Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

Samankaltaiset tiedostot
KRISTALLOGRAFIASSA TARVITTAVAA MATEMA- TIIKKAA

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017

1.5 RÖNTGENDIFFRAKTIO

KIDETUTKIMUS. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn taustaa

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

Luku 3: Virheetön kide

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

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

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

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

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

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

TASON YHTÄLÖT. Tason esitystapoja ovat: vektoriyhtälö, parametriesitys (2 parametria), normaalimuotoinen yhtälö ja koordinaattiyhtälö.

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 HILA JA PRISMA

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

Tekijä Pitkä matematiikka

Fysiikan laboratoriotyöt 2, osa 2 ATOMIN SPEKTRI

1. Olkoot vektorit a, b ja c seuraavasti määritelty: a) Määritä vektori. sekä laske sen pituus.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

! 7! = N! x 8. x x 4 x + 1 = 6.

XXIII Keski-Suomen lukiolaisten matematiikkakilpailu , tehtävien ratkaisut

Suorien ja tasojen geometriaa Suorien ja tasojen yhtälöt

Työssä mitataan välillisesti elektronien taipumiskulmat ja lasketaan niiden sekä elektronin energian avulla grafiitin hilavakioita.

Tekijä Pitkä matematiikka Suoran pisteitä ovat esimerkiksi ( 5, 2), ( 2,1), (1, 0), (4, 1) ja ( 11, 4).

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Mallit 2 (alkuviikko) / Syksy 2016

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Fysiikan valintakoe klo 9-12

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

c) Määritä paraabelin yhtälö, kun tiedetään, että sen huippu on y-akselilla korkeudella 6 ja sen nollakohdat ovat x-akselin kohdissa x=-2 ja x=2.

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Pythagoraan polku

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

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

Tekijä Pitkä matematiikka Pisteen (x, y) etäisyys pisteestä (0, 2) on ( x 0) Pisteen (x, y) etäisyys x-akselista, eli suorasta y = 0 on y.

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

Esitehtävä (ks. sivu 5) tulee olla tehtynä mittausvuorolle tultaessa!

Insinöörimatematiikka D, laskuharjoituksien esimerkkiratkaisut

MAA15 Vektorilaskennan jatkokurssi, tehtävämoniste

Shrödingerin yhtälön johto

(iv) Ratkaisu 1. Sovelletaan Eukleideen algoritmia osoittajaan ja nimittäjään. (i) 7 = , 7 6 = = =

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Ensimmäisen asteen polynomifunktio

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

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

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

VEKTORIANALYYSIN HARJOITUKSET: VIIKKO 4

= 9 = 3 2 = 2( ) = = 2

Kiinteän aineen ominaisuuksia I. Kiteisen aineen perusominaisuuksia

Avaruuden kolme sellaista pistettä, jotka eivät sijaitse samalla suoralla, määräävät

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

a b c d

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

z Im (z +1) 2 = 0. Mitkä muut kompleksitason pisteet toteuttavat tämän yhtälön? ( 1) 0 z ( 1) z ( 1) arg = arg(z 0) arg(z ( 1)), z ( 1) z ( 1)

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

MAA7 Kurssikoe Jussi Tyni Tee B-osion konseptiin pisteytysruudukko! Kaikkiin tehtäviin välivaiheet näkyviin! Laske huolellisesti!

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

(b) = x cos x 1 ( cos x)dx. = x cos x + cos xdx. = sin x x cos x + C, C R.

y=-3x+2 y=2x-3 y=3x+2 x = = 6

Kaikkiin tehtäviin ratkaisujen välivaiheet näkyviin! Lue tehtävänannot huolellisesti. Tee pisteytysruudukko B-osion konseptin yläreunaan!

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

Vektoreiden virittämä aliavaruus

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Ota tämä paperi mukaan, merkkaa siihen omat vastauksesi ja tarkista oikeat vastaukset klo 11:30 jälkeen osoitteesta

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2017 Insinöörivalinnan matematiikan koe , Ratkaisut (Sarja A)

Juuri 4 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Kertaus. b) B = (3, 0, 5) K2. ( )

4. Selitä sanoin ja kuvin miten n- ja p-tyypin puolijohteiden välinen liitos toimii tasasuuntaajana?

5. Jos x < 1 2,niin x x 1 on aina. , 1] b) pienempi kuin Yhtälön 3 3 x +3 x =4ratkaisujenlukumääräon a) 0 b) 1 c) 2 d) enemmän kuin 2.

