Jyväskylän Normaalikoulun lukio Nanokurssi Kevät 2007

Koko: px
Aloita esitys sivulta:

Download "Jyväskylän Normaalikoulun lukio Nanokurssi Kevät 2007"

Transkriptio

1 Jyväskylän Normaalikoulun lukio Nanokurssi Kevät 2007 Vesa kolhinen Riku Järvinen Juho Korhonen

2 2

3 Sisältö I Teoriaa 7 1 Aineen rakenne ja sähkönjohtavuus Atomimallin historiaa Jaksollinen järjestelmä Sidokset Sähkönjohtavuus nanotieteissä Energiavyömalli N- ja P-tyypin puolijohteet Biologian nanorakenteet Biologiset molekyylit nanokoneissa Nanometrologia Nanotieteiden mikroskopiat Nanomateriaalit ja niiden valmistus Nanomateriaalien valmistuksesta Litografia Valo aalto ja hiukkanen Valon aalto-hiukkasdualismi De Broglien aallot Valosähköinen ilmiö* Atomin viivaspektri ja energiatasot Vetyatomin energiatasot* SOVELLUS: Laser Kvanttimekaaninen tunneloitumisilmiö Tunneloitumisen teoria lyhyesti SOVELLUS: Tunnelointimikroskopia SOVELLUS: Tunneliliitos

4 4 SISÄLTÖ 7 Suprajohtavuus Alkupaloja Suprajohdetyypit Kvanttifysiikkaa ja hiukkasfysiikkaa* Hiukkasfysiikan standardimalli* Kvanttimekaniikan formulointia** Heisenbergin epätarkkuusperiaate* II Työohjeet 61 9 Palkkianturivaaka Johdantoa ja teoriaa Työn suoritus Venyvä diffraktiohila Diffraktiokuvion synty Venyvä hila Diffraktiokuvion muutos Työn suoritus Tulokset Atomivoimamikroskooppi Laitteisto Työn kulku

5 SISÄLTÖ 5 Ensimmäisen painoksen esipuhe Tämä luentomoniste on tarkoitettu Jyväskylän Normaalikoulussa keväällä 2007 järjestettävän nanofysiikan lukiokurssin materiaaliksi. Kurssi järjestetään nyt ensimmäisen kerran pilottikurssina, jonka laajuus on 18 oppituntia. Luentojen ja didaktisen keskustelun tarkoituksena on avartaa lukiolaisten tietämystä tulevaisuuden kenties merkittävämmästä tieteen- ja teknologian alasta eli nanotieteestä ja sen valjastamisesta ihmisen palvelukseen. Nanotieteestä puhuttaessa tarkoitetaan yleisesti poikkitieteellistä kokonaisuutta, jossa yhdistyvät kemia, biologia ja fysiikka (sekä sovelluksissa lääketiede). Tässä monisteessa erityisesti painotettu fysiikan näkökulmaa, sillä kurssin luennoitsijat ovat kaikki fyysikoita ja kurssi toteutetaan nanofysiikan nimellä. Tulevina vuosina projektia voidaan laajentaa integroimalla mukaan biologian ja kemian luentokokonaisuuksia. Kirjassamme on paljon lisämateriaalia asiasta kiinostuneille; muutamaa osiota on merkitty symboleilla (*) tai (**). Tämä tarkoittaa, että kyseistä asiaa ei käsitellä luentojen aikana. Inspiroivia lukuhetkiä, Kirjoittajat

6 6 SISÄLTÖ

7 Osa I Teoriaa 7

8

9 Luku 1 Aineen rakenne ja sähkönjohtavuus 1.1 Atomimallin historiaa Ihmisen käsitys olevasta ja maailman rakennehiukkasista on vaihdellut dramaattisesti antiikin ajoista lähtien. Luonnollisesti ihmiset ovat peilanneet havaintojaan omiin kulttuuri- ja kokemustaustoihinsa, jotka tavanomaisesti muodostuvat kasvatuksen ja opiskelun kautta. Tässä tehdään pieni katsaus siihen, kuinka ihminen on eri aikoina atomin rakenteesta ajatellut ([21], [22]). 1. Antiikki: neljä luonnon peruselementtiä (maa, tuli, ilma ja vesi). 2. Daltonin malli (1805): eri alkuaineilla eri massa pieniä jakamattomia palloja ei sisäistä rakennetta. 3. Thomsonin malli (1904) sähkömagnetismi rusinapulla malli. 4. Ernest Rutherford (sirontakoe, muutama vuosi Thomsonin mallin jälkeen) pieni ydin, jossa suurin osa massasta ongelmia elektronien liikkeestä (elektronin menettää energiaa nopeasti säteilynä ja teorian mukaan putoaa ytimeen). 9

10 10 LUKU 1. AINEEN RAKENNE JA SÄHKÖNJOHTAVUUS 5. Niels Bohr (1913) elektronikuoret ytimen rakenne edelleen arvoitus. 6. Kvanttimekaaninen malli ilmiöt hyvin erilaisia kuin makroskooppisessa maailmassa. Riittävän tarkka malli tätä kurssia varten on Bohrin atomimalli. Se on esitetty kuvassa 1.1. Atomilla on ydin ja järjestysluvun mukainen määrä elektroneja, sillä atomi on ulospäin sähköisesti neutraali. Atomia kiertävät elektronit ovat tietyillä (vakio)etäisyyksillä atomin ytimestä [1]. Nämä etäisyydet vastaavat tiettyjä energiatiloja, joilla elektronit ovat (ks. osio 5.4. Mitä lähempänä ydintä elektroni on, sitä enemmän tarvitaan energiaa sen vetämiseen pois atomin läheisyydestä. Kuva 1.1: Bohrin atomimallin konstruktio[39].

11 1.1. ATOMIMALLIN HISTORIAA Jaksollinen järjestelmä Ensimmäisenä toisistaan riippumatta alkuaineita ryhmittelivät venäläinen Dmitri Mendelejev ja saksalainen Lothar Mayer vuosina 1869 ja 1870[23]. He järjestelivät tunnetut alkuaineet atomipainon mukaiseen järjestykseen siten, että samanlaiset ominaisuudet olivat allekkain. Nykyään alkuaineet on ryhmitelty niiden elektronikuorirakenteen ja järjestysluvun mukaan jaksolliseen järjestelmään; järjestelmä on jaettu 18 ryhmään ja 7 jaksoon. Saman ryhmän alkuaineilla on saman verran ulkoelektroneja (ns. valenssielektroneja) ja näin ollen ne useimmissa tapauksissa muistuttavat ominaisuuksiltaan 1 toisiaan. Esimerkiksi jalokaasut (ryhmä 18) eivät reagoi minkään aineen kanssa, koska niiden uloin elektronikuori on täysi. Kuva 1.2: Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä[28]. 1 Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.

12 12 LUKU 1. AINEEN RAKENNE JA SÄHKÖNJOHTAVUUS 1.2 Sidokset Sidoksista käsitellään neljä eri tyyppiä: Kovalenttinen sidos, Ionisidos, Van der Waals -sidos Vetysidos. Sidoksia analysoitaessa nousee esille termi elektronegatiivisuus, joka kuvaa alkuaineen kykyä vetää ylimääräisiä elektroneja puoleensa. Ryhmän 7 alkuaineet ovat erittäin elektronegatiivisia; ryhmien 1 ja 2 alkuaineet eivät. Kovalenttinen sidos Kaksi tai useampia, suunnilleen yhtä elektronegatiivisia atomeja luovuttavat elektroneja yhteisiksi saaden uloimman kuoren täyteen (oktetti; ks. kuva 1.3). Koko orgaaninen kemia perustuu hiilen kovalenttisiin sidoksiin mm. vedyn, hapen, typen ja toisten hiiliatomien kanssa. Kovalenttinen sidos on vahva. Jos molemmat atomit luovuttavat kaksi elektronia, syntyy kaksoissidos tai kolmen elektronin tapauksessa kolmoissidos ( esim. 0 = 0 tai N N). Ionisidos Hyvin elektronegatiivinen atomi vie elektronin vähemmän elektronegatiiviselta siten, että molemmat saavat uloimman kuorensa täyteen. Hyvä esimerkki on pari Na Cl, missä kloori riistää uloimman elektronin natriumilta (kuva 1.4). Klooriatomi saa negatiivisen varauksen ja natrium positiivisen, ja atomien välisen sidoksen muodostaa sähköinen vetovoima. Ionisidos on heikko sidos; esimerkiksi vesi pystyy hajottamaan ionisidoksen. Van der Waals sidos Elektronien liikkeestä johtuen molekyylillä on jossakin vaiheessa dipolimomentti 2. Tällöin se vetää puoleensa toisen molekyylin positiivista päätä ja sidos syntyy (kuva 1.5). Van der Waals -sidos on heikko sidos. 2 Molekyylin toisessa päässä on enemmän miinus-varausta kuin plussaa.

