TEKNISKA HÖGSKOLAN I LULEÅ lp2 96 Avd. för Fysik Per Arve. Laboration i Kvantfysik för F

Relevanta dokument
BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

2.6.2 Diskret spektrum (=linjespektrum)

Fotoelektriska effekten

7. Atomfysik väteatomen

Föreläsning 2. Att uppbygga en bild av atomen. Rutherfords experiment. Linjespektra och Bohrs modell. Vågpartikel-dualism. Korrespondensprincipen

Lösningar Heureka 2 Kapitel 14 Atomen

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

Vågfysik. Ljus: våg- och partikelbeteende

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

1.5 Våg partikeldualism

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

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

FAFA55 HT2016 Laboration 1: Interferens av ljus Nicklas Anttu och August Bjälemark, 2012, Malin Nilsson och David Göransson, 2015, 2016

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Laboration 1 Fysik

Elektronstötförsök = /(N ),

1. Elektromagnetisk strålning

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

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Fysik. Laboration 3. Ljusets vågnatur

Number 14, 15, 16, and 17 also in English. Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057).

Lösningsförslag. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Fysik del B2 för tekniskt basår / teknisk bastermin BFL 120/ BFL 111

Svar och anvisningar

F2: Kvantmekanikens ursprung

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

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

En resa från Demokritos ( f.kr) till atombomben 1945

PLANCKS KONSTANT.

Milstolpar i tidig kvantmekanik

Svar och anvisningar

Rydbergs formel. Bohrs teori för väteliknande system

FyU02 Fysik med didaktisk inriktning 2 - kvantfysik

Tentamen i Fysik för π,

Zeemaneffekt. Projektlaboration, Experimentell kvantfysik, FK5013

Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: KBAST16h KBASX16h. TentamensKod: Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:00

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Diffraktion och interferens

Fysikum Kandidatprogrammet FK VT16 DEMONSTRATIONER MAGNETISM II. Helmholtzspolen Elektronstråle i magnetfält Bestämning av e/m

Fysik TFYA86. Föreläsning 10/11

Information om kursen

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 3

Svar och anvisningar

Fysik TFYA68. Föreläsning 11/14

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

1. Kundts rör. Stående vågor i ett rör med slutna ändar. 2. Ultrajud. Fasförhållande, våglängd och superposition.

Medicinsk Neutron Vetenskap. yi1 liao2 zhong1 zi3 ke1 xue2

Arbete A1 Atomens spektrum

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

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 120 / BFL 111

Instuderingsfrågor Atomfysik

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

BFL 111/ BFL 120 Fysik del B2 för Tekniskt Basår/ Bastermin

Ljusets interferens. Sammanfattning

Final i Wallenbergs fysikpris

Välkomna till Kvantfysikens principer!

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

KEMA00. Magnus Ullner. Föreläsningsanteckningar och säkerhetskompendium kan laddas ner från

Fotoelektrisk effekt. Experimentuppställning. Förberedelser

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

Halogenlampa Spektrometer Optisk fiber Laserdiod och UV- lysdiod (ficklampa)

Alla svar till de extra uppgifterna

Handledning laboration 1

Tentamen i FysikB IF0402 TEN2:

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

Vinkelupplösning, exempel hålkameran. Vinkelupplösning När är två punkter upplösta? FAF260. Lars Rippe, Atomfysik/LTH 1. Böjning i en spalt

Röntgenteknik. Vad är röntgenstrålning? - Joniserande strålning - Vad behövs för att få till denna bild? Vad behövs för att få till en röntgenbild?