Kidehilan perusominaisuudet

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Sovellutuksia Pinta-alan ja tilavuuden laskeminen Keskiö ja hitausmomentti

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

origo III neljännes D

Funktion derivoituvuus pisteessä

c) 22a 21b x + a 2 3a x 1 = a,

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Luku a) Merkintä f (5) tarkoittaa lukua, jonka funktio tuottaa, kun siihen syötetään luku 5.

Transkriptio:

763343A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 2 Kevät 2018 1. Tehtävä: Kuparin kiderakenne on pkk. Käyttäen säteilyä, jonka aallonpituus on 0.1537 nm, havaittiin kuparin (111-heijastus sirontakulman θ arvolla 21 40' ja (200-heijastus arvolla θ = 25 13. Mikä on hilavakion a arvo? [Merkintä (200 tarkoittaa heijastusta tasosta (100 vastaten kertalukua n = 2.] Ratkaisu: Huomaa, että merkintä 40 = 40 60 ( = minuutti, eli yksi kuudeskymmenesosa. Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111-tasoille on d = nλ 2 sin θ = 0.1537 2 sin(21 40 nm 0.208149nm (1 a = d h 2 + k 2 + l 2 = 0.208149 3 0.36 nm. (2 Samaan tulokseen päästään, kun lasketaan (200-tasojen etäisyys d = nλ 2 sin θ = 2 0.1537 2 sin(25 13 nm 0.360762 nm (3 a = d h 2 + k 2 + l 2 = 0.360762 1 0.36 nm. (4

2. Tehtävä: Piirrä kuutiollisen kiteen yksikkökoppiin hilatasot (210 ja (111. Osoita, että hilatasojen etäisyys yksinkertaisen kuutiollisen kiteen tapauksessa on kaavan d = a h2 + k 2 + l 2 mukainen. Ratkaisu: Tarkastellaan ensin tasoa (210. Palataan Millerin indekseistä takaisin koor- 1 dinaatteihin aî, aĵ ja aˆk. Otetaan ensin käänteisluvut indekseistä ja saadaan: 2, 1 ja (huomataan siis, että taso ei leikkaa z-akselia. Yksi hilataso kulkee näiden pisteiden kautta. Muut tasot saadaan kertomalla em. pisteet kokonaisluvulla (mieti miten Millerin indeksit muodostettiin!. (210-suuntaiset tasot määräytyvät siis pisteistä a n î ja anĵ, 2 missä n on nollasta poikkeava kokonaisluku. Nyt riittää tarkastella tasoja xy-tasossa (koska tasot eivät leikkaa z-akselia. Jokaisen hilapisteen kautta kulkee taso. Kun siis halutaan tutkia kahden vierekkäisen tason välistä etäisyyttä d, niin kuvan perusteella riittää tutkia tason kohtisuoraa etäisyyttä origosta. Tällöin d a/2 = a a/2 1 2 + 2 d = a 2 12 + 2. (5 2 Tarkastellaan sitten tasoja (111. Tasot kulkevat pisteiden naî, naĵ ja naˆk kautta. Taas riittää tarkastella kohtisuoraa etäisyyttä origosta. Kuvan perusteella d a/ 2 = a d = 3a/ 2 a 12 + 1 2 + 1 2. (6 3. Tehtävä: Diraktiometrimittauksessa havaittiin intensiteettihuiput seuraavilla sirontakulman θ arvoilla: 20, 29, 36.5, 43.4, 50.2, 57.35 ja 65.55. Käytetyn säteilyn aallonpituus oli 0.154 nm. Lähtien oletuksesta, että pienin kulma vastaa yksinkertaisen kuutiollisen hilan heijastusta (100, testaa pystytkö selittämään kaikki loput intensiteettihuiput. Ratkaisu: Lasketaan ensin hilavakion arvo a = d = λ 2 sin θ = 0.154 2 sin(20 nm 0.225nm. (7

