December 2013 - Pensionskassen for Farmakonomer
Forord I 2013 er det netop 100 år siden Niels Bohr fremsatte 2 postulater som skulle ændre både fysikken og samfundet. Dette 100 års jubilæum skal selvfølgelig fejres! Rundt om i både Danmark og mange stedet i udlandet fejres Niels Bohr med foredrag, bøger, hæfter, konferencer og meget andet! ”Kvantekassen” indeholder forskellige former for praktisk arbejde som på en eller anden måde knytter sig til Bohr og postulaterne fra 1913, som Niels Bohr fik Nobelprisen for i 1922. Rækkefølgen af de enkelte artikler er næsten tilfældig og kan læses i den rækkefølge der passer den enkelte bedst. I forbindelse med udviklingen af ”Kvantekassen” er der også lidt baggrundslæsning hvor det praktiske arbejde bliver sat ind i den rette sammenhæng med Bohrs atommodel. Ud over denne konkrete ”Kvantekasse” vil der på hjemmesiden DFKF København/Sjælland: http://fysik-kemi.dk/kbhsj og NBI: http://bohr2013.nbi.ku.dk/skoleprojekter/ også være andre baggrundsmaterialer: artiklen ”Niels Bohr og kemien” af Helge Kragh, link til små film, animationer, ”Atommodellen 100 år” et hæfte fra NTS, forskellige artikler skrevet af medarbejdere fra Niels Bohr Instituttet, link til Niels Bohr Instituttet, hvor der kan hentes rigtigt mange spændende ting både i form af tekst, film, leksikon mm samt mange andre relevante materialer. ”Kvantekassen” er først og fremmest udviklet af Christian Petresch og Erland Andersen, med økonomisk støtte af Naturfagssatsningen - Københavns Kommune, Niels Bohr Instituttet samt NTS centeret. Alle ønskes god fornøjelse ved arbejdet med ”Kvantekassen” og de andre materialer der er knyttet til kassen. Vi håber at I får glæde af arbejdet med indholdet og håber også at I får øjnene op for en stor dansk fysiker, ja en af de største fysikere der har været til. Henvendelser om ”Kvantekassen” kan ske til: Naturfagssatsningen - København ved Jens Prom. Mail: [email protected] eller undertegnede. Erland Andersen – Naturfagskurser. Mail: [email protected] Redaktør 1 Indhold Forord side 1 Indholdsfortegnelse side 2 Mind Map side 3 Energi side 4 Energidiagram – termdiagram side 5 Lys side 6 Spektre side 7 Spektrometer side 8 Optisk gitter side 8 Frauenhofer-linier side 9 Lysdioder side 10 Lys fra en glødetråd fx en glødepære side 11 Planck’s konstant side 11 Resonans side 12 Bohr’s to postulater 1913 side 12 Forsøg der kan underbygge Bohrs postulater. side 13-27. 2 Energidiagram Resonans (termdiagram) Energi Bohr’s to postulater 1913 Planck’s konstant Lys Elektromagnetisk stråling Lysdioder Spektre Optiskgitter Frauenhofer linier Spektrometer 3 Energi. Energi er et uhyre praktisk begreb til at beskrive egenskaber ved den fysiske verden. Først nogle fakta om energi – som mange års erfaring viser er fornuftige. 1. Energi kan optræde på mange forskellige former, hvoraf de vigtigste er: 1. Kinetisk-energi. 2. Potentiel-energi. 3. Elektrisk-energi. 4. Gravitations-energi. 5. Termisk-energi. 6. Strålings-energi – her tænkes specielt på energien i elektromagnetisk stråling (lys). 7. Kemisk-energi. 8. Masse-energi. 2. Energi kan ikke opstå eller forsvinde. 3. Energi kan evt. omdannes fra en form til én eller flere andre energiformer. Hvis omdannelsen finder sted, er den samlede energi før omdannelsen den samme som den samlede energi efter omdannelsen – energien er bevaret. Dette kan grafisk vises ved hjælp af nedenstående figur: E = E1 + E2 4. Energi kan måles i forskellige enheder, hvoraf den vigtigste er joule – J. Af andre energienheder kan nævnes: eV elektronvolt: 1 eV=1,602 10-19 J. 4 Energidiagram – termdiagram. Et energidiagram er en grafisk måde at vise indholdet i Niels Bohr’s postulater. Energien af de stationære tilstande/resonanser er afsat op af en lodret akse med et valgt nulpunkt, kaldet energien af grundtilstanden. Energidiagrammet for en luftart/gas er særlig enkel idet de enkelte stationære tilstande/resonanser ligger adskilt fra hinanden. Det er netop årsagen til at luftarter har linjespektre evt. båndspektre. Energidiagrammet for faste stoffer, herunder halvledere, er mere komplicerede idet de enkelte stationære tilstande/resonanser ligger tæt, samlet i såkaldte bånd adskilt af energigab. I et metal er valensbåndet ikke fyldt op hvilket tillader elektronerne i metallet at være i stationære tilstande/resonanser i valensbåndet blot der er selv en lille spændingsforskel over metallet. I en isolator er valensbåndet fyldt helt op og energigabet så stort at der skal en meget stor spændingsforskel over isolatoren for at bringe elektroner i isolatoren op i ledningsbåndet. I en halvleder er valensbåndet også fyldt op men energigabet er beskedent takket være forureningen af halvledermetallet. 