Torsdag 16 oktober: Klassisk fysik- Modern Fysik -Teknologi (Arne)

Transkript

1 Torsdag 16 oktober: Klassisk fysik- Moder Fysik -Tekologi (Are) Iledig I slutet av 1800-talet existerade ett flertal experimetella fakta, som ej kude förklaras med de s.k. Klassiska Fysike. Flera av dessa fakta hade sammaställts i empiriska sambad, som påmier om de resultat som du som tekolog erhållit vid laboratioera i Fysikaliska Priciper. Dessutom hade ma upptäckt att vissa fysikaliska storheter och egeskaper uppvisade ågo form av periodicitet för diverse äme såsom hur de reagerade med adra äme och bildade föreigar. Geom att orda de vid de tide käda elemete kude ma göra e skiss på det som vi idag kallar periodiska systemet. Teori för periodiska systemet utvecklades seare uder 190-talet av Bohr och Pauli. Uder läsperiod II kommer vi att först behadla olika område iom de fysik och kemi, som utvecklades uder slutet av 1800 talet och börja av 1900 talet. Vi kommer seda att diskutera hur ma utgåede frå olika experimetella observatioer kuat härleda empiriska sambad, som seare förklarats med ågo teori. Efterhad som vi diskuterar olika område kommer du att förhoppigsvis ise hur olika område häger ihop. Ka det fias e teori som skulle kua förklara allt? I följade figur ges e översikt av ågra ämesområde som var aktuella i slutet av 1800-talet och börja av 1900-talet. Figur 1. Översikt av utvecklige klassik fysik och moder fysik

2 Klassiska mekaike. Höjdpuktera iom de klassiska mekaike var Newtos teori för gravitatioe. Newto formulerade äve tre rörelselagar, som du säkert käer till frå gymasiet och som vi kommer att diskutera vid övigar i lp II. De klassiska mekaike utvecklades av Eistei med de speciella och allmäa relativitetsteori. För att beskriva små dimesioer för kvatmekaiska partiklar, med halv taliga spi som elektroer formulerade Dirac år 198 e y teori. Klassiska vågor I kurse har vi i begräsad omfattig diskuterat klassiska vågor främst med exempel på elektromagetiska vågor och deras tillämpigar. Klassiska vågor som t ex vattevågor uppvisar äve egeskaper som iterferes, diffraktio etc Klassisk elektromagetism. Uder förra föreläsige diskuterade vi magetism, mageter, fältlijer frå mageter samt hur e ström i e ledare ger upphov till ett magetfält rut ledare. Vi diskuterade äve begrepp som iduktio samt hur iduktio kommer till avädig i flera tillämpigar som trasformatorer. Geom avädig av e elektrisk svägigskrets eller magetro är det äve möjligt att geerera elektromagetiska vågor som aväds i t ex radar. Maxwell kude år 1864 med ågra berömda ekvatioer förklara alla käda experimetella observatioer vilket utgör grude för de modera elektromagetisme. Du kommer lägre fram i di utbildig att studera dessa ekvatioer i detalj iom kurse i Elfält. Maxwells ekvatioer får betraktas som e milstolpe iom klassisk elektromagetism. Till de vid de tide okäda resultate hörde att om ljus var ett elektromagetiskt feome, kude t ex ljushastighete bestämmas geom ret elektriska och magetiska mätigar uta referes till optik. Mätigara utfördes av Kohlrausch och Weber och deras bestämig av ljushastighete stämde väl med Foucaults direkta mätigar. Det fas äve adra okäda resultat dolda i ekvatioera. Heirich Hertz utförde de experimet, som slutgiltigt visade att ljus var e elektromagetisk vågrörelse av just det slag Maxwells teori förutsagt. Hertz skriver 1889 att: "Det är omöjligt att studera dea uderbara teori uta e käsla av att de matematiska ekvatioera har ett eget oberoede liv och medvetade, som om de vore visare ä oss, ja till och med visare ä deras upptäckare, som om de ger mer ä vad som urspruglige lagts i i dem. Och detta är ite orimligt, det ka häda att ekvatioera visar sig vara mer korrekta ä deras upptäckare rimlige kude veta. Optike karakteriserades av studier av olika egeskaper för ljuset samt utvecklig av optiska istrumet med allt bättre upplösig. Som exempel ka ämas prisma och gitter spektrometrar samt iterferometrar. Vid e föreläsig visades hur e Michelso iterferometer avädes för mätig av gravitatiosvågor. Låter ma e av speglara i Michelso iteferometer röra sig på ett kotrollerat sätt erhålles e sk Fourierspektrometer, som idag aväds iom såväl grud som tillämpad forskig. Exempel på e såda spektrometer ges i följade figur.

