MOLEKYYLIFYSIIKAN OPETUKSESTA SEKÄ KEMIALLISEN SIDOKSEN VAIKUTUKSESTA MOLEKYYLIEN AUGER-ELEKTRONISPEKTREIHIN
|
|
- Viljo Mattila
- 8 vuotta sitten
- Katselukertoja:
Transkriptio
1 MOLEKYYLIFYSIIKAN OPETUKSESTA SEKÄ KEMIALLISEN SIDOKSEN VAIKUTUKSESTA MOLEKYYLIEN AUGER-ELEKTRONISPEKTREIHIN PRO GRADU -TUTKIELMA SAKARI MIKKONEN OULUN YLIOPISTO FYSIKAALISTEN TIETEIDEN LAITOS 2005
2 Sisällysluettelo 1. Johdanto Molekyylifysiikan opetuksesta Lukion kirjojen esittely Kirjojen vertailua Kemiallinen sidos lukiossa Molekyylifysiikka Oulun yliopiston fysiikan ainekursseilla Lukiosta yliopistoon Atomin monielektronimalli Elektroniset tilat Atomin elektronisten tilojen kytkentämallit LS-kytkentä jj-kytkentä Molekyylit Kemiallinen sidos Kovalentti sidos Ionisidos Metallisidos Van der Waals vuorovaikutus Vetysidos Samanytimiset kaksiatomiset molekyylit Eriytimiset kaksiatomiset molekyylit Molekyylien vibraatio- ja rotaatiotilat Molekyylien spektritermit Elektronisista siirtymistä Viritys ja ionisaatio
3 5.2. Auger-siirtymä Auger-siirtymän nimeäminen Auger-siirtymän valintasäännöt Elektroniset siirtymät molekyyleissä Molekyylifysiikan tutkimuksesta Elektronispektroskopia Elektronispektrometri Elektronispektrometri SES Jalokaasujen Auger-spektrien rakenne Ne:n KLL-Auger-elektronispektrin rakenne Ar:n ja Kr:n Auger-spektrien rakenne HF-molekyylin KLL-Auger-spektrin rakenne Kemiallisen sidoksen vaikutus molekyylien Auger-elektronispektreihin XF-molekyylit XCl-molekyylit XBr-molekyylit Teoreettisten ja kokeellisten arvojen vertailua Yhteenveto...56 Viitteet...58 Liitteet 2
4 1. Johdanto Atomien ja molekyylien tutkimus muodostaa perustan mm. monille lääketieteen, elektroniikan ja nanoteknologian sovellutuksille. Elektronispektroskopian avulla voidaan tutkia atomien ja molekyylien elektroniverhon rakennetta. Kokeellisessa tutkimuksessa näytettä pommitetaan fotoneilla tai hiukkasilla, jonka seurauksena näytteestä irtoaa elektroneja. Irronneiden elektronien energiajakauma mitataan ja saadaan elektronispektri. Elektronispektroskopiassa, niinkuin fysiikassa yleensäkin, pyritään rakentamaan teoreettinen malli, joka vastaa mahdollisimman hyvin kokeellisia tuloksia. Kokeellisia tuloksia verrataan teoreettisiin laskelmiin ja vertailun avulla voidaan tarkentaa sekä kokeellisia että teoreettisia menetelmiä. Tässä tutkielmassa käsitellään molekyylifysiikan opetusta ja tutkimusta. Fysiikan opiskelu alkaa jo lukiossa, missä fysiikkaa opetetaan lähinnä klassisesta näkökulmasta. Klassisen fysiikan tuntemus luo pohjan modernille fysiikalle, jossa huomioidaan myös suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka. Yliopiston fysiikan opetuksessa painottuu moderni fysiikka, sillä tutkimuksessa vaaditaan jo syvällistä modernin fysiikan tuntemusta. Tutkielman aluksi käsitellään molekyylifysiikan opetusta lukiossa ja vertaillaan eri oppikirjasarjojen kirjojen sisältöjä ja esitystapoja. Lisäksi käydään läpi molekyylifysiikan opetusta Oulun yliopistossa ja vertaillaan lukion ja yliopiston opetuksen tasoeroja. 3
5 Tämän jälkeen esitellään molekyylifysiikkaan liittyviä approksimaatioita ja teorioita. Liikkeelle lähdetään monielektronisesta atomista ja sen mahdollisista elektronitiloista sekä elektronien kytkennöistä. Seuraavaksi siirrytään kaksiatomisen molekyylin rakenteen, elektronitilojen ja elektronien kytkentöjen kuvaukseen ja käydään yleisesti läpi elektroniset siirtymät ja tarkemmin normaali- Auger-siirtymä. Loppuosassa esitellään elektronispektroskopia tutkimusalana, elektronispektrometrin periaatteet ja Oulun yliopistossa käytössä oleva elektronispektrometri. Tämän jälkeen selitetään jalokaasujen ja molekyylien Auger-elektronispektrien syntymekanismia ja rakennetta. Lopuksi tutkitaan kemiallisen sidoksen vaikutusta molekyylien Auger-elektronispektreihin ja verrataan kokeellisia ja teoreettisia arvoja toisiinsa. Tutkielman johtopäätökset ja tulokset esitetään yhteenvedossa. 4
6 2. Molekyylifysiikan opetuksesta Tässä kappaleessa käsitellään molekyylifysiikan opetusta lukiossa ja Oulun yliopiston fysiikan aineopintojaksoissa. Lisäksi arvioidaan opetuksen tasoeroja lukion ja yliopiston välillä Lukion kirjojen esittely Lukion oppimäärään sisältyy yhdeksän kurssia fysiikkaa, joista yksi kurssi käsittelee modernia fysiikkaa. Lukion yksi kurssi vastaa noin yhtä opintoviikkoa yliopistossa. Lukion fysiikan opetuksessa käytetään tällä hetkellä viiden eri kirjasarjan kirjoja, Lukion fysiikka: Moderni fysiikka [1],Galilei 8: Moderni fysiikka [2], Fotoni 8: Moderni fysiikka [3], Fysiikka 5: Moderni fysiikka ja Atomista avaruuteen: Moderni fysiikka [4]. Myös kemian oppimäärään sisältyy modernia fysiikkaa molekyylifysiikan ja aineen rakenteen osalta. Kemian opetuksessa on käytössä kuuden eri kirjasarjan kirjoja, Mooli 1: Lukion kemia peruskurssi [5], Kide 1: Kemia - kokeellinen luonnontiede [6], Katalyytti: Peruskurssi [7], Kemian maailma 1: Kemia - kokeellinen luonnontiede, Dipoli 1: kokeellinen luonnontiede ja Kemia 1. Kahdessa fysiikan kirjasarjassa, Fysiikka ja Atomista avaruuteen, ei molekyylifysiikkaa käsitellä lainkaan. Kemian kirjasarjat vaikuttivat alustavan tutkimuksen mukaan melko yhteneviltä ja sen takia tässä työssä analysoidaan 5
7 vain kolmen kirjasarjan kirjoja, Mooli 1: Lukion kemia peruskurssi, Kide 1: Kemia - kokeellinen luonnontiede ja Katalyytti: Peruskurssi. Kirjojen tarkempi analyysi on tutkielman liitteenä (liite 1) Kirjojen vertailua Laajimmin molekyylifysiikasta on kirjassa Fotoni 8: Moderni fysiikka, jossa sitä käsitellään noin 22 sivua. Lukion fysiikka: Moderni fysiikka, käsittelee aihetta noin 12 sivua ja Galilei 8: Moderni fysiikka, käsittelee aihetta noin 4 sivua. Fysiikka 5: Moderni fysiikka ja Atomista avaruuteen: Moderni fysiikka, eivät käsittele aihetta lainkaan. Kirjojen sisällöissä ja esitystavoissa on suuria eroja. Fotoni on erittäin teoreettinen ja raskaslukuinen kirja, joka ei halua jättää mitään epäselväksi. Kirja sisältää paljon kaavoja ja niiden johtamisia. Kemiallinen sidos käsitellään melko suppeasti, mutta molekyylien energiatilat esitetään monimutkaisemmin kuin yliopiston atomifysiikan kurssilla. Lukion fysiikka on myös suhteellisen teoreettinen, mutta ei niin raskaslukuinen kuin Fotoni. Kirja ei sisällä juurikaan kaavoja, vaan asiat pyritään selittämään. Galilei esittelee asiat lyhyesti ja yksinkertaisesti pyrkien siihen, että pääasiat tulevat ymmärretyksi. Näistä kirjoista Lukion fysiikka soveltuu parhaiten molekyylifysiikan opetukseen lukiossa. [1,2,3] Kemian kirjoissa perusasiat esitellään lähes yhtenevästi jokaisessa kirjasarjassa. Kirjojen sivumäärät vaihtelevat 8-18 sivun välillä. Esitystapa on kaikissa kirjoissa samankaltainen. Teoria on fysiikan kirjoja (Fotoni ja Lukion fysiikka) yksinkertaisempaa, mutta asiat tulevat selkeästi esitettyä. Mooli käsittelee kyseistä aihetta yhtäjaksoisesti ja Kide ja Katalyytti tasaisesti hajoteltuna pitkin kirjaa. [5,6,7] 6
8 Kemiallinen sidos lukiossa Kemiallista sidosta käsitellään tässä työssä tarkemmin kappaleessa 4. Niissä kolmessa fysiikan kirjasarjassa, joihin sisältyi molekyylifysiikkaa, kaikissa käsiteltiin kemiallista sidosta. Fotoni selittää ioni- sekä kovalentin sidoksen, mutta jättää muut sidostyypit huomiotta. Lukion fysiikka käy selkeästi ja järjestelmällisesti läpi ioni-, kovalenttisen ja vetysidoksen. Van der Waalsin vuorovaikutuksen se esittää vetysidoksen kaltaisena sidoksena. Galilei jakaa sidokset neljään eri tyyppiin, kovalentti-, metalli-, sähköisiin- ja Van der Waalsin sidoksiin. Ioni- ja vetysidos kuuluvat sähköisiin sidoksiin. Kemian kirjasarjoissa ioni-, kovalentti ja metallisidos selitetään kaikissa kirjoissa samalla tavalla. Mooli ja Katalyytti esittelevät myös dipolin syntymisen ja vetysidoksen. Katalyytti selittää lisäksi Van der Waalsin vuorovaikutuksen. [1,2,3,5,6,7] 2.3. Molekyylifysiikka Oulun yliopiston fysiikan ainekursseilla Yliopiston fysiikan opiskelijoille tarkoitetuissa aineopinnoissa molekyylifysiikkaa sisältyy kahteen kurssiin, Atomifysiikka (766362A 3 ov) [8], ja Aineen rakenne (766330A 4 ov) [9]. Atomifysiikan kurssilla molekyylifysiikka rajoittuu kemialliseen sidokseen ja yksinkertaisimpien molekyylien energiatiloihin. Teoria ja laskut ovat huomattavasti vaikeampia kuin lukiossa johtuen kvanttimekaanisesta lähestymistavasta. [8] Aineen rakenteen kurssilla kemiallinen sidos käydään pääpiirteittäin ja muuten keskitytään kiderakenteisiin. Molekyylifysiikka ei ole kurssin pääasia ja asiat esitetään lähes yhtä yksinkertaisesti kuin lukion kirjoissa. [9] 7