5 Lys. Et tændt stearinlys udsender lys. Når vi kan se lysets flamme skyldes det at flammen udsender lysstråler i alle retninger og nogle af disse lysstråler rammer nethinden på bagsiden af øjet. Hjernen behandler informationen og det opfatter vi som et billede. En lysstråle kan beskrives som kræfter der udbreder sig meget hurtigt og virker på elektriske ladninger. Kræfterne udbreder sig med en fart på 300 000 km i sekundet i det tomme rum, noget mindre i glas (ca. 200 000 km i sekundet) og vand (ca. 225 000 km i sekundet). Lysstråler er en form for såkaldt elektromagnetisk stråling der kan beskrives som en bølge der udbreder sig. Lys kan også beskrives som en energipakker der udbreder sig med samme fart som bølgen. Energien beregnes som lysets frekvens ganget med Plancks konstant. Som illustration anvendes en PhET animation fra University of Colorado om Radiobølger & elektromagnetiske felter: http://phet.colorado.edu/da/simulation/radio-waves Animationen er meget forenklet, men giver dog en god forklaring på hvorledes elektromagnetisk stråling – lys udbreder sig og hvorledes den påvirker elektriske ladninger på sin vej ud i omgivelserne. Senderen til venstre i billedet tvinger elektrisk ladning til at forskydes op og ned i sendermasten med en frekvens sendefrekvensen1. Herved udsendes en elektromagnetisk bølge, hvis størrelse og retning (op-ned) er vist som lodrette pile udvalgte steder hen langs udbredelsesretningen. Den bølgeformede kurve angiver den lodrette pils spids i ethvert punkt langs udbredelsesretningen vist i tidens løb. Den bølgeformede kurve udbreder sig med lysets fart c= 300 000 km/s. I det røde hus er der tilsluttet en radio til antennen. De elektriske ladninger i antennen vil være påvirket af kræfterne i den elektromagnetiske bølge når den passerer forbi og, hvis radioen i det røde hus er i resonans med senderens frekvens, vil der overføres energi til radioen – fx i form af tale og musik. Men det er en helt anden sag! Den elektromagnetiske bølges bølgelængde kan måles som fx afstanden mellem to bølgetoppe eller to bølgedale. Denne formel kaldes bølgeformlen. = c De lysstråler der udsendes fra en lysdiode er næsten ensfarvede og lysets farve kan derfor beskrives ved lysets (middel) frekvens . Hvis lys passerer gennem gennemsigtigt stof fx vand eller glas, ændres lysets bølgelængde i stoffet medens lysets frekvens i stoffet er uændret. 1 Sendefrekvensen måles i Hz (hertz) og angiver hvor mange gange i sekundet ladningen forskydes op og ned i sendemasten. 6 Spektre. Hvis en luftart udsættes for et voldsomt bombardement af elektroner vil luftarten give sig til at udsende lys. I naturen kan man se det som Nordlys eller et lyn. I laboratoriet udsendes lys når der lægges en stor spændingsforskel mellem to elektroder i et glasrør der indeholder luftarten. Billedet til venstre viser hvorledes glasrøret med elektroder kan udformes og det kaldes et Geislerrør. Det lys der udsendes fra det smalle rør i midten af Geislerrøret er ofte sammensat af lysstråler med et begrænset antal farver. Ved at anvende et Geislerrøret som lyskilde sammen med et spektrometer kan det såkaldte spektrum ses. Det smalle rør og spalten i spektrometeret skal være parallelle. Hvis der er hydrogen i Geislerrøret ser spektret ud som vist ovenfor og kaldes et liniespektrum. Lysets bølgelængde kan aflæses på aksen under liniespektret. Hvis lyskilden er en lysdiode indeholder liniespektret kun en linie svarende til lysdiodens farve. Hvis lyskilder er et glødende stof, fx glødetråden i en glødepære, indeholder dets spektrum – se nedenfor - alle farver – jo højere temeratur jo mere blåt lys. Spektret kaldes et kontinuert spektrum. Billedet til venstre viser et lyn fotograferet gennem et optisk gitter. På den måde kan lynets spektrum vises. Det røde, grønne og blå billede skyldes sandsynligvis hydrogen der er fraspaltet fra vand i luften af lynet. Polarlys, der er fællesbetegnelsen for Nordlys og Sydlys, skyldes at bl.a. elektroner udsendt fra Solen ledes frem og tilbage mellem polaregnene langs Jordens magnetfelt. I polaregnene er tætheden af elektroner særlig stor så forholdene er næsten som i et Geislerrør – atmosfærens luftarter gløder. 