Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration"

Siv Bengtsson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration Lärare: Hans Starnberg Assistenter: Anna Martinelli Christoph Langhammer Mer info: Klicka er fram till kurshemsidan via Chalmers studieportal

2 Spektroskopi Studier av växelverkan mellan materia och ljus. Studier av materia genom analys av ljus, ljud eller partiklar som materian emitterar, absorberar eller sprider. Fotoelektronspektrum: Optiskt emissionsspektrum från krypton:

partiklar som materian emitterar, absorberar eller sprider.

3 Typiska komponenter i ett spektroskopiexperiment: Detektor Ljuskälla Prov Våglängdsseparator Registreringsenhet

4 Ljuskällor Med kontinuerligt spektrum t ex glödlampor Med linjespektrum t ex spektrallampor Monokromatiska t ex lasrar Med både linjer och kontinuum t ex lysrör

5 Svartkroppsstrålning Solen Glödlampor Infrarödvärmare Spektralfördelningen ges av Plancks strålningslag

6 Spektrallampor DC discharge in gas DC arc Spark discharge Hollow cathode Sealed-off RF lamp Atomic beam lamp

7 Lasrar Helium-neonlaser kontinuerlig, synlig, måttlig effekt (mw) Excimerlaser pulsad (ns), UV, hög effekt (medel W, i pulser MW) CO 2 -laser kontinuerlig eller pulsad, IR, hög effekt Färgämneslaser kontinuerlig eller pulsad, avstämbar våglängd Kristallaser (Rubin, Nd:YAG, Ti:safir) oftast pulsad, även korta pulser (ps, fs), synlig eller IR, kan nå höga effekter Halvledarlaser oftast kontinuerliga, kompakta, lätthanterliga, måttlig effekt (mw)

pulsad, avstämbar våglängd Kristallaser (Rubin, Nd:YAG, Ti:safir) oftast pulsad, även korta pulser (ps, fs),

8 Synkrotronljus Elektroner cirkulerar med hastigheter nära ljusets i lagringsringar. I kurvorna emitteras strålning med våglängder från IR till röntgen. MAX-lab i Lund:

9 Synkrotronljus fortsättning Avböjning av elektroner i magnetfält centripetalacceleration v << c: Acceleration av laddning dipolstrålning! v c:

10 Prov/Mätobjekt Gasfas fria atomers och molekylers egenskaper Lösning eller matris viss påverkan från omgivningen Kondenserad fas i första hand vätskans/fasta ämnets egenskaper Atomer och molekyler kan förgasas: termiskt t ex genom upphettning i ugn mekaniskt t ex genom sputtring (jonbombardering) fotokemiskt t ex genom laserinducerade processer Atomfällor och jonfällor: Atomer och joner kan fångas och lagras i rummet med Hjälp av laserstrålar och/eller elektriska och magnetiska fält.

upphettning i ugn mekaniskt t ex genom sputtring (jonbombardering) fotokemiskt t ex genom laserinducerade processer

11 Våglängdsseparatorer Filter släpper igenom ljus inom ett visst våglängdsintervall, i allmänhet ganska brett Monokromatorer prisma eller gitter delar upp hela spektrumet, varierbar upplösning Interferometrar Michelson, Fabry-Perot, Fouriertransformspektrometer, hög upplösning, ger ej direkt absoluta våglängder

gitter delar upp hela spektrumet, varierbar upplösning Interferometrar

12 Brytning i prisma n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2

13 Transmissionsgitter d Gitter Reflektionsgitter d 3 m 2 θ m 2 1 ψ θ 0-1 ψ d( sinψ + sinθ) = mλ m = 0, ±1, ±2,

14 Gitterspektrometer (Czerny-Turnerkonfiguration) Viktiga parametrar: Avstånd spalt - gitter Spaltbredd Gitterparameter (linjer/mm)

15 Fabry-Perot-interferometer 2nd = mλ

16 Fouriertransformspektrometer Detektorn registrerar ljusintensiteten som funktion av spegelförsjutningen. Fouriertransformering ger spektrum.

17 Detektorer Termiska (fotonabsorption temperaturhöjning) bolometer Kemiska (fotonabsorption kemisk reaktion) fotografisk film ögat Elektriska (fotonabsorption mätbara elektroner ) fotoresistor fotodiod (diodmatriser, CCD-kamera) fotomultiplikator, mikrokanalplatta

Elektriska (fotonabsorption mätbara elektroner ) fotoresistor

18 Fotomultiplikator

19 Tidsupplöst detektion Studier av tidsberoende processer (t ex fosforescens eller kemiska reaktioner) Koordination excitation-detektion Rumsupplöst detektion (avbildande spektroskopi) Avbilda förekomst av speciella ämnen Punkt-för-punktmätning i rummet Fotografisk film eller CCD-kamera Registrering För hand Skrivare Dator

(avbildande spektroskopi) Avbilda förekomst av speciella ämnen

20 Optiska komponenter Linser Speglar Optiska fibrer Används för att samla in, rikta och transportera ljus. Transmission, reflektion och dispersion styr egenskaperna

21 Spektroskopi med laddade partiklar Generellt kan elektroner och joner detekteras med högre effektivitet än fotoner. Fotoelektronspektroskopi Elektroner exciteras till så hög energi att de kan lämna atomen/molekylen/ytan (fotoemission). Fotoelektronens kinetiska energi mäts. Ger information om elektrontillståndet före excitationen. Masspektroskopi Massan hos atomer och molekyler kan bestämmas genom att mäta avlänkning i elektriska och/eller magnetiska fält.