9 2.4. Lukiosta yliopistoon Fysiikan opiskelijoilla voi olla hyvinkin eritasoiset tiedot molekyylifysiikasta lukion jälkeen riippuen käytössä olleesta kirjasarjasta. Kemiallinen sidos kuuluu kaikille lukiolaisille pakolliseen kemian kurssiin ja se on ainoa molekyylifysiikan asia, joka opetetaan kaikille lukiolaisille. [1,2,3,5,6,7] Aineen rakenteen kurssilla kemiallinen sidos käsitellään hyvin yksinkertaisesti ja lyhyesti eikä aikaisemmilla molekyylifysiikan tiedoilla ole merkitystä. Atomifysiikan kurssilla atomien teoria käsitellään kattavasti ja molekyylien teoriaan siirrytään tämän pohjalta. Tälle kurssille riittää pohjatiedoiksi lukiossa opetettava atomifysiikka, joka käydään pääpiirteittäin läpi jokaisessa kirjasarjassa. [8,9] 8
10 3. Atomin monielektronimalli Atomien ja molekyylien monimutkaista rakennetta kuvataan yksinkertaistetuilla teoreettisilla malleilla. Bohrin atomimallissa (kuva 1) negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät positiivisesti varautunutta ydintä tietyillä tarkasti määrätyillä radoilla, joilla kullakin on omat energiatilansa. Kvanttimekaanisen atomimallin atomiorbitaali vastaa analogisesti Bohrin atomimallin elektronin rataa, mutta atomiorbitaali ilmaisee vain elektronin todennäköisimmän sijainnin. Kyseisessä mallissa elektronien tilat määritellään kvanttiluvuilla n, l, m l ja m s. Pääkvanttiluku n määrää orbitaalien energian ja koon. Kaikki tilat, jotka liittyvät samaan n:n arvoon muodostavat kuoren. Kuoret nimetään K,L,M,... kuoriksi vastaten n:n arvoja 1,2,3,.... [10,11] Kuva 1. Bohrin atomimalli. [4] 9
11 Elektronin rataliikkeeseen liittyvä impulssimomentti L on kvantittunut siten, että L = l( l +1)h, (1) missä l on orbitaalin muotoa ja elektronin rataimpulssimomenttia kuvaava sivukvanttiluku, joka riippuu n:stä saaden arvot l = 0,1,2,...,n-1. (2) Kvanttiluvun l mukaan jaetaan kuoret alikuoriin, joita merkitään s, p, d,... vastaten l:n arvoja 0, 1, 2,.... Alikuoret merkitään kvanttilukua n vastaavalla numerolla ja kvanttilukua l vastaavalla kirjaimella. Yläindeksillä merkitään montako elektronia alikuorella on: esim 1s 2 tai 2p 4. [10,11,12] Taulukko 1. Kvanttiluvut ja niiden sallitut arvot. [11,12] Kvanttiluku Sallitut arvot n 1,2,3,... l 0,1,2,,n-1 m l s m s l, -l+1,...,l-1, l ½ -½ ja ½ Jos atomi on ulkoisessa magneettikentässä, elektronin ratimpulssimomentti kvantittuu kentän suunnassa. Magneettikentän suuntainen rataimpulssimomentin L komponentti on L z = m l h, (3) missä m l on magneetinen kvanttiluku saaden arvot 10
12 m l = l, -l+1,...,l-1, l. (4) Elektronin pyörimisliikettä itsensä ympäri eli spiniä on määritelty kuvaamaan kvanttiluku s, joka voi saada vain arvon ½. Spinin asentoa ulkoisen magneettikentän suhteen kuvataan kvanttiluvulla m s, joka saa arvot -½ ja ½ (taulukko 1). Kuva 2. Orbitaalien täyttymisjärjestys. [12] Vetyatomilla on vain yksi elektroni ja sen orbitaalit ovat degeneroituneita siten, että niiden energia riippuu vain kvanttiluvusta n. Atomeilla, joilla on useampi elektroni, energia riippuu myös kvanttiluvusta l, johtuen elektronien välisistä vuorovaikutuksista. Orbitaalien täyttymisjärjestyksen määrää keveillä atomeilla (pienillä järjestysluvun Z arvoilla) pääkvanttiluku n. Raskaammilla atomeilla n:n kasvaessa orbitaalien energia riippuu voimakkaammin sivukvanttiluvusta l, joten 11
13 osa orbitaaleista täyttyy epäsäännöllisesti. [13,14] Orbitaalien täyttymisjärjestys esitetään järjestysluvun Z funktiona kuvassa Elektroniset tilat Atomin ollessa perustilassa elektronit sijoittuvat kvanttilukujen määräämille radoille siten, että saavutetaan pienin mahdollinen energia. Elektronien sijoittumista rajoittaa Paulin kieltösääntö, jonka mukaan kahdella eri elektronilla ei voi olla samaa kvanttilukujen yhdistelmää. Elektronien mahdolliset tilat esitetään taulukossa 2. Tilojen lukumäärä on kuorella 2n 2 ja alikuorella 2(2l+1). [11,12] Taulukko 2. Elektronien mahdolliset tilat. [11] n Kuori l symboli m l m s Tilojen lkm 1 K 0 s 0 ± 1/ L 0 s 0 ± 1/2 2 1 p -1,0,1 ± 1/ s 0 ± 1/2 2 3 M 1 p -1,0,1 ± 1/ d -2,-1,0,1,2 ± 1/ s 0 ± 1/2 2 4 N 1 p -1,0,1 ± 1/2 6 2 d -2,-1,0,1,2 ± 1/ f -3,-2,-1,0,1,2,3 ± 1/2 14 Atomin energiatilaa voidaan kuvata elektronikonfiguraatiolla, josta käy ilmi miten elektronit ovat jakautuneet eri alikuorille. Konfiguraatiossa kirjoitetaan kaikkien alikuorten miehitykset eli elektronien lukumäärät peräkkäin. Esimerkiksi natriumin perustilan elektronikonfiguraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1. Tavallisesti kuitenkin jätetään 12
14 Taulukko 3. Atomien perustilojen elektronikonfiguraatiot. [15] 13
15 täydet kuoret merkitsemättä ja natriumin konfiguraatio voidaan merkitä 3s, kuten käy ilmi taulukosta 3. Alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä atomit järjestetään niiden elektronikuorten rakenteen mukaan siten, että alkuaineen paikka osoittaa kuinka pitkälle elektronikuoret ovat täyttyneet. [15] 3.2. Atomin elektronisten tilojen kytkentämallit Elektronin rataimpulssimomenttia kuvataan kvanttiluvulla l ja spinimpulssimomenttia kvanttiluvulla s ja koko atomin rata- ja spinimpulssimomentteja merkitään L:llä ja S:llä. Täydellä kuorella impulssimomentit summautuvat nollaksi ja vajaalla kuorella summa on nollasta poikkeava. Kun atomilla on vajaita elektronikuoria, voidaan sen elektronikonfiguraatio muodostaa monella eri tapaa siten, että tuloksena ovat erilaiset L:n ja S:n arvot. Tämä tarkoittaa, että samaan konfiguraatioon kuuluu tiloja, joilla on eri energian arvoja. Näitä eri L:n ja S:n arvoja omaavia tiloja kutsutaan spektritermeiksi. Ne kuvaavat energiatasojen silpoutumista avoinkuorisilla atomeilla. Spektritermit voidaan määrittää käyttäen LS- tai jjkytkentää tai näiden yhdistelmää eli intermediate-kytkentää. Kytkennässä huomioidaan vain vajaiden alikuorten elektronit ja elektronien sijasta voidaan kytkeä myös aukkoja. Aukkojen kytkeminen on järkevää, jos kuori on enemmän kuin puoleksi täynnä. [10,12] LS-kytkentä LS-kytkentä eli Russel-Saunders kytkentä on käyttökelpoinen erityisesti kevyillä atomeilla, joilla Coulombin vuorovaikutus on selvästi spin-rata vuorovaikutusta suurempi. LS-kytkennässä muodostetaan ensin yksittäisten elektronien rataimpulssimomenteista resultanntivektori L 14
16 L (5) = li ja spinimpulssimomenteista resultanttivektori S S s. (6) = i Tämän jälkeen lasketaan kokonaisimpulssimomentti J, joka saadaan L :n ja S :n vektorisummana J = L + S. (7) Vaikka kytkettävät suureet ovat vektoreita, niin käytännössä kytkentä suoritetaan vastaavilla kvanttiluvuilla L, S ja J. LS-kytkennässä tiloja merkitään termisymbolilla 2S+1 L J, (8) missä yläindeksiä 2S+1 kutsutaan multiplisiteetiksi. Kvanttiluvun L arvo ilmoitetaan isoilla kirjaimilla siten, että S = 0, P = 1, D = 2, F = 3, G = 4, H = 5,.... Kahta elektronia kytkettäessä kvanttiluku L, S ja J voivat saada arvot L = l 1 +l 2, l 1 +l 2-1, l 1 +l 2-2,..., l 1 -l 2, (9) S = s 1 +s 2, s 1 +s 2-1,..., s 1 -s 2, (10) J = L+S, L+S-1, L+S-2,..., L-S. (11) J:tä muodostettaessa on lisäksi huomioitava Paulin kieltosääntö, jonka mukaan ekvivalenttien elektronien (eli samalla alikuorella <=> sama n ja sama l) kytkennässä L:n ja S:n suoran summan täytyy olla parillinen. Esimerkiksi piin perustilan elektronikonfiguraatio on 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2. Nyt muut kuoret ovat 15
17 täynnä ja 3p-kuorella on kaksi ekvivalenttia elektronia, joille l 1 = l 2 = 1 ja s 1 = s 2 = ½. Aluksi kytketään rataimpulssimomentit L = l 1 +l 2, l 1 +l 2-1, l 1 +l 2-2,..., l 1 -l 2 = 1+1, 1+1-1, 1-1 (12) = 0,1,2 ja spinimpulssimomentit S = s 1 +s 2, s 1 +s 2-1,..., s 1 -s 2 = ½+½,½ -½ (13) = 0,1. Koska elektronit ovat ekvivalentteja, kokonaisimpilssimomenttia J laskettaessa huomioidaan sääntö L+S = parillinen. Nyt huomioidaan parit (L = 0, S = 0), (L = 1, S = 1) ja (L = 2, S = 0), joista saadaan J = L±S = 0±0 = 0 = 1±1 = 0,1,2 (14) = 2±0 = 2. Näistä saadaan spektritermit 1 S 0, 3 P 0, 3 P 1, 3 P 2 ja 1 D 2. Termien suhteelliset energiat saadaan Hundin säännöistä [10,11,12]: 1. Sääntö Atomin eri termeistä korkeimman multiplisiteetin omaavalla termillä on matalin energia. 2. Sääntö Saman multiplisiteetin omaavista termeistä suurimman L:n arvon omaavalla on pienin energia. 16