7 Spektrometer. Et spektroskop bruges til at se spektret fra en lyskilde, fx en glødepære eller solen. Hvis spektroskopet også er forsynet med en skala er det et spektrometer fordi lysets bølgelængde kan aflæses på skalaen. Et enkelt spektrometer kan bygges af en flad papkasse som vist ovenfor. Kassens flade side ligger i papirets plan. I den ene endeflade er der skåret en smal spalte og i den anden endeflade er der anbragt et optisk gitter hvis streger er parallelle med spalten. Både spalten og det optiske gitters streger er normaler til papirets plan. I endefladen med spalten er der skåret et langt firkantet hul, hvorover der er påsat en gennemsigtig bølgelængdeskala. Spektrometeret kan også købes færdigt. Gitteret kan sløre skalaen da den jo også bliver afbøjet af det optiske gitter. Hvis øjet fjernes lidt fra det optiske gitter ses skalaen tydeligere. Lyskildens spektrum vil ses med skalaen som baggrund når spektrometeret peger mod lyskilden. Det skyldes at øjet og hjernen opfatter de afbøjede stråler som om de gik ret igennem det optiske gitter. Det er derfor at de uvirkelige stråler er stiplet inde i spektrometeret. Optisk gitter. Et optisk gitter har den egenskab at det kan afbøje en lysstråle der sendes vinkelret ind mod det – her fra venstre. Afbøjningsvinklen afhænger af lysets farve – en blå lysstråle afbøjes mindre end en rød lysstråle. Hvis lysstrålen indeholder lys af forskellige farver, fx sollys, vil gitteret opdele lysstrålen i de forskellige farver og vise lysets spektrum på en hvid skærm. Selve det optiske gitter er lavet som mange parallelle, meget tynde linjer, tegnet tæt ved hinanden på en gennemsigtig plastfolie eller glasplade – typisk 300 linjer på en mm. Du kan selv lave et optisk gitter – se : Fremstilling af optisk gitter. 8 Frauenhofer-linier. Som omtalt i afsnittet Planck’s konstant side 12 og afsnittet Lys på side 6 kan lys beskrives på to forskellige måder: Som en partikel – kaldet en foton eller Som en bølge med en bølgelængde og frekvens og som udbreder sig i rummet. Hvis du ser på Solen med et spektrometer, dvs. at solen er lyskilde, optræder der nogle steder lodrette sorte linjer i spektret - såkaldte Frauenhofer-linier. Lyset fra Solen har åbenbart mistet lys af bestemte farver (bestemte bølgelængder) – de tilsvarende fotoner er blevet absorberet. Sammenligner man Frauenhofer-liniernes bølgelængder med bølgelængderne i kendte stoffers spektre finder man overraskende bl.a. at: Frauenhofer-linie Spektrum af stof - farve C Hydrogen - rød F Hydrogen - grøn G’ eller f Hydrogen - blå h Hydrogen - ultraviolet D2,1 Natrium - gul De grønblå, gule og orange Na-linier er ikke særlig synlige i solspektret. Dette overraskende sammenfald var kendt allerede i 1859. 9 Lysdioder. En lysdiode er en halvlederkomponent der udsender lys når der løber en elektrisk strøm gennem den i den ”rigtige” retning. Spændingsforskellen (Ugr) over lysdioden skal være tilstrækkelig stor til at energigabet mellem valensbåndet og ledningsbåndet kan overvindes. Energigabets størrelse er afhængig af de grundstoffer der indgår i lysdiodens grundstofblanding og det bestemmer farven af det lys lysdioden udsender. Farve Rød Gul Grøn Blå Ultraviolet-usynlig Typisk bølgelængde 618-627 nm 588-597 nm 518-527 nm 465-480 nm 400-405 nm Ugr 1,7 V 2,1 V 2,5 V 3,3 V 3,7 V Grundstofindhold Al, Ga, In og P Ga og N Ga, In og N Ga, In og N I, N og Ga Grafen viser sammenhørende værdier af strømmen gennem og spændingsforskellen over en grøn lysdiode. Grøn 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 Strømstyrke i mA 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Spændingsforskel i V 10 3,0 3,5 4,0 Lys fra en glødetrad fx en glødepære. Hvorfor er spektret af lyset fra en glødetråd i en glødepære et kontinuert spektrum, dvs. indeholder alle farver? Det skyldes at metallet, som glødetråden er lavet af, er en god elektrisk leder. Det betyder at Ledningsbåndets stationære tilstande – de ligger meget tæt – ikke er fyldt op. Spændingsforskellen over glødetråden er således i stand til at løfte elektroner i Ledningsbåndet fra lavtliggende stationære tilstande (mht. energi) op til højere liggende stationære tilstande – og de ligger som omtalt tæt og der er mange ledige. Når