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

Andra föreläsningen kapitel 7. Patrik Lundström

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

DEN FOTOELEKTRISKA EFFEKTEN

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Tentamen i fysik B2 för tekniskt basår/termin VT 2014

FYSA15 Laboration 3: Belysning, färger och spektra

Väteatomen. Matti Hotokka

Elektromagnetisk strålning. Lektion 5

Fysik, atom- och kärnfysik

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

Dopplereffekt och lite historia

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

Kapitel 7. Atomstruktur och periodicitet. Kvantmekanik Aufbau Periodiska systemet

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

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

3.7 γ strålning. Absorptionslagen

2.16. Den enkla harmoniska oscillatorn

Bohrs atommodell. Uppdaterad: [1] Vätespektrum

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik 2. 5 juni :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

LABORATION ENELEKTRONSPEKTRA

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

Kosmologi - läran om det allra största:

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Prov Fysik B Lösningsförslag

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

The nature and propagation of light

Transkript:

TEKNISKA HÖGSKOLAN I LULEÅ lp2 96 Avd. för Fysik Per Arve Laboration i Kvantfysik för F

Syfte Laborationen syftar till att demonstrera två fysikaliska system, väteatomen och elektroner som strömmar genom kvicksilverånga. I båda fallen uppmäts en egenskap som inte kan förklaras utifrån enbart klassisk fysik. För väteatomen uppmäts vågländerna hos de synliga spektrallinjerna. Även kvicksilver atomers spektra studeras. Spektralanalys används i grundforskning om atomers och molekylers egenskaper och används vid undersökningar av ämnes spektrallinjer i många olika sammanhang t.ex på SSAB i Luleå. Elektroner som accelereras under passage genom kvicksilverånga får en variation i deras kinetiska energier. Detta avspeglar att kvicksilveratomerna endast kan absorbera en viss energimängd, nämligen excitationsenergin för första exciterade tillståndet. Atomen skickar ut en foton då den återgår till grundtillståndet. Fotonens våglängd motsvarar dock ej det synliga området. Försöket kallas Franck-Hertz experiment efter de två fysikerna som först genomförde det, James Franck och Gustav Hertz. En praktisk applikation av de processer som sker i försöket är lysröret. Franck-Hertz Experiment Uppgift Bestäm exitationsenergin hos första exciterade tillståndet hos kvicksilver (Hg) med ett Franck-Hertz experiment. Experimentet går ut på att då elektroner passerar i en gas av kvicksilveratomer förlorar de ibland en energi som är lika med atomernas excitationsenergi. Utrustningen Experimentet går till så att i ett evakuerat glasrör finns kvicksilver som förångas genom att röret upphettas. Dessutom finns tre elektroder i röret, enligt figure 1. Glödkatoden Galleranod Glödkatod Hg Kollektor I C U A U g Figure 1: Franck-Hertz: Accelerationsspänningen U A, backspänningen U g uppvärms av en spänning som läggs över dess båda anslutningar. På grund av den termiska rörelsen kommer vissa av katodmetallens elektroner att få så stor energi att de lätt kan frigöras. Detta sker då en spänning läggs mellan katoden och galleranoden.

