My *nix world

Den moderna fysikens utveckling

fysikerAtomens historia

Atoms etymologi (grekiska): a=ej, tomos=delbar => atom=odelbar som i "odelbar partikel".

Omkring år 450 f.Kr. hävdade Demokristos (460-370 f.Kr.) att allt i världen egentligen består av atomer och tomrum. Tyvärr övertygade han inte majoriteten i Grekland om sina ideer. Istället blev Aristotels (384-322 f.Kr.) elementteori som segrade: allt består av fyra element: jord, vaten, luft och eld. Dessa fyra kunde inte delas upp i enklare beståndsdelar. De var fundamentala.

Notera att den första grekiska filosofen som betraktade världen som uppbyggd av dem fyra element var Empedokles (490-430 f.Kr).

På 1600 tales lyckades alkemister dela upp elementen vatten i syre och väte. Det led att man förkastade den elementteori och beredde vägen för den moderna atomteorin.

Periodiska systemet

Den ryske kemisten Dmitrij Mendelejev (1834-1907) ordnade grundämnena efter ökande atommassa. Han lade märke till att grundämnena me liknande egenskåper såg ut att återkomma med en visst intervall, en viss period.

Elektronen upptäcks

Joseph John Thomson upptäcker elektronen (1897). Han presenterar också en atommodell där han tänker sig elektronerna som små negativa partiklar inbäddade i positiv materia, som russin i en bulle.

Namnen elektron kommer fråm grekista och betyder bärnsten (eng: amber).

Ernest Rutherford gör tillsammans med Hans Geiger och Ernest Marsden ett avgörande experiment som leder till att atomkärnan upptäcks (1911). Atomens massa är koncentrerad till en mycket liten volym i atomens centrum.

Rutherfords atommodell är som ett elektrisk solsystem i miniatyr. Elektronerna kretsar runt kärnan i ett sfäriskt skall med radien ~ 10-10m. I centrum av det sfäriska skalet finns en kärna med radien ~10-15m. I den finns massan och den positiva laddningen koncentrerad. Rutherfords var därmed en mer realistisk modell en Thomsons.

Det är intresant att observera att, atomens diametern är ungefär 105 gånger store en sin kärna.

Kvanthypotesen

Planck och energikvantat

På samma sätt som den minsta ökning av laddning är 1 elektron, den minsta ökning av energi är 1 kvantum (plural kvanta). Enligt kvanthypotes en elektron kan ha olika mängd av energi (den berör på distansen mellan elektron och atomskärnan, se nedan) men denna energi finns i en bestämd portioner (d.v.s. vi kan inte ha 0,5 eller 1,5 kvanta av energi, det finns bara i helt tal som 1,2,3 kvanta osv, så att kvantum är den minsta ökning av energi).

Kvanthypotesen säger oss att en atom kan bara sända ut eller ta emot energi i bestämda portioner eller energikvanta. Energin vid en foton beräknas som:

 W=hf=\frac{hc}{\lambda}

där h=6,626 * 10-34 Js (kallas Plancks konstant), f är strålningsfrekvensen, c är ljushastighet (~ 3*108 m/s) och λ är våglängden.

Bohrs atommodell

På samma sätt som ett föremål har en store potentiell energi vid en stor höjd, en elektron har en store energi vid en store energi nivå (t.ex. vid energinivån n=3 har elektronen en store energi en vid energinivån n=2). När en foton riktar mot en atom, denna energi absorberas av atomen. Vad hände med denna energi inom atomen? Atomens elektroner flyttar från en lägre energinivå till en högre energinivå. När en elektron inom en atom flyttar från en högre energinivå till en lägre energinivå strålar atomen ut en del av sin energi (som foton) och denna energi är lika med produkten mellan Plancks konstant och strålningfrekvensen.

