Atomfysik – Fysik 2 – Instuderingsfrågor

Atomfysik Fysik 2 – Nedan följer instuderingsfrågorna till avsnittet Atomfysik som är en del av gymnasiekursen Fysik 2. Det är en sammanfattning där de viktigaste begrepp och samband tas upp och förtydligas. Fullt tillräckligt för att du ska klara av det kommande provet om atomfysik eller kursprovet i fysik 2. I atomfysiken studeras atomers struktur, energinivåer och växelverkan med andra partiklar. Vi rekommenderar instuderingsfrågorna till dig som pluggar inför prov. Ett alternativ är att du ser dessa som ett övningsprov så du lärt dig allt om atomfysik men frågorna kan även användas för att få kluriga begrepp förklarade för sig. Frågorna fungerar bäst i kombination med Youtubebanken (kommer snart för fysik 2 också). Söker du efter något specifikt begrepp så använd sökrutan till höger eller sökfunktionen i din webbläsare som öppnas genom att du trycker på knapparna “Ctrl + f” samtidigt.

TRYCK HÄR För att komma till övningsuppgifterna som handlar om Atomfysik

Vi vill poängtera att det finns en lång historia om atomen och hur vår syn på den har utvecklats under århundraden men det är inget som kursproven eller lärarna lägger så stor vikt på. Därför har vi valt att inte ta upp något om atomfysikens historia i denna sammanfattning. Visst är det intressant med historia om atomfysik men vi tror ni har tillräckligt att fokusera på :)

Instuderingsfrågor Atomfysik – Fysik 2

1. Vad är en foton?

Elektromagnetisk strålning, såsom ljus, består av något. Ett energipaket kallade man det först men idag säger vi foton. En foton är alltså den partikel som ljus består av. Fotonen saknar massa. Den saknar även laddning och det är en stabil partikel. Ljuset kan beskrivas på två olika sätt. Både som en vågrörelse och som en ström av partiklar.  Det finns ett samband mellan fotonens energi ”E” och ljusets frekvens ”f” är E=hf, där h är Plancks konstant och f fotonens frekvens. Fotonens energi kan även beräknas ut med sambandet:

2. Har fotonen rörelsemängd? Hur beräknas fotonens rörelsemängd?

Ja, även fast en foton saknar massa har den en rörelsemängd. Då rörelsemängden inte kan beräknas med m*v används istället sambandet:

3. Vad är fotoelektrisk effekt? 

Fotoelektrisk effekt innebär att elektroner kan emitteras från en metallyta om den belyses med ljus (elektromagnetisk strålning). Det som krävs är att ljusets frekvens är tillräckligt stor. Intensiteten (hur starkt man lyser) har ingen påverkan. Detta visar att ljus är en vågrörelse eftersom elektronens energi beror på frekvensen istället för på intensiteten. Einstein förklarade fenomenet utifrån Plancks Kvanthypotes. 

Det som sker när en metallyta belyses med ljus av hög frekvens är att de energirika fotonerna får elektronerna att emitteras. En foton kan antingen lämna ifrån sig all sin energi eller ingen energi så energin de lämnar ifrån sig måste vara högre än utträdesarbetet (som oftast är givet i uppgiften). Den energi som blir över omvandlas till rörelseenergi hos elektronen. 

4. Vad är en elektronvolt (eV)?

En elektronvolt är en energienhet som ofta används i atomfysiken. En elektronvolt (eV) motsvarar laddningen för en elektron. Finare sagt är ”En elektronvolt är det tillskott i kinetisk energi som en elektron får då den i vakuum passerar ett potentialfall på en volt.” 

En elektronvolt =

5. Vad är våg-partikeldualiteten?

Våg-partikeldualiteten innebär att elektromagnetisk strålning, till exempel ljus, och partiklar (med en liten massa såsom atomer & molekyler) har såväl vågegenskaper som partikelegenskaper. Till exempel har ljus många vågegenskaper såsom diffraktion, brytning och interferens. Dessutom har den några partikelegenskaper som rörelsemängd där

Däremot går det inte att beskriva en partikel eller elektromagnetisk strålnings våg- och partikelegenskaper med hög noggrannhet samtidigt. En elektron kan beskrivas dels som ett vågpaket, dels som en partikel, men eftersom beskrivningarna inte gäller samtidigt säger man att dualism råder mellan de två beskrivningssätten.