13 1.2. SIDOKSET 13 Vetysidos Vedyn elektronegatiivisuusarvo on pieni, joten sillä on molekyylissä pysyvä positiivinen osittaisvaraus. Esimerkiksi vesimolekyylissä vety on sitoutunut happeen, joka puolestaan on hyvin elektronegatiivinen atomi 3. Positiivinen vety vetää puoleensa toisen molekyylin negatiivisia happiatomeja (kuva 1.6). Tällä on hyvin suuri merkitys veden sulamis- ja kiehumispisteisiin. Ilman vetysidosta veden sulamispiste olisi noin 100 C ja kiehumispiste noin 90 C. Vetysidos ei ole varsinaisesti sidos, mutta välttämätön elämän kannalta. Kuva 1.3: Kovalenttinen sidos[30]. Kuva 1.4: Ionisidos[31]. Kuva 1.5: Van der Waals sidos[32]. Kuva 1.6: Vetysidos jäälle[29]. 3 Hapella on pysyvä negatiivinen osittaisvaraus.

14 14 LUKU 1. AINEEN RAKENNE JA SÄHKÖNJOHTAVUUS 1.3 Sähkönjohtavuus nanotieteissä Energiavyömalli Esittelemme elektronien energiavyömallin, jonka avulla on helppoa ymmärtää kiinteän aineen ominaisuuksista esimerkiksi sähkönjohtavuutta. Oletetaan, että meillä on alussa hyvin suuri määrä identtisiä atomeja kaukana toisistaan siten, että ne eivät vuorovaikuta keskenään. Kuorimallin mukaan elektronit ovat asettuneet orbitaaleille eli elektronikuorille kunkin ytimen ympäristöön. Kuvitellaan, että alamme työntää atomeja yhä lähemmäs toisiaan. Jossakin vaiheessa ne ovat sellaisen etäisyyden päässä, että kuorten uloimmat elektronit (valenssielektronit) havaitsevat toisten atomien uloimpia elektroneja. Kun atomeja työnnetään yhä lähemmäs, kaikki uloimmat elektronit eivät enää sovi samalle etäisyydelle ytimestä vaan jotkut joutuvat kauemmas ja jotkut lähemmäs ytimiä. Näin energiatila leviää ja syntyy energiavyö[1] (kuva 1.7). Kahden energiavyön välissä on energia-aukko, jossa ei ole elektroneja. Vastaava tilanne on Bohrin atomimallin kahden elektronikuoren välisessä alueessa. Kuva 1.7: Energiavyön muodostuminen[15]. Se, kuinka korkeilla energiatasoilla elektroneja on, riippuu aineesta. Suurinta elektronien energiaa kutsutaan Fermin energiaksi E F. Mikäli Fermin energia on energiavyön sisällä, on vyö vajaa ja elektronit pääsevät liikkumaan aineessa (kuva 1.8(a)). Tällöin kyseinen aine on johde. Jos taas Fermin energia on vöiden välissä olevassa energia-aukossa, on ylin elektroneja sisältävä vyö täysi, eivätkä ne pääse liikkumaan (kuva 1.8(b)). Tällainen aine on eriste. Tietyissä aineissa ylimmän täyden vyön ja alimman tyhjän vyön välissä oleva energia-aukko on niin pieni, että elektroneja voi siirtyä johta-

15 1.3. SÄHKÖNJOHTAVUUS NANOTIETEISSÄ 15 vuusvyöhön esimerkiksi lämpöliikkeen energian avulla. Hyvin kylmässä lämpötilassa nämä aineet ovat eristeitä, mutta korkeammissa lämpötiloissa johteitä. Tällaisia aineita sanotaan puolijohteiksi (kuva 1.8(c)). Ne ovat tärkeimpiä materiaaleja teknologian kannalta. Kuva 1.8: Energiavyöt eristeelle, johteelle ja puolijohteelle[15] N- ja P-tyypin puolijohteet Puolijohteet saadaan johtamaan paremmin sähköä, kun niihin sekoitetaan pieniä määriä epäpuhtauksia eli suoritetaan douppaus. Menetelmällä saadaan johtavuusvyölle 4 muutamia elektroneja ja lopputuloksena kahdenlaisia puolijohteita. N-tyypin puolijohde Puhdas pii ja hiili ovat eristeitä, sillä molemmilla aineilla on uloimmalla elektronikuorella neljä elektronia, jotka ovat kaikki kiinni atomien välisissä sidoksissa. Laittamalla sekaan fosfori- tai arseeniatomeja (joilla on viisi elektronia uloimmalla kuorella) saadaan aineeseen ylimääräisiä elektroneja. Konstruktiota sanotaan N-tyypin puolijohteeksi 5 (kuva 1.9). Puolijohteissa voidaan käyttää myös esimerkiksi booria tai galliumia. Näillä on kolme elektronia valenssikuorella, jolloin puolijohteeseen jää aukkoja niille paikoille, missä puhtaassa aineessa olisi elektroneja. Tällöin auk- 4 Ylempi vyö, ks. kuva 1.8(c). 5 N tarkoittaa negatiivista varauksenkuljettajaa eli elektronia.

16 16 LUKU 1. AINEEN RAKENNE JA SÄHKÖNJOHTAVUUS ko pääsee liikkumaan ja näennäisesti kuljettamaan varausta; näin toimiii P-tyypin puolijohde 6 (kuva 1.10). Kuva 1.9: N-tyypin puolijohde[33], seostettu arseenilla. Kuva 1.10: P-tyypin puolijohde[33], seostettu galliumilla. 6 P tarkoittaa positiivista varauksenkuljettajaa.

17 1.3. SÄHKÖNJOHTAVUUS NANOTIETEISSÄ 17 SOVELLUS: diodin toiminta Yksinkertaisimmillaan diodi koostuu p- ja n-tyypin puolijohteista, jotka on liitetty yhteen[38]. Liitoksen rajapinnassa tapahtuu (diffuusio-ilmiön seurauksena) varauksenkuljettajien rekombinoitumista[38]. Tämä tarkoittaa, että n-puolen elektronit ajautuvat p-puolelle ja putoilevat sen aukkoihin. Kun tällaisen liitoksen yli asetetaan jännite, kokevat puolijohteiden varauksenkuljettajat Coulombin voiman missä F = 1 4πε 0 qq r 2 ˆr, ε 0 8, Fm 1 on tyhjiön permittiivisyysvakio q = testivaraus eli kenttävarauspiste Q = lähdevarauspiste ˆr = sähkökentän suuntavektori. Voiman vaikutuksesta varauksenkuljettajat lähtevät liikkeelle; virran kulkusuunta on verrannollinen jännitteen suuntaan. Jännite estosuuntaan Jos pn-liitoksen yli asetetaan jännite suuntaan n p, kokevat elektronit n-puolella voiman oikealle (kuva 1.11). Tällöin varauksenkuljettajat eivät liiku rajapinnan yli eikä virta kulje. Kun pn-liitoksen yli asetetaan jännite V suun- Jännite myötäsuuntaan taan p n, kokevat aukot p-puolella voiman oikealle (kuva 1.12). Liitoksen rajapintaan keräytyy ylimäärä positiivista varausta, jolloin myös elektronit n-puolella kokevat voiman rajapintaa kohti. Tällöin varauksenkuljettajat siirtyvät rajapinnan yli ja virta kulkee.

18 18 LUKU 1. AINEEN RAKENNE JA SÄHKÖNJOHTAVUUS Kuva 1.11: Jännite estosuuntaan[15]. Kuva 1.12: Jännite myötäsuuntaan[15].

