Atomspektroskopins utveckling under 1800-talets senare del och under 1900-talets första två decennier.

Transkript

1 Atomspektroskopins utveckling under 1800-talets senare del och under 1900-talets första två decennier. Janne Rydberg-epoken Introduktion till atomspektroskopi Joseph von Fraunhofer ( ) Joseph von Fraunhofer var tysk fysiker som började sin karriär som optiker (framställde diffraktionsgitter). Hans viktigaste insats är att han år 1814 upptäckte och kartlade det som nu kallas fraunhoferlinjerna. Det är de mörka linjerna i solens spektrum som uppstår genom ljusets absorption i atomer och molekyler vid våglängder som är karateristiska för varje ämne. Fraunhofers linjer i solspektrum Robert Wilhelm Bunsen ( ) och Gustav Kirchhoff ( ) Atomspektroskopin utvecklades och i slutet på 1850-talet beskrev R W Bunsen i Heidelberg den nya tekniken i ett brev till en kollega (Sir Henry Roscoe): För närvarande är Kirchhoff och jag engagerade i en speciell undersökning som inte får oss att sova. Kirchhoff har gjort en underbar helt oväntad upptäckt och funnit förklaringen till de mörka linjerna som finns i solspektrum. [ ] således har en metod utvecklats för att bestämma sammansättningen i solen och i

2 fixstjärnor med samma noggrannhet som vi bestämmer svavelsyra, klor etc med våra kemiska reagenser. Ämnen på jorden kan bestämmas med denna metod lika lätt som på solen. Så har jag exempelvis kunnat detektera litium i tjugo gram sjövatten. Spektralanalys schematiskt Det finns två typer av spektra, absorptionsspektra och emissionsspektra. Den förra är karakteristisk för solen och stjärnorna. När ljuset från en stjärnas inre passerar genom dess gasformiga ytterhölje absorberas ljuset i vissa våglängder. De bortabsorberade våglängderna framstår som svarta linjer. Den senare uppstår då ämnen tillförs energi exempelvis genom upphettning. Om ett gasmoln belyses av en stjärna får man spektrallinjer i vissa områden svarande mot gasmolnets sammansättning. Absorptions- och emissionsspektrum från väte. Spektrallinjerna svarar mot energiövergångar i sändar- eller mottagaratomen. Figuren är schematisk. Hänsyn har inte tagits till rekylenergier och impulsöverföringar.

3 Absorptionsspektrum från en stjärna. Linjerna i absorptions- och emissionsspektra berättar vilka grundämnen det finns i objektet som utsänder ljuset. Varje grundämne har sitt karakteristiska "fingeravtryck" av linjer. H α, H β, H γ etc tillhör vätets spektrum. Två starka linjer påvisar förekomst av kalcium. Dmitri Mendeleev och grundämnenas periodiska system. Dmitri Mendeleev föddes i Tobolsk, Sibirien, och studerade naturvetenskap i St. Petersburg där han examinerades år 1856 och blev professor Mendeleev är bäst känd för sitt arbete med det periodiska systemet där 63 grundämnen inplacerades efter sina atommassor och kemiska egenskaper I en tabell där ämnen med likartade egenskaper placerades under varandra. Systemet publicerades 1869 i Principles of Chemistry. Med hjälp av systemet kunde han förutsäga nya grundämnen och peka ut kända ämnen som fått felaktiga masstal.

4 En modern sammanställning där ämnena placerats efter atomladdning istället för massa och nyupptäckta ämnen tillkommit följer här. Periodiska systemet ordnat efter atomnumret (laddningstalet) Z Janne Rydberg

5 Spektroskopi har en lång historia vid Lunds universitet presenterade lundafysikern Janne Rydberg ( ) en formel som sammanställde de egenskaper vissa grundämnes spektra har. Formeln kan också skrivas som Rydbergs formel i ett protokoll från 5 november 1888 där λ är det utstrålade ljusets våglängd, m och n är heltal sådana att m>n och c 1 och c 2 är tal mindre än 1 som är specifika för en viss serie. R är en universell konstant, som nu kallas Rydbergs konstant. Rydbergs geniala grepp var att finna ett allmängiltigt enkelt samband mellan spektrallinjernas inversa våglängder (frekvenser) och de strålande ämnenas laddningstal.