22 Position Egenskaper för toppar i spektra Fotonenergi energi absorberad/emitterad av atomen/molekylen. Hur väl kan absoluta fotonenerginbestämmas experimentellt? Absorptionsspektrum Flytande O 2 Höjd/integral Intensitet antal fotoner. Absolut eller relativ mätning, detektoreffektivitet, våglängdsberoende? Bredd/form Form beror på fysikalisk process Gauss, Lorentz. Livstidsbreddning för exciterat tillstånd (Heisenberg). Temperatur tryck mm kan också ge breddning. Finns det substruktur (består toppen av flera deltoppar)? Experimentell upplösning, faltning av fysikalisk och instrumentell toppbredd.

23 Kvantfysik Växelverkan mellan fotoner och atomer/molekyler Absorption excitation Emission deexcitation även: Absorption jonisation, dissociation

24 Energiområden/våglängdsområden Atomer Valenselektroner 1-10 ev nm NIR, synligt, UV Innerskalselektroner 0,1-100 kev 0,01-10 nm Röntgen Finstruktur IR Hyperfinstruktur RF Molekyler Valenselektroner 1-10 ev nm NIR, synligt, UV Innerskalselektroner 0,1-100 kev 0,01-10 nm Röntgen Vibrationer 0,01-0,5 ev µm IR Rotationer 0, mev 0,1-200 mm Mikrovågor Experimentellt kan man inte mäta absoluta värden på energinivåer utan övergångar mellan olika tillstånd, dvs energidifferenser mellan nivåer. Finstruktur och hyperfinstruktur är överlagrade på elektroniska övergångar. Vibrationer och rotationer är överlagrade på elektroniska övergångar. Rotationer är överlagrade på vibrationsövergångar.

25 Atomens energinivåstruktur Energinivåer för Na Atomära energinivåer karakteriseras genom sina kvanttal: n, l, j, L, S, J Vilka övergångar som kan observeras bestäms av olika urvalsregler, t ex ΔS = 0 (om spinnbankopplingen är svag).

26 Molekylens energinivåstruktur Diagram för tvåatomig molekyl: Om molekylen saknar dipolmoment är optiska övergångar mellan vibrationsnivåer ej tillåtna. Dock kan vibrationsövergångar äga rum i samband med övergångar mellan olika elektroniska tillstånd. Därför kan jodmolekylens vibrationsnivåer studeras med t ex laserinducerad fluorescens.

27 Fleratomiga molekyler Många valenselektroner och många tätt liggande energinivåer Bandstruktur Emission och absorption i breda våglängdsintervall i stället för skarpa linjer Strålningslösa övergångar förekommer. Långlivade tripletttillstånd kan ge fosforescens

28 Risker och säkerhetsaspekter Laserljus, lampor med intensivt (ultraviolett) ljus Kan skada ögonen, titta inte in i laserstrålen eller dess reflexer. Atomabsorptionsbrännare Öppen låga, brännbar (explosiv) gas, förbränningsgaser. Håll gasflaskor korrekt stängda och förvarade då de ej används, skydda flaskor från stötar och slag, förbränn all utsläppt acetylen, använd fläktutsug. Värmare till jodcell Heta ytor, risk för brännskador och brand, undvik kontakt med hud och brännbara föremål, kontrollera att värmaren håller önskad temperatur. Elektriska apparater Högspänning, nätspänning, risk för hjärtflimmer och chock, undvik direktkontakt med spänningssatta föremål. Kemiska risker Se märkning av respektive produkt (laserfärgämnen).

29 Glasföremål Kan ge skärskador om de går sönder, hantera försiktigt. Allmänt Risk för klämskador, man kan snubbla eller halka. Större olycksrisk om man är trött, stressad eller exalterad! Alla eventuella olyckor eller tillbud ska rapporteras! Innan ni börjar arbeta i en lokal kolla följande: utrymningsvägar var/hur jag kan larma lokalisera brandsläckare

30 Innan ni börjar arbetet gör en riskanalys: inventera risker värdera risker förebygg/åtgärda Känslig utrustning sannolikhet konsekvens riskeliminering riskminimering skyddsåtgärder Fotomultiplikator: Undvik för mycket ljus vid för hög spänning. Ström ut < 10 µa. Monokromatorgitter: Skadas av beröring och beläggning. Endast assistenter får öppna monokromatorer. Glasartiklar: Bräckligt, undvik mekaniska påfrestningar. Se vidare i bruksanvisningar och handböcker. Behandla all utrustning med normal varsamhet.

31 Viktigt att tänka på: Titta inte in i lasrar! Öppna inte spektrometrarna! Stäng inte av datorerna! Kör inte mätningar över natten! Ni behöver skriva enkla program i LabView! Labb-loggar ska godkännas! Städa efter er!

Relevanta dokument

Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration

Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration Lärare: Hans Starnberg Assistenter: Mikael Svedendahl Martin Wersäll Kurshemsida: Spektroskopi Studier av växelverkan