19 Luku 2 Biologian nanorakenteet Biologiset rakenteet ovat hyvin monimutkaisia atomitasolta tarkasteltuna. Kemianteollisuudessa on tavallista, että makroskooppisissa rakenteissa (polymeereissä) toistuu sama pienempi rakenne hyvin monta kertaa[5] (monomeeri). Esimerkiksi PVC-materiaaleja muodostetaan tällä tavoin (ks. kuvat 2.1 ja 2.2). Kuva 2.1: Monomeerien yhdistäminen[34]. Biologiassa makromolekyylit (eli biologiset polymeerit) ovat poikkeuksena tähän[5]. Proteiinit, jotka ovat yksinkertaisimpia makromolekyylejä, koostuvat kahdestakymmenestä erilaisesta aminohaposta. Proteiinin ominaisuudet määräytyvät sekä aminohappojen lajeista että niiden järjestyksestä ketjussa. Proteiini painuu luonnostaan sykkyrälle (kuva 2.3), jolloin Van der Waals ja vetysidoksia pääsee muodostumaan ei-vierekkäisten aminohappojen välille. Proteiinit osallistuvat solun toimintaan hyvin monella tavalla 1. Suhteellisen yksinkertainen rakenne ja erinomainen muuntautumiskyky ovat 1 Mm. aineenvaihdunta ja solujen rakennus. 19

20 20 LUKU 2. BIOLOGIAN NANORAKENTEET Kuva 2.2: Polymeerien yhdistäminen[34]. tehneet tästä makromolekyylistä hyvin monipuolisen. Tulevaisuudessa on kenties mahdollista rakentaa mittatilausproteiineja ja käyttää niitä nanokoneiden osina, kuten solu nyt jo tekee[5]. Kuva 2.3: Mallikuva proteiinista[35]. 2.1 Biologiset molekyylit nanokoneissa Biologisia molekyylejä voidaan käyttää malleina nanokoneita valmistettaessa tai sellaisenaan rakennuspalikoina; esimerkiksi voidaan ottaa alun perin meduusoista löydetty, valoon reagoiva proteiini[5]. Se absorboi valoa ja samalla virittyy uudenlaiseen tilaan. Valo-proteiinille on povattu käyttöä esimerkiksi valon muuntamisessa sähköksi.

21 2.1. BIOLOGISET MOLEKYYLIT NANOKONEISSA 21 Proteiineilla voidaan saada aikaan myös liikettä. Kaksi proteiinia vaikuttavat toisiinsa tavalla, joka saa toisen ikään kuin kiskomaan toista eteenpäin. Ominaisuutta voidaan soveltaa toimivan nanomittakaavan kuljetusjärjestelmän rakentamisessa[5]. DNA:lle on kehitelty monenlaista käyttöä nanoteknologian alalla. Näitä ovat esimerkiksi liimat optiset sovellukset monistimet DNA-tietokoneet. Monillakaan näistä ei vielä ole käytännön merkitystä, mutta ne toimivat suuntaviittoina tulevaisuutta varten. Biologiset kalvot koostuvat vierekkäin asettuneista molekyyleistä, joissa toinen pää pyrkii kontaktiin vesimolekyylien kanssa ja toinen taas on vesipakoinen. Lääkeaineita voidaan jo nyt sulkea tällaisten kalvojen sisälle ja siten estää liukenemasta veteen liian aikaisin. Nanoteknologiassa niitä voidaan käyttää (ja on jo käytetty) päällysteenä nanohiukkasille, jotta niiden ominaisuudet veden tai biologisten molekyylien kanssa saadaan sellaisiksi kuin halutaan[5]. Myös virukset ovat jo toimivia nanokoneita. Niidenkin käyttöä nanoteknologiassa on tutkittu paljon. Erityisen kiinnostavaa on ollut virusten kyky kuljettaa aineita solujen sisälle. Myös virusten mekaaniset ominaisuudet kiinnostavat, mutta niistä tiedetään vielä hyvin vähän. Ehkä suurimmat odotukset nanotieteelle on lastattu juuri lääketieteen alalta. Vaikka passiivisten nanopartikkelien käyttöä testataan jo, niin älykkäisiin nanohiukkasiin ja robotteihin on vielä matkaa.

22 22 LUKU 2. BIOLOGIAN NANORAKENTEET

23 Luku 3 Nanometrologia Nanometrologia on tiede, joka tutkii tapoja mitata nanomateriaalien kokoa, muotoa ja ominaisuuksia. Koon mittauksissa mittaustarkkuus on yleensä alle yhden nanometrin luokkaa. Lisäksi voidaan mitata mm. massaa, voimia sekä sähköisiä ominaisuuksia. Yleensä ongelmana on, että ilmiöiden pienen koon takia mittauksissa vaaditaan suurta tarkkuutta ja näin ollen ulkoisilla häiriötekijöillä 1 on suuri vaikutus mittaustuloksiin. 3.1 Nanotieteiden mikroskopiat Pääasiallisia nanotieteissä käytettyjä mittaustapoja ovat elektronimikroskopia ja erilaiset voimamikroskopiat. Elektronimikroskopioissa käytetään samanlaista tekniikkaa kuin valomikroskopiassa, mutta valon (fotonien) sijaan käytetään elektroneja. Tutkittavasta pinnasta heijastuva elektronisuihku kertoo pinnan rakenteesta. Voimamikroskopiat perustuvat mekaaniseen systeemiin, jossa pieni piikki liikkuu pitkin tutkittavaa pintaa, tai sen lähellä. Vuorovaikutukset pinnan kanssa liikuttavat neulaa ja kertovat pinnan rakenteesta. Elektronimikroskooppi saatiin ensimmäisen kerran rakennettua jo vuonna Se toimii samaan tapaan kuin valomikroskooppi, mutta valon sijaan käytetään elektronisuihkua, jota voidaan ohjailla magneettikentän avulla. Sopivan magneettikentän avulla elektronisuihku saadaan käyttäytymään samalla tavalla kuin valo linssissä. Tällaisen magneettisen linssin avulla elektronisuihku saadaan kohdistettua haluttuun paikkaan. Elektronimikroskoopin erotyskyky saadaan paremmaksi kuin valomikroskoo- 1 Kuten tärinä ja lämpötila. 23

24 24 LUKU 3. NANOMETROLOGIA pin, sillä elektronien de Broglien aallonpituus on sitä pienempi, mitä suurempi elektronien energia on (Ks. luku 5.2). Elektronimikroskoopit toimivat lähinnä kahdella periaatteella: Transmissio- eli läpivalaisuelektronimikroskopia (TEM) toimii kuten valomikroskopia, mutta valon sijasta käytetään elektroneja. Elektronisuihku läpäisee tutkittavan näytteen, jolloin saadaan tietoa sekä pinnasta että sisäosista. Näytteiden oltava ohuita (paksuus alle 100 nm). Pyyhkäisyelektronimikroskopiassa (SEM) (scanning electron microscopy, kuva 3.1) näytteeseen kohdistetaan elektronisuihku, joka siroaa sen pinnasta. Kuva muodostuu sironneista tai pinnalta irronneista elektroneista. Pyyhkäisyelektronimikroskoopin erotuskyky n. 1 nm. Osoitteesta magnify1/index.html löytyy mielenkiintoinen java-appletti, jossa voi itse kokeilla elektronimikroskooppia. Kuva 3.1: Pyyhäisyelektronimikroskoopin (SEM) kaaviokuva[25].

25 3.1. NANOTIETEIDEN MIKROSKOPIAT 25 Voimamikroskopiat ovat tärkeimpiä nanoteknologian mittausvälineitä. Niihin kuuluvat pyyhkäisytunnelointimikroskopia ja atomivoimamikroskopia kehitettiin 1980-luvun alussa ja puolivälissä. Atomivoimamikroskooppi (AFM) ja pyyhkäisytunnelointimikroskooppi (STM) toimivat samansuuntaisella periaatteella: mikroskooppi koostuu tukivarren päässä olevasta n. 1 nm levyisestä piikistä, joka liikkuu pitkin materiaalin pintaa. AFM:ssä (kuva 3.2) pinnan kohoumat rekisteröidään tukivarren taipumisena. Tukivarren liike mitataan siihen kohdistetun ja siitä heijastuneen lasersäteen avulla. Menetelmää voidaan käyttää materiaalien pintojen sekä molekyylien (myös biologisten) rakenteen tutkimiseen. Kuva 3.2: Atomivoimamikroskoopin toimintaperiaate[26]. Kuvia atomivoimamikroskoopista ja lisätietoa sen toimintaperiaatteesta löytyy esim. Michigan Tech:in www-sivuilta Pyyhkäisytunnelointimikroskoopin (STM) toimintaperiaate on samanlainen, mutta koetin ei kosketa aineen pintaa, vaan pinnan atomeista siirtyy elektroneja tyhjiön kautta koettimen kärkeen (ks. luku 6.2). Syntyvä sähkövirta voidaan mitata. Atomivoimamikroskopiaa voidaan käyttää myös voiman mittauksessa: koettimen kärkeen kiinnitetään molekyyli, joka lasketaan kiinni toiseen

26 26 LUKU 3. NANOMETROLOGIA molekyyliin/aineeseen. Molekyylisidoksen synnyttyä voidaan ne jälleen vetää erilleen ja mitata tarvittava voima. On olemassa myös erilaisia lähikenttäoptiikkaan perustuvia mikroskooppeja, joissa lähellä olevaa kohdetta valaistaan valon aallonpituutta pienemmän aukon tai metallikärjen läpi. Lähialueelle tuleva valo on suurelta osin fotonien tunneloitumisesta johtuvaa, ja se heikkenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Näin ollen lähellä oleva kohde saadaan kuvattua paremmalla resoluutiolla kuin valon aallonpituus, joka on normaalissa optiikassa tarkkuutta rajoittava tekijä. Atomivoimamikroskooppia voidaan käyttää myös palkkianturivärähtelijänä massan mittaamiseen. Kun mikroskoopin tukivarsi laitetaan värähtelemään, huomataan tietyillä taajuuksilla resonanssi-ilmiö. Jos tukivarteen lisätään massaa, värähtelytaajuus muuttuu massan mukaan. Mittaamalla muuttunut värähtelytaajuus voidaan siitä ja alkuperäisestä taajuudesta laskea massan lisäys. Tarvittaessa tukivarren pinta voidaan päällystää jollakin aineella, johon vain tietty materiaali tai tietyt molekyylit kiinnittyvät.