så elektronerne efter få µs (1µs = 10-6s) falder tilbage til en lavere liggende stationær tilstand i ledningsbåndet vil der udsendes en foton med en farve der evt. ligger i det synlige område. Da der er så eventyrligt mange stationære tilstande til rådighed vil der udsendes fotoner i hele det synlige og infrarøde område. Når spændingsforskellen over glødetråden gøres større vil der også udsendes fotoner med større energi, dvs. lyset fra glødetråden vil gå fra at være rødligt til at blive mere blåt, hvilket vi opfatter som om at lyset bliver mere hvidt. Planck’s konstant. Max Planck foreslog i sine teoretiske undersøgelser af elektromagnetisk stråling, specielt varmestråling, at energien var pakket i enheder, såkaldte kvanter eller fotoner. Energien af et kvant/foton kan findes ved at gange strålingens frekvens f med Planck’s konstant h. Efoton = h f Både Albert Einstein og Robert Andrews Millikan blev begge indblandet i ovenstående teori: Einstein i 1905 pga. en teoretisk forklaring af fotoeffekten - Nobel pris i 1921. Millikans måling af Planck’s konstant i 1915 - Nobel pris i 1923. Planck’s konstant: h = 6,626 068 7610-34 Js 11 Resonans. Resonans forekommer hvis to svingende systemer kan overføre energi mellem hinanden. Hvis de to svingende systemer har samme svingningstid overføres energien særligt effektivt. To snor-penduler, koblet med en elastik eller cykelegere med samme længde indsat i en træklods viser resonanser hvis de to penduler eller to cykelegere har samme svingningstid. Hvidt lys indeholder en byge af fotoner med forskellige frekvenser/energier. Når fotonerne rammer fx et gasatom vil de fotoner, hvis energi passer til en overgang mellem to stationære tilstande i gassens atomer, blive absorberet og efterlader gasatomet i en anslået tilstand. Disse fotoner vil mangle i det hvide lys’ spektrum; det er det vi ser i solspektrets Frauenhofer-linjer. Bohr’s to postulater 1913. Her i 2013 er det 100 år siden Niels Bohr offentliggjorde sin banebrydende artikelserie: ”On the Constitution of Atoms and Molecules” i fysiktidsskriftet ”Philosophical Magazine”. Op til 1913 var man i fysikkens verden klar over at: Et stof skulle tilføres energi for at det udsendte lys i form af et spektrum. Et atom bestod af en lille kerne omgivet af elektroner. Lys indeholder energi i pakker hvis størrelse er proportional med lysets frekvens. Men hvorfor atomet var stabilt var et mysterium der ikke kunne forklares ud fra den kendte fysik. Læs mere i Niels Bohrs jubilæumshæfte udgivet af NTS-centret Den Schweiziske fysiker Balmer’s formel for bølgelængderne i hydrogens ”smukke” spektrum var den Ahaoplevelse der i marts 1913 fik Bohr til at arbejde med en teori om hydrogenatomet. Som vist i forsøg Rydbergformlen omformede svenskeren Johannes Rydberg Balmers formel til: ( ) Ved at kombinere denne med Planck’s energiformel for fotoner: Efoton = hf og bølge formlen: f = c kan Efoton skrives således som differens mellem to energier: Efoton = R = 1,097•107 m-1, h = 6,63•10-34 J•s og c=3,00•109 m/s. Hvad er da nærmere end at opfatte hvert af disse led som hydrogenatomet energi før og efter udsendelsen (eller absorptionen) af fotonen? Bohrs arbejde var mere dybgående end antydet ovenfor, bl.a. benyttede Bohr et nyt princip: Korrespondensprincippet. Se f.eks. Clausen, Both og Hartling: SPEKTRUM Fysik II side 172. Bohrs arbejde generaliseredes i formuleringen af de to postulater om et atomart system således. 1. Et atomart system kan kun eksistere i såkaldte stationære tilstande med bestemt energi E 2. Ved overgang mellem to stationære tilstande n og m med energierne En og Em vil der enten udsendes eller absorberes en foton med energi: fh = En - Em ; f er fotonens frekvens. Linket: http://phet.colorado.edu/da/simulation/discharge-lamps viser dynamikken i postulaterne. 12 Forsøg der kan underbygge Bohrs postulater. Fremstilling af optisk gitter. Byg et enkelt spektroskop af Carsten Andersen, Bellahøj Skole. Afbrænding af salte. Måling af bølgelængde. Karakteristik for lysdioder – rød, gul, grøn, blå. Rydbergformlen. Plancks konstant h - let. Plancks konstant h - svær. Resonans 1. Resonans 2. Yes! 13 Fremstilling af optisk gitter. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Optiske gitre og deres anvendelse ved fremstilling af spektroskoper og spektrometre. 