6. Vad är en materievåglängd/De Broglier våglängd? 

En De Broglier våglängd/materievåglängd är den våglängd som partiklar har. Man visade att partiklar, utöver partikelegenskaper, även har vågegenskaper. Detta utnyttjas bland annat i elektronteleskop för att kunna observera t.ex. subatomära partiklar som protoner och elektroner. Detta innebär att en partikel har både diffraktion, interferens, böjning och rörelsemängd.

Ett emissionsspektrum från en varm gas. Känns igen på sina karakteristiska sträck.

7. Vad är ett emissionsspektrum? Hur fungerar ett emissionsspektrum?

Ett emissionsspektra är ofta ett linjespektrum och ett emissionsspektrum uppkommer då till exempel en gas upphettas och sänder ut ljus. Det får elektronerna i gasen att exciteras och när de sedan de-exciteras igen emitteras en foton med motsvarande energi. Det är de sträcken som sedan syns på ett emissionsspektrum, varje spektrum motsvar en speciell våglängd.

8. Vad är ett absorptionsspektra? Hur fungerar ett

Ett absorptionsspektrum uppkommer du ljus passerar en gas. Små sträck i ett annars kontinuerligt spektra.

absorptionsspektra?

Ett absorptionsspektrum är ett spektrum med små sträck i ett annars kontinuerligt spektra. Det uppkommer då vitt ljus (som innehåller samtliga våglängder) passerar en gas. Det kan vara gas från en atomsfär som till exempel solens eller vår egen. Det som sker är att fotoner med vissa våglängder kommer absorberas. Det är endast fotoner med samma energi som krävs för att en av gasens elektroner ska exciteras som absorberas. Resten passerar obemärkt förbi. När elektronen sedan de-exciteras sänds en ny foton ut med samma energi som den föregående men riktningen är slumpmässig. Därför blir det små sträck i absorptionsspektrumet. 

9. Hur kommer det sig att ett ämne sänder ut en specifik våglängd?

Här kommer Niels Bohrs förklaring om varför ett ämne endast sänder ut specifika våglängder. (Det är endast vätets diagram med energinivåer som ingår i kursen atomfysik.)

1. Elektronerna kan bara befinnas sig i vissa speciella banor kring kärnan.
2. Dessa banor motsvarar en viss energi.
3. Då en atom absorberar energi kan den exciteras till en högre energinivå.
4. Från detta exciterade tillstånd kommer elektronen falla tillbaka till ett lägre tillstånd och därmed de-exciteras.
5. Då emitteras en foton med motsvarande energi ut.

För beräkning på väteatomens energinivåer gäller att:

E_∞ motsvarar joniseringsenergin.

Energin hos fotonen som exciteras motsvarar energin i yttre lagret subtraherat med energin i lagret den hoppar till. T.ex. ett hopp från steg två till 1: n=2 -> n=1 => E = -3,4 – (-13,6) = 10,2 eV.

Anledningen till att energin är negativ är eftersom elektronerna är stabilare i banor närmare grundtillståndet än vid joniseringstillståndet och “förlorar” därför energi genom emittans.

10. Hur exciteras en atom?

En atom kan exciteras på olika sätt. 

• En atom träffas av en energirik elektron. Elektronen kan antingen lämna ifrån sig: ingen energi, delar av sin energi eller all sin energi. Om den lämnar ifrån sig delar av sin energi eller all sin energi måste energin motsvara ett energihopp från grundtillståndet till ett exciterat tillstånd.
• (Upphettning) – ingår inte i kursen atomfysik fysik 2!
• Infallande EM-strålning kan lämna ifrån sig energi. Dessa fotoner lämnar ifrån sig all energi eller ingen energi. Energin måste passa ”energihoppen”. Detta är förklaringen till absorptionsspektrumet.

När atomen sedan de-exciteras sänds energi ut i form av fotoner. Energin motsvarar energihoppen. Energin för ett hopp från skal tre till två är n₃ – n_2. De kan hoppa stegvis eller hela vägen på en gång. Här kommer en bra förklarande bild. 

Fotonerna som sänds ut vid de-excitation till grundnivån (n=1) för väte ingår i Lymanserien. Fotoner som sänds ut vid de-excitation till första exciterade tillståndet (n=2) för väte ingår i Balmerserien och innehåller det synliga ljuset. De fotoner som sänds ut vid de-excitation till andra exciterade tillståndet (n=3) för väte ingår i Paschenserien.

Kontinuerligt spektrum fås bland annat från solen eller en glödlampa. Innehåller alla synliga våglängder

11. Vad är ett kontinuerligt spektrum? 

Ett kontinuerligt spektrum är ett spektrum som innehåller alla synliga våglängder. Ett spektrum från solljus eller en glödlampa blir ett kontinuerligt spektrum.