18 3. Sääntö Saman termin eri J:n arvoista antaa pienin pienimmän energian, jos kuori on vähemmän kuin puoleksi täytetty. Jos kuori on enemmän kuin puoleksi täytetty, antaa suurin J pienimmän energian. Jos kuori on puoleksi täynnä, saadaan vain yksi energiataso. Piin perustilan 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 spektritermit esitetään energioiden mukaan järjestettynä kuvassa 3. Suurimman energian omaava termi on ylimpänä. [15] Coulomb + Spin-rata Kuva 3. Kahden ekvivalentin p-elektronin muodostamat energiatilat. Tämänkaltainen elektronitilarakenne esiintyy mm. Si-atomissa. Ensimmäinen sarake vasemmalta ottaa huomioon vain sähköstaattiset monielektroniefektit. Toisessa sarakkeessa on edellisen lisäksi mukana spin-rata vuorovaikutus. [15] jj-kytkentä Raskailla atomeilla kuoret ovat kaukana toisistaan ja siksi spin-rata vuorovaikutus voittaa Coulombin vuorovaikutuksen selvästi. Tämän takia on syytä käyttää jj-kytkentää, jossa muodostetaan ensin yksittäisten elektronien rata- ja spinimpulssimomenteista elektronin kokonaisimpulssimomentti j 17
19 j = l + s, (15) ja muodostetaan sitten atomin kokonaisimpulssimomentti = ji J. (16) Tarkastellaan esimerkkinä seleenin perustilan elektronikonfiguraatiota 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 4. Nyt ainoa vajaa kuori on 4p, jolta puuttuu kaksi elektronia. Tässä tapauksessa on yksinkertaisempaa kytkeä aukkoja kuin elektroneja, koska kuori on enemmän kuin puoleksi täynnä. Aukot ovat ekvivalentteja elektronien kanssa ja nyt l 1 = l 2 = 1 ja s 1 = s 2 = ½, joista seuraa j = l + s, l + s 1,..., l s, j 1 1,1 1 1,2 = = 1 2, 1 3. (17) Tässä tapauksessa kokonaisimpulssimomentin mahdolliset arvot ovat J = j, j j. (18) 1 + j2 j1 + j2 1,..., 1 2 Nyt täytyy vielä huomioida, että Paulin kieltosäännön mukaan J:n täytyy olla parillinen, jos kyseessä on ekvivalentit elektronit tai aukot. Jos j = j 1 2, niin J = 0 tai 1. Aukot ovat ekvivalentteja, joten vain J = 0 on 1 2 = mahdollinen. Jos j 1 ja j 3, niin = 2 2 J 1 tai 2. 1 = 2 = Jos j = j 3 2, niin J = 0,1,2 tai 3. Aukot ovat ekvivalentteja, joten vain J = 0 tai 1 2 = 2 ovat mahdollisia. 18
20 Saadaan yhteensä viisi tilaa, 4 p p => J = 0, p p => J = 1,2, p p => J = 0, Atomien mahdolliset energiatilat voidaan esittää myös kvanttiluvun j avulla. Taulukosta 4 nähdään kuinka kuoret nimetään alikuoriin j:n arvojen mukaan. Kun verrataan taulukkoa 4 taulukkoon 2, nähdään kuinka p-,d-,f-,... kuoret jakaantuvat kahtia. [11,12,14] Taulukko 4. Atomien elektronitilat j-kvanttilukujen avulla esitettynä. [14] Kuori K L M n l alikuori L 1 L 2 L 3 M 1 M 2 M 3 M 4 M j m j ± 1 2 ± ± 2 2 kuori ±, 3 2 ± ± ± 2 2 ±, 3 2 ± 1 2 ±, 3 2 ± 1 2 ±, ± 3 2, ± 5 2 elektroni 1s 1/2 2s 1/2 2p 1/2 2p 3/2 3s 1/2 3p 1/2 3p 3/2 3d 3/2 3d 5/2 tilojen lkm
21 4. Molekyylit Atomien välisiä sidoksia molekyyleissä kutsutaan kemiallisiksi sidoksiksi, jotka muodostuvat siten, että atomien uloimmat orbitaalit järjestäytyvät uudelleen. Atomit voivat saavuttaa uudelleenjärjestäytymisellä alemman energiatilan kuin säilyttämällä alkuperäisen muotonsa, varsinkin jos atomien ytimet ovat sopivalla etäisyydellä toisistaan. Stabiilin molekyylin muodostumisen keskeinen lähtökohta on siis kvanttimekaaninen energiaminimiperiaate. Molekyylien teoreettinen tarkastelu on atomien tarkastelua monimutkaisempaa, koska systeemissä on useita massakeskittymiä yhden sijasta. Tämä vuoksi energiatilat riippuvat elektronien tilojen lisäksi myös ytimien asemasta ja liikkeistä. Bornin ja Oppenheimerin approksimaatiossa oletetaan, että ytimet liikkuvat hyvin hitaasti verrattuna niitä kiertäviin elektroneihin, mikä yksinkertaistaa laskennallisia menetelmiä. Approksimaatiosta seuraa, että ytimien ja elektronien energiat voidaan käsitellä erillisinä. Tässä työssä käsitellään vain kaksiatomisia molekyylejä ja molekyylien teoriaa tarkastellaan siitä näkökulmasta Kemiallinen sidos Kemiallinen sidos jaetaan perinteisesti kolmeen eri luokkaan: kovalentti sidos, ionisidos ja metallisidos. Näiden lisäksi voidaan mainita näitä heikommat vuorovaikutukset, vetysidos, ioni-dipoli -sidos, dipoli-dipoli -sidos ja Van der Waals -sidos, joilla kaikilla on osuutensa aineominaisuuksien muodostumisessa. Todellisuudessa mikään sidostyyppi ei esiinny sellaisenaan yksin, vaan 20
22 kemiallinen sidos muodostuu eri tyyppien yhteisvaikutuksesta, ja voidaankin vain puhua esim. sidoksen ionisidosluonteesta. Esimerkiksi H 2 - molekyylissä (kaksi vetyatomia), elektronit jakautuvat tasan atomien välille, ja kyseessä on puhdas kovalenttisidos. Tällöin molekyylin elektroniorbitaalit poikkeavat huomattavasti vastaavista atomiorbitaaleista. Jos taas molekyylin muodostavien atomien välillä on suuri ero ionisaatiopotentiaalissa (kyvyssä muodostaa positiivinen ioni) tai elektroniaffiniteetissa (kyvyssä muodostaa negatiivinen ioni), on syntyvä sidos enemmän ionisidoksen tyyppiä. Mitä puhtaampi ionisidos on kyseessä, sitä paremmin molekyylin elektroniorbitaaleja voidaan kuvata atomiorbitaalien avulla. [8] Kovalentti sidos Kovalentti sidos (kuva 4) perustuu elektronien tasa-arvoiseen jakoon atomien välillä, useimmiten samanlaisten atomien muodostamissa molekyyleissä. [8] Attraktiivinen voima johtuu siitä, että atomit pareittain jakavat keskenään osan elektroneistaan. Koska elektronit pääsevät liikkumaan laajemmalla alueella, niiden kineettinen energia alenee. [9] Kuva 4. Vetymolekyylin sidos on kovalenttinen. Molekyylin elektronit ovat atomien yhteiskäytössä yhteisellä orbitaalilla. [1] Ionisidos Ionisidos perustuu elektronin siirtymiseen atomista toiseen. Ionisidos (kuva 5) vallitsee molekyyleissä, jotka koostuvat selvästi erilaisista atomeista. Tärkein 21
23 tapaus on halogeenin ja alkalimetallin yhdiste. Näissä yhdisteissä toisena osapuolena olevalla alkalimetallilla on pieni ionisaatiopotentiaali. Se tarkoittaa, että vaaditaan suhteellisen vähän energiaa elektronin irrottamiseen atomista. Vastaavasti halogeeniatomilla on samaa suuruusluokkaa oleva elektroniaffiniteetti eli atomiin tuodun ylimääräisen elektronin sidosenergia. Tässä tapauksessa attraktiivinen voima aiheutuu Coulombin potentiaalista. [8] Kuva 5. Natriumkloridikide muodostuu yhtä suuresta määrästä positiivisia Na + -ja negatiivisia Cl - -ioneja. Voimakas sähköstaattinen vetovoima sitoo ne yhteen ionikiteeksi. [2] Metallisidos Suuri joukko atomeja jakaa osan elektroneistaan siten, että ne pääsevät liikkumaan koko kiteen läpi. Muuten metallisidos on samankaltainen kuin kovalentti sidos. [9] Van der Waals vuorovaikutus Van der Waals vuorovaikutus antaa heikon attraktion myös varauksettomien atomien välille. Elektronien kiertoliikkeestä johtuen varauksettomat atomit ovat värähteleviä sähköisiä dipoleja. Hetkellinen dipolimomentti toisessa atomissa synnyttää sähkökentän, joka polarisoi toisen atomin, jolloin niiden välillä vaikuttaa 22
24 dipoli-dipoli-voima. Van der Waals vuorovaikutus on kääntäen verrannollinen etäisyyden kuudenteen potenssiin. Se on olennainen vuorovaikutus mm. jalokaasuatomeista muodostuneissa molekyyleissä. [9] Vetysidos Vedyllä on vain yksi elektroni. Kun vety liittyy esimerkiksi happiatomiin, siirtyy pääosa elektronin aaltofunktiosta hapelle ja vedylle jää positiivinen varaus. Tällä varauksella se voi vetää puoleensa jotain kolmatta atomia, mistä syntyvää sidosta molekyylien välille kutsutaan vetysidokseksi. Tämä sidos on tärkeä mm. jäässä. [9] 4.2. Samanytimiset kaksiatomiset molekyylit Molekyylien elektronirakennetta voidaan mallintaa molekyyliorbitaalimenetelmällä. Tässä ei ajatella molekyylin elektronien kuuluvan mihinkään tiettyyn sidokseen. Lähestymistapana on tarkastella kahta ydintä, ilman elektroneja, tasapainoetäisyydellä toisistaan. Orbitaalit rakennetaan ytimien ympärille ja elektronit sijoitetaan niille pareittain (m s =±½) energiajärjestyksessä samaan tapaan kuin atomeillakin. Menetelmän perustana on LCAO-menetelmä (Linear Combination of Atomic Orbitals), jossa molekyyliorbitaalit muodostetaan atomiorbitaalien lineaarikombinaationa. [16] Molekyylien orbitaalien merkintä eroaa atomien vastaavista. Lineaaristen molekyylien rataimpulssimomenttia merkitään kvanttiluvulla λ, joka voi saada arvoja λ = 0,1,2,.... (19) 23