2. Materialeliste. Tegneprogram fx Paint, Word, Overhead film, god kopimaskine eller printer (mindst 600 dpi), Laserpen-rød, evt. 24x36 diaramme. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Åbn tegneprogrammet Paint, vælg at tegne en ret linje – den tykkeste udgave (5 pixel). Koordinaten til linjens begyndelsespunkt (i pixels) vises nederst til højre i skærmbilledet. Start øverst til venstre på tegningen med en 2.koordinat på 10 og tegn en ret linje ved at holde tasten ”store bogstaver” og trække linjen til højre med musen. Tegn på samme måde de næste 20 til 30 linjer med et startpunkt med 2. koordinat på 20, 30, 40. …….Resultatet skulle gerne være en række parallelle striber med en tykkelse og afstand der er ens (5 pixel). Billedet kopieres to gange over i et Word dokument. Udskriv dokumentet og mål afstanden mellem to striber og afstanden mellem øverste og nederste strib. Det ene billede formindskes nu 10 gange og afstanden mellem striberne D beregnes. Udskriv Word dokument på Overhead film på printeren og klip det skabte optiske gitter ud og monter det i en diaramme. En rød stråle fra en Laser-pen rettes mod en skærm L meter borte (L> 3 m). Anbring det optiske gitter lige foran Laser-pennen hvorefter den røde plet på skærmen splittes op i en central plet og to sidepletter på hver side af den centrale plet. Mål afstanden 2x mellem de to sidepletter hvorefter det røde laserlys bølgelængde kan beregnes ved hjælp af formlen: 5. Resultat. Gitter med 5 streger pr. mm. 6. Konklusion. Et optisk gitter er blot en række parallelle streger der alle er adskilt med samme afstand. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Hvorledes nogle spektroskoper og spektrometre virker. 14 Byg et enkelt spektroskop. af Carsten Andersen, Bellahøj Skole 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Med et spektroskop kan du se hvilke farver lys fra forskellige lyskilder består af. 2. Materialeliste. Paprøret fra en køkkenrulle, lidt tape og karton samt et stykke af en gammel kasseret CD. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Sæt køkkenrullen på et stykke karton og tegn omridset på kartonet to steder med nogle centimeters afstand. a. Klip en ring et par cm uden for hver af de to cirkler. Klip slidser ind til cirklerne og bøj slidserne, så at de to cirkler kan tapes på køkkenrullen som låg og bund. b. Sæt tape på en gammel, kasseret CD. Træk det farvede lag af CD-en ved at rykke i tapen. Så bliver CD-en gennemsigtig. c. Klip et 2 gange 2 cm kvadrat ud at CD-en. d. Klip et 1 gange 1 cm kvadrat midt i den ene cirkel og tape CD-kvadratet på indersiden. Denne cirkel tapes fast på køkkenrullen som den ene ende-flade. e. I den anden ende-flade skal der være en 1 mm bred spalte. f. Først klippes en rektangulær firkant i cirklen. To aflange stykker karton klippes ud og sættes over rektanglen, så der dannes en 1 mm spalte. Siderne i spalten skal være lige og glatte som i maskinskårne sider i købt karton. Spaltesiderne klæbes fast på endefladen, så der bliver en 1 mm bred spalte. 15 g. Spalteenden sættes på køkkenrullens anden ende. Vent med at tape den fast, til du har holdt spalten op mod lyset og observeret gennem CD-hullet. Drej spalten indtil spektret ses mest tydeligt. Tape så spalten fast i køkkenrullen i denne position. h. Nu kan du gennem CD-enden observere et kontinuert spektrum som i en regnbue, når du peger køkkenrullen mod den blå himmel. Drej den tæt på Solen, men ikke helt derhen. Se aldrig på Solen. i. Du kan observere forskellige indendørs lyskilder og se forskellige spektre. j. Kan du se at lyset fra et lysstofrør er anderledes end regnbuen? Lysstofrørets lys er opdelt i linjer. k. Se spektrene af de salte din kammerat gløder over bunsenbrænderen. 5. Resultater. 6. Konklusion. Det er muligt selv at bygge et spektroskop. Det kvadratiske stykke CD virker som et optisk gitter. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Hvorledes et spektroskop virker. 8. Links til Internettet. http://www.experimentarium.dk/forsiden/sjovt-nokklogere/eksperimenter/temaer/fysik/eksperimentvisning/article/715/ 16 Afbrænding af salte. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Spektre. 2. Materialeliste. Salte, Bunsenbrænder, Magnesiastænger, spektroskop. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Magnesiastænger bruges ved forsøg med saltes flammefarver og spektre. Prøv at opvarme en ny magnesiastang i Bunsenbrænderens flamme – så ved du hvordan det ser ud. Kom et par krystaller på enden af stangen og den opvarmes i flammen. Beskriv flammefarven og se på flammen med et spektroskop. Efter forsøget afbrækkes det yderste stykke af stangen hvorefter en ny prøve han gennemføres. 5. Resultater. Flammen i en Bunsenbrænder har en temperatur på ca. 1200 C og består af ioniserede gasser og frie elektroner. Når et salt opvarmes i flammen vil noget af saltet spaltes i positive metal-ioner og negative syrerest-ioner på grund af den høje temperatur. Når metal-ionerne afkøles og indfanger elektroner vil de henfalde gennem de stationære tilstande under udsendelse af lys med de farver der indgår i metallets spektrum. 6. Konklusion. Flammefarven og spektret set i spektroskopet er karakteristisk for saltenes metal-ion. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Metaller og metal-ioner har et spektrum der indeholder nogle karakteristiske linjer uafhængigt af hvilken kemisk forbindelse de indgår i. Nogle af de stationære tilstande må således også være uafhængig af hvilken kemisk forbindelse metallet indgår i. 8. Links til Internettet. http://www.pihlnet.com/kemisk_analyse/flammefarver.htm 17 Maling af bølgelængde. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Lys, optisk gitter. 2. Materialeliste. Lysdioder, optisk gitter – 600 linjer pr.mm, målestok. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. En lysdiode anbringes i afstanden L (L>3 m) så gitteret er vinkelret på forbindelseslinjen mellem gitteret og lysdioden. Når man ser gennem gitteret vil man se to lyspletter – de såkaldte 1.ordensbilleder – der sammen med lysdioden ligger på en ret linje. Mål afstanden 2x mellem det to førsteordensbilleder og afstanden L. Lyset der udsendes fra lysdioden har en bølgelængde der kan beregnes af: √ Hvor D er afstanden mellem to gitterstreger. Find også bølgelængden af lyset fra andre lysdioder. 5. Resultater. Typiske værdier: Bølgelængde Rød Gul Grøn Blå 620-630 nm 585-595 nm 518-528 nm 465-475 nm 18 6. Konklusion. Lysdioder udsender lys med bølgelængder inden for et begrænset interval således at lysets farve ser ensartet ud. Specielt er det interessant at se den skarpe øvre bølgelængdegrænse. Den ses nok bedst med et spektrometer eller spektroskop. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. En lysdiode lyser på grund af at elektroner, ved hjælp af en spændingsforskel over lysdioden, er overført fra stationære tilstande i Valensbåndet til stationære tilstande i Ledningsbåndet. Når elektroner i Valensbåndets stationære tilstande af sig selv efter meget kort tid (µ-sekunder) overføres til ledige stationære tilstande i Ledningsbåndet udsendes den overskydende energi som lys. 19 Karakteristik for lysdioder – rød, gul, grøn, bla. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Lysdioder, energidiagram, Plancks konstant. 2. Materialeliste. Rød, gul, grøn og blå lysdiode indstøbt i klar plastik. Prøvestand opbygget på træplade bestående af modstand (680 ohm) variabel modstand (47 kohm – log), loddet på messingsøm. Et voltmeter og et amperemeter samt prøveledninger og et 9V batteri. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Mål sammenhørende værdier af strømstyrken gennem og spændingsforskellen over lysdioden. Spændingsforskellen varieres ved at regulere 47 kohm modstanden. Tegn en graf med de sammenhørende værdier, en såkaldt karakteristik. Lodret akse er strømakse – vandret akse er spændingsforskels akse. Lod en anden lysdiode ind i kredsløbet i stedet for den aktuelle indtil karakteristikken for alle fire lysdioder er målt. 5. Resultater. Lysdiodernes karakteristik ligner hinanden meget: strømstyrken er nærmest nul indtil spændingsforskellen er vokset til en vis størrelse Uk. Uk kalder vi knækspændingen. Når spændingsforskellen vokser yderligere vil strømmen og lysstyrken vokse voldsomt – en typisk diodekarakteristik. Uk afhænger af lysets gennemsnitlige bølgelængde således at Uk bliver mindre når den gennemsnitlige bølgelængde vokser. 20 6. Konklusion. Når spændingsforskellen over en lysdiode nærmer sig Uk tilføres elektronerne, i den elektriske strøm gennem lysdioden, en energi der nærmer sig størrelsen af energigabet hvorved elektronerne kan flyttes fra Valensbåndet til Ledningsbåndet. Når elektronerne så sidenhen (få µs) falder tilbage til Valensbåndet udsendes den overskydende energi som lys. Jo større energigab desto større energi indeholder lyset i overensstemmelse med Plancks teori om lys. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Når vi har et stof hvor Valensbåndets stationære tilstande er fyldt op er det kun muligt at få en strøm til at løbe gennem stoffet hvis elektronerne tilføres en energi så de kan overføres til Ledningsbåndets laveste stationære tilstande. Herved bliver der ledige stationære tilstande i Valensbåndet. Elektroner i Ledningsbåndet har således mulighed for at foretage en overgang fra Ledningsbåndet til Valensbåndet under udsendelse af ensfarvet lys – alt i overensstemmelse med Bohrs postulater. Når spændingsforskellen forøges over Uk kan der overføres elektroner til flere stationære tilstande med højere energi i Ledningsbåndet – heraf den større strømstyrke. Når elektronerne falder tilbage til ledige stationære tilstande i Valensbåndet vil lysets energi og dermed frekvens være lidt forøget hvorved lysdiodens spektrum vil brede sig mod det blå. 21 Rydbergformlen. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Sammenhængen mellem Rydbergformlen og de stationære tilstande i hydrogen. 2. Materialeliste. Liste med bølgelængderne af de fire synlige spektrallinjer i hydrogenspektret, evt. målt som foreslået i forsøg: Måling af bølgelængde. og et regneark. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Rydbergformlen er en generalisering af Balmers formel – den formel der inspirerede Niels Bohr til Postulaterne i 1913. ( ) hvor R=1,0972 107 m-1 og m = n+1, n+2 …. Udregn bølgelængden i nedenstående skema og afslør hvilke n og m der hører til hydrogens spektrallinjer. m=6 m=5 m=4 m=3 m=2 n=1 n=2 n=3 n=4 5. Resultater. Det er let at aflæse hvilke par (n,m) der svarer til en spektrallinje i det synlige område 400 nm til 700nm. 6. Konklusion. Hvis n er =1 ligger spektrallinjerne i UV området. Hvis n=2 ligger spektrallinjerne i det synlige område. Hvis n=3 ligger spektrallinjerne i IR området. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Hvorfor Bohr fik ideen til stationære tilstande. 22 Plancks konstant h - let. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Energiindholdet i fotoner, Plancks konstant. 2. Materialeliste. Måleresultater for fire lysdioder: bølgelængde og karakteristik. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Beregn for hver af de fire lysdioder ved hjælp af bølgeformlen lysets frekvens. Sammenlign frekvensen med spændingsforskellen over lysdioden. 5. Resultater. Umiddelbart viser karakteristikkerne at fotonernes frekvens og spændingsforskellen over lysdioden (ved samme strømstyrke) følger hinanden, forstået på den måde at en højere frekvens følger en højere spændingsforskel. Spændingsforskellen tilfører elektroner i Valensbåndet energi nok til at løfte disse op i Ledningsbåndet. Når elektronen senere falder tilbage til Valensbåndet overlades elektronens energi til fotonen. 6. Konklusion. Der er en monoton sammenhæng – jo højere fotonenergi desto højere fotonfrekvens. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Bohr bruger fotonenergien til at opfylde energibevarelsessætningen i postulaterne. 23 Plancks konstant h - svær. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Plancks konstant. 2. Materialeliste. Måleresultater for fire lysdioder: bølgelængde og karakteristik. Et regneark til beregninger og kurvetegning. 3. Forsøgsopstilling. 4. Fremgangsmåde. Bølgelængden omregnes til strålingens frekvens ved hjælp af bølgeformlen. Det er svær at bestemme den spændingsforskel hvor lysdioden begynder at lyse, strømstyrken er meget lille. En måde at komme videre er at aflæse spændingsforskellen over hver af de fire lysdioder når der løber en strøm på 1 mA gennem hver af dem. Det kan gøres på karakteristikkerne. Så beregnes den energi der skal til for at løfte en elektron fra valensbåndet op til ledningsbåndet. Dette sker ved at gange den aflæste spændingsforskel med elektronens ladning. Denne energi er jo netop den energi fotonen bærer med sig når elektronen senere falder tilbage til ledningsbåndet. Afbild fotonenergien som funktion af lysets frekvens. Plancks konstant skulle gerne komme ud som hældningskoefficienten af den bedste tendens linje. Beregningerne kan evt. også gennemføres for andre strømstyrker. 