6 För väte gäller att konstanterna c 1 = c 2 = 0. Med det ena heltalet lika med 2, ger Rydbergs formel Balmerserien, en matematisk serie utformad 1885 av den schweiziske matematiske fysikern Johann Jakob Balmer. Denna serie hade undgått Janne Rydberg. Energispektrum för väteatomen. De överångar som slutar på n=2 linjen svarar mot Balmerserien. För lätta atomer finns det små avvikelser från den universella konstanten, och man kan skriva där m e är elektronmassan, M är atomkärnans massa. är Rydbergs konstant för oändlig massa (1, m -1 ) och R h c = 13,606 ev. Rydbergs formel och konstantens värde kan enkelt förklaras med Bohrs atommodell, i vilken den potentiella energin för det n:te elektronskalet (det som ligger närmast kärnan har n=1) kan skrivas h är Plancks konstant, c är ljusets hastighet. Eftersom frekvensen ν för ljus är relaterat till energin genom E=hν och våglängden är

7 relaterat till frekvensen genom λ = c / ν kan man lätt se att Rydbergs formel uttrycker energiskillnaden mellan två skal uttryckt i våglängd. Rydberg och grundämnenas periodiska system. Det är inte så välkänt att Janne Rydbergs intresse för spektrala linjer härrörde från hans stora intresse för grundämnenas periodiska system, ett intresse som följde honom genom hela hans liv. Rydberg förstod tidigt betydelsen av detta system och insåg att ordningstalet i systemet inte borde vara atomens masstal M utan hellre atomtalet Z med följande regel. Z udda M = 2Z+1, Z jämnt M = 2Z Rydberg var medveten om att detta inte gällde kväve med M =14 och Z = 7.Svårigheten att knyta vissa spektrallinjer till rätt atomtal gjorde att Rydberg placerade in två okända ämnen ( Nebulium och Coronium) mellan väte och helium. I ett arbete från 1913 (samma år som Bohr publicerade sin atommodell) publicerade Rydberg följande spiralbild av det periodiska systemet, där vi känner igen de olika grupperna vid 180 o och 360 o vridning. På grund av ohälsa slutar här Rydbergs bidrag till den moderna atomfysiken.

8 Rydbergs periodiska spiralbild En betydelsefull och annorlunda elev till J Rydberg Enoch Thulin Enoch Thulin föddes 1881 i Simris och påbörjade sina studier 1900 på fysiska institutionen. Redan som barn var han fascinerad av flygning. Som pojke drömde jag om att flyga. Som gymnasist uppfinner jag min första flygmaskin. Som student kom jag att syssla med flygproblemets teoretiska och tekniska sidor, och var med redan under de första flygningarna i Europa. Jag har alltid varit övertygad om flygmaskinernas revolutionerande betydelse för samfärdseln. Kanske rentav den mänskliga kulturens framtid vilar på den! För övrigt är det roligt att flyga! (1914) Tillsammans med sin handledare Janne Rydberg utarbetade Thulin ett aerodynamiskt tema för en teoretiskt orienterad

9 licentiatuppsats. Uppsatsen utvecklades till en doktorsavhandling med även praktiska laboratorieförsök. Den ventilerades 1912 och hade titeln Om luftmotståndet mot tunna plattor vid föränderlig hastighet Janne Rydberg var själv opponent på avhandlingen och gav den betyget Med beröm godkänd. Thulin grundade 1914 Enoch Thulins Aeroplanfabrik, som växte kraftigt och fick som mest nära 800 anställda. Här tillverkade man motorer och flygplan i olika modeller som företagets ingenjörer konstruerade. Man hade på gång 4 olika flygplanstyper och 3 olika motorer av rotationstyp. Företaget kom att bli Sveriges första flygplanstillverkare. I och med Thulins död i en flygolycka 1919 upphörde dock Thulinverken som flygplanstillverkare. Gamla Fysicum Sölvegatan 2

10 Planlösning

11 Under det sista kvartalet av 1800-talet var lokalbristen för fysiker prekär. Det var alltför trångt nere på Krafts torg och en ny institution för enbart fysik var av nöden. I 1870 års examensstadga som ifördes 1877 ingick bestämmelsen om obligatoriska laborationer för licentiatexamen. Dåvarande professor Holmberg kunde under de första åren nödtorftigt fylla kraven men måste i januari 1880 meddela att han icke längre kunde bemästra situationen. Då hade nämligen 8 kandidater anmält sig till licentiatstudier. För att icke behöva avvisa någon hyrde han en trerumslägenhet i staden och lät provisoriskt inreda denna. Äntligen i mars 1882 beviljade riksdagen anslaget på kronor till en ny fysisk institution i Lund. Institutionen stod färdig hösten Byggnaden innehöll två instrumentsalar, auditorium, arbetsrum, bibliotek och amanuensrum, verkstad och förrådsrum. Något särskilt utrymme för laborationsövningar fanns fortfarande inte.

