Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration



Relevanta dokument
Experimentell fysik 2: Kvantfysiklaboration

Innehåll. Kvantfysik. Kvantfysik. Optisk spektroskopi Absorption. Optisk spektroskopi Spridning. Spektroskopi & Kvantfysik Uppgifter

LABORATION ENELEKTRONSPEKTRA

Strömning och varmetransport/ varmeoverføring

BANDGAP Inledning

SPEKTROSKOPI (1) Elektromagnetisk strålning. Synligt ljus. Kemisk mätteknik CSL Analytisk kemi, KTH. Ljus - en vågrörelse

2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum)

Spektroskopi med optiska frekvenskammar

Kvantfysik - introduktion

A12. Laserinducerad Fluorescens från Jodmolekyler

LÄRAN OM LJUSET OPTIK

BANDGAP Inledning

Arbetsplatsoptometri för optiker Optisk strålning & strålskydd

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

SPEKTROFOTOMETRISK BESTÄMNING AV KOPPARHALTEN I MÄSSING

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2016

Uppsala Universitet Institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap EG FH Konjugerade molekyler

Elektronstötförsök = /(N ),

FYSA15 Laboration 3: Belysning, färger och spektra

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 2

Diffraktion och interferens

12 Elektromagnetisk strålning

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Bilaga B - Hantering av brandfarlig gas

Instuderingsfrågor för godkänt i fysik år 9

Projekt listan Lasern Laserspektroskopi för atmosfärstudier Laserkylning

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

SÄTT DIG NER, 1. KOLLA PLANERINGEN 2. TITTA I DITT SKRIVHÄFTE.

TENTAMEN I TILLÄMPAD VÅGLÄRA FÖR M

Spektroskopi. Atomer. Breddning. Molekyler

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik


Elektromagnetisk strålning. Lektion 5

Michelson-interferometern och diffraktionsmönster

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Laboration: Optokomponenter

KVANTFYSIK för F Inlämningsuppgifter I5

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

TEORETISKT PROBLEM 2 DOPPLERKYLNING MED LASER SAMT OPTISK SIRAP

Ljusets böjning & interferens

Frågor till filmen Vi lär oss om: Ljus

Linnéuniversitetet. Naturvetenskapligt basår. Laborationsinstruktion 1 Kaströrelse och rörelsemängd

Kemi. Fysik, läran om krafterna, energi, väderfenomen, hur alstras elektrisk ström mm.

Kap. 8. Bindning: Generella begrepp

Försättsblad Tentamen (Används även till tentamenslådan.) Måste alltid lämnas in. OBS! Eventuella lösblad måste alltid fästas ihop med tentamen.

Identifiera okända ämnen med enkla metoder. Niklas Dahrén

DEN FOTOELEKTRISKA EFFEKTEN

v = v = c = 2 = E m E2 cµ 0 rms = 1 2 cε 0E 2 rms (33-26) I =

Kapitel 33 The nature and propagation of light. Elektromagnetiska vågor Begreppen vågfront och stråle Reflektion och brytning (refraktion)

The nature and propagation of light

Lösningsförslag - Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Parbildning. Om fotonens energi är mer än dubbelt så stor som elektronens vileoenergi (m e. c 2 ):

Lateral upplösning 0,2um som i LOM som i LOM 1Å 20 Å 1nm >0,3um >0,3um 20nm 10nm (bra) 1Å 1Å >10um >30um flera mm? 0,1um (ToF) <2um >1um >15um

1. INLEDNING 2. TEORI. Arbete A4 Ab initio

Tentamen i FysikB IF0402 TEN2:

Färg i vardagen och skolan

DE VANLIGAST FÖREKOMMANDE RISKERNA

Fotoelektrisk effekt. Experimentuppställning. Förberedelser

Diffraktion och interferens

atomkärna Atomkärna är en del av en atom, som finns mitt inne i atomen. Det är i atomkärnan som protonerna finns.

Fotoelektriska effekten

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

Ljusets inn väsen. om astronomi och kvantoptik

Optiska ytor Vad händer med ljusstrålarna när de träffar en gränsyta mellan två olika material?

Delkursplanering FY1202 Fysik B - 150p

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

F9 ELEKTRONMIKROSKOPI

Inledning i ramanspektrometri. Matti Hotokka Fysikalisk kemi

GRUNDERNA FÖR MOLEKYLÄR SPEKTROMETRI

Fysikaliska krumsprång i spexet eller Kemister och matematik!

Gauss Linsformel (härledning)

Astrofysikaliska räkneövningar

Bohrs atommodell. Uppdaterad: [1] Vätespektrum

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

KEMI 1 MÄNNISKANS KEMI OCH KEMIN I LIVSMILJÖ

Värmelära. Värme Fast Flytande Gas. Atomerna har bestämda Atomerna rör sig ganska Atomerna rör sig helt

4:7 Dioden och likriktning.

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Extra övningsuppgifter

Figure 1: Ríontgenspektrum frçan katodstrçaleríor. de elektroner som infaller mot ríontgenríorets anod íandrades till XY kv, díar XY íar

c = λ ν Vågrörelse Kap. 1. Kvantmekanik och den mikroskopiska världen Kvantmekanik 1.1 Elektromagnetisk strålning

Snabba atomer och lysande stjärnor. Hur spektrallinjer berättar om exciterade atomers livstider och den kemiska sammansättningen hos stjärnor.

3.10 Fysik. Syfte. Grundskolans läroplan Kursplan i ämnet fysik

Vågrörelselära och optik

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Måndag 29 september: Resonansfenomen (Janusz)

Copyright 2001 Ulf Rääf och DataRäven Elektroteknik, All rights reserved.

Detektera blod med luminoltestet. Niklas Dahrén

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

brandpolicy Gefle Montessoriskolas

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Tentamen i Fotonik , kl

Sensorer och brus Introduktions föreläsning

Geometrisk optik reflektion och brytning. Optiska system F9 Optiska instrument. Elektromagnetiska vågor. Det elektromagnetiska spektrumet FAF260

PLANCKS KONSTANT.

Transkript:

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

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:

Typiska komponenter i ett spektroskopiexperiment: Detektor Ljuskälla Prov Våglängdsseparator Registreringsenhet

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

Svartkroppsstrålning Solen Glödlampor Infrarödvärmare Spektralfördelningen ges av Plancks strålningslag

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

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)

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

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

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.

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

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

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

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

Fabry-Perot-interferometer 2nd = mλ

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

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

Fotomultiplikator

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

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

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.

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.

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

Energiområden/våglängdsområden Atomer Valenselektroner 1-10 ev 100-1000 nm NIR, synligt, UV Innerskalselektroner 0,1-100 kev 0,01-10 nm Röntgen Finstruktur IR Hyperfinstruktur RF Molekyler Valenselektroner 1-10 ev 100-1000 nm NIR, synligt, UV Innerskalselektroner 0,1-100 kev 0,01-10 nm Röntgen Vibrationer 0,01-0,5 ev 2-100 µm IR Rotationer 0,005-10 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.

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).

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.

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

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).

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

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.

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!