Atomen. Introduktion till optronik. Atomens bindningsenergi. Energinivådiagram. Atomär övergång. Vågfunktioner

Transkript

1 Atome Itroduktio till otroik Jörge Larsso, Fysiska Istutioe Luds Tekiska Högskola Atomes kära består av rotoer och eutroer 3s 2 Natrium eg:sodium Atomes bidigseergi Eergiivådiagram 3s 2 Elektroera har elektrisk otetiell eergi och rörelseeergi Ma måste tillföra eergi för att flytta elektroera lågt bort frå atome 3s 2 0 ev 1,51 ev Elektro eergi = 4 = 3 3s,... Dea extra eergi kallas för bidigeergi 3,40 ev = 2,2 Bidigseergi för olika tillståd brukar visas i eergiivådiagram 13,6 ev = 1 Väteatome Vågfuktioer I kvatmekaike rereseteras artiklara av vågfuktioer, Ψ(x). Ψ(x) 2 dx rereseterar saolikhete (itesitete) att hitta artikel mella ukte x och x dx. Atomär övergåg Electro Nucleus Photo

2 När e elektro byter tillståd så utsäds e foto med frekves f, där h f = ( > ) foto Väteatome I e kvatmekaisk beskrivig av väteatome karakteriseras (umreras) tillståde av 4 olika kvattal, ( är ett kvattal som kallas huvudkvattal). 0 ev 1,51 ev 3,40 ev Elektro eergi = 4 = 3 = 2 Exciterade tillståd Bohrs väteatom Lije sektra Geom att utyttja att är e elektro byter tillståd så utsäds e foto med frekves f, där h f = ( > ) så ka ett uttryck för lijesektra härledas Emissioslijer: E elektro går frå ett högre till ett lägre tillståd, och e foto utsäds. Absortioslijer: oto absorberas och e elektro går frå ett lägre till ett högre tillståd. Emissioslijer 13,6 ev = 1 Grudtillståd Absortioslijer Tre fudametala övergågar (stimulerad) absorbtio, fotoe absorberas foto sota emissio, fotoe säds ut sotat i e slummässig riktig, stimulerad emissio, e ikommade foto stimulerar emissioe; karateriseras av oto kommer i och två går ut. Ikommade och utgåede foto har samma eergi. De utsäda fotoe rör sig i samma riktig som de ikommade. foto foto Laser Poulatiosiversio Laser bygger å feomeet stimulerad emissio. LASER = Light Amlificatio by the Stimulated Emissio of Radiatio För att stimulerad emissio ska kua ske så måste det fias elektroer i det högre eergitillstådet. Elektroera ka exciteras t ex geom elektrisk urladdig. När fler elektroer fis i det högre ä lägre eergitillstådet så kallas det för oulatiosiversio. Normal oulatio Iverterad oulatio

3 Laserförstärkare Eergi i Ikoheret ljus frå urladdigslama Sabbt söderfall via sota emissio Segel Laseroscillator Eergi i Laser Egeskaer Laser har bl a följade egeskaer Ljustråle är mycket smal Ljuset är arallellt Ljusitesitete ka vara mycket hög Laserljuset är moochromatiskt, dvs har e give våglägd. Laserljuset är koheret Lasertillämigar Miljömättekik Medici

4 Molekylära bidigar Jobidigar Elektroer frå e atom går till e aa. Detta gör att vi får e ositivt laddad jo och e egativt laddad jo. Dessa attraheras av varadra via elektrostatiska krafter. Kovaleta bidigar Elektroer i valesskale delas. Detta ger e totaleergi som är lägre ä för två searata atomer. Molekylära bidigarjobidig Na 3s 2 Ledig lats i skalet Cl 2 3s Jobidigar Elektroer frå e atom går till e aa. Detta gör att vi får e ositivt laddad jo och e egativt laddad jo. Dessa attraheras av varadra via elektrostatiska krafter. Molekylära bidigarkovaleta bidigar Molekylära bidigarkovaleta bidigar H H H 2 Ψ s Symmetric Ψ s Ψ s 2 Bodig Ψ A Atisymmetric Ψ s Ψ s 2 Atibodig Kovaleta bidigar. När atomera kommer tillräckligt ära ka totala eergi i systemet säkas om de två atomera delar å elektroera. Eergiivådiagram i fasta materialbadstruktur Eergibad i Natrium 3s Eergibad i Kol (Diamat) Metaller, halvledare och isolatorer Badga Eergi 2 Eergi 2 Eergi Isolator Halvledare Ledare (Metaller) Lägsta eergi Searatio mella atomer Lägsta eergi Searatio mella atomer Fria atomer (gasfas) har diskreta ivåer som ger uhov till lijesektra. I fasta material fis istället breda eergibad. Det översta badet kallas för ledigsbad och däruder valesbadet. Electroer som fis i ledigsbadet ka röra sig fritt i materialet. I metaller överlaar valesbadet och ledigsbadet, dvs det fis måga fria laddigar i metaller.