3 Figur Michelso-iterferometer som Fourier-trasformspektrometer samt exempel på ågra spektralfördeligar. Notera svävigs -effekte i fallet med två frekveser (jfr ljudsvävigar frå två stämgafflar som sväger med lite olika frekveser) Vid avädig av sådaa istrumet fa ma i måga fall att e spektrallije bestod av ett flertal lijer. Vi kommer att diskutera hur spektrallijer uppkommer i dea föreläsig. Ett aat itressat område iom moder fysik är utvecklige av atommodeller som Rutherfords modell för atomkära som är relaterat till upptäckte av radioaktivitet. För att studera utvecklige av de modera fysike behöver vi äve orietera oss om vad ma käde till iom statistisk fysik och termodyamik. Det visade sig att dessa teorier ej kude avädas för att förklara vissa experimetella fakta som t ex strålige frå e kropp som upphettas. Plack löste problemet med sitt djärva påståede att elektromagetisk strålig var kvatiserad i form av fotoer. I figure visas kopplige mella de klassiska statistiska mekaike och de modera fysike som Bohrs atommodell. Lägre fram kommer vi äve att diskutera adra område som upptäckte av att elektroer ka äve beskrivas som e vågrörelse i form materievågor. Elektroer som passerar e dubbelspalt visar sig ge upphov till iterferesmöster likade vad ma erhöll för ljus. Om vi dessutom atar att elektroe geom att rotera som ett gyro har ett rörelsemägdsmomet eller spi, ka vi förklara uppbyggade av det Periodiska Systemet och adra område iom de modera fysike.

4 Eisteis am associeras av de flesta i första had med de speciella relativitetsteori, som publicerades år Me Eistei gjorde betydade isatser äve iom adra område av fysike som Teori för fotoelektrisk effekt, 1905, Teori för Browsk rörelse av små stoftkor i e vätska ka ses som ett bevis på att vätska består av atomer eller molekyler, 1905, Sambadet mella eergi och massa i de berömda relatioe, E mc, där c ljushastighete, De allmäa relativitetsteori , Teori för stråligsprocesser, som utgör grude för maser och laser, 1917, Teori för bildade av Bose-Eistei kodesat, 194. Utvecklige av ya teorier för att beskriva upptäcker iom moder fysik resulterar så småigom i bästa fall ett Nobelpris eller helt ya tekologier. Du ka läsa mera om Nobelpris och moder tekologi på följade läkar: och Uder läsperiod II kommer vi äve att ge e orieterig om flera område iom modera fysike med exempel frå aktuell forskig och tekologi. Du kommer att lägre fram i utbildige studera dessa område mera igåede iom flera kurser. Vid dages föreläsig kommer vi att börja med att diskutera spektroskopi. Spektroskopi: Iom optike hade uder 1800-tlalet utvecklats ett flertal istrumet, som kude avädas för att studera ljus frå t ex sole, stjäror, spektrallampor, bräare som de mycket käda Busebräare som avädes allmät iom kemi. Som exempel på istrumet ka ämas spektrometrar där ma utyttjar prismor eller gitter. Ma ka äve få äu bättre upplösig i sia mätigar om ma aväder iterferometrar som Michelso och Fabry-Perot iterferometrara. Vid föreläsige visas exempel på olika spektra, som ka karakteriseras som emissios- och absorptiosspektra med ett flertal diskreta lijer. Spektra frå sole uppvisade äve ågra absorptioslijer som fått amet de Frauhoferska lijera efter si upptäckare. Vid studier av spektra frå molekyler som kvävemolekyle erhölls ett flertal tättliggade diskreta lijer som såg ut som ett bad av lijer. Detta beror på att molekyler ka vibrera och rotera vilket ger upphov till kombierade excitatioer. För väte hade ma i det syliga området uppmätt ett atal spektrallijer i de s k Balmerserie som visas i följade tabell. Balmer visade att dessa spektrallijer kude beskrivas med följade empiriska sambad. λ b 4 där är ett heltal och b e kostat.

5 Tabell 1 Spektrallijer i väte, Balmerserie Våglägd Parameter, λ/(m) Detta sambad ka äve skrivas som λ b 4 1 b 4 1 b b Om dea formel gäller geerellt, skulle ma täka sig att skriva om de och iföra ytterligare e parameter m, vilket ger, λ b m där vi för m och 3, 4, 5, 6, 7.. erhåller de s k Balmerserie Om vi istället aväder adra värde på parametrara m och erhålles för m 1 och m 3 och, 3, 4, 5, 6,7,. de s k Lyma serie 4, 5, 6, 7, 8, 9,. de s k Pasche serie vilka äve visade sig vara i överesstämmelse med registrerade spektra i UV respektive IR området. Dea formel visade sig vara mycket geerell och kallas idag Rydbergs formel 1 1 R λ m där R är de s k Rydbergkostate. I stället för att skriva 1/λ iförs ofta det sk vågtalet σ m som har ehete m -1 Vi ka äve iföra s k termvärde vilket ger. R T

6 Vilket iebär att Rydbergs formel ka skrivas som σ m T T m Vi ka illustrera detta med ett eergiivådiagram där vi ritat i de aktuella övergågara. Figur 3 Övergågar i väteatome Vi visade seda experimet med ljus frå e spektrallampa med Na och e Busebräare i vars låga ifördes olika äme som Na, Li, K etc. När ljuset frå spektrallampa passerade de gula låga med Na avbildades låga som e mörk skugga på e skärm eftersom det gula ljuset frå spektrallampa exciterade Naatomer i låga och på detta sätt förbrukades. Sammafattigsvis gäller att