25 Vastaavia molekyyliorbitaaleja merkitään kreikkalaisilla kirjaimilla σ, π, δ,..., jotka vastaavat atomiorbitaalien merkintöjä s, p, d,.... Yleensä kohdataan vain σ- ja π- tyypin molekyyliorbitaaleja. σ-orbitaalit ovat sylinterisymmetrisiä molekyylin akselin suhteen, kun taas π-orbitaalit eivät ole. Molekyyliorbitaalin merkintä σ u *1s, σ g 1s, jne. sisältää atomiorbitaalin, josta molekyyliorbitaali ensisijaisesti muodostuu, ja molekyyliorbitaalin symmetrialajin. Jos molekyyli on samanytiminen, niin alaindeksit g ja u osoittavat symmetriaa ja antisymmetriaa molekyylin keskipisteen kautta tapahtuvan inversion suhteen. Tähteä käytetään osoittamaan orbitaalin hajoittavaa luonnetta ja ilman tähteä olevat orbitaalit ovat sitovia. Kahdesta identtisestä atomiorbitaalista saadaan LCAO-menetelmällä lineaarikombinaationa kaksi molekyyliorbitaalia, joista toinen on sitova ja toinen hajottava. Kuvassa 6 havainnollistetaan 1s-, 2s- ja 2p-orbitaaleista muodostuneita molekyyliorbitaaleja ja vastaavia energiatasoja. [15,16] Erillisten atomien Molekyylin Atomiorbitaali Molekyyliorbitaalit energiatsot energiatasot Kuva 6. Energiatasojen ja orbitaalien muodostuminen samanytimisessä kaksiatomisessa molekyylissä. [15,16] 24
26 Taulukko 5. Samanytimisten molekyylien perustilojen elektronikonfiguraatiot. [15] Molekyylien elektronirakenne saadaan, kuten atomienkin, asettamalla elektronit orbitaaleille energiajärjestyksessä. Taulukossa 5 esitetään näin saatuja molekyylien peruskonfiguraatioita. Jokaiselle orbitaalille mahtuu tavallisesti kaksi elektronia (spin ylös ja spin alas), mutta π-orbitaalit ovat kahteen kertaan degeneroituneita, joten niille sopii neljä elektronia. Esimerkiksi happimolekyylin 0 2 perustilan konfiguraatio on (σ g 1s) 2 (σ u *1s) 2 (σ g 2s) 2 (σ u *2s) 2 (σ g 2p) 2 (π u2p) 4 (π g * 2p) 2. (20) Sitovalla orbitaalilla olevan elektronin luonne suurin piirtein kumoutuu hajottavalla orbitaalilla olevan elektronin vaikutuksesta. Hapella O 2 on kuusi elektronia sitovilla σ g 2p- ja π u2p-kuorilla ja kaksi elektronia hajottavalla π g * 2p-kuorella (alempien kuorien sitova luonne on kumoutunut), joten sille jää neljä efektiivistä elektronia sitoville kuorille. Koska sidosluku = ½ x sitovien elektronien nettolukumäärä, (21) 25
27 on happimolekyylin sidosluku kaksi, mikä vastaa happeen liitettyä kovalenttista kaksoissidosta. [16] Taulukossa 5 esitetään myös dissosisaatio- eli sidosenergiat molekyylien perustiloille. Sitovilla kuorilla olevien elektronien lukumäärän kasvaessa kasvaa myös sidosenergia, joten sidosenergia on verrannollinen sidoslukuun. [15] 4.3. Eriytimiset kaksiatomiset molekyylit Eräät eriytimiset kaksiatomiset molekyylit, kuten NO ja CO, sisältävät samankaltaisia atomeja, joten niiden molekyyliorbitaalit muistuttavat samanytimisten molekyylien orbitaaleja. NO-molekyylin peruskonfiguraatiossa (σ1s) 2 (σ*1s) 2 (σ2s) 2 (σ*2s) 2 (σ2p) 2 (π 2p) 4 (π * 2p) 1 (21) elektronit asettuvat vastaaville orbitaaleille kuin O 2 -molekyylissä, mutta nyt molekyylillä ei ole inversiokeskusta ja alaindeksit g ja u on tiputettu pois. Molekyylissä sisempi orbitaali voi olla oleellisesti jonkin atomin orbitaali, eikä se osallistu kemiallisen sidoksen muodostamiseen. Tällöin sille voidaan käyttää atomiorbitaalien merkintöjä. Tässä merkinnässä käytetään edellä aineen kemiallista merkkiä. Esimerkiksi hiilimonoksidimolekyylissä hiilen ja hapen 1sorbitaaleja voidaan merkitä O1s 2 ja C1s 2. [16,17] 4.4. Molekyylien vibraatio- ja rotaatiotilat Kaksiatomisen molekyylin tietyn elektronisen tilan potentiaalienergia voidaan piirtää ydinten välisen etäisyyden funktiona (kuva 7). Molekyylin potentiaalienergia saavuttaa minimin ydinten tasapainoetäisyydellä r 0, joka vastaa stabiilin molekyylin sidospituutta. Kun sidospituutta kasvatetaan, 26
28 potentiaalienergia lähestyy dissosisaatioenergiaa D ja molekyyli hajoaa atomeiksi tai ioneiksi. [11,15,16] Kuva 7. Kaksiatomisen molekyylin potentiaalienergiakäyrä. [15] Kuva 8. Kaksiatomisen molekyylin energiatilan jakautuminen vibraatio- ja rotaatiotiloihin. [15] 27
29 Kaksiatomisen molekyylin atomit pääsevät liikkumaan hieman toistensa suhteen harmonisen värähtelijän tavoin. Värähdysliike on kvantittunut, joten vain tietyt värähdysliikkeet ovat sallittuja. Tästä johtuen molekyylien energiatilat ovat jakautuneet kuvassa 8 esitettyihin vibraatiotiloihin. Lisäksi molekyylin pyöriminen massakeskipisteensä ympäri aiheuttaa vibraatiotilojen jakautumista rotaatiotiloihin. [11,15,16] 4.5. Molekyylien spektritermit Molekyyleillä, samoin kuin atomeillakin, yksi elektronikonfiguraatio voi johtaa useampaan energiatilaan. Kaikille kaksiatomisille molekyyleille parhaiten elektronisia tiloja kuvaava kytkentämenetelmä vastaa atomien LS-kytkentää. Molekyylin kaikkien elektronien ratimpulssimomentit kytketään resultanttivektoriksi L ja spinimpulssimomentit resultanttivektoriksi S. Jos molekyylissä ei ole riittävän suurivarauksista ydintä, L ja S eivät kytkeydy toisiinsa, vaan kahden ytimen muodostamaan sähköstaattiseen kenttään. Tätä tilannetta kutsutaan Hundin tapaukseksi (a) ja se esitetään kuvassa 9 a). [16,17] Kuva 9. a) Hundintapaus (a) ja b) Hundin tapaus (c). [16] Kokonaisrataimpulssimomentti L on kytkeytynyt sähköstaattiseen kenttään niin voimakkaasti ja prekessoi ydinten välisen akselin ympäri niin voimakkaasti, että 28
30 L :n suuruutta ei voida määrittää. Toisin sanoen L ei ole hyvä kvanttiluku. L :n komponentti Λħ akselin suunnassa on määrätty ja kvanttiluku Λ voi saada arvot Λ = 0,1,2,3,.... (22) Λ merkitään tilan symbolissa kreikkalaisilla kirjaimilla Σ, П,, Φ, Γ... vastaten arvoja Λ = 0,1,2,3,4,.... Kaikki elektroniset tilat ovat kahdesti degeneroituja, jos Λ>0. S :n kytkentää ydinten väliseen akseliin ei aiheuta sähköstaattinen kenttä vaan elektronien rataliikkeestä johtuva akselin suuntainen magneettikenttä. Kuten kuvasta 9 a) näkyy, S :n komponentti ydinten välisellä akselilla on Σħ ja kvanttiluku Σ voi saada arvot Σ = S, S 1,..., -S. (23) Niillä tiloilla, joilla Λ > 0, on 2S + 1 komponenttia vastaten Σ:n eri arvoja. Samoin kuin atomeillakin, 2S + 1 on tilan multiplisiteetti. Kokonaisimpulssimomentin komponentti akselilla on Ωħ, missä kanttiluku Ω on Ω = Λ + Σ. (24) Tiloja merkitään termisymbolilla 2S+1 Λ Ω. (25) Hundin tapaus (a) on yleisimmin kohdattava tapaus. Kuvassa 9 b) esitetään Hundin tapaus (c), jota käytetään jos molekyylissä on vähintään yksi suurivarauksinen ydin. Tällöin ydinten aiheuttama sähköstaattinen kenttä ei pura L :n ja S :n välistä kytkentää, vaan L ja S kytkeytyvät J :ksi samalla tavalla kuin atomeissakin ja J kytkeytyy ydinten väliseen akseliin. Vaikka tilan tärkein tunnus on nyt Ω:n arvo ja Λ ei ole enää hyvä kvanttiluku, niin tiloja merkitään silti usein Λ:n arvoilla. 29
31 Kvanttilukujen Λ, S ja Ω lisäksi kaksiatomisten molekyylien tilojen luokitteluun tarvitsee käyttää elektronisten aaltofunktioiden yhtä (eriytimisille) tai kahta (samanytimisille) symmetriaominaisuutta. Jos molekyyli on samanytiminen, niin termisymbolin alaindeksit g ja u osoittavat symmetriaa ja antisymmetriaa molekyylin keskipisteen kautta tapahtuvan inversion suhteen. Toinen ominaisuus liittyy elektronisen aaltofunktion symmetriaan heijastuksessa minkä tahansa ydinten välisen akselin sisältävän tason suhteen. Symmetrisessä heijastuksessa tilaa merkitään tunnuksella + ja antisymmetrisessä heijastuksessa tunnuksella -. Näitä merkintöjä käytetään normaalisti vain Σ-tiloille. Esim 3 Σ + g ja 2 Σ - g. [16,17] 30
32 5. Elektronisista siirtymistä Atomin tai molekyylin elektroniverhossa tapahtuvaa muutosta, jossa elektroni siirtyy orbitaalilta toiselle tai poistuu atomista tai molekyylistä, kutsutaan elektroniseksi siirtymäksi. Siirtymässä atomi absorboi eli ottaa vastaan tai emittoi eli luovuttaa elektronin tai fotonin ja sen seurauksena atomin elektronikonfiguraatio muuttuu. [18] 5.1. Viritys ja ionisaatio Atomi tai molekyyli voidaan virittää tai ionisoida pommittamalla sitä hiukkasilla (yleensä elektroneilla) tai fotoneilla. Fotoni absorboituu atomiin, mikäli fotonin energia on elektroniseen siirtymään tarvittavan energian suuruinen. Valitsemalla fotonien (herättävän säteilyn energia) sopivaksi, saadaan aikaan haluttu viritys atomissa. Hiukkaspommituksessa hiukkanen menettää kineettistä energiaansa viritykseen tai ionisaatioon tarvittavan energian verran. Hiukkasten energiamenetyksiä ei voida kontrolloida ja tapahtuu kaikkia mahdollisia siirtymiä. Kuvassa 10 havainnollistetaan Bohrin mallin ja siitä johdetun yksi-elektroni energiatasokaavion avulla atomin virittymistä. Kun atomi absorboi kahden energiatilan välisen erotuksen verran energiaa, joku sen elektroneista siirtyy jollekkin miehittämättömälle energiatasolle, ns. Rydberg-tilalle. [15,18] 31