27 Luku 4 Nanomateriaalit ja niiden valmistus Nanotieteissä tutkitaan sekä erilaisia nanokokoisia koneita että nanomateriaaleja. Toistaiseksi suurin osa sovelluksista on tehty nimenomaan nanomateriaalien puolella. Nämä materiaalit perustuvat nanokokoisiin hiukkasiin, joita ovat nanopartikkelit ja nanoyhdistelmät (eli nanokomposiittimateriaalit). Nanopartikkeleita taas ovat mm. nanokiteet, metalli- ja metallioksidinanokiteet, fulleriinit, nanoputket, jne. Nanomateriaaleilla ja -partikkeleilla on uusia ja osin yllättäviäkin ominaisuuksia verrattuna saman materiaalin makroskooppisen kokoisiin rakenteisiin. Erot johtuvat nimenomaan nanopartikkelien koosta, joka mm. lisää partikkelien pinta-alaa ja vierekkäisten partikkelien mahdollisuutta vuorovaikuttaa toistensa kanssa (reaktiivisuus lisäntyy). Pieni koko saa aikaan myös sen, että kvantti-ilmiöt 1 tulevat yhä tärkeämmiksi. Suurelle yleisölle tunnetuin nanopartikkeli lienee buckminsterfulleriini C 60, 60:n hiiliatomin muodostama hiiliverkosta muodostuva jalkapallon näköinen pallo (kuva 4.1). Se onnistuttiin luomaan 1980-luvulla tehdyissä grafiitin höyrystymiskokeissa, ja teoreettisesti sen rakenne selitettiin vuonna Nimi buckminsterfulleriini tulee Richard Buckminster Fullerin Montrealin maailmannäyttelyyn vuonna 1967 rakentamasta kuvusta, joka muodostuu reunoistaan toisiinsa liitetyistä monikulmioista. Puhdas C 60 johtaa huonosti sähköä, mutta metallihöyryille altistamalla siihen saadaan kiinnittymään epäpuhtauksia, jotka tekevät siitä johteen. Matalissa lämpötiloissa tällainen epäpuhdas C 60 muuttuu suprajohteeksi (ks. 7). Käytännön elämässä buckminsterfullereenin sovelluksia ovat[36] 1 Mm. Heisenbergin epätarkkuusperiaate (8.3), energian (5.4) ja liikemäärän kvantittuminen. 2 Harold W. Kroto, James Heath, Sean O Brien, Robert F. Curl, Richard E. Smalley. 27

28 28 LUKU 4. NANOMATERIAALIT JA NIIDEN VALMISTUS mm. aurinkokennot voiteluaineet kemialliset katalyytit optiset kojeet Kuva 4.1: Buckminsterfullereeni[27]. lääketiede (esimerkiksi lääkeaineen kuljettaminen elimistössä oikeaan paikkaan). Toinen hiilestä saatava nanorakenne ovat hiilinanoputket. Ne muodostuvat toisiinsa reunoista liittyneistä hiilen muodostamista monikulmioista samoin kuin buckminsterfulleriinikin, mutta pallomaisen muodon sijaan ne muodostavat putkia (kuva 4.2). Putket ovat halkaisijaltaan noin nanometrin luokkaa ja pituudeltaan jopa muutamia mikrometrejä. Ne voivat muodostaa myös sisäkkäisiä, moninkertaisia putkirakenteita. Hiilinanoputkilla on monia käytännön sovellutuksia, sillä rakenne on hyvin kestävä: Ne ovat noin sata kertaa terästä lujempia, mutta vain kuudesosan teräksen painosta. Näin ollen niistä voidaan valmistaa hyvin kevyitä ja kestäviä köysiä tai vastaavia rakenteita. Niitä voidaan seostaa esimerkiksi hiilikuitujen sekaan lisäämään hiilikuiturakenteen kestävyyttä. Sellaisena nanoputkia on käytetty esim. urheiluvälineissä (jääkiekkomailat, sulkapallo- ja -tennismailat). Nanoputket johtavat myös hyvin lämpöä ja ovat sähkönjohteita, joten niitä voidaan käyttää esim. elektroniikkakomponenteissa pienentämässä komponenttien kokoa. Oikeanlaisella seostuksella 3 hiilinanoputkista saadaan suprajohteita. 3 Ks

29 4.1. NANOMATERIAALIEN VALMISTUKSESTA 29 Kuva 4.2: Hiilinanoputken perusrakenne[18]. Fulleriineja ja nanoputkia voidaan valmistaa myös muista aineista kuin hiilestä. Nanokomponenteilla tarkoitetaan mitä tahansa materiaalia, joka sisältää nanokokoa olevia lisäaineita tai niiden osia. Tällaisia ovat mm. erilaiset polymeereillä ympäröidyt silikaattipartikkelit tai magneettisen monikerroksiset nanopartikkelit[5]. Nanorakenteista voidaan valmistaa myös nanokokoisia koneita eli molekyylikoneita. Niissä molekyylit ovat liittyneet toisiinsa heikoin vetysidoksin 4, ja ne pystyvät vaihtamaan paikkaansa sopivasta ärsykkeestä. Tällaisia ärsykkeitä voivat olla esimerkiksi sähkömagneettinen kenttä tai valo, jotka saavat aikaan molekyyliin mekaanisen liikkeen. Luonnossa esiintyy paljon luonnon omia nanokoneita: esimerkiksi solut ovat hyvin monimutkaisia nanokokoluokan tehtaita, joissa tapahtuu paljon mekaanisia prosesseja. Myös proteiinit ja nukleiinihapot toimivat periaattessa kuten nanokoneet. Toistaiseksi nanotiede ei ole biologian puolella päässyt aivan yhtä hyvään vauhtiin kuin fysiikassa, mutta viime aikoina tutkimus on alkanut levittäytyä ja saavuttaa merkittäviä tuloksia. 4.1 Nanomateriaalien valmistuksesta Nanokomponentteja voidaan valmistaa periaatteessa kahdella erilaisella tavalla: top-down -menetelmä lähdetään liikkeelle suuremmasta kokonaisuudesta ja pienennetään sitä. 4 Ks. 1.2.