9. Mät accelerationsspänningen för varje max och min. Detta kan t.ex. göras genom att se till att kurvan för accelerationspänningen syns samtidigt som strömkurvan. Positionera i x-led så att ett max eller min ligger mitt för den vertikla mätskalan på oscilloskopet. Avläs accelerationskurvans skärning med den vertikla skalan. Upprepa för de övriga min och max. Oscilloskopets inställningar för accelerationsspänningen får inte ändras under mätningen. Elektronerna accelereras i det elektriska fältet som uppstår mellan anoden och katoden. Några av dem träffar anoden men många av dem kommer att susa igenom galleranodens maskor och fortsätta mot kollektorn. En backspänning läggs på mellan anoden och kollektorn som bromsar upp elektronerna och enbart de mer energirika elektronerna kan nå kollektorn. Hela röret är placerat i en termostatregelerad ugn. Det kvicksilver som finns i röret kommer att ge upphov till mättad kvicksilverånga. Den ström som går genom kollektorn är mycket liten (10 10 A). En känslig mätförstärkare omvandlar strömmen till en spänning som vi lätt kan mäta. Förstärkaren är ihopbyggd med spänningsaggregetet som används för att generera glödström, accelerationsspänning och backspänning. Aggregatet kan generera antingen en reglerbar konstant accelerationsspänning eller i form av en ramp. I det senare fallet varierar spänningen kontinuerligt från 0 V till inställd max-spänning 50 gånger per sekund. Vi mäter både kollektorströmmen I C (via mätförstärkaren) och accelerationsspännningen U A med ett och samma oscilloskop. Mätningen Det mycket märkliga inträffar att I C inte alltid ökar då U A ökar. Det finns lokala maxima och minima hos I C som funktion av U A. Mät hur stor skillnaden i accelerationsspännigen är mellan de olika minima och samma sak för maxima. 1. Slå på ugnen ca. 180 o C. 2. Kontrollera att de elektriska kopplingarna mellan elektronikenheten ( operating unit ) och Franck-Hertz-röret är korrekta. Observera att U A kallas U B på elektronikenheten. 3. Ställ in accelerationsspänningen U A i läge Ramp 50 Hz och ca 10 V max-spänning. 4. Koppla in oscilloskopet så att U A :s tidsvariation kommer fram. Notera sambandet mellan max-spänning enligt spänningsaggregatet och oscilloskopets gradering och inställning. Ställ in tidssvepet så att endast en hel period finns på skärmen. Prova gärna olika inställningar på oscilloskopet, bland annat position rattarna. 5. Skruva ner accelerationsspänningen till noll. Ställ in glödspänningen Heizung ungefär i mitten (8 volt). Titta genom fönstret i plåtlådan så får Ni se den glödande katoden. 6. Koppla in oscilloskopets andra kanal för kommande mätning av kollektorströmmen I G. Ställ in oscilloskopets förstärkning i y-led för denna kanal på t.ex. 2 volt/enhet. 7. Ställ in backspänningen U g på maximala 10 volt. Ställ därefter in accelerationsspänningen på ca. 40 V. Skruva ner backspänningen så att de förväntade strömvariationerna framträder på oscilloskopet. 8. Justera mätförstärkarens förstärkning, U A, U g och oscilloskopet så att ett flertal max och min framkommer tydiligt.

10. Betrakta hur strömkurvan ändras då backspänning, accelerationsspänning och glödspänning ändras. Redovisning Redogör för i ett resonemang hur ström och accelerationsspänning och backspänning och kollektorström borde hänga samman om den klassiska fysikens lagar skullegälla. Redovisa hur man med kvantfysiken förklarar sambandet mellan I C och U A. Ange skillnaden i accelerationsspänning mellan de olika maxima och minima i en tabell och det värde på kvicksilvers excitionsenergi, som man får fram. Det är inte fel att visa diverse delresultat, men redovisa som slutresultat endast ett värde (medelvärdet), eventuellt med felgränser. Redogör för strömkurvans beroende av backspänning, acceleratiotionsspänning och glödspänning, samt försök förklara dessa resultat. Atomers spektra Balmerserien i vätespektra Under slutet av 1800-talet upptäckte man att grundämnena utsänder eller absorberar ljus endast med vissa speciella våglängder. Bland annat hade man sett att våglängderna från väteatomer gick att uppdela i olika serier. En docent vid Uppsala universitet, Jan Rydberg, upptäckte att den serie som faller inom det synliga området, Balmerserien, följer en relativt enkel matematisk formel, ( 1 1 λ = R H 4 1 ), n = 3, 4,... (1) n 2 Att förstå varför en gas av väteatomer utsänder eller absorberar ljus endast vid dessa våglängder kom att ta ett par decennier. Atomens uppbyggnad Ett av de fysikaliska fenomenen, som man brottades med i slutet av 1800-talet och början av 1900-talet, var atomens uppbyggnad. Ernest Rutherfords medarbetare Geiger och Marsden, undersökte vad som hände då alfapartiklar träffade en metallfolie. Rutherford visade att alfapartiklarna, som man visste var elektriskt laddade, hade rört sig igenom foliet som om foliet bestod av tunga laddade partiklar med en laddning lika med atomernas atomnummer. Dessa laddningar var koncentrerade till en punkt och hade en massa som var i stort sett lika med hela atomens massa. Rutherford insåg alltså att atomer består av en mycket liten atomkärna omgiven av elektroner. För väteatomen innebär detta, att den består av en elektron som rör sig runt kärnan, protonen. När man försökte beskriva väteatomen utgående från mekaniken och elektricitetslärans lagar, fick man fram att elektronen borde sända ut elektromagnetisk strålning. Strålningens våglängd borde variera kontinuerligt, eftersom elektronen förlorar energi i processen. Därmed ändras kontinuerligt frekvensen hos elektronens rörelse. Dansken Niels Bohr, som hade täta kontakter med Rutherford i Manchester, lyckades komma på en förklaring till varför väteatomer endast emitterar ljus vid vissa våglängder. Bohr gjorde vissa antaganden som gav att elektronen enbart kan anta vissa bestämda energier. Dessutom utnyttjade han de tankar som Planck och Einstein hade kommit

