjer kallas för ett linje spektrum.
• Kontinuerligt spektrum – Ljuset kommer
från ett glödande fast ämne -> Regnbåge…
• Linjespektrum – Ljuset kommer från en
upphettad gas -> 1 eller ett fåtal färger…
• Absorptionsspektrum –
Kristoffer Brandström, Fribergaskolan
Elektromagnetiska vågor
• I början av 1800-talet fick man klart för sig
att:
• Ljus har egenskaper som är typiska för alla
vågrörelser, t.ex vågorna på vattnet…
• Egenskaperna beror på vilken våglängd
vågrörelsen har.
• Ljus kan beskrivas som både
fotoner(partiklar) och som vågor.
• Det finns många olika sorters osynlig
strålning som också består av fotoner, och
som har energinivåer som våra ögon inte
kan uppfatta.
• Vågorna är växlande elektriska- och
magnetiska fält.
• De står inte stilla utan rör sig framåt med
ljusets hastighet. De kallas
Elektromagnetiska vågor.
Atomkärnan
• Atomnummer= antalet protoner
• Masstalet = antalet protoner + antalet
neutroner
• Exempel…………….på tavlan!