30 30 LUKU 4. NANOMATERIAALIT JA NIIDEN VALMISTUS bottom-up -menetelmä aloitetaan kokoamaan nanokomponenttia pienemmistä palasista, atomeista ja molekyyleistä. Suurin osa nykyään käytetyistä menetelmistä on top-down -menetelmiä. Esimerkiksi atomivoimamikroskopialla voidaan kasata nanokomponentteja myös bottom-up -menetelmällä (atomi kerrallaan). Valmistusmenetelmiä on erilaisia: Höyrystämällä Höyrystämällä: buckminsterfullereeneja ja hiilinanoputkia valmistetaan hiilestä höyrystämällä. Se voi tapahtua joko laserin tai valokaaren avulla. Ensimmäiset C_60 fullereenit valmistettiin höyrystämällä grafiittia lasersäteellä, mutta valokaaren avulla niitä saadaan valmistettua suuremmissa määrissä. Molemmissa tapauksissa grafiittia höyrystetään sopivan katalyytin läsnäollessa, ja syntyneet nanohiukkaset kuljetetaan kaasuvirtauksen avulla höyrystyskammion seinille, josta ne sitten kerätään. Saostamalla Esimerkiksi kullasta saadaan valmistettua nanokokoisia partikkeleita liuottamalla sitä kuningasveteen HCl + HNO 3, kuumentamalla syntyvää kultaklodiria ja lisäämällä sekaan pelkistävää yhdistettä (esim. sitruunahappoa), jolloin kulta kiteytyy pieniksi atomirypäiksi Litografia Pinnalle (lasi, pii, jne) siirretään etsaamalla haluttu kuvio, samoin kuin puolijohdetekniikassakin[5]. Materiaalin, johon kuvio halutaan piirtää, pinta käsitellään ensin esimerkiksi hapettamalla (esim. piipinta piioksidiksi). Sen päälle lingotaan n mikrometriä paksu kerros valoa läpäisemätöntä polymeeriä, joka on luonteeltaan sellaista että se liukenee joko UVvalon tai muun vastaavan käsittelyn vaikutuksesta. Sen jälkeen pinta valaistaan kromista valmistetun fotonaamion läpi niin, että kromin alla oleva kerros ei saa valokäsittelyä. Seuraavassa vaihessa ensin uhrikerros ja sen jälkeen hapetettu kerros liuotetaan pois, jolloin pinnalle jää oksidikerros fotonaamion alle jääneen uhrikerroksen alle. Lopuksi jäljellä oleva uhrikerros poistetaan. Aineita voi päällystää myös mm. höyrystämällä. Elektronisädelitografia Edellä litografiatekniikassa tarkkuutta rajoittaa UV-valon suuri aallonpituus. Sen sijaan voidaan käyttää elektronisädelitografiaa, jossa käytetään yleensä pyyhkäisy- tai läpivalaisuelektronimikroskoopin suihkua (erotyskyky n. 10 nm). Menetelmä on hidas, mutta sitä

31 4.1. NANOMATERIAALIEN VALMISTUKSESTA 31 Kuva 4.3: Litografia menetelmä[24].

32 32 LUKU 4. NANOMATERIAALIT JA NIIDEN VALMISTUS voi nopeuttaa käyttämällä elektronisädelitografian avulla voidaan valmistettua leimasinta, jolla polymeerikerrosta voi muokata tarvitsematta käyttää suihkua uudelleen. Kaksoisfotoniviritykseen perustuva litografia Kaksoisfotoniviritykseen perustuvaa laseria voidaan käyttää UV-litografian tilalla parantamassa erotuskykyä STM- ja AFM-tekniikat Voimamikroskopiaa voidaan käyttää pinnan tarkkaan paikalliseen hapetukseen (tarkkuus alle 100 nm) sekä atomien ja molekyylien sijoittamiseen lähes yksi kerrallaan paikalleen (kuten muste mustekynästä). Sovellus tietotekniikassa Tietokoneiden prosessorit valmistetaan litografia-menetelmällä. Seuraava Tietokone lehden artikkeli kertoo asiasta lisää. Kuva 4.4: Lehtiartikkeli[40].

33 Luku 5 Valo aalto ja hiukkanen Seuraavassa paneudutaan kvalitatiivisesti muutamaan modernin fysiikan ideaan ja esimerkkiin sekä tarkastellaan valon käyttäytymistä. Kappaleen lopussa esitellään nanotieteen sovelluksena laser. 5.1 Valon aalto-hiukkasdualismi Valolla on ominaisuuksia, joita klassisen fysiikan keinoin voidaan selittää valon aaltomallin avulla (esimerkiksi interferenssi ja diffraktio). Toisaalta, on olemassa tilanteita, joissa aaltomalli ei oikein tunnu purevan tarkasteltavaan valon (yleisimmin sähkömagneettisen säteilyn) fysiikkaan. Näissä tapauksissa valo käyttäytyy kuten hiukkaset, ts. valo näyttää fysikaalisten ominaisuuksiensa perusteella koostuvan pienistä hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi 1 (ks. 5.3). Kuva 5.1: A wave or a particle... or both???[8] 1 Fotoni eli valokvantti on pieni, massaton (!!) hiukkanen. 33

34 34 LUKU 5. VALO AALTO JA HIUKKANEN Ongelmaksi tulee tulkinnallisuus; milloin meidän on kohdeltava valoa hiukkasryppäänä ja milloin aaltoliikkeenä? Vastauksen antaa Niels Bohrin keksimä komplementaarisuuden periaate[1]: Tarvitsemme molempia valon olemuksen tulkintoja pystyäksemme mallintamaan luontoa, mutta meidän ei milloinkaan pidä käyttää sekä aalto että hiukkasmallia samanaikaisesti tarkastellessamme jotain tiettyä fysikaalista ilmiötä. Aalto-hiukkasdualismi on tällä hetkellä vallitseva käsitys valon luonteesta ja sen kanssa on vain opittava elämään. 5.2 De Broglien aallot Ranskalainen fyysikko Louis de Broglie (kuva 5.2) julkaisi vuonna 1924 teoriansa, jonka mukaan myös hiukkasilla on oma aaltoluonteensa. missä Kuva 5.2: Louis De Broglie ( )[9]. De Broglien yhtälö hiukkasen aallonpituudelle on p = hiukkasen liikemäärä m = hiukkasen massa v = hiukkasen nopeus. λ = hiukkasen aallonpituus λ = h p = h mv, (5.1) h 6, Js vakio (tunnetaan yleisesti Planckin vakiona)

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Fysiikka 8. Aine ja säteily Fysiikka 8 Aine ja säteily Sähkömagneettinen säteily James Clerk Maxwell esitti v. 1864 sähkövarauksen ja sähkövirran sekä sähkö- ja magneettikentän välisiä riippuvuuksia kuvaavan teorian. Maxwellin teorian

Lisätiedot

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET (YO-K06+13, YO-K09+13, YO-K05-11,..) Tasasuuntaus Vaihtovirran suunta muuttuu jaksollisesti. Tasasuuntaus muuttaa sähkövirran kulkemaan yhteen suuntaan. Tasasuuntaus toteutetaan

Lisätiedot

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Määritelmä, metallisidos, metallihila: ALKUAINEET KEMIAA KAIK- KIALLA, KE1 Metalleilla on tyypillisesti 1-3 valenssielektronia. Yksittäisten metalliatomien sitoutuessa toisiinsa jokaisen atomin valenssielektronit tulevat yhteiseen käyttöön

Lisätiedot

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa Potentiaalikuoppa Luento 9 Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa U( x ) = U U( x ) = 0 0 kun x < 0 tai x > L, kun 0 x L. Kuopan kohdalla hiukkanen on vapaa,

Lisätiedot

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3) + 3 ATOMIN MALLI 3.1 Varhaiset atomimallit (1/3) Thomsonin rusinakakkumallissa positiivisesti varautuneen hyytelömäisen aineen sisällä on negatiivisia elektroneja kuin rusinat kakussa. Rutherford pommitti

Lisätiedot

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA KEMIAA KAIK- KIALLA, KE1 Ulkoelektronit ja oktettisääntö Alkuaineen korkeimmalla energiatasolla olevia elektroneja sanotaan ulkoelektroneiksi eli valenssielektroneiksi.

Lisätiedot

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V TURUN AMMATTIKORKAKOUU TYÖOHJ 1 3A. asertyö 1. Työn tarkoitus Työssä perehdytään interferenssi-ilmiöön tutkimalla sitä erilaisissa tilanteissa laservalon avulla. 2. Teoriaa aser on lyhennys sanoista ight

Lisätiedot

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista. KEMIA Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista. Kemian työturvallisuudesta -Kemian tunneilla tutustutaan aineiden ominaisuuksiin Jotkin aineet syttyvät palamaan reagoidessaan

Lisätiedot

Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen

Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen 6.2 MONILIITOSAURINKOKENNO Aurinkokennojen hyötysuhteen kasvattaminen on teknisesti haastava tehtävä. Oman lisähaasteensa tuovat taloudelliset reunaehdot, sillä tekninen kehitys ei saisi merkittävästi

Lisätiedot

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai Jakso : Materiaalihiukkasten aaltoluonne. Teoriaa näihin tehtäviin löytyy Beiserin kirjasta kappaleesta 3 ja hyvin myös peruskurssitasoisista kirjoista. Seuraavat videot demonstroivat vaihe- ja ryhmänopeutta:

Lisätiedot

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta Aurinko lähettää avaruuteen sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn aallonpituusjakauma määräytyy käytännössä auringon pintalämpötilan (n. 6000 K) perusteella.

