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)

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi Kvantittuminen Planckin kvanttihypoteesi Kappale vastaanottaa ja luovuttaa säteilyä vain tietyn suuruisina energia-annoksina eli kvantteina Kappaleen emittoima säteily ei ole jatkuvaa (kvantittuminen)

Lisätiedot

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017 Kvanttifysiikan perusteet 207 Harjoitus 2: ratkaisut Tehtävä Osoita hyödyntäen Maxwellin yhtälöitä, että tyhjiössä magneettikenttä ja sähkökenttä toteuttavat aaltoyhtälön, missä aallon nopeus on v = c.

Lisätiedot

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

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä 39 PUOLIJOHTEISTA Yleistä Pyrittäessä löytämään syy kiinteiden aineiden erilaiseen sähkön johtavuuteen joudutaan perehtymään aineen kidehilassa olevien atomien elektronisiin energiatiloihin. Seuraavassa

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

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio): Fysiikan laboratorio Työohje 1 / 5 Optiikan perusteet 1. Työn tavoite Työssä tutkitaan valon kulkua linssisysteemeissä ja perehdytään interferenssi-ilmiöön. Tavoitteena on saada perustietämys optiikasta

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

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

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

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

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

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

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista "Perhaps a thing is simple if you can describe it fully in several different ways without immediately knowing that you are describing the same thing."

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

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi 8. Hiukkasfysiikka Hiukkasfysiikka kuvaa luonnon toimintaa sen perimmäisellä tasolla. Hiukkasfysiikan avulla selvitetään maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä. Tutkimuskohteena ovat atomin ydintä pienemmät

Lisätiedot

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Aineen olemuksesta Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Miten käsitys aineen perimmäisestä rakenteesta on kehittynyt aikojen kuluessa? Mitä ajattelemme siitä nyt? Atomistit Loogisen päättelyn

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

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia 16. helmikuuta 2014/S.. Mikä on kovalenttinen sidos? Kun atomit jakavat ulkoelektronejaan, syntyy kovalenttinen sidos. Kovalenttinen sidos on siis

Lisätiedot

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

ja KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA ja KVANTTITEORIA 1 MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA Fysiikka WYP2005 ja KVANTTITEORIA 24.1.2006 WYP 2005

Lisätiedot

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet: Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet: PALKKIANTURI Työssä tutustutaan palkkianturin toimintaan ja havainnollistetaan sen avulla pienten ainepitoisuuksien havainnointia. Työn mittaukset on jaettu kolmeen osaan,

Lisätiedot

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila

d sinα Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 8: SPEKTROMETRITYÖ I Optinen hila Optisessa hilassa on hyvin suuri määrä yhdensuuntaisia, toisistaan yhtä kaukana olevia

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

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA KERTAUSTA REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 Aineiden ominaisuudet voidaan selittää niiden rakenteen avulla. Aineen rakenteen ja ominaisuuksien väliset riippuvuudet selittyvät kemiallisten sidosten avulla. Vahvat

Lisätiedot

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe 28.5.2014, malliratkaisut

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe 28.5.2014, malliratkaisut A1 Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 014 Insinöörivalinnan fysiikan koe 8.5.014, malliratkaisut Kalle ja Anne tekivät fysikaalisia kokeita liukkaalla vaakasuoralla jäällä.

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

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA 5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA eli miten reunaehdot ja normitus vaikuttavat aaltofunktioihin Yleensä Schrödingerin yhtälön ratkaiseminen matemaattisesti on hyvin työlästä ja edellyttää vahvaa matemaattista

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

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV = S-47 ysiikka III (ST) Tentti 88 Maksimiaallonpituus joka irroittaa elektroneja metallista on 4 nm ja vastaava aallonpituus metallille on 8 nm Mikä on näiden metallien välinen jännite-ero? Metallin työfunktio

Lisätiedot

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q Coulombin laki Kahden pistemäisen varatun hiukkasen välinen sähköinen voima F on suoraan verrannollinen varausten Q 1 ja Q 2 tuloon ja kääntäen verrannollinen etäisyyden r neliöön F = k Q 1Q 2 r 2, k =

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

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

Atomimallit. Tapio Hansson

Atomimallit. Tapio Hansson Atomimallit Tapio Hansson Atomin käsite Atomin käsite on peräisin antiikin Kreikasta. Filosofi Demokritos päätteli (n. 400 eaa.), että äärellisen maailman tulee koostua äärellisistä, jakamattomista hiukkasista

Lisätiedot

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT HILA JA PRISMA MIKKO LAINE 9. toukokuuta 05. Johdanto Tässä työssä muodostamme lasiprisman dispersiokäyrän ja määritämme työn tekijän silmän herkkyysrajan punaiselle valolle. Lisäksi

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

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen Mene osoitteeseen presemo.helsinki.fi/kontro ja vastaa kysymyksiin Tavoitteena tällä luennolla Miten määritetään voima kun potentiaalienergia U(x,y,z)

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

Fy06 Koe 20.5.2015 Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Fy06 Koe 20.5.2015 Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7 Fy06 Koe 0.5.015 Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7 alitse kolme tehtävää. 6p/tehtävä. 1. Mitä mieltä olet seuraavista väitteistä. Perustele lyhyesti ovatko väitteet totta vai tarua. a. irtapiirin hehkulamput

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

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

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3. Ohjeita: Tee jokainen tehtävä siististi omalle sivulleen/sivuilleen. Merkitse jos tehtävä jatkuu seuraavalle konseptille. Kirjoita ratkaisuihin näkyviin tarvittavat välivaiheet ja perustele lyhyesti käyttämästi

Lisätiedot

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti Tehtävä 1 Selitä lyhyesti: a Mikä on Einsteinin ja Debyen kidevärähtelymallien olennainen ero? b Mikä ero vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa on kanonisella

Lisätiedot

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA 1 SEISOVA AALTOLIIKE MOTIVOINTI Työssä tutkitaan poikittaista ja pitkittäistä aaltoliikettä pitkässä langassa ja jousessa. Tarkastellaan seisovaa aaltoliikettä. Määritetään aaltoliikkeen etenemisnopeus

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

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä Kertausta 1.kurssista Hiilen isotoopit 1 Isotoopeilla oli ytimessä sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja. Ne käyttäytyvät kemiallisissa

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

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

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka 1 766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 4 Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 01 6 Radioaktiivisuus Kuva 1 esittää radioaktiivisen aineen ydinten lukumäärää

Lisätiedot

Mikroskooppisten kohteiden

Mikroskooppisten kohteiden Mikroskooppisten kohteiden lämpötilamittaukset itt t Maksim Shpak Planckin laki I BB ( λ T ) = 2hc λ, 5 2 1 hc λ e λkt 11 I ( λ, T ) = ε ( λ, T ) I ( λ T ) m BB, 0 < ε

Lisätiedot

Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI

Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI Fysiikan laitos, kevät 2009 Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI Valon diffraktioon perustuvia hilaspektrometrejä käytetään yleisesti valon aallonpituuden määrittämiseen. Tätä prosessia kutsutaan

Lisätiedot

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 TIETOTEKNIIKKA / SALO FYSIIKAN LABORATORIO V1.5 12.2007

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 TIETOTEKNIIKKA / SALO FYSIIKAN LABORATORIO V1.5 12.2007 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 Työ 24AB S4h. LASERTYÖ JA VALON SPEKTRIN ANALYSOINTI TYÖN TARKOITUS LASERTYÖ Lasereita käytetään esimerkiksi tiedonsiirrossa, analysoinnissa ja terapiassa ja työstämisessä.

Lisätiedot

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä: FY6 SÄHKÖ Tavoitteet Kurssin tavoitteena on, että opiskelija ymmärtää sähköön liittyviä peruskäsitteitä, tutustuu mittaustekniikkaan osaa tehdä sähköopin perusmittauksia sekä rakentaa ja tutkia yksinkertaisia

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

Infrapunaspektroskopia

Infrapunaspektroskopia ultravioletti näkyvä valo Infrapunaspektroskopia IHMISEN JA ELINYMPÄ- RISTÖN KEMIAA, KE2 Kertausta sähkömagneettisesta säteilystä Sekä IR-spektroskopia että NMR-spektroskopia käyttävät sähkömagneettista

Lisätiedot

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ Työssä perehdytään johteissa ja tässä tapauksessa erityisesti puolijohteissa esiintyvään Hallin ilmiöön, sekä määritetään sitä karakterisoivat Hallin vakio, varaustiheys

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

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

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE

3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE 3. MATERIALISTISTEN HIUKKASTEN AALTOLUONNE 3.1. DE BROGLIE AALLOT 1905: Aaltojen hiukkasominaisuudet 1924: Hiukkasten aalto-ominaisuudet: de Broglien hypoteesi Liikkuvat hiukkaset käyttäytyvät aaltojen

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

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri

Kvanttimekaniikka: Luento 2. Mar$kainen Jani- Petri Kvanttimekaniikka: Luento 2 Mar$kainen Jani- Petri Assarointimainos Fyssa tarvitsee assareita Noin 30 euroa tun$+ lisiä tyypillises$ n. 4h/viikko, muba voi olla enemmän/vähemmän Opintosuoritukset+ lyhyt

Lisätiedot

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist Elektroniikka Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist Kurssin sisältö Sähköopin perusteet Elektroniikan perusteet Sähköturvallisuus ja lainsäädäntö Elektroniikka musiikkiteknologiassa Suoritustapa

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

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

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus värähtelytiheyden. 1 Funktiot ja aallot Aiemmin käsiteltiin funktioita ja miten niiden avulla voidaan kuvata fysiikan

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

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi Physica 9. painos (0) RATKAST. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi RATKAST:. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi. a) Vaihtovirran tehollinen arvo on yhtä suuri kuin sellaisen tasavirran arvo, joka tuottaa vastuksessa

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

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

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

Lisätiedot

KVANTTITELEPORTAATIO. Janne Tapiovaara. Rauman Lyseon lukio

KVANTTITELEPORTAATIO. Janne Tapiovaara. Rauman Lyseon lukio KVANTTITELEPORTAATIO Janne Tapiovaara Rauman Lyseon lukio BEAM ME UP SCOTTY! Teleportaatio eli kaukosiirto on scifi-kirjailijoiden luoma. Star Trekin luoja Gene Roddenberry: on huomattavasti halvempaa

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

Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne.

Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne. Kiteinen aine Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne. Kiteinen aine on hyvä erottaa kiinteästä aineesta, johon kuuluu myös

Lisätiedot

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä Physica 9 1. painos 1(6) : 19.1 a) Magneettivuo määritellään kaavalla Φ =, jossa on magneettikenttää vastaan kohtisuorassa olevan pinnan pinta-ala ja on magneettikentän magneettivuon tiheys, joka läpäisee

Lisätiedot

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ 9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ Jo vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev muotoili ajatuksen alkuaineiden jaksollisesta laista: Jos alkuaineet laitetaan järjestykseen atomiluvun mukaan, alkuaineet,

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

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

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

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus S-114.1427 Harjoitus 3 29 Yleisiä ohjeita Ratkaise tehtävät MATLABia käyttäen. Kirjoita ratkaisut.m-tiedostoihin. Tee tuloksistasi lyhyt seloste, jossa esität laskemasi arvot sekä piirtämäsi kuvat (sekä

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka 1 76633A Ydin- ja hiukkasfysiikka Luentomonistetta täydentävää materiaalia: 3 5-3 Kuorimalli Juhani Lounila Oulun yliopisto, Fysiikan laitos, 011 Kuva 7-13 esittää, miten parillis-parillisten ydinten ensimmäisen

Lisätiedot

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33: 1.2 T=12000 K 10 2 T=12000 K 1.0 Wien R-J 10 0 Wien R-J B λ (10 15 W/m 3 /sterad) 0.8 0.6 0.4 B λ (10 15 W/m 3 /sterad) 10-2 10-4 10-6 10-8 0.2 10-10 0.0 0 200 400 600 800 1000 nm 10-12 10 0 10 1 10 2

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

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät Ongelma: Tähdet ovat kaukana... Objektiivi Esine Objektiivi muodostaa pienennetyn ja ylösalaisen kuvan Tarvitaan useita linssejä tai peilejä! syys 23 11:04 Galilein

Lisätiedot

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän 3. MAGNEETTIKENTTÄ Magneettikenttä Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän Havaittuja magneettisia perusilmiöitä: Riippumatta magneetin muodosta, sillä on aina

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

KULJETUSSUUREET Kuljetussuureilla tai -ominaisuuksilla tarkoitetaan kaasumaisen, nestemäisen tai kiinteän väliaineen kykyä siirtää ainetta, energiaa, tai jotain muuta fysikaalista ominaisuutta paikasta

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

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

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

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

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017 SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017 Viikko Aihe kirjan luku Viikko 1 Sähköken>ä, pistevaraukset 14 Viikko 2 Varausjakauman sähköken>ä 16 Viikko 2 Sähköinen poteniaalienergia ja poteniaali 17 Viikko 3 Sähköken>ä

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

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

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto 5 INTERFEROMETRI 5.1 Johdanto Interferometrin toiminta perustuu valon interferenssiin. Interferenssillä tarkoitetaan kahden tai useamman aallon yhdistymistä yhdeksi resultanttiaalloksi. Kuvassa 1 tarkastellaan

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

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot S-1146 Fysiikka V (ES) Tentti 165005 1 välikokeen alue 1 a) Rubiinilaserin emittoiman valon aallonpituus on 694, nm Olettaen että fotonin emissioon tällä aallonpituudella liittyy äärettömän potentiaalikuopan

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

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013 766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013 Luennot n. 46 tuntia Torstaisin 8-10 sali IT116 Perjantaisin 8-10 sali L6 Poikkeuksia: to 19.9. luento vain 8-9 to 17.10. luento vain 8-9 to 14.11. luento vain 8-9

Lisätiedot