12 Donavit 1894 begärde professor K A V Holmgren hos konsistoriet att få bygga en kupolbyggnad där han ville placera en refraktor och ett astrospektroskop med stor upplösningsförmåga. Utrustningen hade skänkts av en tidigare student, lektor A E Andersson. Gåvan, som också inbegrep en vridbar kupol, var avsedd för undersökning av stjärnspektra. Begäran avslogs dock av konsistoriet. För att hysa denna gåva byggdes istället 1897 en särskild liten paviljong i institutionsträdgårdens sydöstra hörn, där refraktor och spektroskop placerades. Huset kallas Donavit efter en inskription A EA donavit (har gett), som inte längre finns kvar. Denna byggnad skulle kunna anges som roten till MAX-lab eftersom det är den första byggnad som uppförts i Lund enbart för spektroskopiska mätningar. Hur skedde undervisningen i fysik och hur många studerade fysik?

13 Undervisningen i ämnet fysik blev vid slutet av 1800-talet, när gamla Fysicum var nytt, allt mer experimentellt. Till en början ledde professorn all undervisning, såväl obligatoriska som frivilliga kurser, men efter hand skapades det amanuens- och assistenttjänster för att avlasta hans undervisningsbörda. Det fanns en propedeutisk kurs som skulle underlätta för studenterna att komma in i ämnet. Denna kurs var helt skolmässigt ordnad och stödde sig på en lärobok som förklarades, kommenterades och förtydligades. I kursen ingick inga laborationer. Lärobokens författare hette Adoiphe Ganot och titeln var Traité elementaire de Physique. I tio kapitel behandlas hela den klassiska fysiken: Krafter och rörelse, gravitation och molekylär attraktion, vätskor, gaser, ljud och värme, ljus och magnetism, friktion och dynamisk elektricitet. Boken är rikt illustrerad och finns tillgänglig i engelsk översättning på nätet: ( Stor vikt lades vid att beskriva fysikaliska fenomen medan förklaringen av fenomenen var mindre angelägna. Viktigt var att lära sig utnyttja fenomen inom olika tillämpningsområden som att lyfta, väga och värma, mäta tid, ström och lufttryck och hantera ljud och ljus.

14 De studenter som godkänt passerat igenom kursen (ett betyg) var behöriga för adjunkttjänst i läroverken. För två betyg hölls offentliga föreläsningar, vid vilka mekanisk värmeteori särskilt framhölls. Däremot var undervisningen i elektromagnetism och Maxwells ekvationer mer begränsad. Först för filosofie licentiatexamen fordrades att man behärskade att laborera och sammanfatta experimentella resultat, men licentiatarbetet behövde ej vara experimentellt. Först med 1905 års läroverksstadga infördes laborationer i såväl realskola som gymnasium och därmed höjdes behörighetskraven för lärare. Från 1905 fram till första världskriget 3-dubblades därför antalet laborerande studenter från 20 till något över 60 vilket medförde kraftigt ökad belastning på lokaler och universitetslärare. Vi vet att studenterna bl a utförde laborationer över metallers specifika värme, bestämde kristallers vinklar, bestämde luftens utvidgningskoefficient och bestämde även skilda metallers längdutvidgningskoefficient. Det ökande antalet fysikstuderande innebar i sin tur också allt fler intresserade studenter för forskarutbildning. Under världskriget sjönk åter studentantalet på grundnivå till låga siffror. Detta öppnade möjligheter för en aktiv och expansiv forskarutbildning, vilket intresserade Manne Siegbahn mycket. Bland annat ordnade han en uppskattad forskarskola om radioaktivitet med Lise Meitner från Berlin som inbjuden kursledare.

15 Litteraturlista Janne Rydberg Manne Siegbahn, Swedish men of science : / edited and with an introduction by Sten Lindroth Stockholm, The Swedish Institute / Almqvist & Wiksell, 1952 Gudmund Borelius, Minnesteckning av Janne Rydberg Fysiografiskas Sällskapet) I Martinson, LJ Curtis Janne Rydberg his life and work Nucl instr and methods B 235 (2005) 17 A Niels Bohr: Rydberg` s discovery of the spectral laws B W Pauli: Rydberg and the periodic system of the elements, Proc. Rydberg centennial conference of atomic spectroscopy, Lunds univeritets årskrift Paul Charles Hamilton, Janne Rydberg : a physicist in 19th-century Sweden, [Cambridge, Mass.], 1992 Arvid Leide Fysiska institutionen vid Lunds universitet Ur Lunds universitets historia 5/Gleerups Paul c Hamilton, Reaching out Janne Rydbergs Struggle for Recognation, Center on the Periphery, red. Svante Lundqvist, Science History Publications/USA 1993