Lisätiedot

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1 Mistä aine koostuu? - kaikki aine koostuu atomeista - atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista - neutronit ja protonit koostuvat pienistä hiukkasista, kvarkeista Alkeishiukkaset - hiukkasten

Lisätiedot

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti. ATOMIHILAT KEMIAN MIKRO- MAAILMA, KE2 Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti. Hiloja on erilaisia. Hilojen ja sidosten avulla

Lisätiedot

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo Valosähköinen ilmiö Vuonna 1887 saksalainen fyysikko Heinrich Hertz havaitsi sähkövarauksen purkautuvan metallikappaleen pinnalta, kun siihen kohdistui valoa. Tarkemmissa tutkimuksissa todettiin, että

Lisätiedot

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö SMG-4450 Aurinkosähkö Toisen luennon aihepiirit Lyhyt katsaus aurinkosähkön historiaan Valosähköinen ilmiö: Mistä tässä luonnonilmiössä on kyse? Piihin perustuvan puolijohdeaurinkokennon toimintaperiaate

Lisätiedot

Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura Hiukkasfysiikan luento 21.3.2012 Pentti Korpi Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura Atomi Aine koostuu molekyyleistä Atomissa on ydin ja fotonien ytimeen liittämiä elektroneja Ytimet muodostuvat

Lisätiedot

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä Antti Haarto.5.13 Sähkövaraus Aine koostuu Varauksettomista neutroneista Positiivisista protoneista Negatiivisista elektroneista Elektronien siirtyessä

Lisätiedot

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA 1 JOHDANTO Työssä tutustutaan hila- ja prismaspektrometreihin, joiden avulla tutkitaan valon taipumista hilassa ja taittumista prismassa. Samalla tutustutaan eräiden

Lisätiedot

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli Aineen rakenteen teoria alkoi hahmottua, kun 1800-luvun alkupuolella John Dalton kehitteli teoriaa atomeista jakamattomina aineen perusosasina. Toki

Lisätiedot

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet Käsiteltävät aiheet: Mikä aikaansaa sidokset? Mitä eri sidostyyppejä on? Mitkä ominaisuudet määräytyvät sidosten kautta? Chapter 2-1 Atomirakenne Atomi elektroneja

Lisätiedot

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA KVANTTITEORIA 1 MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA Fysiikka KVANTTITEORIA Metso Tampere 13.11.2005 MODERNI

Lisätiedot

FY6 - Soveltavat tehtävät

FY6 - Soveltavat tehtävät FY6 - Soveltavat tehtävät 21. Origossa on 6,0 mikrocoulombin pistevaraus. Koordinaatiston pisteessä (4,0) on 3,0 mikrocoulombin ja pisteessä (0,2) 5,0 mikrocoulombin pistevaraus. Varaukset ovat tyhjiössä.

Lisätiedot

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ Valosähköisellä ilmiöllä ymmärretään tässä oppikirjamaisesti sitä, että kun virtapiirissä ja tyhjiölampussa olevan anodi-katodi yhdistelmän katodia säteilytetään fotoneilla,

Lisätiedot

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4) 76A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 4 Kevät 214 1. Tehtävä: Yksinkertainen malli kovalenttiselle sidokselle: a) Äärimmäisen yksinkertaistettuna mallina elektronille atomissa voidaan pitää syvää potentiaalikuoppaa

Lisätiedot

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA FYSA234/K2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA 1 Johdanto Kvanttimekaniikan mukaan atomi voi olla vain tietyissä, määrätyissä energiatiloissa. Perustilassa, jossa atomi normaalisti on, energia on pienimmillään.

Lisätiedot

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET Kurssin esittely Sähkömagneettiset ilmiöt varaus sähkökenttä magneettikenttä sähkömagneettinen induktio virta potentiaali ja jännite sähkömagneettinen energia teho Määritellään

Lisätiedot

Suprajohteet. 19. syyskuuta Syventävien opintojen seminaari Suprajohteet. Juho Arjoranta

Suprajohteet. 19. syyskuuta Syventävien opintojen seminaari Suprajohteet. Juho Arjoranta Suprajohteet Syventävien opintojen seminaari juho.arjoranta@helsinki. 19. syyskuuta 2013 Sisällysluettelo 1 2 3 4 5 1911 H. K. Onnes havaitsi suprajohtavuuden Kuva: Elohopean resistiivisyys sen kriittisen

Lisätiedot

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni 3.1 Atomin rakenneosat Kaikki aine matter koostuu alkuaineista elements. Jokaisella alkuaineella on omanlaisensa atomi. Mitä osia ja hiukkasia parts and particles atomissa on? pieni ydin, jossa protoneja

Lisätiedot

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho Luento 10: Työ, energia ja teho Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho 1 / 23 Luennon sisältö Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho 2 / 23 Johdanto Energia suure, joka voidaan muuttaa muodosta toiseen,

Lisätiedot

2. Fotonit, elektronit ja atomit

2. Fotonit, elektronit ja atomit Luento 4 2. Fotonit, elektronit ja atomit Valon kvanttiteoria; fotoni Valosähköinen ilmiö ja sen kvanttiselitys Valon emissio ja absorptio Säteilyn spektri; atomin energiatasot Atomin rakenne Niels Bohrin

Lisätiedot

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Vuorovaikutukset on perinteisesti jaettu neljään: Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Sähköheikkoteoria

Lisätiedot

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus: K1. Onko väittämä oikein vai väärin. Oikeasta väittämästä saa 0,5 pistettä. Vastaamatta jättämisestä tai väärästä vastauksesta ei vähennetä pisteitä. (yhteensä 10 p) Oikein Väärin 1. Kaikki metallit johtavat

Lisätiedot

Kvanttisointi Aiheet:

Kvanttisointi Aiheet: Kvanttisointi Luento 5 4 Aiheet: Valosähköilmiö Einsteinin selitys Fotonit Aineaallot ja energian kvantittuminen Bohrin kvanttimalli atomille Bohrin malli vetyatomille Vedyn spektri Mitä olet oppinut?

Lisätiedot

Mustan kappaleen säteily

Mustan kappaleen säteily Mustan kappaleen säteily Musta kappale on ideaalisen säteilijän malli, joka absorboi (imee itseensä) kaiken siihen osuvan säteilyn. Se ei lainkaan heijasta eikä sirota siihen osuvaa säteilyä, vaan emittoi

Lisätiedot

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti: Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti: OPTIIKAN TYÖ Vastaa ensin seuraaviin ennakkotietoja mittaaviin kysymyksiin. 1. Mitä tarkoittavat

Lisätiedot

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe 30.5.2012, malliratkaisut

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe 30.5.2012, malliratkaisut A1 Kappale, jonka massa m = 2,1 kg, lähtee liikkeelle levosta paikasta x = 0,0 m pitkin vaakasuoraa alustaa. Kappaleeseen vaikuttaa vaakasuora vetävä voima F, jonka suuruus riippuu paikasta oheisen kuvan

Lisätiedot

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ 1 IOIN OMINAISKÄYRÄ JA TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ MOTIVOINTI Työ opettaa mittaamaan erityyppisten diodien ominaiskäyrät käyttämällä oskilloskooppia XYpiirturina Työssä opetellaan mittaamaan transistorin

Lisätiedot

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA Kevät 2016 Emppu Salonen Lasse Laurson Arttu Lehtinen Toni Mäkelä Luento 9: Fotonit ja relativistiset kaasut Ke 30.3.2016 1 AIHEET 1. Fotonikaasun termodynamiikkaa.

Lisätiedot

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia. HEIKOT SIDOKSET KEMIAN MIKRO- MAAILMA, KE2 Palautetaan mieleen (on tärkeää ymmärtää ero sisäisten ja ulkoisten voimien välillä): Vahvat sidokset ovat rakenneosasten sisäisiä sidoksia. Heikot sidokset ovat

Lisätiedot

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE 30.01.2014 VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE 30.01.2014 VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!! FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE 30.01.2014 VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!! 1. Vastaa, ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin. Perustelua ei tarvitse kirjoittaa. a) Atomi ei voi lähettää

Lisätiedot

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli Luento 8 Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli Sähkönjohtavuus Druden malli Klassiset C V -mallit Termodynamiikka kun Ei ennustetta arvosta! Klassinen

Lisätiedot

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla. FYS 103 / K3 SNELLIN LAKI Työssä tutkitaan monokromaattisen valon taittumista ja todennetaan Snellin laki. Lisäksi määritetään kokonaisheijastuksen rajakulmia ja aineiden taitekertoimia. 1. Teoriaa Huygensin

Lisätiedot

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi Fysiikka 7 Sähkömagnetismi Magneetti Aineen magneettiset ominaisuudet ovat seurausta atomiydintä kiertävistä elektroneista (ytimen kiertäminen ja spin). Magneettinen vuorovaikutus Etävuorovaikutus Magneetilla

Lisätiedot

Sovelletun fysiikan pääsykoe

Sovelletun fysiikan pääsykoe Sovelletun fysiikan pääsykoe 7.6.016 Kokeessa on neljä (4) tehtävää. Vastaa kaikkiin tehtäviin. Muista kirjoittaa myös laskujesi välivaiheet näkyviin. Huom! Kirjoita tehtävien 1- vastaukset yhdelle konseptille

Lisätiedot

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon 30 SÄHKÖVAKIO 30 Sähkövakio ja Coulombin laki Coulombin lain mukaan kahden tyhjiössä olevan pistevarauksen q ja q 2 välinen voima F on suoraan verrannollinen varauksiin ja kääntäen verrannollinen varausten

Lisätiedot

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102 Mekaniikan jatkokurssi Fys102 Syksy 2009 Jukka Maalampi LUENTO 12 Aallot kahdessa ja kolmessa ulottuvuudessa Toistaiseksi on tarkasteltu aaltoja, jotka etenevät yhteen suuntaan. Yleisempiä tapauksia ovat

Lisätiedot

1. Materiaalien rakenne

1. Materiaalien rakenne 1. Materiaalien rakenne 1.1 Johdanto 1. Luento 2.11.2010 1.1 Johdanto Materiaalit voidaan luokitella useilla eri tavoilla Kemiallisen sidoksen mukaan: metallit, keraamit, polymeerit Käytön mukaan: komposiitit,

Lisätiedot

Jaksollinen järjestelmä

Jaksollinen järjestelmä Mistä kaikki alkoi? Jaksollinen järjestelmä 1800-luvun alkupuoli: Alkuaineita yritettiin 1800-luvulla järjestää atomipainon mukaan monella eri tavalla. Vuonna 1826 Saksalainen Johann Wolfgang Döbereiner

Lisätiedot

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset. Fysiikka syksy 2005 1. Nykyinen käsitys Aurinkokunnan rakenteesta syntyi 1600-luvulla pääasiassa tähtitieteellisten havaintojen perusteella. Aineen pienimpien osasten rakennetta sitä vastoin ei pystytä

Lisätiedot

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko Luento 1: Sisältö Kemialliset sidokset Ionisidos (suolat, NaCl) Kovalenttinen sidos (timantti, pii) Metallisidos (metallit) Van der Waals sidos (jalokaasukiteet) Vetysidos (orgaaniset aineet, jää) Vyörakenteen

Lisätiedot

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys PERMITTIIVISYYS 1 Johdanto Tarkastellaan tasokondensaattoria, joka koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta metallilevystä Siirretään varausta levystä toiseen, jolloin levyissä on varaukset ja ja levyjen välillä

Lisätiedot

DEE Aurinkosähkön perusteet

DEE Aurinkosähkön perusteet DEE-53010 Aurinkosähkön perusteet Kolmannen luennon aihepiirit Reduktionistinen tapa aurinkokennon virta-jännite-käyrän muodon ymmärtämiseen Lähdetään liikkeelle aurinkokennosta, ja pilkotaan sitä pienempiin

Lisätiedot

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos

Aineen aaltoluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 4. Mikro- ja nanotekniikan laitos Aineen aaltoluonne Harris luku 4 Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Kevät 2016 Aineaallot Heisenbergin epätarkkuusperiaate Fourier-muunnos ja epätarkkuusperiaate Aineaaltojen

Lisätiedot

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin. 1.2 Elektronin energia Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin. -elektronit voivat olla vain tietyillä energioilla (pääkvanttiluku n = 1, 2, 3,...) -mitä kauempana

Lisätiedot

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8. 9. 11. b Oppiaineen opetussuunnitelmaan on merkitty oppiaineen opiskelun yhteydessä toteutuva aihekokonaisuuksien ( = AK) käsittely seuraavin lyhentein: AK 1 = Ihmisenä kasvaminen AK 2 = Kulttuuri-identiteetti

Lisätiedot

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%'

&()'#*#+)##'% +'##$,),#%' "$ %"&'$ &()'*+)'% +'$,),%' )-.*0&1.& " $$ % &$' ((" ")"$ (( "$" *(+)) &$'$ & -.010212 +""$" 3 $,$ +"4$ + +( ")"" (( ()""$05"$$"" ")"" ) 0 5$ ( ($ ")" $67($"""*67+$++67""* ") """ 0 5"$ + $* ($0 + " " +""

Lisätiedot

VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA

VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA 1 VALON DIFFRAKTIO YHDESSÄ JA KAHDESSA RAOSSA MOTIVOINTI Tutustutaan laservalon käyttöön aaltooptiikan mittauksissa. Tutkitaan laservalon käyttäytymistä yhden ja kahden kapean raon takana. Määritetään

Lisätiedot

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen YLEINEN KEMIA Yleinen kemia käsittelee kemian perusasioita kuten aineen rakennetta, alkuaineiden jaksollista järjestelmää, kemian peruskäsitteitä ja kemiallisia reaktioita. Alkuaineet Kaikki ympärillämme

Lisätiedot

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 LIIKE Jos vahvempi kaveri törmää heikompaan kaveriin, vahvemmalla on enemmän voimaa. Pallon heittäjä antaa pallolle heittovoimaa, jonka

Lisätiedot

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016 PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016 Prof. Martti Puska Emppu Salonen Tomi Ketolainen Ville Vierimaa Luento 7: Hilavärähtelyt tiistai 12.4.2016 Aiheet tänään Hilavärähtelyt: johdanto Harmoninen

Lisätiedot

7A.2 Ylihienosilppouma

7A.2 Ylihienosilppouma 7A.2 Ylihienosilppouma Vetyatomin perustilan kentän fotoni on λ 0 = 91,12670537 nm, jonka taajuus on f o = 3,289841949. 10 15 1/s. Tämä spektriviiva on kaksoisviiva, joiden ero on taajuuksina mitattuna

Lisätiedot

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto. 23.2 Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto. 23.2 Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen 3 VALON POLARISAATIO 3.1 Johdanto Mawellin htälöiden avulla voidaan johtaa aaltohtälö sähkömagneettisen säteiln etenemiselle väliaineessa. Mawellin htälöiden ratkaisusta seuraa aina, että valo on poikittaista

Lisätiedot

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Kertausta IONIEN MUODOSTUMISESTA Jos atomi luovuttaa tai

Lisätiedot

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =!  0 E loc (12.4) 12. Eristeet Eristeiden tyypillisiä piirteitä ovat kovalenttiset sidokset (tai vahvat ionisidokset) ja siitä seuraavat mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet. Makroskooppisen ulkoisen sähkökentän E läsnäollessa

Lisätiedot

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe S-114.1327 Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe 1.3.21 Ilkka Tittonen 1. Vastaa seuraaviin kysymyksiin perustellusti, mutta ytimekkäästi (esim. 5-1 lausetta) (2p per kohta). a) Mikä on sidottu tila? Anna

Lisätiedot

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, luento Kari Sormunen

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, luento Kari Sormunen VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, 1.-2. luento Kari Sormunen Mitä yhteistä? Kirja pöydällä Opiskelijapari Teräskuulan liike magneetin lähellä

Lisätiedot

Interferenssi. Luku 35. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

Interferenssi. Luku 35. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun Luku 35 Interferenssi PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman Lectures by James Pazun Johdanto Interferenssi-ilmiö tapahtuu, kun kaksi aaltoa yhdistyy

Lisätiedot

MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma

MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA. NOT-tiedekoulu La Palma MIKKELIN LUKIO SPEKTROMETRIA NOT-tiedekoulu La Palma Kasper Honkanen, Ilona Arola, Lotta Loponen, Helmi-Tuulia Korpijärvi ja Anastasia Koivikko 20.11.2011 Ryhmämme työ käsittelee spektrometriaa ja sen

Lisätiedot

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA

LIITE 1 VIRHEEN ARVIOINNISTA 1 Mihin tarvitset virheen arviointia? Mittaustuloksiin sisältyy aina virhettä, vaikka mittauslaite olisi miten uudenaikainen tai kallis tahansa ja mittaaja olisi alansa huippututkija Tästä johtuen mittaustuloksista

Lisätiedot

Kemian opiskelun avuksi

Kemian opiskelun avuksi Kemian opiskelun avuksi Ilona Kuukka Mukana: Petri Järvinen Matti Koski Euroopan Unionin Kotouttamisrahasto osallistuu hankkeen rahoittamiseen. AINE JA ENERGIA Aine aine, nominatiivi ainetta, partitiivi

Lisätiedot

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA 1 ALLIN ILMIÖ MOTIVOINTI allin ilmiötyössä tarkastellaan johteen varauksenkuljettajiin liittyviä suureita Työssä nähdään kuinka all-kiteeseen generoituu all-jännite allin ilmiön tutkimiseen soveltuvalla