Den moderna fysikens utveckling

Källa: wikimedia.org

Om vi ser dessa energinivåer som distansen från kärnan, då vid olika distanser från kärnan har vi olika energinivåer (precis som vid olika höjder har ett föremål olika potentiella energi). Olika ämne har olika energinivåer. T.ex. energiskillnaden mellan n=2 och n=3 är olika för helium än för kol eller lithium, osv. Dessutom, när en elektron faller från en högre energinivå (t.ex. n=3) till en lägre energinivå (t.ex. n=1) strållar atomen ut en foton som innehåller mer energi än foton som motsvårar till en elektron som fallar från n=3 till n=2. En foton som har högre energi motsvårar till en ljus strålning med en högre frekvens (och tvärtom). Alltså, olika ljus frekvens motsvårar till olika energinivåer. Hela mängd av frekvens kallas EMS (elektromagnetisk spektrum): radio, mikro, IR, synliga ljus, UV, X-stråle och γ-stråle.

Man kan begripa vissa av dessa frekvens men inte alla (endast synliga ljus). Eftersom olika ämne har olika energinivåer och eftersom vissa ämne absorberar endast strålningar med vissa frekvenser medan de andra är reflekterade tillbaka, begriper vi (de reflekterade strålningar av) olika föremål i olika färg.

Bohrs postulat

1. En atom kan existera i många olika tillstånd utan att sända ut energi. I varje tillstånd har atomen en bestämd energi: W1, W2, W3, ...

2. En atom kan gå från ett tillstånd med energin Wn till en annat tillstånd med lägre energi Wm. Vid övergången sänds energiskillnaden ut som en foton.

När atomen absorberar ljus, hoppar sina elektroner från en lägre till en högre energinivå. Det kallas "att excitera atomen". När atomen sänder ut ljus, sjunker sina elektroner från en högre till en lägre energinivå, således sänder ut ljus som foton.

En atom är i grundtillstånd när den är i samma form som i det periodiska systemet. Atomen är/var inte exciterad. Då kan atomen inte sända ut en foton. På andra sidan, en exciterad atom är en atom som har fått energi från yttre, d.v.s. en atom ligger på en högre energinivå. En sådan atom kan sända ut den energi överskott som en foton.

Vi kan excitera atomen på flera olika sätt:

  • genom att värma upp atomen
  • genom att sända en ström genom en gas
  • genom att sända ljus genom gasen

Notera att om en atom blir exciterad för mycket, då kan sina elektroner hoppar fram till den högsta banna så att till sist, hoppar eletronen utifrån atomen. Då har atomen en underskott på elektroner, d.v.s. atomen blir (positivt) ioniserad.

1eV = 1,602·10-19J

Röntgenstrålning

År 1895 upptäckte Wilhelm vom Röntgen en strålning som kunde tränga genom olika ämne. Den är en strålning som består av elektroner som har mycket stor kinetisk energi.

Röntgenstrålning uppstår när elektroner med stor kinetisk energi träffar en metall. Den maximala frekvensen i röntgenstrålningen bestäms av:

hfmax=eU

där U är spänningen över röntgenröret, e är elektrons laddningen och h är Plancks konstant.

Den kinetiska energi Wk vid anoden blir därför

Wk=eU

Kolla också den här video: https://www.youtube.com/watch?v=IRBKN4h7u80

Radioaktivitet

Vi känner till tre olika naturliga strålningar från radioaktiva ämne:

  • α-strålning (heliumkärnor)
  • β-strålning (extremt snabba elektroner)
  • γ-strålning (elektromagnetisk strålning med mycket hög frekvens, d.v.s. energirika fotoner)

Om du tror att det artikel har hjälpt dig då, snälla du, gradera den här med en till fem stjärnor så att jag ska veta att du bryr om vad jag skriver.

 
The following two tabs change content below.
Den moderna fysikens utveckling

Eugen Mihailescu

Founder/programmer/one-man-show at Cubique Software
Always looking to learn more about *nix world, about the fundamental concepts of math, physics, electronics. I am also passionate about programming, database and systems administration. 16+ yrs experience in software development, designing enterprise systems, IT support and troubleshooting.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Follow

Get every new post on this blog delivered to your Inbox.

Join other followers: