FYS08: Aine ja Energia
|
|
- Helmi Karjalainen
- 8 vuotta sitten
- Katselukertoja:
Transkriptio
1 FYS08: Aine ja Energia kurssin muistiinpanot Rami Nuotio päivitetty
2 Sisältö 1. Sähkömagneettinen säteily Sähkömagneettinen säteily Mustan kappaleen säteily Kvantittuminen Valosähköinen ilmiö Röntgensäteily Aaltohiukkasdualismi 5 2. Atomi ja aineen rakenne Atomimalleja Standardimalli Alkeishiukkaset Aineen rakenteen tutkimus Atomin energiatilat Spektrit Vetyatomin spektri Atomin ydin Radioaktiivisuus ja säteily Radioaktiivisuus Alfahajoaminen Beetasäteily Gammasäteily Hajoamislaki Energiaa ytimestä Ydinreaktiot Fissio Fuusio 20 1 Alkusanat Tämä moniste sisältää Seinäjoen lukion fysiikan 8. kurssin muistiinpanot, mutta ei kuitenkaan (ainakaan vielä) piirrettyjä kuvia tai kuvaajia. Jos se löytyy kirjasta, viittaan siihen KUVA, ks. kirja s. XX. Moniste on tarkoitettu käsin kirjoitettujen muistiinpanojen tueksi. Ajatus on, että jos olet ollut poissa tunnilta tai et ole ehtinyt kirjoittaa/saada selvää joistain merkinnöistä, voit kopioida muistiinpanot täältä. Muista siis kopioida kuvat ja kuvaajat kaverilta. Muistiinpanot eivät korvaa oppikirjaa, vaan tukevat ja pyrkivät selkeyttämään kirjassa käytyjä asioita. Kaikki tehtävät ovat oppikirjasta ja viittaan monisteessa myös kirjan esimerkkeihin. Kirjan tekstiä ja esimerkkejä kannattaa lukea kurssin edetessä tehtävien tekemisen lisäksi, sillä kaikkea ei tunnilla ennätetä käymään. Vielä varoitus: Monisteessa saattaa helposti olla painovirheitä! Jos jokin näyttää kummalliselta tai väärältä, se voi hyvinkin olla väärin. Vertaa silloin
3 2kaverin kanssa tunnilla kirjoitettuun ja ilmoittakaa virheestä, niin korjaan sen tekstiin.
4 1. Sähkömagneettinen säteily 1.1. Sähkömagneettinen säteily. muodostuu etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa tapahtuvien sähköja magneettikenttien värähtelyistä. sm-säteily etenee valonnopeudella c m/s. Säteilylaji riippuu aallonpituudesta λ. Kun aallonpituus pienenee, niin säteilyn frekvenssi f ja sen kuljettama energia E kasvavat. Säteilylajit pienenevän aallonpituuden mukaisessa järjestyksessä ovat: IONISOI- MATON radioaallot, mikroaallot, infrapuna, näkyvä valo, ultravioletti, IONISOIVA röntgensäteet ja gammasäteet Mustan kappaleen säteily. Kaikki kappaleet lähettävät lämpösäteilyä. Mitä korkeampi lämpötila, sitä lyhyempiä aallonpituuksia syntyy ja sitä suurempi intensiteetti kaikilla aallonpituuksilla on. Musta kappale absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn ja asettuu säteilytasapainoon ympäristönsä kanssa. Klassisen fysiikan mukaan E, kun λ 0, mutta kokeellisesti näin ei ole. (KUVA) 1.3. Kvantittuminen. Max Planckin kvanttihypoteesi v. 1900: Kappale vastaanottaa (absorboi) ja luovuttaa (emittoi) säteilyä energiapaketteina eli kvantteina. Kvantin energia on E = hf, missä h 6, Js = 4, evs on Planckin vakio ja f on säteilyn taajuus. Muista, että f = c λ. Kappaleen emittoima säteily ei ole jatkuvaa, ts. se sisältää vain tiettyjä aallonpituuksia. sm-säteilyn hiukkasen, fotonin nopeus on c, (lepo-)massa m = 0, varaus q = 0, energia on kokonaan liike-energiaa liikemäärä on E = E k = hf p = h λ. Tehtäväsarja , 1 4, 1 5, 1 6,
5 41.4. Valosähköinen ilmiö. Sähkömagneettinen säteily irrottaa metallista elektroneja. Vain riittävän suuritaajuinen (lyhytaaltoinen) säteily saa ilmiön aikaan. Pienin taajuus, rajataajuus f 0, riippuu metallista. Irtoavien elektronien määrä riippuu säteilyn intensiteetistä. Einstein: Säteilykvantin energia hf kuluu elektronin irrottamiseen, ns. irrotustyö W 0, ja elektronin kineettiseksi energiaksi. hf = W 0 + Ek max, missä E max on nopeimpien elektronien liike-energia. k Rajataajuudella f 0 fotonin energia menee kokonaan irrotustyöhön, ts. Ek max = 0 ja W 0 = hf 0 = hc λ 0. Irrotustyö on metallille ominainen (ks. MAOL s. 101). (KUVAAJA, ks. kirjan sivu 21) E max k = hf W 0 vrt. y = kx + b Irtoavat elektronit voidaan pysäyttää vastajännitteellä U, jolloin pysäytystyö nopeimmille elektroneille on eu = E max k Energian yksikkönä käytetään usein elektronivolttia. 1 ev on energiamäärä, jonka elektroni saa yhden voltin kiihdytysjännitteellä U: E k = eu = 1, C 1 V = 1, J = 1 ev Tehtäväsarja , 1 10, 1 13, 1 14, 1 15, Röntgensäteily. Röntgenputki (KUVA, ks. kirja s. 27) Katodin hehkulangalta irtoavat elektronit törmäävät suurella nopeudella anodiin ja pysähtyvät äkillisesti (suuri kiihtyvyys). Koska kiihtyvässä liikkeessä oleva varauksinen hiukkanen lähettää sm-säteilyä, syntyy jarrutussäteilyä (putkessa n. 0,1% koko energiasta menee säteilyn energiaksi, 99,9% lämmöksi). Jarrutussäteily ei riipu anodimateriaalista. Yksittäisen elektronin liike-energia menee kokonaan tai osin säteilyn energiaksi. Röntgenkvantin suurin energia on E = hf max = h c = eu, λ min
6 sillä tällöin jännitteellä U kiihdytetty elektroni on antanut kaiken liikeenergiansa säteilyenergiaksi. 5 Jarrutussäteilyssä syntyy kaikkia aallonpituuksia λ min :sta lähtien, ja sen spektri on jatkuva. λ min = hc eu. Elektroni voi myös virittää atomin. Tällöin sisemmän kuoren elektroni siirtyy ulommalle kuorelle. Kun viritystila purkautuu, atomi emittoi röntgenkvantin. Tätä sanotaan ominaissäteilyksi (karakteristiseksi säteilyksi). Ominaissäteily on ominaista anodimateriaalille. (KUVA ja KUVAAJA, ks. kirja s. 29) Siirtyminen kuorelta L kuorelle K: K α -kvantti, Siirtyminen kuorelta M kuorelle K: K β -kvantti, jne. Spektrin intensiteettipiikit aiheutuvat ominaissäteilystä. Näiden avulla voidaan tunnistaa materiaaleja Aaltohiukkasdualismi. Kaksoisrakokoe valolla ja havaittu diffraktio: valo on aaltoliikettä. (kertaa FYSIIKKA 2-3 s. 252) (KUVA, ks. kirja s. 35) Samankaltainen jakauma saadaan myös elektronisuihkulle! (ks. video). Siis hiukkaset käyttäytyvät kuin aallot. Yksittäisen hiukkasen osumakohtaa varjostimella ei voida ennustaa. Comptonin (sironta-) ilmiö (KUVA ks. kirja s. 36) Aaltomalli ei selitä aallonpituuden kasvamista, mutta jos säteily ajatellaan fotoneina: Fotoni törmää kimmoisasti elektroniin ja menettää osan energiastaan elektronin liike-energiaksi (Kimmoisa törmäys: p ja E säilyvät), joten yhtälön E = hf mukaan f pienenee ja vastaavasti λ kasvaa. Aallot käyttäytyvät kuin hiukkaset. Valon luonne on duaalinen. Sillä on siis sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia. De Broglie v. 1924: Kaikilla säteilylajeilla on hiukkas- ja aalto-ominaisuuksia.
7 6 Hiukkasta voi kuvata aaltona, jolla on ns. de Broglien aallonpituus λ = h p = h mv. Hiukkasjoukonkin etenemistä voidaan tarkastella aalto-opilla. De Broglien lait: p = h λ ja E = hf. Esimerkki. a) Elektroni liikkuu nopeudella m/s ja b) pesäpallo (m = 0,15 kg) nopeudella 200 km/h. Mikä on de Broglien aallonpituus? a) λ = h m e v = 6, Js 9, kg m/s 2, m. b) λ = h mv = 6, Js 0,15 kg 200 3,6 m/s 8, m. Tehtäväsarja , 1 34, 1 38, 1 39, Tee myös testi kirjan sivulta Atomimalleja. 2. Atomi ja aineen rakenne Thomsonin malli v. 1904: rusinakakku, jossa negatiiviset elektronit kelluvat positiivisessa taikinassa. Rutherfordin koe v. 1911: Alfahiukkaset siroavat kultakalvolta joka suuntaan. Jotta näin voisi tapahtua, atomin massan onlisi siis oltava keskittynyt positiiviseksi ytimeksi. Ydintä ympäröi elektronipilvi. Rutherfordin malli muistutti planeettajärjestelmää ei kyennyt selittämään, miten elektroni pysyi radallaan. Normaalikiihtyvyytensä takia se lähettäisi sm-säteilyä ja menettäisi energiaa, jolloin sen tulisi joutua spiraaliradalle ja syöksyä ytimeen. ei selittänyt atomin havaittua spektriä. Bohrin vetyatomimalli v. 1913: Perustana kvanttiteoria. Bohrin postulaatit vetyatomille: (1) Elektroni kiertää ydintä ympyräradalla ja
8 (2) sen pitää radallaan Coulombin voima 7 F = k Q 1Q 2, jolloin r 2 (3) sen liikeyhtälö on F = mān eli e2 r = mv2 2 r. (4) Atomilla on tietyt sallitut tilat, joilla elektroni ei lähetä sm-säteilyä keskeiskiihtyvyydestään huolimatta. (5) Atomi emittoi tai absorboi fotonin siirtyessään sallitulta tilalta toiselle. Fotonin energia E = hf = E m E n, missä E m ja E n ovat eri tiloijen energioita. Kvanttimekaaninen malli Heisenbergin epätarkkuusperiaate: Hiukkasen paikka ja nopeus on mahdotonta tuntea tai mitata samanaikaisesti tarkasti. Elektronin paikalle radan sijasta todennäköisyysjakauma, orbitaali. Ajatellaan elektroni de Broglien aaltona. Seisova aaltoliike ei lähetä energiaa (kertaa Aalto-opin kurssi), mikä selittääkin atomin sallitut tilat: Sallituilla radoilla muodostuu seisova aalto. Tämä on tilanne, jos radan pituus on aallonpituuden monikerta. (KUVA, ks. kirja s. 48) Tehtäväsarja , πr n = nλ n ja λ n = 2πr n = nh mv n r n = nh 2πmv n h mv n 2.2. Standardimalli. Perushiukkaset = kvarkit ja leptonit 3 perhettä, ks. taulukko kirjan sivulla 52. jokaisella hiukkasella antihiukkanen näkyvä aine koostuu elektronin perheen hiukkasista eli u- ja d- kvarkeista (protoni uud, neutroni ddu) Perusvuorovaikutukset ja niiden välittäjähiukkaset sähkömagneettinen vuorovaikutus fotoni vahva vuorovaikutus gluoni heikko vuorovaikutus välibosoni
9 8 (standardimalliin kuulumattomana) gravitaatiovuorovaikutus gravitoni (ei ole havaittu) Vain varauksinen hiukkanen tuntee sähkömagneettisen vuorovaikutuksen. Vastaavasti vain kvarkit tuntevat vahvan vuorovaikutuksen, heikon vuorovaikutuksen tuntevat sekä kvarkit että leptonit. Ongelmia: Miksi joillain hiukkasilla on (lepo-)massa ja toisilla ei? Selityksenä tälle ajatellaan massallisen kappaleen vuorovaikutusta ns. Higgsin kentän kanssa, mikä edellyttäisi välittäjähiukkasen, Higgsin bosonin löytämistä. Mm. tätä hiukkasta etsitään CERNissä. Neutriinon massa? Maailmankaikkeudessa on yhä paljon tuntematonta. Näkyvää ainetta arvioidaan olevan vain n. 5 %, loput ovat Pimeää ainetta (n. 25 %) Pimeää energiaa (n. 70 %) 2.3. Alkeishiukkaset. Alkeishiukkaset = perushiukkaset + hadronit + välittäjähiukkaset Hadronit = mesonit (kvarkki ja antikvarkki -parit) + baryonit (kvarkkikolmikot) Hiukkanen ja antihiukkanen (sama massa, vastakkainen varaus) annihiloituvat kohdatessaan ja syntyy säteilyä. Esimerkiksi elektroni ja positroni e + e + 2γ. Liikemäärä säilyy, joten gammakvantteja syntyy kaksi ja ne lähtevät vastakkaisiin suuntiin. Antihiukkasista syntyy antiainetta. Esimerkiksi antivety koostuu antiprotonista, jota kiertää positroni. Hiukkasten rakennetta ja vuorovaikutuksia voi tutkia hiukkaskiihdyttimillä. Tehtäväsarja , 2 8, Aineen rakenteen tutkimus. Kohdetta voidaan tutkia aaltoliikkeellä, jonka aallonpituus on pienempi kuin kohteen koko. esim. valo, röntgensäteet, elektronit de Broglien aaltoina Röntgenkristallografia tutkii aineen kiderakennetta röntgendiffraktion avulla: (KUVA ks. kirja s. 73)
10 Säteet 1 ja 2 ovat samanvaiheisia, jos niiden matkaero on aallonpituuden monikerta. (KUVA kolmio, kopioi kaverilta) 9 Matkaero = 2 AB. Kolmiosta: sin θ = AB d eli AB = d sin θ ja siten matkaero = 2d sin θ. Braggin laki: Säteily heijastuu kiteen tasoista ja säteet vahvistavat toisiaan, jos 2d sin θ = nλ, missä n on diffraktiomaksimin kertaluku, d atomitasojen välimatka, θ kiiltokulma ja λ säteilyn aallonpituus. Tehtäväsarja , Atomin energiatilat. Energiatasokaavio kuvaa atomin (elektronien) energiatiloja. KUVA ks. kirjan s. 75. (tunnilla piirretyssä enemmän asiaa!) Viritystasolta 1 tasolle 3: tarvitaan kvantti hf = E 3 E 1. Virityksen purkautuessa emittoituu fotoni. Edellisen kuvan merkinnöin: 3 2 : E f1 = E 3 E : E f2 = E 2 E : E f3 = E 3 E 1. Sopimus: Vapaan elektronin energia E = 0 ja elektronin sidottujen energia E < 0. Perustilassa on siis suurin negatiivinen energia. Franckin ja Hertzin koe (KUVA ja KUVAAJA ks. kirjan s. 77 sekä virtuaalilaborointi) U hila kiihdyttää elektroneja. Osa elektroneista päätyy anodille, jolloin syntyy anodivirta I a. Kun U hila muuttuu, niin I a muuttuu. Virta saa maksimin tasaisin jännitevälein, jonka jälkeen se vähenee voimakkaasti. Syy: elektronit virittävät Hg-atomeja ja menettävät niin paljon liike-energiaa, että ne eivät pääse enää jarrutusjännitteen yli. Maksimien määrä = viritettyjen atomien määrä / elektroni. Koe osoittaa, että atomi todellakin ottaa energiaa vastaan kvantteina. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Stimuloitu emissio, ks. kirjan kuvasarja s. 78.
11 10 Laser on laite, jossa stimuloitu emissio tuottaa koherenttia valoa (eli aalloilla on sama taajuus ja vaihe). Lasertekniikalla on valtavasti sovelluksia. Tehtäväsarja , 2 20, 2 22, 2 23, Spektrit. Spektri = säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai taajuusjakauma voi olla jatkuva (Auringonvalo, hehkulamppu) tai epäjatkuva (atomien viivaspektrit, molekyylien vyöspektrit) Emissiospektri syntyy, jos aine itse emittoi säteilyä Esim. vetykaasun emissiospektri (KUVA) Kaikki nesteet ja kiinteät aineet lähettävät jatkuvaa lämpösäteilyä. Absorptiospektri syntyy, kun kaasun atomit absorboivat jatkuvasta säteilystä vain tiettyjä aallonpituuksia. Kaasu absorboi niitä aallonpituuksia, joita se kykenee emittoimaan Vetyatomin spektri. Vetyatomin spektriviivojen aallonpituudet toteuttavat yhtälön ( 1 1 λ = R H n 1 ), 2 m 2 missä R H = 1, m on Rydbergin vakio, n = 1, 2, 3,... ja m = n + 1, n + 2, n + 3,.... Spektrisarjat ks. kuvat s. 88. Esim. Balmerin sarja (näkyvä valo) n = 2, m = 3, 4, 5,.... Oletetaan, että fotonilla on energia, joka virittää vetyatomin perustilalta viritystilaan: E f = hf = hc 1 ( 1 λ = hcr H n 1 ) 2 m 2 = hcr H hcr H = E } n{{ 2 } } m{{ 2 n ( E m ) = E m E n. } E n E m Vedyn energiatilat: E n = hcr H n 2 = 4, evs 2, m/s 1, /m n 2 = 13,6eV n 2,
12 joten perustilassa (n = 1) E 1 = 13,6 ev, 13,6 ev 1. viritystilassa (n = 2) E 2 = 2 = 3,4 ev ja yleisesti 2 E n = 13,6eV n 2. Vetyatomin ionisaatioenergia (perustilalla olevan elektronin irrottamiseen tarvittava energia) on 13,6 ev. Esim. Vetyatomi on perustilassa. Kuinka suuri energia atomille on annettava, jotta saataisiin aikaan Balmerin sarjan H α -viiva? H α -viiva vastaa siirtymää n = 3 n = 2. Tätä varten atomi pitää virittää perustilalta tilalle n = 3. E 3 = 13,6 3 ev = -1,51 ev. Tällöin 2 E f = 1,51 ev ( 13,6 ev) 12,1 ev. Tehtäväsarja , 2 30, 2 35, 2 36, 2 37, Tee myös testi s Atomin ydin Nukleoni = protonien ja neutronien yhteisnimitys Ytimen merkintä: A ZX X = aineen kemiallinen merkki, Z = järjestysluku = protonien lukumäärä, A = massaluku = protonien + neutronien lukumäärä. Saman alkuaineen isotoopeilla on sama Z mutta eri A, ts. eri määrä neutroneita. Esim. vedyn isotoopit 1 1H, 2 1H, 3 1H. Alkuaineita tunnetaan n. 250 stabiilia (pysyvää) isotooppia ja yli 2500 radioaktiivista epästabiilia isotooppia. Katso nuklidikartta (kirja s. 102) Nuklideja sitoo vahva vuorovaikutus, ydinvoima Lyhyt kantama, n m = 2 fm. Vetovoima, jos nuklidien etäisyys on 0, fm, hylkimisvoima, jos etäisyys on alle 0,4 fm. Protonien välillä on lisäksi sähköinen vuorovaikutus, joka alkaa hallita, kun etäisyys on yli 2 fm. Atomimassa = alkuaineen luonnossa esiintyvien isotooppien massojen painotettu keskiarvo atomimassayksiköissä. Atomimassayksikkö u = osa 6 C:n massasta. 1 mooli tätä hiiliisotooppia on massaltaan tasan 12 grammaa. 1 mol sisältää N A = 11
13 12 6, rakenneosaa. 1 u = ,0000 g 6, = 1, kg. Einstein: Aineella on sisäistä energiaa. Massa vastaa energiaa E = mc 2, missä c on valonnopeus tyhjiössä. 1 u:n massan sisältämä energia E = mc 2 = 1, kg (2, m/s) 2 = 1, J = 931,49 MeV. Siis massa vastaa energiaa 931,5 MeV/u. Nukleonien sitoutuessa ytimeksi vapautuu energiaa ja samalla havaitaan massavaje (massakato). Esim. 4 2He:n massa on 4,00260 u. Atomin rakenneosien yhteismassa on m = 2m p + 2m n + 2m e = 2 1, u + 2 1, u + 2 0, u = 4,03298 u Siis massaa on kadonnut 4,03298 u - 4,00260 u = 0,03038 u. Massavaje m = m p + m n + m e m atomi Ytimen sidosenergia E B on energia, joka tarvitaan ytimen purkamiseksi rakenneosiinsa. Se on yhtä suuri kuin sitoutumisessa vapautunut energia ja vastaa massavajetta Esim. Heliumilla E B = mc 2. E B = m 931,5 MeV/u = 0,03038 u 931,5 MeV/u = 28,3 MeV. Toisaalta E B = m c 2. Saadaan siis laskuja helpottava vastaavuus c 2 = 931,5 MeV/u.
14 Sidososuus = sidosenergia nukleonia kohti. 13 b = E B A, missä A = massaluku = nukleonien lukumäärä. Esim. Heliumille b = E B 28,3 MeV = 7,07 MeV/nukleoni. A 4 Sidososuus mittaa atomin pysyvyyttä: Mitä suurempi b, sitä pysyvämpi atomi. Keskiraskaat atomit (Fe, Ni) ovat pysyvimpiä. Tämä on perusta ydinenergian vapautumiselle sekä fuusiossa että fissiossa.(ks. kuvaaja s. 108) Tehtäväsarja , 3 2, 3 5, 3 6, 3 7, 3 9, 3 10, 3 15, Radioaktiivisuus ja säteily 4.1. Radioaktiivisuus. Pysymättömät ytimet hajoavat itsestään (spontaanisti) lähettäen samalla ydinsäteilyä, joka on aina ionisoivaa säteilyä (neutronisäteily välillisesti): Hiukkassäteilylajit Alfasäteily Beetasäteily Neutronisäteily Gammasäteily Spontaanissa hajoamisessa vapautuu reaktioenergia tai hajoamisenergia, jota vastaa massavaje m = m emoydin (m tytärydin m tuotteet ) > 0. Huom! Massat ovat ytimien massoja, m ydin m atomi m elektronit. Reaktioenergia Q = mc 2. Radioaktiivisessa hajoamisessa ytimen sidosenergiaa vapautuu hajoamistuotteiden liike-energiana ja gammasäteilyn energiana. Ydinreaktiossa kuten hajoamisessa säilyvät sähkövaraus, massaluku (nukleonien lukumäärä), energia, liikemäärä ja
15 14 pyörimismäärä Alfahajoaminen. Ydin emittoi α-hiukkasen eli 4 2 He-ytimen. Reaktioyhtälö (energia voidaan jättää merkitsemättä): Esim. A ZX α A 4 Z 2 Y + 4 2He (+Q) Bi α Tl + 4 2He U α Th + 4 2He Po α Pb + 4 2He Lasketaan viimeisen reaktion Q: m( Po) = 208, u 84m e m( Pb) = 204, u 82m e m( 4 2He) = 4, u 2m e m = m(po) (m(pb) + m(he)) = 208, u 84m e (204, u 82m e + 4, u 2m e ) = = 0, u. Q = mc 2 = 0, u 931,5 MeV/u 4,977 MeV. Alfahiukkasen energia on kvantittunut: Energia voi saada vain tiettyjä arvoja. Ytimen energiatilat ovat siis myös kvantittuneita. Ytimen energiatasot (ks. kirja s. 121). Ydin lähettää gammasäteilyä siirtyessään viritystilasta toiseen tai perustilaan. Alfasäteily menettää energiansa ionisoimalla väliaineen atomeja. Läpäisykyky eli kantama on lyhyt: n. 0,1 mm paperia, n. 5 cm ilmaa Beetasäteily. Tapahtuu heikon vuorovaikutuksen seurauksena: Kvarkit muuttuvat toisikseen, eli u d, jolloin p n. Samalla emittoituu hiukkasia. Beetasäteilyn spektri on jatkuva. (1) β -hajoaminen. Ydin emittoi elektronin e ja antineutriinon ν. Reaktioyhtälö A ZX A Z+1 Y + 1 e + 0 ν.
16 Ytimessä n p + e + ν, joista p jää ytimeen, e ja ν emittoituvat. Esim Bi 213 β 84 P o + e + ν. (2) β + -hajoaminen. Ydin emittoi positronin e + ja neutriinon ν. Reaktioyhtälö Ytimessä A ZX A Z 1 Y + 1 e ν. p n + e + + ν, joista n jää ytimeen, e + ja ν emittoituvat. Esim N 13 β+ 6 C + e + + ν. Neutriinon varaus = 0, massa 0, nopeus c ja spinluku = 1 2. Sen vuorovaikutus aineen kanssa on erittäin heikko. (3) Elektronisieppaus (EC) Ydin sieppaa elektronin joltain atomin sisimmistä kuorista (yleensä K-kuorelta) Reaktioyhtälö Ytimessä A ZX + e A Z 1 Y N ν. p + e n + ν. Elektroninkaappauksen seurauksena elektronikuorelle jää aukko. Kun elektroniaukko täyttyy, syntyy karakteristista röntgensäteilyä. (KUVAAJA, jarrutussäteilyn spektri ja ominaissäteilyn spektripiikit. Huom! Jarrutussäteilyä EI synny EC:ssä) Beetasäteilyn energia ei ole kvantittunut, mutta (β + ν):n on. Beetasäteily menettää energiaansa ionisoimalla tai virittämällä atomeja. jarrutussäteilynä. β + -hiukkanen (e + ) annihiloituu osuessaan elektroniin, jolloin syntyy gammasäteilyä: e + + e 2γ β -hiukkasen (e ) rata on törmäysten takia murtoviiva. Kantama on n mm alumiinia ja n m ilmaa. 15
17 16 Myös beetahajoamisessa tytärydin voi jäädä viritystilaan. Tehtäväsarja , 4 21, 4 24, 4 25, 4 26, 4 27, 4 28, Gammasäteily. Ytimen lähettämää lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä. Aallonpituusalue on osittain päällekäin röntgensäteilyn kanssa, jonka syntytapa on erilainen. Esimerkki (KUVA, ei ole kirjassa, kopioi kaverilta!) Gammasäteily on hyvin läpitunkevaa, eikä sillä ole mitään tiettyä kantamaa. Kuitenkin Säteilyn intensiteetti I = P A = säteilyteho pinta-ala väliaineessa vähenee eksponentiaalisesti. Mittaamalla on havaittu, että I = µi x, missä µ = matkavaimennuskerroin, I = saapuvan säteilyn intensiteetti ja x = väliainekerroksen paksuus. Jos I ja x ovat pieniä, niin voidaan kirjoittaa di = µidx. Tämä on separoituva differentiaaliyhtälö. Separoituna se saa muodon di I = µdx. Integroidaan (Muista, että 1dx = ln x) I x x di I 0 I = µdx 0 ln I ln I 0 = µx ln I I 0 = µx I I 0 = e µx I = I 0 e µx. Heikennyslaki I = I 0 e µx,
18 missä I 17 0 = saapuvan säteilyn intensiteetti, I läpipäässeen säteilyn intensiteetti, µ = matkavaimennuskerroin ja x = ainekerroksen paksuus. d 1/2 = puoliintumispaksuus = väliaineen paksuus, missä gammasäteilyn intensiteetti puolittuu eli I = 1 2 I 0. (Tehtävä: Laske d 1/2 ratkaisemalla x eo. lausekkeesta.) Gammasäteily menettää energiaansa (1) valosähköisessä ilmiössä (vallitseva ilmiö pienillä γ-energioilla) (2) Comptonin sirontailmiössä (vallitseva ilmiö keskisuurilla γ-energioilla) (3) Parinmuodostuksessa (vallitseva ilmiö suurilla γ-energioilla) Parinmuodostus on käänteinen tapahtuma annihilaatiolle: Läheltä ydintä kulkeva riittävän suurienerginen fotoni voi muuttua hiukkas-antihiukkaspariksi, yleensä elektroniksi ja positroniksi γ e + e + E k,e + E k,e +. Fotonin energia on oltava tällöin vähintään 1,022 MeV. Huom! Elektronin (ja positronin) massa vastaa energiaa E = m e c 2 = 0, u 931,49 MeV/u 511 kev. (4) absorboituessaan ytimeen. Tehtäväsarja , 4 34, 4 36, 4 38, Hajoamislaki. Radioaktiiviset aineet muuttuvat ajan kuluessa pysyviksi alkuaineiksi. Hajoaminen tapahtuu välivaiheiden kautta (hajoamisketjut). Esim. uraani- 238, ks. kirja s Yksittäisen ytimen hajoamista ei voida ajoittaa, mutta suuren ydinjoukon käyttäytymistä voidaan ennustaa. Hajoamisen nopeutta kuvaa puoliintumisaika T 1/2. Jos alussa on N 0 ydintä, niin ajan T 1/2 kuluttua ytimiä on N = 1 2 N 0. Mittaamalla on havaittu, että N = λn t, missä N = hajonneiden ytimien lkm, λ = hajoamisvakio, N aktiivisten ytimien lkm ja t hajoamisaika << T 1/2.
19 18 λ on ytimelle ominainen vakio, joka kuvaa ytimen hajoamisen todennäköisyyttä aikayksikössä. Integroidaan N = λn t: Hajoamislaki N t dn N 0 N = µdt 0 ln N ln N 0 = µt ln N N 0 = µt N N 0 = e µt N = N 0 e µt. N = N 0 e µt. Puoliintumisaika voidaan ratkaista yhtälöstä N = N 0 e µt = 1 2 N 0 Siis λt 1/2 = ln 1 2 T 1/2 = ln 1 2 λ = ln 1 ln 2 λ = ln 2 λ. T 1/2 = ln 2 ln 2 ja λ =. λ T 1/2 Hajoamislaki voidaan siis esittää myös muodossa N = N 0 e λt = N 0 e ln 2 T t 1/2 = N0 (e ln 2 ) N = N 0 2 t T 1/2 Aineen aktiivisuus A vähenee hajoamisen myötä A = N t = N t A = 1 1 s = 1 Becquerel = 1 Bq. Lyhyellä aikavälillä dt saadaan (derivoimalla) joten hetkellä t A(t) = dn 0e λt dt t T 1/2 = ( λ) N } 0 {{ e λt } = λn. N(t) A = A(t) = λn.
20 Alussa A 0 = λn 0, joten A = λn = λn 0 e λt ja 19 A = A 0 e λt. Radiohiiliajoitus perustuu kuolleen elävän organismin radioaktiivisen hiili-14 isotoopin (T 1/ vuotta) suhteellisen osuuden vähenemiseen. Tehtäväsarja , 4 50, 4 52, 4 54, Tehtäväsarja , 4 58, 4 59, 4 63, 4 65, Testi s Ydinreaktiot. 5. Energiaa ytimestä Ytimiä voidaan muuttaa toisiksi ytimiksi pommittamalla niitä hiukkasilla, esim N + 4 2He 17 8 O + 1 1H Usein eo. reaktio kirjoitetaan muodossa 14 7 N(α,p) 17 8 O, missä sulkujen ulkopuolella vasemmalla on lähtöydin ja oikealla puolella tuloydin, ja sulkujen sisällä vasemmalla on pommittava hiukkanen ja oikealla poistuva hiukkanen. 7 8Li(p,γ) 8 4Be Muista, että ydinreaktiossa säilyvät massalukujen summa, järjestyslukujen summa = varaus, kokonaisenergia ja liikemäärä. Jos ydinreaktiossa massavaje m on positiivinen, niin energiaa vapautuu eli reaktio on eksoerginen. negatiivinen, niin energiaa sitoutuu eli reaktio on endoerginen. Esim. Vapautuuko vai sitoutuuko energiaa reaktiossa 9 4Be(α,n) 12 6 C? Lähtöaineiden massojen summa m(be) + m(he) = 9, u + 4, u = 13, u ja tuotteiden massojen summa m n + m(c) = 1, u + 12, = 13, Massavaje m = m lähtö m tuotteet = 0, u > 0 eli energiaa vapautuu. Hiukkaskiihdyttimillä saadaan aikaan myös endoergisia reaktioita, kun liike-energia riittää ylittämään ns. Coulombin vallin. Raskaita ytimiä pommitettaessa syntyy uraania raskaampia transuraaneja.
21 Fissio. Fissiossa raskas ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi, esimerkiksi U + 1 0n Ba Kr n. Fissioreaktiosta saatavalla energialla toimivat nykyiset ydinreaktorit ja -pommit. Esim. Uraani-235 halkeamisessa m 0,22 u ja Q 200 MeV. Ketjureaktiossa neutroni hajottaa ytimen, josta vapautuvat neutronit hajottavat uusia ytimiä. Voimalassa ydinpolttoaine on sijoitettu siten, että keskimäärin 1 neutroni jatkaa reaktiota. Näin saadaan aikaan hallittu reaktio Fuusio. Fuusiossa kevyet ytimet yhtyvät raskaammiksi. Esimerkiksi 2 1H + 3 1H 4 2He + 1 0n + 17,6 MeV. Ytimien välisen sähköisen poistovoiman takia reaktio vaatii korkean lämpötilan. Fuusioreaktio vastaa Auringon energiantuotannosta ja vetypommien tehosta. Auringon protoniketju: 1 1H H 0 2 1H 1 + e + + ν 2 1H H 0 3 2He 1 + γ 2 3 2He H He 2. Tehtäväsarja , 5 8, 5 9, 5 12.
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)
LisätiedotAtomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N
Atomin ydin ytimen rakenneosia, protoneja (p + ) ja neutroneja (n) kutsutaan nukleoneiksi Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N saman
LisätiedotFysiikka 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
LisätiedotFY8_muistiinpanot. Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. 10. marraskuuta 2013 10:00
FY8 Sivu 1 FY8_muistiinpanot 10. marraskuuta 2013 10:00 Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. FY8 Sivu 2 Sähkömagneettinen säteily s. 5 11.
Lisätiedotperushiukkasista 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
LisätiedotMAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET
MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET KAIKKI HAVAITTAVA ON AINETTA TAI SÄTEILYÄ 1. Jokainen rakenne rakentuu pienemmistä rakenneosista. Luonnon rakenneosat suurimmasta pienimpään galaksijoukko
LisätiedotYdin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1
Ydin- ja hiukkasfysiikka 04: Harjoitus 5 Ratkaisut Tehtävä a) Vapautunut energia saadaan laskemalla massan muutos reaktiossa: E = mc = [4(M( H) m e ) (M( 4 He) m e ) m e ]c = [4M( H) M( 4 He) 4m e ]c =
Lisätiedot766334A 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
Lisätiedot3.1 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
Lisätiedotfissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö
YDINVOIMA YDINVOIMALAITOS = suurikokoinen vedenkeitin, lämpövoimakone, joka synnyttämällä vesihöyryllä pyöritetään turbiinia ja turbiinin pyörimisenergia muutetaan generaattorissa sähköksi (sähkömagneettinen
LisätiedotLeptonit. - 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
LisätiedotKvanttifysiikan 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.
LisätiedotTeoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta
Teoreetikon kuva Teoreetikon kuva hiukkasten hiukkasten maailmasta maailmasta ja ja maailmankaikkeudesta maailmankaikkeudesta Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto Lapua 5. 5. 2012 Miten
Lisätiedot2.2 RÖNTGENSÄTEILY. (yli 10 kv).
11 2.2 RÖNTGENSÄTEILY Erilaisiin sovellutustarkoituksiin röntgensäteilyä synnytetään ns. röntgenputkella, joka on anodista (+) ja katodista () muodostuva tyhjiöputki, jossa elektrodien välille on kytketty
LisätiedotLuento Ydinfysiikka. Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot
Luento 3 7 Ydinfysiikka Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot Ytimien ominaisuudet Ydin koostuu nukleoneista eli protoneista ja neutroneista Ydin on
LisätiedotYdinfysiikkaa. Tapio Hansson
3.36pt Ydinfysiikkaa Tapio Hansson Ydin Ydin on atomin mittakaavassa äärimmäisen pieni. Sen koko on muutaman femtometrin luokkaa (10 15 m), kun taas koko atomin halkaisija on ångströmin luokkaa (10 10
LisätiedotIonisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016
Tapio Hansson 20. lokakuuta 2016 Milloin säteily on ionisoivaa? Milloin säteily on ionisoivaa? Kun säteilyllä on tarpeeksi energiaa irrottaakseen aineesta elektroneja tai rikkoakseen molekyylejä. Milloin
Lisätiedot2. 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
LisätiedotAtomien rakenteesta. Tapio Hansson
Atomien rakenteesta Tapio Hansson Ykköskurssista jo muistamme... Atomin käsite on peräisin antiikin Kreikasta. Demokritos päätteli alunperin, että jatkuva aine ei voi koostua äärettömän pienistä alkeisosasista
Lisätiedotn=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1
10.1 RÖNTGENSPEKTRI Kun kiihdytetyt elektronit törmäävät anodiin, syntyy jatkuvaa säteilyä sekä anodimateriaalille ominaista säteilyä (spektrin terävät piikit). Atomin uloimpien elektronien poistamiseen
LisätiedotA Z X. Ydin ja isotoopit
Ydinfysiikkaa Ydin ja isotoopit A Z X N Ytimet koostuvat protoneista (+) ja neutroneista (0): nukleonit (Huom! nuklidi= tietty ydinlaji ) Ydin pysyy kasassa, koska vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama vetävä
LisätiedotAlkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:
Alkeishiukkaset Alkeishiukkaset Standarimalliin pohjautuen: Alkeishiukkasiin lasketaan perushiukkaset (fermionit) ja alkeishiukkasbosonit. Ne ovat nykyisen tiedon mukaan jakamattomia hiukkasia. Lisäksi
LisätiedotKemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö
Kemia 3 op Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut Kurssin sisältö 1. Peruskäsitteet ja atomin rakenne 2. Jaksollinen järjestelmä,oktettisääntö 3. Yhdisteiden nimeäminen 4. Sidostyypit 5. Kemiallinen
LisätiedotVIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT
VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT Radioaktiivisessa hajoamisessa on neljä perusmuotoa: fissio alfahajoaminen betahajoaminen sisäinen siirtymä Viime vuosikymmeninä on havaittu paljon harvinaisempiakin
LisätiedotOsallistumislomakkeen 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:
LisätiedotYdin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1
Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus Ratkaisut Tehtävä i) Isotoopeilla on sama määrä protoneja, eli sama järjestysluku Z, mutta eri massaluku A. Tässä isotooppeja keskenään ovat 9 30 3 0 4Be ja 4 Be, 4Si,
LisätiedotHiukkasfysiikan 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
Lisätiedotraudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.
Vinkkejä tenttiin lukemiseen Virallisesti kurssin kirjoina on siis University Physics ja Eisberg&Resnick, mutta luentomoniste paljastaa, mitä olen pitänyt tärkeänä, joten jos et ymmärrä luentomuistiinpanojen
LisätiedotHajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)
Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360) Jarmo Ala-Heikkilä, VIII/2017 Useissa tämän kurssin laskutehtävissä täytyy ensin muodostaa tilannekuva: minkälaista säteilyä lähteestä tulee, mihin se kohdistuu,
LisätiedotSäteily ja suojautuminen Joel Nikkola
Säteily ja suojautuminen 28.10.2016 Joel Nikkola Kotitehtävät Keskustele parin kanssa aurinkokunnan mittakaavasta. Jos maa olisi kolikon kokoinen, minkä kokoinen olisi aurinko? Jos kolikko olisi luokassa
LisätiedotHiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan
LisätiedotMODERNIA FYSIIKKAA, SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIÄ YO-TEHTÄVIEN LAAJENNUKSINA
2009 pietarsaaren lukio Vesa Maanselkä MODERNIA FYSIIKKAA, SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIÄ YO-TEHTÄVIEN LAAJENNUKSINA Yo-kirjoituksissa usein kysyttyjen aiheiden kertausta Aiheittain niputettuja yo-tehtäviä
LisätiedotLIITE 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,
LisätiedotHiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson
Hiukkasfysiikkaa Tapio Hansson Aineen Rakenne Thomson onnistui irrottamaan elektronin atomista. Rutherfordin kokeessa löytyi atomin ydin. Niels Bohrin pohdintojen tuloksena elektronit laitettiin kiertämään
LisätiedotValosähköinen 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
LisätiedotPerusvuorovaikutukset. Tapio Hansson
Perusvuorovaikutukset Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Vuorovaikutukset on perinteisesti jaettu neljään: Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Sähköheikkoteoria
LisätiedotHiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet
Kati Lassila-Perini Fysiikan tutkimuslaitos Miksi hiukkasia kiihdytetään? Miten hiukkasia kiihdytetään? Mitä törmäyksessä tapahtuu? Miten hiukkasia mitataan? Esitys hiukkasfysiikan näkökulmasta, vastaavia
LisätiedotTehtävien ratkaisut. Heikki Lehto Raimo Havukainen Jukka Maalampi Janna Leskinen FYSIIKKA 8. Aine ja säteily. Sanoma Pro Oy Helsinki
Tehtävien ratkaisut Heikki Lehto Raimo Havukainen Jukka Maalampi Janna Leskinen FYSIIKKA 8 Aine ja säteily Sanoma Pro Oy Helsinki Sisällys Johdantotehtävien ratkaisut... 4 1 Säteily ja kvantit... 6 Atomi
LisätiedotAtomimallit. 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
LisätiedotKertaustehtävien ratkaisut
Kertaustehtävien ratkaisut Etsi tehtävissä 1 1 oikea vaihtoehto laskealla. 1. a) Kvantin energia on E hf 15 1 4,135669 1 evs,3 1 Hz 1, ev.. a) Valosähköisessä iliössä osa valon energiasta kuluu fotoelektronien
Lisätiedot55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY
55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY 55.1 Radioaktiivinen hajoaminen ja säteily Atomin ydin koostuu sähkövaraukseltaan positiivisista protoneista ja neutraaleista neutroneista hyvin tiheästi pakkautuneina (ytimen
LisätiedotPerusvuorovaikutukset. Tapio Hansson
Perusvuorovaikutukset Tapio Hansson Perusvuorovaikutukset Vuorovaikutukset on perinteisesti jaettu neljään: Gravitaatio Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Vahva vuorovaikutus Sähköheikkoteoria
LisätiedotMitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN
Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN 17. helmikuuta 2011 ENERGIA JA HYVINVOINTI TANNER-LUENTO 2011 1 Mistä energiaa saadaan? Perusenergia sähkö heikko paino vahva
LisätiedotModerni fysiikka (Fysiikan kurssi 8) Juhani Kaukoranta Raahen lukio
Moderni fysiikka (Fysiikan kurssi 8) Juhani Kaukoranta Raahen lukio Klassisen fysiikan kriisi 1800-luvun loppupuolella fysiikassa kaikki oli selvää: Newtonin mekaniikka selitti liikkeen aukottomasti Maxwellin
LisätiedotFysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012
Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Aine koostuu atomeista Nimitys tulee sanasta atomos = jakamaton (400 eaa, Kreikka) Atomin kuvaamiseen käytetään atomimalleja Pallomalli
Lisätiedot766326A 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
LisätiedotMustan 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
Lisätiedot6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA
6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA Atomin elektronirakenne tunnettiin paljon ennen ytimen rakenteen tuntemista: elektronien irrottamiseen atomista tarvitaan paljon pienempiä energioita (muutamia ev)
LisätiedotVoima 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)
LisätiedotInfrapunaspektroskopia
ultravioletti näkyvä valo Infrapunaspektroskopia IHMISEN JA ELINYMPÄ- RISTÖN KEMIAA, KE2 Kertausta sähkömagneettisesta säteilystä Sekä IR-spektroskopia että NMR-spektroskopia käyttävät sähkömagneettista
LisätiedotAtomimallit. 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
LisätiedotRöntgenkuvaus, digitaalinen kuvaus ja tietokonetomografia
Röntgenkuvaus, digitaalinen kuvaus ja tietokonetomografia Hyvinvointiteknologian koulutusohjelma 1 Saatteeksi... 2 1. Atomi- ja röntgenfysiikan perusteita... 2 Sähkömagneettinen säteily...3 Valosähköinen
LisätiedotYdinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa
Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa Ari Virtanen Professori Jyväskylän yliopisto Fysiikan laitos/kiihdytinlaboratorio ari.j.virtanen@jyu.fi Sisältö Alkutaival Sädehoito Radiolääkkeet Terapia
LisätiedotSUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa
SUPER- SYMMETRIA Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa Teemu Löyttinen & Joni Väisänen Ristiinan lukio 2008 1. Sisällysluettelo 2. Aineen rakenteen standardimalli
LisätiedotHiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto
Hiukkasfysiikka Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto Nobelin palkinto hiukkasfysiikkaan 2013! Robert Brout (k. 2011), Francois Englert, Peter
LisätiedotKvanttisointi 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?
LisätiedotAineen rakenteesta. Tapio Hansson
Aineen rakenteesta Tapio Hansson Ykköskurssista jo muistamme... Atomin käsite on peräisin antiikin Kreikasta. Demokritos päätteli alunperin, että jatkuva aine ei voi koostua äärettömän pienistä alkeisosasista
LisätiedotSäteily- ja ydinturvallisuus -kirjasarjan toimituskunta: Sisko Salomaa, Tarja K. Ikäheimonen, Roy Pöllänen, Anne Weltner, Olavi Pukkila, Wendla Paile, Jorma Sandberg, Heidi Nyberg, Olli J. Marttila, Jarmo
LisätiedotATOMIFYSIIKAN LUKIO-OPETUKSESTA JA JALOKAASUJEN TUTKIMISESTA ELEKTRONISPEKTROSKOPIAA KÄYTTÄEN
ATOMIFYSIIKAN LUKIO-OPETUKSESTA JA JALOKAASUJEN TUTKIMISESTA ELEKTRONISPEKTROSKOPIAA KÄYTTÄEN PRO GRADU -TUTKIELMA MARJUT PARRILA OULUN YLIOPISTO FYSIKAALISTEN TIETEIDEN LAITOS 005 Sisällysluettelo 1.
LisätiedotRadioaktiivinen hajoaminen
radahaj2.nb 1 Radioaktiivinen hajoaminen Radioaktiivinen hajoaminen on ilmiö, jossa aktivoitunut, epästabiili atomiydin vapauttaa energiaansa a-, b- tai g-säteilyn kautta. Hiukkassäteilyn eli a- ja b-säteilyn
LisätiedotFRANCKIN JA HERTZIN KOE
FYSP106/2 Franckin ja Hertzin koe 1 FYSP106/2 FRANCKIN JA HERTZIN KOE Työssä mitataan elohopea-atomin erään viritystilan energia käyttäen samantyyppistä koejärjestelyä, jolla Franck ja Hertz vuonna 1914
Lisätiedot4. ATOMI. Kuva atomista?
4. ATOMI Kuva atomista? 4. ATOMIN RAKENNE YDIN 8-luvun lopulla useimmat tutkijat jo uskoivat, että materiaalit koostuvat atomeista pienistä jakamattomista osista 898 J.J. Thomson löysi elektronit ja esitti
LisätiedotValo ja muu sähkömagneettinen säteily
Valo ja muu sähkömagneettinen säteily Valon luonne Valon luonne on yksi kvanttimekaniikan omituisuuksista. Joissakin tilanteissa valo käyttäytyy kuin aaltoliike, toisissa kuin hiukkaset. Valoaallot eivät
Lisätiedotelektroni = -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
LisätiedotSuhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson
Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa Tapio Hansson Laskentoa SI-järjestelmä soveltuu hieman huonosti kvantti- ja hiukaksfysiikkaan. Sen perusyksiköiden mittakaava
Lisätiedot3. 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
LisätiedotFYSN300 Nuclear Physics I. Välikoe
Välikoe Vastaa neljään viidestä kysymyksestä 1. a) Hahmottele stabiilien ytimien sidosenergiakäyrä (sidosenergia nukleonia kohti B/A massaluvun A funktiona). Kuvaajan kvantitatiivisen tulkinnan tulee olla
LisätiedotTäydellinen klassinen fysiikka 1900
KVANTTIFYSIIKAN TUTKIMUSALA: Aineen atomirakenne Elektronitilat Aineen sähköiset ja kemialliset ominaisuudet Sähkömagneettisen kentän kvantittuminen Sähkömagneettisen säteilyn ja aineen vuorovaikutus,
LisätiedotZ 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2
766328A Termofysiikka Harjoitus no., ratkaisut (syyslukukausi 24). Klassisen ideaalikaasun partitiofunktio on luentojen mukaan Z N! [Z (T, V )] N, (9.) missä yksihiukkaspartitiofunktio Z (T, V ) r e βɛr.
LisätiedotTURUN 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
LisätiedotErityinen 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
Lisätiedot1240eV 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
LisätiedotSÄTEILEVÄ KALLIOPERÄ OPETUSMATERIAALIN TEORIAPAKETTI
SÄTEILEVÄ KALLIOPERÄ OPETUSMATERIAALIN TEORIAPAKETTI 1 Sisällysluettelo 1. Luonnossa esiintyvä radioaktiivinen säteily... 2 1.1. Alfasäteily... 2 1.2. Beetasäteily... 3 1.3. Gammasäteily... 3 2. Radioaktiivisen
Lisätiedoteriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.
Fysiikan laboratoriotyöohje Tietotekniikan koulutusohjelma OAMK Tekniikan yksikkö TYÖ 5: RADOAKTVSUUSTYÖ Teoriaa Radioaktiivista säteilyä syntyy, kun radioaktiivisen aineen ytimen viritystila purkautuu
Lisätiedot3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS
35 3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS Säteilyn hiukkaset ja kvantit vuorovaikuttavat aineen rakenneosasten kanssa. Vuorovaikutusten aiheuttamat prosessit voivat muuttaa aineen rakennetta ja ominaisuuksia,
LisätiedotSÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY JA SEN VUOROVAIKUTUS MATERIAN KANSSA
SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY JA SEN VUOROVAIKUTUS MATERIAN KANSSA PRO GRADU -TUTKIELMA HENRIK VAHTOLA OULUN YLIOPISTO FYSIKAALISTEN TIETEIDEN LAITOS OULU 2000 Alkusanat Kiitän professori Helena Akselaa ja
LisätiedotCERN-matka
CERN-matka 2016-2017 UUTTA FYSIIKKAA Janne Tapiovaara Rauman Lyseon lukio http://imglulz.com/wp-content/uploads/2015/02/keep-calm-and-let-it-go.jpg FYSIIKKA ON KOKEELLINEN LUONNONTIEDE, JOKA PYRKII SELITTÄMÄÄN
LisätiedotYDIN- JA SÄTEILYFYSIIKAN PERUSTEET
1 YDIN- JA SÄTEILYFYSIIKAN PERUSTEET Jorma Sandberg ja Risto Paltemaa SISÄLLYSLUETTELO 1.1 Atomi- ja ydinfysiikan peruskäsitteitä... 12 1.2 Radioaktiivinen hajoaminen... 19 1.3 Ydinreaktiot ja vaikutusala...
LisätiedotTKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe 31.5.2006, malliratkaisut ja arvostelu.
1 Linja-autoon on suunniteltu vauhtipyörä, johon osa linja-auton liike-energiasta siirtyy jarrutuksen aikana Tätä energiaa käytetään hyväksi kun linja-autoa taas kiihdytetään Linja-auto, jonka nopeus on
LisätiedotAineen 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
LisätiedotLinssin 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
LisätiedotKokeellisen 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
LisätiedotAtomi- ja ydinfysiikka -verkkokurssin toteuttaminen
Atomi- ja ydinfysiikka -verkkokurssin toteuttaminen Janne Klemola Oulun yliopisto Fysiikan tutkinto-ohjelma Pro gradu -tutkielma Toukokuu 2017 Sisältö Johdanto 1 1 Kurssin asiasisältö 2 1.1 Sähkömagneettisten
LisätiedotVastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.
Valintakoe 2016/FYSIIKKA Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa. Boltzmannin vakio 1.3805 x 10-23 J/K Yleinen kaasuvakio 8.315 JK/mol
LisätiedotKertausta 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
LisätiedotAlkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella
IHMISEN JA ELINYMPÄRISTÖN KEMIAA, KE2 Alkuaineen suhteellinen atomimassa Kertausta: Isotoopin määritelmä: Saman alkuaineen eri atomien ytimissä on sama määrä protoneja (eli sama alkuaine), mutta neutronien
LisätiedotWien 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
LisätiedotYdinfysiikka. Luento. Jyväskylän synklotroni. Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley.
Ydinfysiikka Atomin ydin kuuluu silmillemme näkymättömään maailmaan, mutta ydinfysiikan ilmiöt ovat osa modernia teknologiaa. Esim ydinvoima, ydinfysiikan käyttö lääketieteessä, ydinjätteet. Luennon tavoite:
LisätiedotMIKKELIN 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
Lisätiedot2. 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
LisätiedotLuvun 8 laskuesimerkit
Luvun 8 laskuesimerkit Esimerkki 8.1 Heität pallon, jonka massa on 0.40 kg seinään. Pallo osuu seinään horisontaalisella nopeudella 30 m/s ja kimpoaa takaisin niin ikään horisontaalisesti nopeudella 20
LisätiedotSäteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen. Tapio Hansson
Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen Tapio Hansson Ionisoiva säteily Milloin säteily on ionisoivaa? Kun säteilyllä on tarpeeksi energiaa irrottaakseen aineesta elektroneja tai rikkoakseen molekyylejä.
LisätiedotTehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki).
TYÖ 68. GAMMASÄTEILYN VAIMENEMINEN ILMASSA Tehtävä Välineet Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki). Radioaktiivinen mineraalinäyte
LisätiedotREAKTIOT 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
LisätiedotMekaniikan 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
Lisätiedot763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017
763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Keät 207. Rekyyli Luentomonisteessa on käsitelty tilanne, jossa hiukkanen (massa M) hajoaa kahdeksi hiukkaseksi (massat m ja m 2 ). Tässä käytetään
LisätiedotShrödingerin yhtälön johto
Shrödingerin yhtälön johto Tomi Parviainen 4. maaliskuuta 2018 Sisältö 1 Schrödingerin yhtälön johto tasaisessa liikkeessä olevalle elektronille 1 2 Schrödingerin yhtälöstä aaltoyhtälöön kiihtyvässä liikkeessä
LisätiedotFYS01: Fysiikka luonnontieteenä
FYS01: Fysiikka luonnontieteenä kurssin muistiinpanot Rami Nuotio päivitetty 29.10.2009 Sisältö 1. Johdanto 3 1.1. Mitä fysiikka on? 3 1.2. Miksi fysiikkaa? 3 2. Mittaaminen 3 2.1. Suure 3 2.2. Yksikönmuunnoksia
LisätiedotZ = VARAUSLUKU eli JÄRJESTYSLUKU (= protoniluku) N = NEUTRONILUKU A = NUKLEONILUKU; A = N + Z (= neutr. lkm + prot. lkm)
SÄTEILY YTIMET JA RADIOAKTIIVISUUS ATOMI -atomin halkaisija 10-10 m -ytimen halkaisija 10-14 m ATOMIN OSAT: 1) YDIN - protoneja (p) ja neutroneja (n) 2) ELEKTRONIVERHO - elektroneja (e - ) - protonit ja
LisätiedotFYSA242 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