Lisätiedot

Jännite, virran voimakkuus ja teho

Jännite, virran voimakkuus ja teho Jukka Kinkamo, OH2JIN oh2jin@oh3ac.fi +358 44 965 2689 Jännite, virran voimakkuus ja teho Jännite eli potentiaaliero mitataan impedanssin yli esiintyvän jännitehäviön avulla. Koska käytännön radioamatöörin

Lisätiedot

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op)

PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op) PHYS-A3131 Sähkömagnetismi (ENG1) (5 op) Sisältö: Sähköiset vuorovaikutukset Magneettiset vuorovaikutukset Sähkö- ja magneettikenttä Sähkömagneettinen induktio Ajasta riippuvat tasa- ja vaihtovirtapiirit

Lisätiedot

FRANCKIN JA HERTZIN KOE

FRANCKIN JA HERTZIN KOE FRANCKIN JA HRTZIN KO 1 Atomin kokonaisenergian kvantittuneisuuden osoittaminen Franck ja Hertz suorittivat vuonna 1914 ensimmäisinä kokeen, jonka avulla voitiin osoittaa oikeaksi Bohrin olettamus, että

Lisätiedot

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen) Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen Vapaaseen hiukkaseen ei vaikuta voimia, joten U(x = 0. Vapaan hiukkasen energia on sen liike-energia eli E=p /m. Koska hiukkasella on määrätty energia,

Lisätiedot

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102 Mekaniikan jatkokurssi Fys10 Kevät 010 Jukka Maalampi LUENTO 7 Harmonisen värähdysliikkeen energia Jousen potentiaalienergia on U k( x ) missä k on jousivakio ja Dx on poikkeama tasapainosta. Valitaan

Lisätiedot

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 FYSIIKAN LABORATORIO V 1.6 5.014 4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT TYÖN TAVOITE Työssä tutkitaan vitajohtimen aiheuttamaa magneettikentää. VIRTAJOHTIMEN SYNNYTTÄMÄ MAGNEETTIKENTTÄ

Lisätiedot

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n, S-114.6, Fysiikka IV (EST),. VK 4.5.005, Ratkaisut 1. Selitä lyhyesti mutta mahdollisimman täsmällisesti: a) Keskimääräisen kentän malli ja itsenäisten elektronien approksimaatio. b) Monen fermionin aaltofunktion

Lisätiedot

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V1.31 9.2011

1/6 TEKNIIKKA JA LIIKENNE FYSIIKAN LABORATORIO V1.31 9.2011 1/6 333. SÄDEOPTIIKKA JA FOTOMETRIA A. INSSIN POTTOVÄIN JA TAITTOKYVYN MÄÄRITTÄMINEN 1. Työn tavoite. Teoriaa 3. Työn suoritus Työssä perehdytään valon kulkuun väliaineissa ja niiden rajapinnoissa sädeoptiikan

Lisätiedot

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan

Lisätiedot

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2) Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2) Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Kevät 2016 Ajan ja pituuden suhteellisuus Relativistinen työ ja kokonaisenergia SMG-aaltojen

Lisätiedot

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto Fysiikka Konensaattorit ja kapasitanssi ntti Haarto 4..3 Yleistä Konensaattori toimii virtapiirissä sähköisen potentiaalin varastona Kapasitanssi on konensaattorin varauksen Q ja jännitteen suhe Yksikkö

Lisätiedot

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö SMG-4450 Aurinkosähkö Toisen luennon aihepiirit Lyhyt katsaus aurinkosähkön historiaan Valosähköinen ilmiö: Mistä tässä luonnonilmiössä on kyse? Piihin perustuvan puolijohdeaurinkokennon toimintaperiaate

Lisätiedot

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi? Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi? Oleteaan tyhjiö: ei virtoja ei varauksia Muutos magneettikentässä saisi aikaan sähkökentän. Muutos vuorostaan sähkökentässä saisi aikaan magneettikentän....ja niinhän

Lisätiedot

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos Aine ja maailmankaikkeus Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos Lahden yliopistokeskus 29.9.2011 1900-luku tiedon uskomaton vuosisata -mikä on aineen olemus -miksi on erilaisia aineita

Lisätiedot

SMG-4450 Aurinkosähkö

SMG-4450 Aurinkosähkö SMG-4450 Aurinkosähkö Kolmannen luennon aihepiirit Aurinkokennon ja diodin toiminnallinen ero: Puolijohdeaurinkokenno ja diodi ovat molemmat pn-liitoksia. Mietitään aluksi, mikä on toiminnallinen ero näiden

Lisätiedot

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka Luento 17.3.2016 Susanna Hurme Päivän aihe: Energian, työn ja tehon käsitteet sekä energiaperiaate (Kirjan luku 14) Osaamistavoitteet: Osata tarkastella partikkelin kinetiikkaa

Lisätiedot

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3 Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3 1 Epäyhtälöitä Aivan aluksi lienee syytä esittää luvun itseisarvon määritelmä: { x kun x 0 x = x kun x < 0 Siispä esimerkiksi 10 = 10 ja 10 = 10. Seuraavaksi listaus

Lisätiedot

Aatofunktiot ja epätarkkuus

Aatofunktiot ja epätarkkuus Aatofunktiot ja epätarkkuus Aaltofunktio sisältää tiedon siitä, millä todennäköisyydellä hiukkanen on missäkin avaruuden pisteessä. Tämä tunnelointimikroskoopilla grafiitista otettu kuva näyttää elektronin

Lisätiedot

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Luento 15: Ääniaallot, osa 2 Luento 15: Ääniaallot, osa 2 Aaltojen interferenssi Doppler Laskettuja esimerkkejä Luennon sisältö Aaltojen interferenssi Doppler Laskettuja esimerkkejä Aaltojen interferenssi Samassa pisteessä vaikuttaa

Lisätiedot

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista. YLEINEN KEMIA Yleinen kemia käsittelee kemian perusasioita kuten aineen rakennetta, alkuaineiden jaksollista järjestelmää, kemian peruskäsitteitä ja kemiallisia reaktioita. Alkuaineet Kaikki ympärillämme

Lisätiedot

Diffraktio. Luku 36. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

Diffraktio. Luku 36. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun Luku 36 Diffraktio PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman Lectures by James Pazun Johdanto Ääni kuuluu helposti nurkan taakse Myös valo voi taipua

Lisätiedot

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ] 766328A Termofysiikka Harjoitus no. 7, ratkaisut (syyslukukausi 2014) 1. Sylinteri on ympäristössä, jonka paine on P 0 ja lämpötila T 0. Sylinterin sisällä on n moolia ideaalikaasua ja sen tilavuutta kasvatetaan

Lisätiedot

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102 Mekaniikan jatkokurssi Fys10 Kevät 010 Jukka Maalampi LUENTO 8 Vaimennettu värähtely Elävässä elämässä heilureiden ja muiden värähtelijöiden liike sammuu ennemmin tai myöhemmin. Vastusvoimien takia värähtelijän

Lisätiedot

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen: Alkeishiukkaset Alkeishiukkaset Standarimalliin pohjautuen: Alkeishiukkasiin lasketaan perushiukkaset (fermionit) ja alkeishiukkasbosonit. Ne ovat nykyisen tiedon mukaan jakamattomia hiukkasia. Lisäksi

Lisätiedot

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla PERMITTIIVISYYS Johdanto Tarkastellaan tasokondensaattoria, joka koostuu kahdesta yhdensuuntaisesta metallilevystä. Siirretään varausta levystä toiseen, jolloin levyissä on varaukset +Q ja Q ja levyjen

Lisätiedot

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut: MAB - Harjoitustehtävien ratkaisut: Funktio. Piirretään koordinaatistoakselit ja sijoitetaan pisteet:. a) Funktioiden nollakohdat löydetään etsimällä kuvaajien ja - akselin leikkauspisteitä. Funktiolla

Lisätiedot

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen Luku 11 Aaltojen heijastuminen ja taittuminen Tässä luvussa käsitellään sähkömagneettisten aaltojen heijastumista ja taittumista väliaineiden rajapinnalla. Rajoitutaan monokromaattisiin aaltoihin ja oletetaan

Lisätiedot

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3 76628A Termofysiikka Harjoitus no. 1, ratkaisut (syyslukukausi 2014) 1. Muunnokset Fahrenheit- (T F ), Celsius- (T C ) ja Kelvin-asteikkojen (T K ) välillä: T F = 2 + 9 5 T C T C = 5 9 (T F 2) T K = 27,15

Lisätiedot