5 Fermiivå Besättigsgrad i ledare Kovaleta bidigar i Kisel Täthet av eergitillståd 2 ρ(e)= 7/2 m 3/2 π (Ε Ε ga ) 1/2 h 3 Ledare vid rumstemeratur Ledare vid 0K Fermiivå Saolikhet att tillståd är besatt i e halvledare Ledigsbad Ledigsbad Ledigsbad E g Fermiivå Eg 2 Eg 2 T=0K Låg temeratur Hög temeratur Valesbad Valesbad Valesbad Doig Geom att tillföra ett litet atal atomer med aat atal valesatomer ka vi kraftigt förädra halvledares ledigsegeskaer. Detta kallas doig. Detta är grude till ett ämesområde som kallas otroik. Otroik beskriver fysike bakom t.ex. lysdioder, laserdioder, fotodioder CCD kameror m.m. Fermiivå Ny besatt ivå Ndoig P Aväds för doig B C N Al P 3s 2 3 3s s Ga Ge As 4s 2 4 4s s I S Sb 5s 2 5 5s s Halvledare som är valigt förekommade i elektroiska komoeter Aväds för doig Pdoig Arbetsfuktio och Kotaktotetial Ledigsbad Φ A A E FA B ΦB E FB Valesbad Ny obesatt ivå Fermiivå B A E FA Φ BΦ A B E FB Φ B Φ A A B E F

6 PNövergåg PNövergåg doad halvledare P Utarmigs område N doad halvledare elektro hål Negativ jo frå fyllt hål Positiv jo ga elektro som lämat atome doat övergåg doat Valesbad Eergibad uta försäig Ledigsbad PNövergåg Framsäd PNövergåg I Ledigsbad doat övergåg doat Valesbad Eergibad vid framsäig Backsäd V Framsäd Lysdiode Lysdiode Hål Elektro doat skikt aktivt skikt doat skikt Substrat

7 100% reflekterade yta Laserdiode Delvis reflekterade yta Backsäd PNövergåg Ledigsbad Laser strålig doat doat övergåg Valesbad Utarmigs regio Fotodiode CCDkamera hål elektro i Aktiv yta Klocka Syk. Klocka Photocurret R ADC Horisotellt shift register Utläsigsregister CCDkamera CCDkamera V Gate Oxidskikt N Kaalgräs Ljuset geererar ett elektrohål ar Utarmigsskikt Gate P (substrat) Pixel

8 CCDkamera Accumulerig CCD kamera (färg) Hög bias Pixel Pixel Hög bias Hög bias Skiftsekves Hög bias Pixel Pixel Hög bias Hög bias Bayer filter Algoritmer som för att räka ut färge i e viss ixel också aväder agräsade ixlar aväds. Kameror med roterade filter eller med flera CCDchi förekommer också CCDlikade detektorer Backthied CCD Substratet tuas ed så att fotoera ite behöver gå igeom gate och oxidlager. Detta ger högre käslighet för kortvågigt ljus Goig from 5 Hz to 1 khz i siglehoto coutig Not ossible to do trasfer image ad do aalysis o comuter at 1 khz. 10 Mhz ixel rate 512*512 ixels > 40 Hz. Ochi image rocessig ecessary CID Lik CCD kamera, me varje ixel är addresserbar och laddige i e ixel ka mätas flera gåger CMOSVarje ixel har si ege förstärkare som mäter laddige. Sämre ackigstäthet ä CCD Vi skiljer å två huvudtyer: Detektorer Termiska detektorer, där detektortemerature ökar ga strålige. Temerature mätes och ger ett mått å stråligsitesitete. Termiska detektorer Väggar (värmesäka) Absorbator (Käselkro) Kvat detektorer, där eskilda fotoer ger uhov till elektroer som ka registreras i form av e ström eller säig. Temerature hos käselkroe mäts. Beroede å hur ma mäter temerature har detektor olika am

9 Termoelektrisk detektor Bolometer Absorbator (Käselkro) Väggar (värmesäka) R L I I R S Absorbator Termoelemet R L R L V Kvatdetektorer Fotomultilikator Fotodiod Fotomultilikator Streakcamera Bildförstärkare elektroer Fotokatod Vacuumrör R V Tyiskt 1000V mella aod och katod Svarstid 1 s Käslig 900 m 200m Kvateffektivitet 20% 1 foto ka ge uhov till 10 7 sekudärelektroer Xray Streak Cameras Xray Streak Cameras CsI Photocathode V Phoshor Scree CsI Photocathode V Late electros Early electros Phoshor Scree Xrays t Xrays t Electro ulse Acceleratig mesh Swee Plates Acceleratig mesh Swee Plates Electro buch is streaked i time.

10 Bildförstärkare Bildförstärkare Bildförstärkarefotokatod Bildförstärkarefosfor Tye Colour Efficiecy % Efficiecy Photos Decay Characteristic Otical Watts Nits/mwatt /Electro / Electrical P11 (Blue) 8 (1) Fast iitial decay with log decay at low level. 100ms to 1% P20 (Gree) Fast 10 (1) Fast iitial decay with log decay at low level. 100ms to 1% P20 (Gree) Slow 10 (1) secs to 1% P24 (Blue) µ sec to 10% (1) P31 (White) 12 1ms, good exoetial P43 (Gree) ms/decade, true exoetial P46 (Gree) s (1) P47 (Blue) s (1)