Sijoittamalla annetut luvut kaavaan n = 2d sin θ λ saadaan toisen kertaluvun heijastus kulmalla 43.2, joka vastannee sirontakulmaa 43.4. Tutkitaan seuraavaksi heijastuksia hilatasosta (110 (huomaa, että tasot (101 ja (011 ovat ekvivalentteja!. Nyt d = a/ 1 2 + 1 2 + 0 0.159193nm ja saadaan ensimmäisen kertaluvun heijastus kulmalla 29. Seuraavaksi tutkitaan tasoja (111. Edelleen, d = a/ 3 0.129981nm ja kulma 36.5 vastaa ensimmäisen kertaluvun heijastusta. Edeten samalla tavalla saadaan, että 50.2 vastaa ensimmäisen kertaluvun heijastusta hilatasosta (210 ja 57.35 vastaavaa tasosta (211. Kulma 65.55 ei vastaa mitään Braggin ehdon mukaista heijastusta yksinkertaisesta kuutiollisesta hilasta. Tämä nähdään esimerkiksi siten, että kun Millerin indeksien kasvattamista jatketaan tulee pian vastaan tilanne missä n < 1. Tämän jälkeen indeksien kasvattamista on turha jatkaa, koska se vain pienentää n:n arvoa (mieti!. Oletus on siis väärä! Seuraavaksi tulisi käydä läpi muut yksinkertaisen kuutiollisen hilan tasot (esim. olettaa, että pienin kulma vastaa (110 heijastusta jne.. Jos (ja kun nekään eivät kykene selittämään havaittuja intensiteettihuippuja, on vaihdettava hilarakennetta. Kaikki sirontakulmat saataisiin selitettyä olettamalla tkk-rakenne. Tällöin alin kulma vastaa heijastusta (110-tasosta (koska 100 on sammunut. 4. Tehtävä: a Ainetta tutkitaan elektronidiraktiolla. Mikä on elektronin energian vähintään oltava, jotta saataisiin diraktiopiikki hilasta, jonka hilavakio on 0.2 nm? b Jotta elektronit tunkeutuisivat kunnolla näytteeseen käytetään energiaa 100 kev. Missä kulmassa saadaan alimman kertaluvun heijastus? Ratkaisu: a Braggin ehdon mukaan elektronin aallonpituuden on oltava vähintään λ 2d, jotta diraktiopiikkejä nähtäisiin. Koska d = a/ h 2 + k 2 + l 2 a, niin myös λ 2a. Elektronin energia määräytyy kaavasta E = h 2 /2mλ 2, missä h on Planckin vakio ja m elektronin massa. Tästä saadaan E = h2 2mλ 2 (8 h2 9.4eV. (9 8ma2

b Nyt E = 100 kev. Tästä saadaan aallonpituus λ = h 2mE 4.0pm. (10 Braggin lain mukaan alimmalle kertaluvulle (n = 1 sin θ = λ 2d = λ ( λ 2a θ = arcsin 0.56. (11 2a

5. Tehtävä: Tutki onko tasoissa (100, (110 ja (111 sammuneita heijastuksia tilakeskeisessä kuutiollisessa rakenteessa. Toista sama pintakeskeisessä rakenteessa. Ratkaisu: Monisteen mukaisesti heijastuksissa peräkkäisistä hilatasoista eroaa valon kulkema matka 2d sin θ:n verran. Kun tämä matka on aallonpituuden λ monikerta, ovat heijastuneet aallot samassa vaiheessa ja vahvistavat toisiaan. Vastaavasti, jos ko. matka on λ/2 monikerta ovat vaiheet vastakkaiset ja heijastus sammuu. Nyt sekä tkkettä pkk-hilalla on (100-tasot myös yksikertaisen kuutiollisen hilan (100-tasojen välissä. Voimakkaan sironnan tapauksessa yksinkertaisessa kuutiollisessa hilassa 2a sin θ = nλ. (12 Nyt tkk-ja pkk-hiloilla välitasoista heijastuneet aallot kulkevat matkan a sin θ = n λ. (13 2 Kun n on pariton saadaan yllä olevan perusteella heijastumisen sammuminen. z (110 (0,0,2a z (111 y (0,2a,0 y x x (2a,0,0 z x=a/2 (111 y Tkk-rakenteessa (110-tasot ovat samat kuin yksinkertaisella kuutiollisella hilalla (lisäpisteet sijaitsevat yksinkertaisen kuutiollisen hilan (110-tasoissa, joten sammumisia ei

tapahdu (ks. kuva. Sen sijaan pkk-hilalla on taas lisätasot päähilatasojen väleissä [kuvassa ainostaan kaksi kuudesta tahkojen keskipisteestä osuu (110-tasoon]. Kuten yllä, tapahtuu sammuminen, kun n on pariton. Pkk-rakenteella (111-tasot ovat samat kuin yksinkertaisella kuutiollisella hilalla [kuvassa isompi (111-taso leikkaa yksikkökopin katkoviivoja pitkin, ja tahkojen keskipisteet sijaitsevat näillä viivoilla]. Tkk-hilalla on lisätasot, joten sammuminen tapahtuu, kun n on pariton [kuvassa poikkileikkaus yz-tasossa arvolla x = a/2: yksikkökopin keskipiste jää (111-tasojen väliin].