fram till då de analyserat värmestrålningen och fotoelektriska effekten, nämnligen att ljus absorberas och emitteras i form av fotoner med energin, E f = hν = hc (2) λ Bohrs förklaring var mycket intressant, men kunde endast tillämpas på väte och vätelika atomer. Andra atomer, t.ex. helium, kunde inte beskrivas utgående från Bohrs idéer. Österrikaren Erwin Schrödinger fann den fullständiga teorin, för vilka energier, atomer och andra mikroskopiska system kan anta. Hans ekvation, Schrödinger- ekvationen, har motsvarande roll inom mikrofysiken som Newtons lagar har för makroskopiska kroppar. Schrödinger lyckades inte bara som Bohr beskriva vätes energinivåer, E n = W ( H 2π 2 ) ( ) n, W m e 2 2 2 H =, n = 1, 2,... (3) h 2 4πɛ 0 utan också kan man med hans ekvation förstå alla atomers struktur, liksom hur atomer binds samman i molekyler, hur atomkärnan är uppbyggd, att ljus består av fotoner etc. Mätning Genom att mäta våglängderna i Balmerserien kan man bestämma Rydbergs konstant R H konstanten W H. Eftersom E f = E m E n (4) Observera att man kan bestämma vilka värden på n som förekommer, om man betraktar två konsekutiva spektrallinjer, eftersom deras n värde skiljer sig endast med en enhet. Mätning av Balmerseriens våglängder Vi utnyttjar en lampa, i vilken atomärt väte produceras från vatten med hjälp av en katalysator. Elektroner accelereras genom gasen och exciterar därvid väteatomerna (jmfr Franck-Hertz försök). Våglängderna för tre spektrallinjerna inom det synliga området skall bestäms skall bestämmas i en spektrometer. Spektrometern delar upp ljuset med hjälp av ett gitter som sprider ljus i olika riktningar beroende på gitterkonstant och våglängd. Observera att man skall mäta spektrallinjernas avböjning i förhållande till ljuset som ej böjs av. Mät vinkeln för ljuset som ej böjts av samt avböjningen (1:a ordningen) för de olika spektrallinjerna på båda sidor om den oböjda strålen (0:te ordningen). Våglängden bestäms utgående från d(sin α 1 + sin α 2 ) = mλ, m = 1,..., α 1 = (θ 1 + θ 2 )/2, α 2 = θ 1 θ 2 /2 (5) där d betecknar avståndet mellan spalterna i gittret, θ 1 och θ 2 betecknar de båda vinklarna mellan avböjd stråle och framåtgående stråle. Dessutom skall kvicksilvers spektra studeras. Uppgifter om denna mätning lämnas ut vid laborationstillfället. Redovisning Laborationsrapporten skall innehålla en beskrivning av det instrument ni använder inkluderande en liten skiss av instrumentet. De värden som uppmätts direkt på instrumentet, för de tre synliga linjerna, skall anges i en tabell tillsammans med våglängderna som beräknats ur dessa. Tabellen skall också innehålla n-kvantalen på elektronens initialoch final-tillstånd. Beskriv hur våglängderna beräknats samt ange ett värde på konstanterna som ni fått fram med hjälp av dessa och hur allt beräknats.