33 Kuva 10. Atomin virittyminen. Kun absorbtion energia kasvaa, se riittä irrottamaan elektronin atomista eli siirtämään elektronin jatkumoon. Tätä ionisaatioksi kutsuttua tapahtumaa havainnollistetaan kuvassa 11. Ionisaation seurauksena jäljelle jää positiivisesti varautunut ioni. [15,18] Kuva 11. Atomin ionisoituminen. 32
34 Energiaa, joka tarvitaan elektronin irrotamiseen atomista, kutsutaan ionisaatioenergiaksi. Kuvasta 12 nähdään kuinka ionisaatioenergia on jaksollinen. Suurimmat ionisaatioenergiat on jalokaasuilla. Jalokaasujen uloin kuori on täysin miehitetty ja tällaisen suljetun kuoren elektronit ovat tiukemmin sidottuja kuin avoimen kuoren elektronit. Kun atomin koko kasvaa, uloin kuori on kauempana ytimestä. Tästä johtuen tarvitaan enemmän energiaa irrotaamaan uloimman kuoren elektroni pienestä atomista kuin isosta. Esim. Ne:n ionisaatioenergia on suurempi kuin Ar:n. [15] Kuva 12. Aomien ionisaatioenergia järjestysluvun funktiona. [15] 5.2. Auger-siirtymä Sisäkuorelta viritetty tai ionisoitu atomi purkautuu energeettisesti edullisempaan tilaan emittoimalla röntgenkvantin eli fotonin tai autoionisaatiolla eli emittoimalla ns. Auger-elektronin. Kuten kuvasta 13 näkyy, Auger-siirtymässä sisäkuoren aukko täyttyy jonkin ulomman kuoren elektronilla ja luovuttaa kuorien välisen energiaerotuksen verran energiaa energiakvanttina. Toinen ulomman kuoren elektroni absorboi tämän energiakvantin, jonka energia riittää irrottamaan kyseisen elektronin atomista. Näin emittoitunutta elektronia kutsutaan Auger- 33
35 elektroniksi. Yhden kerran ionisoituneessa atomissa tapahtuvaa Auger-prosessia sanotaan normaali-auger-siirtymäksi. [18] Kuva 13. Ionisoitumisen seurauksena tapahtuva Auger-siirtymä Auger-siirtymän nimeäminen Auger-siirtymät nimetään kolmella eri pääkuoria kuvaavalla kirjaimella K, L, M,... Ensimmäisenä ilmoitetaan millä kuorella alkutilan aukko on, seuraavaksi millä kuorella aukon täyttävä elektroni alunperin on ja kolmanneksi miltä kuorelta Auger-elektroni on lähtöisin. Tämän lisäksi merkitään alaindekseillä 1, 2, 3,... tai I, II, III,..., millä alikuorella s, p 1/2, p 3/2, d 1/2,... aukot tai elektronit sijaitsevat (kts. taulukko 4). Esimerkiksi KL 1 L 2 -siirtymässä alkutilan aukko on 1s-kuorella, aukontäyttävä elektroni tulee 2s-kuorelta ja Auger-elektroni irtoaa 2p 1/2 -kuorelta. [10,18] Auger-siirtymän valintasäännöt Auger-siirtymässä alku- ja lopputilojen väliset muutokset eivät voi tapahtua mielivaltaisesti. LS-kytkennän mukaisten valintasääntöjen mukaan kokonaisimpulssimomentit ja pariteettii säilyvät Auger-siirtymässä, 34
36 S alussa = S lopussa, M S,alussa = M S,lopussa, L alussa = L lopussa, M L,alussa = M L,lopussa, (26) J alussa = J lopussa, M J,alussa = M J,lopussa, П alussa = П lopussa. S, L ja J ovat atomin kokonaisspin-, kokonaisrata- ja kokonaisimpulssimomentit ja M S, M L ja M J ovat näitä vastaavat magneettiset kvanttiluvut. П on pariteetti, joka määritellään П = (-1) a. (27) Ja a määritellään a = Σ k l k, (28) missä l k on yksittäisen elektronin rataimpulssimomentti. Valintasäännöissä on huomioitava myös jatkumoon siirtynyt Auger-elektroni. [10] 5.3. Elektroniset siirtymät molekyyleissä Kaksiatomisen molekyylin jokaista elektronitilaa vastaa oma potentiaalienergiakäyrä ja käyrien välillä voi tapahtua elektronisia siirtymiä. Frank - Condon periaatteen mukaan elektroninen siirtymä tapahtuu niin nopeasti, että ytimien välimatkaa siirtymän aikan voidaan pitää vakiona. Kuvan 14 pystysuorat viivat kuvaavat Frank - Condon periaatteen mukaisia elektronisia siirtymiä. Eri tilojen potentiaalienergiakäyrät ovat eri mallisia ja siksi elektronisen siirtymän yhteydessä myös vibraatio- ja rotaatiotila voivat muuttua. [15] 35
37 Kuva 14. Kaksiatomisen molekyylin Frank - Condon periaatteen mukaisia elektronisia siirtymiä. [15] Elektronitilojen välinen energiaero on noin 1-10 ev. Se on moninkertainen verrattuna vibraatiotilojen väliseen energiaeroon ja tuhatkertainen verrattuna rotaatiotilojen väliseen energiaeroon. [15] 36
38 6. Molekyylifysiikan tutkimuksesta Kun atomit sitoutuvat molekyyliksi, niiden elektronirakenne muuttuu. Näitä muutoksia ja atomien ja molekyylien elektroniverhon rakennetta tutkitaan elektronispektroskopian avulla Elektronispektroskopia Elektronispektroskopia on yleisnimi tutkimusmenetelmille, jotka perustuvat näytteestä (atomi, molekyyli, kiinteä aine) emittoituvien elektronien energiaanalyysiin. Tämä kokeellinen tieto ei yksin paljasta elektroniverhossa tapahtuvia ilmiöitä, vaan tarvitaan myös teoreettisia laskuja ja simulointeja. Vertaamalla kokeellisia ja teoreettisia tuloksia toisiinsa, pystytään parantamaan kokeellisia menetelmiä ja tarkentamaan teoreettisia malleja. [16,18] Analysoitavat elektronit voidaan syntymekanisminsa mukaan jaotella seuraaviin pääryhmiin: - ultravioletti-, tyhjiöultravioletti- ja röntgensäteilyn aiheuttamasta valösähköisestä ilmiöstä peräisin oleviin elektroneihin, - primäärisäteilyn aiheuttamien viritystilojen purkautumisen seurauksena emittoituviin elektroneihin, tai - näytteestä sironneisiin elektroneihin. 37
39 Elektronispektroskopia voidaan jakaa herättävän säteilyn ja analysoitavien elektronien mukaan kuvassa 15 esitettyihin osa-alueisiin. [18] Kuva 15. Elektronispektroskopian jako eri osa-alueisiin. [18] Elektronispektroskopian ala on kehittynyt voimakkaasti vasta viimeisen viidentoista vuoden aikana. Foto- ja Auger-ilmiöiden kvanttimekaaniset perusteet on tunnettu jo 1900-luvun alusta asti, mutta pitkien teoreettisten laskutoimitusten suorittamisen on mahdollistanut vasta tehokkaiden tietokoneiden yleistyminen. Toisaalta vasta viimevuosina on ollut käytettävissä riittävän tarkkaerotteisia kokeellisia spektrejä teoreettisesti saatujen tulosten vertailuun, kun kokeelliset menetelmät, erityisesti spektrometrien erotuskyky ja synkrotronisäteilylähteiden käyttö, ovat kehittyneet. Merkittävää työtä modernin elektronispektroskopian alalla on tehty pohjoismaissa, erityisesti Uppsalan yliopistossa. Tästä tunnustuksena professori Kai Siegbahn sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna Suomessa elektronispektroskopian tutkimusta on harjoitettu pitkään Oulun yliopistossa, jossa on rakennettu tarkkaerotteisia elektronispektrometrejä ja tehty tutkimusta kaasujen ja metallihöyryjen Auger-elektronispektroskopian ja viimeaikoina 38
40 erityisesti synkrotroniherätteisen elektronispektroskopian alalla. Kiinteiden aineiden tutkimukseen on Suomessa hankittu useita kaupallisia elektronispektrometrejä mm. Tampereen teknilliseen korkeakouluun, Turun yliopistoon ja Teknilliseen korkeakouluun Espooseen. [18] 6.2. Elektronispektrometri Elektronispektrometrin periaatteellinen rakenne esitetään kuvassa 16. Näytettä pommitetaan röntgen-, VUV- tai UV-säteilyllä eli fotoneilla tai elektronisuihkulla, jonka seurauksena näytteestä emittoituu elektroneja. Näytteen emittoimien elektronien mittaamiseen käytetään energia-analysaattoria, joka on yleensä sähköstaattinen tai magneettinen. Analysaattorin avulla saadaan elektronispektri, josta esimerkiksi voidaan mitata näytteestä emittoituvien ilmaisimelle osuvien elektronien intensiteetti niiden kineettisen energian funktiona. Spektrien rakenteen avulla voidaan mm. tutkia atomien, molekyylien ja kiinteiden aineiden elektroniverhon rakennetta ja verhon käyttäytymistä elektronisten siirtymien aikana. Kuva 16. Elektronispektrometrin periaatteellinen rakenne. [18] 39
41 Spektrometrien toiminnalle asetetaan yleensä kaksi perustavoitetta. Laitteilla pitäisi erottaa mahdollisimman hyvin lähekkäin olevat spektriviivat (hyvä resoluutio) ja havaittavan signaalin tulisi olla mahdollisimman voimakas (hyvä transmissio). Näiden kahden vaatimuksen samanaikainen toteuttaminen on vaikea optimointitehtävä, sillä ne ovat keskenään ristiriitaisia. [18] Elektronispektrometri SES-100 Oulun yliopiston elektronispektroskopian tutkimusryhmällä on käytössä elektronispektrometri SES-100 (kuva 17). Se koostuu elektronien energiaanalysaattorista, detektorista sekä hidastuslinssistä. Analysaattori on kahdesta sisäkkäisestä puolipallokuoren muotoisesta elektrodista muodostuva puolipalloanalysaattori, jonka periaate esitetään kuvassa 18. Kuva 17. SES-100 elektronispektrometri. Elektronioptinen linssi (1) kuljettaa elektronit analysaattoriin (2). Tunnistus tapahtuu CCD-kameralla (3). [19] 40
