Modul 5 – Atomfysik
GSK fjernundervisning 2011-2012
1. Hydrogenatomet
Mål: At få en forståelse for energiniveauerne og lysudsendelse i et hydrogenatom.
Nøglebegreber: Bohrs atommodel og formlen for energierne i hydrogen-atomet.
Bølgelærens grundligning
.
Kilder: Vejen til fysik B2, side 48-52.
a) Brug formlen for energien i hydrogenatomets tilstand nr. n,
, til at udregne
energierne i tilstande nr. 1, 2, 3 og 4. Angiv svaret i enten eV eller aJ.
b) Et hydrogenatom falder fra første exciterede tilstand (
til grundtilstanden
(
under udsendelse af en foton. Beregn bølgelængden af fotonen. Hvor i det
elektromagnetiske spektrum ligger fotonen? (Hvis du synes det er nemmere, kan du
starte med at finde frekvensen, for til sidst at finde bølgelængden ud fra frekvensen.)
c) Balmerserien: Et hydrogenatom falder fra anden exciterede tilstand (
til første
exciterede tilstand (
under udsendelse af en foton. Beregn bølgelængden af
fotonen. Hvor i det elektromagnetiske spektrum (vi vedtager her at det synlige
spektrum er intervallet fra 400 nm til 700 nm) ligger fotonen? Hvis elektronen falder fra
tilstand
til tilstand
, hvor i det elektromagnetiske spektrum vil fotonen
ligge? Hvor mange synlige linjer er der i Balmerserien?
Vi har målt på hydrogenlinjerne fra en såkaldt Balmerlampe vha. et digitalt
spektroskop. I lampen udsendes et virvar af fotoner svarende til alle mulige overgange i
hydrogen-atomet. Herudover er der også nogle overgange i molekylært hydrogen.
Resultatet ses i figuren forneden. Her ses en række toppe som hver især svarer til
fotoner med en bestemt bølgelængde. (At toppene ikke er helt smalle skyldes bl.a.
måleusikkerhed. Bølgelængden aflæses ved at kigge i midten af toppen.)
d) Aflæs toppenes bølgelængder så godt som muligt. Hvilke af toppene (store som små)
kan stamme fra Balmerserien?
Modul 5 – Atomfysik
GSK fjernundervisning 2011-2012
2. Nogle anvendelser af Bohrs atommodel
Mål: At få en udvidet forståelse for Bohrs atommodel og indse at den kan bruges i andre
sammenhænge end med hydrogen.
Nøglebegreber: Bohrs atommodel og bølgelærens grundligning
.
Kilder: Vejen til fysik B2, side 48-51.
a) Fluorescens
Nogle stoffer lyser, når de bestråles med ultraviolet lys. Fænomenet kaldes fluorescens og
kan bl.a. bruges ved analyse af visse biologiske prøver.
I et bestemt stof kan fotoner med bølgelængden 300 nm excitere elektroner fra
grundtilstanden til et højere energiniveau A. Stoffet udsender synligt lys, når
elektronerne overgår til et lavere energiniveau B, som ligger 0,216 aJ over grundtilstanden. Figuren til højre viser et energiniveaudiagram for det pågældende stof.
Beregn bølgelængden af det lys, som udsendes ved overgangen fra energiniveau A til
energiniveau B.
b) Lysstofrør og sparepærer
Et lysstofrør (eller en lavenergipære) består af et glasrør med en elektrode i hver ende.
Røret indeholder en blanding af kviksølvdamp og ædelgasser. Når røret tændes opstår
der en gnist, hvorved elektronerne bevæger sig fra den negative elektrode til den positive.
Undervejs rammer disse elektroner gasatomerne og exciterer dem. Når atomerne
herefter falder ned til grundtilstanden udsendes lys.
Ved sammenstød mellem kviksølvatomerne og elektroner tilføres kviksølvatomerne
energien 6,69 eV. Atomerne falder tilbage til grundtilstanden i to skridt, hvorved der
udsendes to fotoner. Den ene foton har bølgelængden 254 nm. Hvor stor er
bølgelængden af den anden foton?
Modul 5 – Atomfysik
GSK fjernundervisning 2011-2012
3. Gasskyer, stjerner og kinetisk molekylteori
Mål: At få en forståelse for sammenhængen mellem energi, fart og temperatur for atomer
og molekyler.
Nøglebegreber: Kinetisk molekylteori og formlerne for kinetisk energi.
Kilder: Vejen til fysik B2, side 42-43 og note om kinetisk molekyleteori.
Universet er domineret af hydrogen. Hvad enten det er i stjerner eller gasskyer, består
omkring 75 % af universet af hydrogen. I stjerner hvor temperaturen er meget høj, er
hydrogenet ioniseret, dvs. det optræder som protoner. I gasskyer er det enten på atomar eller
molekylær (
form, afhængig af hvor kold skyen er.
a) En gassky består af hydrogenmolekyler ved temperaturen 10 K. Beregn
hydrogenmolekylernes gennemsnitlige kinetiske energi og gennemsnitsfart. (Bemærk
at formlen
fra bogen ikke er rigtig. Brug formlen
fra noten
om kinetisk molekylteori .
b) I solens centrum er temperaturen 15 mio. K. Beregn den gennemsnitlige kinetiske
energi af protonerne i solens centrum. Beregn ligeledes protonernes gennemsnitsfart.
c) Protonerne i solens centrum vil ustandseligt støde sammen og overføre energi til
hinanden. Sammenlign den i spørgsmål b) fundne kinetiske energi med
hydrogenatomets ioniseringsenergi (
), og forklar at
hydrogenatomerne i solens centrum er ioniserede.
d) I solens centrum er der også en del heliumkerner (bestående af 2 protoner og 2
neutroner). Idet neutroner kan anses at veje det samme som protoner, vis at
protonerne bevæger sig i gennemsnittet med dobbelt så stor fart som heliumkernerne.
Modul 5 – Atomfysik
GSK fjernundervisning 2011-2012
4. Mundtlig træning af modulets begreber
Mål: At kæde nogle vigtige begreber i mekanik sammen. At træne mundtlig fremstilling af
et fysikfagligt emne.
Nøglebegreber: Bølgelængde, frekvens, elektromagnetisk stråling. Emission og
absorption. Hydrogenatomet og Balmerserien.
Kilder: Vejen til fysik B2, side 48-55.
I denne opgave skal du sætte ord på nogle af modulets nøglebegreber og kæde begreberne
sammen. Udgangspunktet er figuren for neden.
Figuren viser den synlige del af hydrogens emissions- og absorptionsspektrum. Redegør
for spektrerne ved at inddrage nøglebegreberne ovenover.
Skriv dine forklaringer ned, læs dem op og optag dem som lydfil på din PC. Aflever lydfilen
ved at uploade den i dertilhørende mappe på Fronter. Regn med at lydfilen skal være ca. 2
– 3 minutter lang.
5. Quiz om atomfysik
Quizzen handler om modulet i bred forstand. Du får testet din viden i alle hjørner af
atomfysikken. For at tage quizzen følg linket på modul 5 – siden.