5. Resultater. Umiddelbart viser karakteristikkerne at fotonernes frekvens og spændingsforskellen over lysdioden (ved samme strømstyrke) følger hinanden, forstået på den måde at en højere frekvens følger en højere spændingsforskel. Spændingsforskellen tilfører elektroner i Valensbåndet energi nok til at løfte disse op i Ledningsbåndet. Når elektronen senere falder tilbage til Valensbåndet overlades elektronens energi til fotonen. 6. Konklusion. Den målte værdi af Plancks konstant h er af den rigtige størrelsesorden, men afviger dog fra tabelværdien på 6,63 10-34 Js. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Bohr bruger fotonenergien til at opfylde energibevarelsessætningen i postulaterne. 24 Resonans 1. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Resonans Udveksling af energi 2. Materialeliste. Resonansbræt: Brættet består af en liste af hårdt træ, fx mahogni hvor fem ståleger er sat fast i hvert deres hul. Fire af egerene har parvis samme længde fx to på 21,0 cm (sæt 1) og to på 22,5 cm (sæt 2). Den sidste egers (3) længde er fx 17,5 cm. 3. Forsøgsopstilling. Fremgangsmåde. Spænd resonansbrættet op på en bordkant. Prøv et par gange at trække en eger fra sæt 1 lidt ud fra ligevægtsstillingen og slip den. Hvad sker der? Prøv derefter at trække en eger fra sæt 2 lidt ud fra ligevægtsstillingen og slip den. Hvad sker der? Prøv at trække eger 3 lidt ud fra ligevægtsstillingen og slip den. Hvad sker der? 4. Resultater. Den ene eger i et par får den anden og kun den til at svinge samtidigt med at den selv svinger mindre. Eger 3 påvirkes ikke. 25 5. Konklusion. De to eger i et sæt svinger med samme svingningstid og der overføres svingningsenergi fra den ene til den anden, derfor siges der at være resonans mellem de to systemer. 6. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare: Et atomart system vil netop absorbere energi svarende til overgangen mellem to stationære tilstande. Frauenhofer-linjerne i solspektret er eksempler på at lys med den rette frekvens absorberes i Solen atmosfære. Det samme ses her: Der sker kun en overførsel af energi mellem to eger hvis og kun hvis de er i resonans. 7. Links til Internettet. http://phet.colorado.edu/da/simulation/resonance 26 Resonans 2. 1. Forsøget kan anvendes til at vise egenskaber ved: Resonans. Overførsel af energi. 2. Materialeliste. 100 mL måleglas, ørehøjtaler, apparat til generering af ”tone burst” (glidende tonefølge?) 3. Forsøgsopstilling. Se billede af 100 mL måleglas og ørehøjtaler til højre herfor. 4. Fremgangsmåde. Sæt ørehøjtaleren lidt ned i måleglasset. Hent lydfilen: 20Hz20kHz sweep.wav på en af hjemmesiderne http://fysikkemi.dk/kbhsj eller http://bohr2013.nbi.ku.dk/skoleprojekter/ Start genereringen af en glidende tonefølge ved hjælp af lyd programmet og sæt øret hen til mundingen af måleglasset. Hvad hører du? 5. Resultater. Efterhånden som tonens frekvens forøges, høres at lydstyrken ved bestemte frekvenser forøges – der optræder resonans ved disse bestemte frekvenser de såkaldte resonansfrekvenser. En nærmere undersøgelse vil afsløre at der er en sammenhæng mellem resonansfrekvensernes bølgelængder og luftsøjlens længde, men det er ikke det der skal undersøges her 6. Konklusion. Resonansen sker mellem lyden fra ørehøjtaleren og luftsøjlen i måleglasset. Energien i lyden overføres til luftsøjlen hvorved luftmolekylerne i søjlen sættes i kraftige svingninger. Det er årsagen til at vi hører en forstærkning af lyden ved netop denne frekvens resonansfrekvensen. 7. Forsøgets resultater kan bruges til at forklare. Luftsøjlen modtager og afgiver kun store mængder energi når der er resonans mellem luftsøjlen og lydens bølgelængde. 8. Links til Internettet. Der findes også mange APP til iPhone og lignende der kan generere toner og bruges som tonegenerator http://www.appszoom.com/android_applications/tone+generator 27 Foto af noget af Kvantekassen indhold! Venligt udlånt af Frederiksen Spektraltavle A4 http://www.frederiksen.eu/ Stoffer til spektralanalyse Magnesiastænger Håndspektroskop Håndspektroskop med skala Optisk Gitter 28 Det er også muligt at undersøge forskellige luftarters spektrallinjer ved hjælp af spektralrør som disse: Spektralrørsholder med strømforsyning Spektralrør hydrogen Digital spektralanalyse er også muligt fx med dette kamera! Venligt udlånt af LinåDanfauna http://www.linaa.dk/ http://www.rspec-explorer.com/ Skolebutik.dk ApS (Müller & Sørensen) http://www.skolebutik.dk/ Spektrometer Planckapparat 29
© Copyright 2024