42 Detektori muodostuu kahdesta mikrokanavalevystä (MCP), fluoresoivasta levystä sekä CCD-kamerasta. Mikrokanavalevyt monistavat levyyn osuvat elektronit ja syntyy elektroniryppäitä. Elektroniryppäiden osuessa fluoresoivalle levylle syntyy välähdyksiä, jotka kuvataan CCD-kameralla ja välähdysten paikka välitetään tietokoneelle. CCD-kameran kuva näkyy samalla myös tarkkailumonitorilla. [19,20] Kuva 18. Pallosymmetrinen analysaattori. [18] Hidastuslinssillä, joka on sijoitettu ennen analysaattoria, voidaan hidastaa tai kiihdyttää elektronit haluttuun energiaan, jolla ne pääsevät analysaattorin läpi. Jännitteitä säätämällä voidaan hidastuslinssin avulla käydä koko mitattava alue läpi, sillä analysaattori erottelee vain sellaiset elektronit, joiden energiat eroavat toisistaan vähän. [18,20] 6.3. Jalokaasujen Auger-spektrien rakenne Jalokaasujen elektronikuoret ovat perustilassa täysiä ja Auger-siirtymän aluksi yhdeltä kuorelta puuttuu yksi elektroni. Tämän vuoksi Auger-siirtymän alkutilassa 41
43 jalokaasuilla on vain yksi tai kaksi energiatasoa ja Auger-elektronispektrien rakenne on mahdollisimman yksinkertainen. [18] Ne:n KLL-Auger-elektronispektrin rakenne Auger-elektronispektri saadaan Auger-elektronien kineettisestä energiasta. Kineettinen energia ei riipu herättävän säteilyn energiasta, vaan kolmen prosessiin osallistuvan elektronin sidosenergioista. Tästä johtuen Augerelektronien kineettiset energiat ovat emittoivalle atomille karakteristisia. Augerelektronien kineettinen energia saadaan systeemin systeemin alku- ja lopputilojen kokonaisenergioiden erotuksena E Auger = E alku - E loppu. (29) Tämä ei täysin vastaa todellisuutta, sillä yhden elektronin poistuessa kaikkien muiden elektronien energiat järjestyvät uudelleen eli relaksoituvat. Relaksaation vaikutuksesta elektronin poistamiseen ei tarvita niin paljon energiaa kuin ilman relaksaatiota. Tämä näkyy Auger-spektrissä elektronien kineettisen energian lisäyksenä. Aluksi tarkastellaan Ne-atomin KLL-Auger-elektronispektrin rakennetta. Ne:n perustilan elektronikonfiguraatio on 1s 2 2s 2 2p 6. Auger-siirtymän alkutilassa atomi on kertaalleen ionisoitunut ja KLL-siirtymän alkutilan elektronikonfiguraatio on 1s 1 2s 2 2p 6. Lopputilassa atomista uupuu kaksi elektronia 2s- ja/tai 2p-kuorelta ja mahdolliset lopputilan elektronikonfiguraatiot ovat 1s 2 2s 0 2p 6, 1s 2 2s 1 2p 5 ja 1s 2 2s 2 2p 4. Alkutilan konfiguraation 1s 1 2s 2 2p 6 kokonaisimpulssimomentit saavat arvot L=0, S=½ ja J=½, joista saadaan spektritermiksi LS-kytkennässä 2 S ½. Lopputilan spektritermeiksi saadaan 1s 2 2s 0 2p 6 konfiguraatiolle 1 S 0, 1s 2 2s 1 2p 5 42
44 konfiguraatiolle 1 P 1 ja 3 P 0,1,2 ja 1s 2 2s 2 2p 4 konfiguraatiolle 1 S 0, 1 D 2 ja 3 P 0,1,2. Kuvassa 19 esitetään Ne:n KLL- siirtymän elektronitasokaavio ja Augerelektronispektri. Spektrissä havaittavat spektriviivat voidaan tulkita elektronisiksi siirtymiksi tietyltä alkutilan energiatasolta tietylle lopputilan energiatasolle. Augerelektronispektrissä spektriviivojen silpoutuminen kertoo lopputilan elektronikonfiguraatioiden keskinäisen sijainnin. [18] Kuva 19. Ne:n KLL-siirtymän energiatasokaavio ja Auger-elektronispektri, joka syntyy siirtymistä alku- ja lopputilojen energiatasojen välillä. [18] Ar:n ja Kr:n Auger-spektrien rakenne Alkutila jakaantuu LMM- ja MNN-Auger-elektronispektreissä spin-rata vuorovaikutuksen takia kahdeksi energiatasoksi ja spektri kahtaantuu. Esimerkiksi Ar:n 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 L 2,3 MM-siirtymän alkutilan 1s 2 2s 2 2p 5 3s 2 3p 6 spektritermeiksi saadaan 2 P 1/2 ja 2 P 3/2. Molemmilta alkutilan energiatasoilta 43
45 tapahtuu Auger-siirtymä lopputilan 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 3p 6, 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 5 ja 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 konfiguraatioiden mahdollisille energiatasoille. Lopputilan termirakenne kahtaantuu spektrissä siten, että L 2 -ryhmän ja L 3 -ryhmän spekriviivat ovat alkutilan tasojen energiaerotuksen päässä toisistaan. [18] Kuva 20. Kr:n M 4,5 N 2,3 N 2,3 -Auger-elektronispektri. [18] Kuvassa 20 esitetään Kr:n M 4,5 N 2,3 N 2,3 -Auger-elektronispektri, joka on alkutilan 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 4s 2 4p 6 kahden energiatason takia kahtaantunut. Molemmilta tasoilta voi tapahtua siirtymät kaikille mahdollisille kaksiaukkoisen lopputilan energiatasoille. [18] 6.4. HF-molekyylin KLL-Auger-spektrin rakenne Molekyylien Auger-spektrien analyysi on hyvin analoginen vastaavien atomien Auger-spektrien kanssa. Tarkastellaan HF-molekyylin KLL-Auger- 44
46 elektronispektriä. HF:n perustilan konfiguraatio on 1σ 2 2σ 2 3σ 2 1π 4. KLL-Augersiirtymässä alkutilan aukko on 1σ orbitaalilla ja lopputilassa 2 elektronia puuttuu 2σ-, 3σ- tai 1π- orbitaaleilta. Siirtymät ja vastaava Auger-elektronispektri esitetään kuvassa 21. Spektrin piikit ovat huomattavasti leveämpiä kuin atomien spektreissä johtuen suureksi osaksi vibraatiotasojen välisistä siirtymistä. [18] Kuva 21. HF:n KLL-siirtymän energiatasokaavio ja Auger-elektronispektri. [18] 6.5. Kemiallisen sidoksen vaikutus molekyylien Augerelektronispektreihin Molekyylien sidoksen luonne vaikuttaa niiden elektronirakenteeseen ja se näkyy myös Auger-elektronispektreissä. Tässä kappaleessa analysoidaan Oulun 45
47 yliopiston elektronispektroskopian tutkimusryhmän mittaamia kokeellisia Augerelektronispektrejä ja niitä vastaavia teoreettisia laskelmia XF-molekyylit Kuvassa 22 esitetään kokeelliset KLL-Auger-elektronispektrit HF-, LiF-, NaF- ja KF-molekyyleille, sekä laskennallinen spektri F - -ionille, jonka elektronirakenne vastaa Ne-atomia (vrt. kuva 19). Spektrien intensiteetit vaihtelevat, mutta olennaisinta on tällä kertaa tarkastella eri spektriviivojen suhteellisia intensiteettejä. Kokeellissa spektreissä vain KL 2,3 L 2,3 -siirtymä näkyy tarpeeksi terävästi, joten rajoitamme analysoinnin siihen. Kuvasta 22 näkyy selkesti, kuinka KL 2,3 L 2,3 -piikki kapenee mentäessä HF:sta kohti KF:a. Siihen on kolme mahdollista syytä: energian silpoutuminen spektriviivassa muttuu ja/tai viivojen intensiteettien suhteet muuttuvat ja/tai viivojen leveys muuttuu. Intensiteettien teoreettiset laskelmat ennustavat, että intensiteettien suhteet pääviivojen 1 ja 1 П välillä (vastaa F - -ionissa 1 D 2 -viivaa) eivät muutu merkittävästi mentäessä HF:sta LiF:in ja lisäksi ilmiö on päinvastainen kuin spektrissä näkyvä. Laskelmien mukaan ydinten liikkeestä johtuva viivojen leveneminen pienenee mentäessä HF:sta LiF:in. Se on kuitenkin pieni efekti erityisesti valenssielektronien tapauksessa ja suuren sidospituuden vuoksi LiF:n, NaF:n ja KF:n tapauksessa ei kovin merkittävä. Kuitenkin (vertaa kuva 23) HF spektrissä 1 - ja 1 П-viivat ovat kaukana toisistaan, lähestyvät LiF:ssa ja melkein yhtyvät NaF:ssa, vastaten 1 D-viivaa F - :ssa. Tämä johtuu ionisidosluonteen kasvamisesta kemiallisessa sidoksessa. Ionisidosluonteen kasvaessa vibraatiotasojen siirtymistä aiheutuva spektripiikkien levenemä kaventuu. HF:lla on jonkin verran kovalenttista luonnetta kemiallisessa sidoksessa, mutta LiF ja NaF ovat jo selkeästi ionisidoksisia. Myös teoreettisesti lasketut energitasokaaviot (kuva 23) havainnollistavat selkeästi energian jakautumisen muutosta. [21] 46
48 Kuva 22. Kokeelliset HF:n, LiF:n, NaF:n ja KF:n KLL- Auger- elektronispektrit sekä teoreettinen F - :n KLL-Auger-elektronispektri. [21] 47
49 Kuva 23. Teoreettiset KL 2,3 L 2,3 -siirtymän energiatasokaaviot HF-, LiF-, NaF- ja KF-molekyyleille sekä F - -ionille. Energiat on suhteutettu 1 -viivan mukaan. [21] XCl-molekyylit Kuvissa 24 ja 25 esitetään HCl-, DCl-, LiCl-, NaCl- ja KCl-molekyylien ja Cl - -ionin teoreettiset sekä kokeelliset L 2,3 MM-Auger-elektronispektrit. Cl - :llä on vastaava elektroni- ja spektrirakenne kuin Ar-atomilla. Näissä spektreissä on selvästi monimutkaisempaa rakennetta kuin kuvan 23 spektreissä. Tarkastellaan kuvien 24 ja 25 L 2,3 M 2,3 M 2,3 -piikkejä (oikeassa reunassa). Siirryttäessä LiCl:sta NaCl:in ja edelleen KCl:in nähdään piikkien terävöityminen. KCl:n spektri muistuttaa jo suurelta osin Cl - :n spektriä, kun verrataan kuvan 24 KCl-molekyylin L 2,3 M 2,3 M 2,3 -piikkejä Cl - -ionin L 2,3 M 2,3 M 2,3 -piikkeihin. Tämä johtuu samoin kuin kappaleen tapauksessa ionisidosluonteen kasvamisesta siirryttäessä NaCl:stä KCl:in. HCl ja DCl spektrit ovat myös huomattavasti terävämpiä kuin LiCl ja NaCl spektrit, vaikka HCl ja DCl ovat lähes täysin kovalenttisesti sitoutuneita. Molekyylikentän vaikutuksesta HCl:n ja DCl:n spektripiikit ovat niin kaukana toisistaan, että ne eivät sekoitu keskenään ja siksi erottuvat selkeästi. [22] 48