7 - Emissioslijer erhålles vid e övergåg frå e högre till lägre ivå - Absorptioslijer erhålles vid e övergåg frå e lägre till högre ivå - E lije i emissio motsvaras av e lije i absorptio. - Emissios och absorptioslijer ka därför täkas represetera ett figeravtryck av aktuella äme. - Käedom om spektrallijer utgör grude för spektralaalys iom astrofysik samt äve moder spårämesaalys såsom emissiosspektroskopi och atomabsorptiosspektroskopi Lambert Beers lag: Låt oss ata att ljus belyser ett prov som ka vara e vattelösig, eller e låga frå e bräare. Som adra exempel ka ämas hude eller de solskyddsmedel som du med dyra pegar smort i dig med. Ljuset kommer att absorberas och spridas i provet i olika grad beroede på våglägd. Figur4 Itesitetsförädrige hos ljus då det passerar ett prov. Vi ka beräka de relativa förädrige av ljusitesitete som I I σ () λ c x där σ(λ) är absorptiostvärsittet, c kocetratioe, och x de sträcka som ger förädrige I i absorptio. Itegreras detta uttryck erhålles

8 I I0 I I l σ () λ cdx σ ()cl λ 0 eller I I exp σ 0 [ () λ cl] Detta uttryck är mycket geerellt och ka avädas för olika former av absorptio där ma måste käa till σ(λ). Vid tillämpig på solskyddsmedel får ma täka på i vilket våglägdsområde dessa medel absorberar. UVA strålig täcker våglägdsområdet m. UVB strålig täcker våglägdsområdet m. UVC strålig täcker våglägdsområdet < 80 m. UVB strålig ger hude dess röda färg. Radioaktivitet- rötgestrålig - atommodeller: År 1895 hade Rötge upptäckt att är elektroer accelereras till hög eergi i ett vakuumrör och träffar e aod alstrades e strålig, som svärtade e fotografisk plåt. Eftersom ma till e börja ej visste vad strålige bestod av fick de amet X-rays. Efter ågra år visades att är strålige reflekterades mot e kristall erhöll ma iterferesfeome vilket visar att X- rays var elektromagetisk strålig. Rötge visade äve att strålige absorberades av hade på fru Rötge vilket gav upphov till e svärtig av e fotografisk plåt. I slutet av 1800-talet var det ett kät faktum att visa äme säde ut syligt ljus är de belystes med UV ljus. Vissa äme var äve självlysade. Becquerel, , udersökte om e bladig av urasulfat och kaliumsulfat skulle vid belysig ge upphov till rötgestrålig och svärta e fotografisk plåt. Ha fa att äve om preparatet ej utsatts för solljus erhölls e svärtig av e fotografisk plåt. Radioaktivitete var upptäckt. Ma fa gaska sart att de radioaktiva strålige består av

9 α- strålig som är helium käror β-strålig som är elektroer γ-strålig som är elektromagetisk strålig Vilka experimet ka ma göra för att verifiera dessa egeskaper för de radioaktiva strålige? Vi visade äve hur ett uppläggigsfat frå Eda glasbruk i Värmlad lyser/ fluorescerar är ma belyser det med UV ljus. Fatet visar sig dessutom vara radioaktivt är ha aväder e käslig detektor för radioaktivitet. J.J Thomso studerade år 1897 elektroer med katodstråleexperimet och visade att de var egativt laddade och avböjdes i elektriska och magetiska fält. Thomso föreslog i e modell att de eutrala atome var uppbyggd av e positiv bakgrud i vilke elektroer rörde sig eligt bestämda möster. Modelle kallas ofta plumpuddig modelle eller jellium modelle. Thompsos lärjuge Rutherford var ågot skeptisk till dea modell och utförde spridigsexperimet där α-partiklar frå ett radioaktivt preparat fick träffa ett tut folie av guld. Ha fa att vissa av dessa α-partiklar kom tillbaka med stora rekyler, och drog då slutsatse att atomes hela massa var kocetrerad till ett litet område med radie R, de s.k. atomkära R r A 1/ 3 0 där A är masstalet. r 0 har vid seare studier visat vara omkrig m. Vi ka göra e uppskattig av atomkäras radie om vi atar att α-partikel med e viss kietisk eergi E k träffar atomkära av Au med laddige Z 79 uder e cetral stöt. Detta ger för kietiska eergi E k 1 m α v α som balaseras av de potetiella eergi. 1 Zα Z Au Ep 4πε 0 R Där Z α och Z Au utgör laddige för α-partikel och guldkära. R utgör det mista avstådet är α-partikel väder. Villkoret att E k E p ger e uppskattig av R. I Physics World, oktober 000 fis e översikt av Rutherfords veteskapliga isatser.