8. MONIELEKTRONISET ATOMIT
8. MONIELEKTRONISET ATOMIT 8.1. ELEKTRONIN SPIN Epärelativistinen kvanttimekaniikka selittää vetyatomin rakenteen melko tarkasti, mutta edelleen kokeellisissa atomien energioiden mittauksissa oli selittämättömiä
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
LisätiedotLuento 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
LisätiedotULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE
ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE Palautetaan mieleen jaksollinen järjestelmä ja mitä siitä saa- Kertausta daan irti. H RYHMÄT OVAT SARAKKEITA Mitä sarakkeen numero kertoo? JAKSOT OVAT RIVEJÄ Mitä
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
Lisätiedot766334A 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
Lisätiedot9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ
9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ Jo vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev muotoili ajatuksen alkuaineiden jaksollisesta laista: Jos alkuaineet laitetaan järjestykseen atomiluvun mukaan, alkuaineet,
LisätiedotAlikuoret eli orbitaalit
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Alkuaineen kemialliset ominaisuudet määräytyvät sen ulkokuoren elektronirakenteesta. Seuraus: Samanlaisen ulkokuorirakenteen omaavat alkuaineen ovat kemiallisesti sukulaisia
LisätiedotLuku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi
Luku 14: Elektronispektroskopia 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi 1 2-atomisen molekyylin elektronitilan termisymbolia muodostettaessa tärkeä ominaisuus on elektronien
LisätiedotKäytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.
1.2 Elektronin energia Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin. -elektronit voivat olla vain tietyillä energioilla (pääkvanttiluku n = 1, 2, 3,...) -mitä kauempana
LisätiedotMolekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering, Micro- and Nanosciences Laboratory. Atomien väliset sidokset
Molekyylit. Atomien väliset sidokset. Vetymolekyyli-ioni 3. Kaksiatomiset molekyylit ja niiden molekyyliorbitaalit 4. Muutamien kaksiatomisten molekyylien elektronikonfiguraatio 5. Moniatomiset molekyylit
LisätiedotKiteinen 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
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
LisätiedotMUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA
MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA KEMIAA KAIK- KIALLA, KE1 Ulkoelektronit ja oktettisääntö Alkuaineen korkeimmalla energiatasolla olevia elektroneja sanotaan ulkoelektroneiksi eli valenssielektroneiksi.
LisätiedotLuku 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
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
LisätiedotKemian syventävät kurssit
Kemian syventävät kurssit KE2 Kemian mikromaailma aineen rakenteen ja ominaisuuksien selittäminen KE3 Reaktiot ja energia laskuja ja reaktiotyyppejä KE4 Metallit ja materiaalit sähkökemiaa: esimerkiksi
LisätiedotKvanttimekaaninen atomimalli. "Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. -Richard Feynman
Kvanttimekaaninen atomimalli "Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. -Richard Feynman Tunnin sisältö 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Kvanttimekaaninen atomimalli Orbitaalit Kvanttiluvut Täyttymisjärjestys
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
LisätiedotKEMIAN 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
LisätiedotLuku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi
Luku 13: Elektronispektroskopia 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi 1 2-atomisen molekyylin elektronitilan termisymbolia muodostettaessa tärkeä ominaisuus on elektronien
LisätiedotJakso 8: Monielektroniset atomit
Jakso 8: Monielektroniset atomit Näytä tai palauta tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina 9.6.2015. Teoriaa näihin tehtäviin löytyy Beiserin kirjasta kappaleesta 6 ja 7. Suunnilleen samat asiat ovat
LisätiedotLuku 9: Atomien rakenne ja spektrit. https://www.youtube.com/watch? v=bmivwz-7gmu https://www.youtube.com/watch? v=dvrzdcnsiyw
Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit https://www.youtube.com/watch? v=bmivwz-7gmu https://www.youtube.com/watch? v=dvrzdcnsiyw
Lisätiedot8. MONIELEKTRONISET ATOMIT
8. MONIELEKTRONISET ATOMIT 8.1. ELEKTRONIN SPIN Epärelativistinen kvanttimekaniikka selittää vetyatomin rakenteen melko tarkasti, mutta edelleen kokeellisissa atomien energioiden mittauksissa oli selittämättömiä
LisätiedotMolekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering. Atomien väliset sidokset
Molekyylit. Atomien väliset sidokset. Vetymolekyyli-ioni 3. Kaksiatomiset molekyylit ja niiden molekyyliorbitaalit 4. Muutamien kaksiatomisten molekyylien elektronikonfiguraatio 5. Moniatomiset molekyylit
Lisätiedot11. MOLEKYYLIT. Kvanttimekaniikka on käyttökelpoinen molekyyleille, jos se pystyy selittämään atomien välisten sidosten syntymisen.
11. MOLEKYYLIT Vain harvat alkuaineet esiintyvät luonnossa atomeina (jalokaasut). Useimmiten alkuaineet esiintyvät yhdisteinä: pieninä tai isoina molekyyleinä, klustereina, nesteinä, kiinteänä aineena.
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
LisätiedotKvantittuminen. 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)
LisätiedotMolekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen
Molekyylit. Johdanto. Vetymolekyyli-ioni 3. Kaksiatomiset molekyylit ja niiden molekyyliorbitaalit 4. Muutamien kaksiatomisten molekyylien elektronikonfiguraatio 5. Moniatomiset molekyylit 6. Orgaaniset
LisätiedotKaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka
Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Kertausta IONIEN MUODOSTUMISESTA Jos atomi luovuttaa tai
LisätiedotKEMIA. 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, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,
S-114.6, Fysiikka IV (EST),. VK 4.5.005, Ratkaisut 1. Selitä lyhyesti mutta mahdollisimman täsmällisesti: a) Keskimääräisen kentän malli ja itsenäisten elektronien approksimaatio. b) Monen fermionin aaltofunktion
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
LisätiedotKemiallinen reaktio
Kemiallinen reaktio REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Johdantoa: Syömme elääksemme, emme elä syödäksemme! sanonta on totta. Kun elimistömme hyödyntää ravintoaineita metaboliassa eli aineenvaihduntareaktioissa,
LisätiedotLuento 11. Elektronin spin
Elektronin spin Luento 11 Spektrimittaukset osoittivat, että energiatasot jakautuvat todellisuudessa useampaan kuin normaalin Zeemanin ilmiön ennustamaan kolmeen. Ruvettiin puhumaan anomaalisesta Zeemanin
LisätiedotMonen elektronin atomit
Monen elektronin atomit Helium atomi Keskimääräisen kentän approksimaatio Aaltofunktion symmetria hiukkasvaihdossa Paulin kieltosääntö Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Heliumin emissiospektri Vety
LisätiedotJaksollinen järjestelmä ja sidokset
Booriryhmä Hiiliryhmä Typpiryhmä Happiryhmä Halogeenit Jalokaasut Jaksollinen järjestelmä ja sidokset 13 Jaksollinen järjestelmä on tärkeä kemian työkalu. Sen avulla saadaan tietoa alkuaineiden rakenteista
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
LisätiedotNyt 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
LisätiedotMääritelmä, metallisidos, metallihila:
ALKUAINEET KEMIAA KAIK- KIALLA, KE1 Metalleilla on tyypillisesti 1-3 valenssielektronia. Yksittäisten metalliatomien sitoutuessa toisiinsa jokaisen atomin valenssielektronit tulevat yhteiseen käyttöön
LisätiedotLuku 10: Atomien rakenne ja spektrit. Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit
Luku 10: Atomien rakenne ja spektrit Vedyn kaltaiset atomit Atomiorbitaalit Spektrisiirtymät Monielektroniset atomit 1 n 1 = 3 n 1 = 4 n 1 = 2 n 1 =1 Vetyatomin spektri koostuu viivoista Viivojen sijainti
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
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
LisätiedotS Fysiikka III (Est) 2 VK
S-37 Fysiikka III (Est) VK 500 Tarkastellaan vedyn p energiatasoa a) Mikä on tämän tason energia Bohrin mallissa? b) Oletetaan että spinratavuorovaikutus voidaan jättää huomiotta Kirjoita kaikki tähän
LisätiedotKovalenttinen 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
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.
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
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)
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
LisätiedotAtomin elektronikonfiguraatiot (1)
Atomin elektronikonfiguraatiot (1) Atomiin sidotun elektronin tilaa kuvataan neljällä kvanttiluvulla: n pääkvattiluku - aaltofunktion eli orbitaalin energia, keskimääräinen etäisyys ytimestä, saa arvot
LisätiedotJaksollinen 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
LisätiedotInfrapunaspektroskopia
ultravioletti näkyvä valo Infrapunaspektroskopia IHMISEN JA ELINYMPÄ- RISTÖN KEMIAA, KE2 Kertausta sähkömagneettisesta säteilystä Sekä IR-spektroskopia että NMR-spektroskopia käyttävät sähkömagneettista
LisätiedotLuento5 8. Atomifysiikka
Atomifysiikka Luento5 8 54 Kvanttimekaniikan avulla ymmärrämme atomin rakenteen ja toiminnan. Laser on yksi esimerkki atomien ja valon kvanttimekaniikasta. Luennon tavoite: Oppia ymmärtämään atomin rakenne
LisätiedotFRANCKIN JA HERTZIN KOE
FRANCKIN JA HRTZIN KO 1 Atomin kokonaisenergian kvantittuneisuuden osoittaminen Franck ja Hertz suorittivat vuonna 1914 ensimmäisinä kokeen, jonka avulla voitiin osoittaa oikeaksi Bohrin olettamus, että
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.
Lisätiedotpääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"
Tehtävä 1 Määritä seuraavien molekyylien pisteryhmät: (a) H 3 N H 3 N l o l NH 3 + NH 3 urataan lohkokaaviota: lineaari!"!" suuri symmetria 2s v #$%%ä 2v!" pääkiertoakseli #$%%ä 2 2 2!" s h Vastaavasti:
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
Lisätiedot5.1 Johdanto 185. 5.2 Helium-atomi 186. 5.3 Keskeiskenttämalli 201. 5.4 Paulin kieltosääntö 206. 5.5 Atomien elektronirakenne 208
MONIELEKTRONIATOMIT 5. Johdanto 85 5. Helium-atomi 86 5.3 Keskeiskenttämalli 0 5.4 Paulin kieltosääntö 06 5.5 Atomien elektronirakenne 08 5.6 L--kytkentä monen elektronin atomeissa 3 5.7 Röntgenspektrien
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
Lisätiedot1. 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,
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,
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
LisätiedotS-114.1327 Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11
S-114.1327 Fysiikka III (Est, 6,0 op) LUENTOSUUNNITELMA KEVÄT 2007, 2. PUOLILUKUKAUSI Toisen puolilukukauden aikana käydään läpi keskeiset kohdat Kvanttifysiikan opetusmonisteen luvuista 3-7. Laskuharjoituksia
LisätiedotLasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.
Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta 014 Insinöörivalinnan kemian koe 8.5.014 MALLIRATKAISUT ja PISTEET Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu
Lisätiedotψ(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
LisätiedotMassaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus
Massaspektrometria IHMISEN JA ELINYMPÄ- RISTÖN KEMIAA, KE2 Määritelmä Massaspektrometria on tekniikka-menetelmä, jota käytetään 1) mitattessa orgaanisen molekyylin molekyylimassaa ja 2) määritettäessä
LisätiedotTASASUUNTAUS 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
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
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
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.
LisätiedotJukka Tulkki 8. Laskuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 3.4 klo 12:00 mennessä. x 2
S 437 Fysiikka III Kevät 8 Jukka Tulkki 8 askuharjoitus (ratkaisut) Palautus torstaihin 34 klo : mennessä Assistentit: Jaakko Timonen Ville Pale Pyry Kivisaari auri Salmia (jaakkotimonen@tkkfi) (villepale@tkkfi)
LisätiedotHEIKOT 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
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
LisätiedotLuento Atomin rakenne
Luento 10 5. Atomin rakenne Vetatomi Ulkoisten kenttien aiheuttama energiatasojen hajoaminen Zeemanin ilmiö Elektronin spin Monen elektronin atomit Röntgensäteiln spektri 1 Schrödingerin htälö kolmessa
Lisätiedot12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)
12. Eristeet Eristeiden tyypillisiä piirteitä ovat kovalenttiset sidokset (tai vahvat ionisidokset) ja siitä seuraavat mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet. Makroskooppisen ulkoisen sähkökentän E läsnäollessa
LisätiedotPHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017
PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017 Prof. Martti Puska Emppu Salonen Ville Vierimaa Janika Tang Luennot 9 ja 10: Sironta kiteistä torstait 13.4. ja 20.4.2017 Aiheet Braggin sirontaehto Lauen sirontaehto
LisätiedotSMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta
SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta Aurinko lähettää avaruuteen sähkömagneettista säteilyä. Säteilyn aallonpituusjakauma määräytyy käytännössä auringon pintalämpötilan (n. 6000 K) perusteella.
LisätiedotATOMIN JA IONIN KOKO
ATOMIN JA IONIN KOKO MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Alkuaineen sijainti jaksollisessa järjestelmässä ja koko (atomisäde ja ionisäde) helpottavat ennustamaan kuinka helposti ja miten ko. alkuaine reagoi
LisätiedotPUOLIJOHTEISTA. Yleistä
39 PUOLIJOHTEISTA Yleistä Pyrittäessä löytämään syy kiinteiden aineiden erilaiseen sähkön johtavuuteen joudutaan perehtymään aineen kidehilassa olevien atomien elektronisiin energiatiloihin. Seuraavassa
LisätiedotSpin ja atomifysiikka
Spin ja atomifysiikka Harris luku 8 Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala Mikro- ja nanotekniikan laitos Kevät 2016 Lämmittelykysymys Pohdi parin kanssa 5 min Kysymys Atomin säde on epämääräinen käsite. Miksi?
Lisätiedot(Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen)
KE2-kurssi: Kemian mikromaalima Osio 1 (Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen) Monivalintatehtäviä 1. Etsi seuraavasta aineryhmästä: ioniyhdiste molekyyliyhdiste
LisätiedotPotentiaalikuopalla 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,
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
LisätiedotLuku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä
Luku 23 Tavoitteet: Määritellä potentiaalienergia potentiaali ja potentiaaliero ja selvittää, miten ne liittyvät toisiinsa Määrittää pistevarauksen potentiaali ja sen avulla mielivaltaisen varausjakauman
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
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
LisätiedotSukunimi: 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
LisätiedotS Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta
S-437 Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta 65007 Välikoeuusinnassa vastataan vain kolmeen tehtävään Kokeesta saatu pistemäärä kerrotaan tekijällä 5/3 Merkitse paperiin uusitko jommankumman välikokeen,
LisätiedotSiirtymämetallien erityisominaisuuksia
Siirtymämetallien erityisominaisuuksia MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Sivuryhmien metallien kemiaa: Jaksojen (vaakarivit) 4 ja 5 sivuryhmien metalleista käytetään myös nimitystä d-lohkon alkuaineet, koska
LisätiedotJohdantoa/Kertausta. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?
Johdantoa/Kertausta MATERIAALIT JA TEKNOLOGIA, KE4 Mitä on kemia? Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi? Kaikissa kemiallisissa reaktioissa tapahtuu energian muutoksia, jotka liittyvät vanhojen
LisätiedotMassaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus
11.5.2017 Massaspektrometria IHMISEN JA ELINYMPÄ- RISTÖN KEMIAA, KE2 Määritelmä Massaspektrometria on tekniikka-menetelmä, jota käytetään 1) mitattessa orgaanisen molekyylin molekyylimassaa ja 2) määritettäessä
LisätiedotSPEKTROMETRI, 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.
LisätiedotAtomi. Aineen perusyksikkö
Atomi Aineen perusyksikkö Aine koostuu molekyyleistä, atomeista tai ioneista Yhdiste on aine joka koostuu kahdesta tai useammasta erilaisesta atomista tai ionista molekyylit rakentuvat atomeista Atomit
LisätiedotSynkrotronisäteily ja elektronispektroskopia. Tutkimus Oulun yliopistossa
Synkrotronisäteily ja elektronispektroskopia Tutkimus Oulun yliopistossa Ryhmätyö Keskustelkaa n. 4 hengen ryhmissä, mitä on synkrotronisäteily ja miten sitä tuotetaan. Kirjoittakaa ylös ajatuksianne.
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
LisätiedotPuolijohteet. luku 7(-7.3)
Puolijohteet luku 7(-7.3) Metallit vs. eristeet/puolijohteet Energia-aukko ja johtavuus gap size (ev) InSb 0.18 InAs 0.36 Ge 0.67 Si 1.11 GaAs 1.43 SiC 2.3 diamond 5.5 MgF2 11 Valenssivyö Johtavuusvyö
Lisätiedot1.1 Magneettinen vuorovaikutus
1.1 Magneettinen vuorovaikutus Magneettien välillä on niiden asennosta riippuen veto-, hylkimis- ja vääntövaikutuksia. Magneettinen vuorovaikutus on etävuorovaikutus Magneeti pohjoiseen kääntyvää päätä
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
LisätiedotPHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA
PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA Kevät 206 Emppu Salonen Lasse Laurson Arttu Lehtinen Toni Mäkelä Luento 2: BE- ja FD-jakaumat, kvanttikaasut Pe 5.4.206 AIHEET. Kvanttimekaanisesta vaihtosymmetriasta
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:
Lisätiedot