Materiaalifysiikkaa antimaterialla. Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto



Samankaltaiset tiedostot
Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Energiatehokkuutta parantavien materiaalien tutkimus. Antti Karttunen Nuorten Akatemiaklubi

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

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

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

SÄTEILEVÄ KALLIOPERÄ OPETUSMATERIAALIN TEORIAPAKETTI

SUPER- SYMMETRIA. Robert Wilsonin Broken Symmetry (rikkoutunut symmetria) Fermilabissa USA:ssa

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Atomimallit. Tapio Hansson

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

Atomimallit. Tapio Hansson

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki).

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

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

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

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

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

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

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

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Fysikaaliset ominaisuudet

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Työturvallisuus fysiikan laboratoriossa

Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2017

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

Mikroskooppisten kohteiden

Sädehoidosta, annosten laskennasta ja merkkiaineista. Outi Sipilä sairaalafyysikko, TkT

PIXE:n hyödyntäminen materiaalitutkimuksessa

VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT

FY1 Fysiikka luonnontieteenä

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

erilaisten mittausmenetelmien avulla

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

Lääketieteellinen kuvantaminen. Biofysiikan kurssi Liikuntabiologian laitos Jussi Peltonen

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

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Mitä ledi on ja mitkä ovat sen edut ja haitat?

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Ydinpolttoainekierto. Kaivamisesta hautaamiseen. Jari Rinta-aho, Radiokemian laboratorio

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Galaksit ja kosmologia 53926, 5 op, syksy 2015 D114 Physicum

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

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

Ionisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016

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

A Z X. Ydin ja isotoopit

55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Hiukkasfysiikkaa teoreetikon näkökulmasta

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Puhtaat aineet ja seokset

SISÄLTÖ MITÄ FYSIIKKA ON KLASSILLINEN FYSIIKKA

2.2 RÖNTGENSÄTEILY. (yli 10 kv).

Fysiikan, kemian, matematiikan ja tietotekniikan kilpailu lukiolaisille

oppilaitos: ARKADIAN YHTEISL YSEO

Tekijä lehtori Zofia Bazia-Hietikko

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

1. Materiaalien rakenne

Fysikaalisten tieteiden esittely puolijohdesuperhiloista

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

(Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen)

MAOL-Pisteitysohjeet Fysiikka kevät 2011

Fysiikan kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. Poikkeuksena kurssit 10-14, joista tarkemmin alla.

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

Fysiikka 8. Aine ja säteily

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Ionisoiva Säteily Koe-eläintöissä. FinLAS Seminaari Mari Raki, FT Lääketutkimuksen keskus Helsingin yliopisto

Fysiikan perusteet. SI-järjestelmä. Antti Haarto

Transkriptio:

Materiaalifysiikkaa antimaterialla Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

Miksi aine on sellaista kuin se on? Materiaalien atomitason rakenne Kokeelliset tutkimusmenetelmät Positroniannihilaatiospektroskopia 2

protoni Aine koostuu atomeista elektroni Atomi: ydin (protoneja, neutroneja) + elektronipilvi Ytimen koko: 2 15 fm (fm = 10 15 m) Atomin (elektronipilven) koko: ~1 Å (Å = 10 10 m) neutroni 1 fm = 10 15 m 0,000000000000001 m 1 pm = 10 12 m 0,000000000001 m 1 Å = 10 10 m 0,0000000001 m 1 nm = 10 9 m 0,000000001 m 1 µm = 10 6 m 0,000001 m

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

Esimerkki: pii (Si) ja galliumnitridi (GaN) Atomit kidehilassa, etäisyys n. 5 Å ( 5 x 10 10 m eli 0,0000005 mm) Atomeja siis n. 5 10 x 10 22 kpl / cm 3 Pii: maailman puhtain aine, epäpuhtauksien osuus pienimmillään 1 : 10 12 Si GaN

Aineen ominaisuuksia Lämpö-ominaisuudet - johtaako lämpöä? - vaikuttaako lämpötila? - varaako lämpöä? Mekaaniset ominaisuudet - hauras / sitkeä? - kova / pehmeä? - tiheä / harva? Atomitason rakenne Optiset ominaisuudet - heijastaa / absorboi / päästää läpi valoa - riippuuko aalonpituudesta? - vaikuttaako valo muihin ominaisuuksiin? Sähköiset ominaisuudet - johtaako sähköä? - johtaako aina sähköä? - miksi?

Jaksollinen rakenne, poikkeamat Alkuaineet, atomien pakkautuminen nätisti, elektronit pii muistuttaa sepeliä, kun taas galliumnitridi on väritön ja läpinäkyvä molemmat ovat puolijohteita, mutta elektronirakenne on erilainen (esim. luminesenssiominaisuudet poikkeavat toisistaan merkittävästi) Säännöllistä rakennetta voi häiritä: - epäpuhtauksilla - laittamalla atomeja vääriin paikkoihin - jättämällä atomeja pois - näiden yhdistelmillä Huom: oleelliset virhetiheydet alkavat ppb-tasolta! (1 : 10 9 )

Mittakaavoista Si GaN Kiteiset puolijohteet ja metallit (Opto-)elektroniikan komponentit Orgaaniset (pehmeät) materiaalit 0,1 nm 1 nm 10 nm

Miten materiaalien rakennetta voi tutkia? Usein: ammutaan jollain ja katsotaan mitä tulee ulos esim. röntgensironta (Johanna Kallio 17.1.) Elektronimikroskoopit elektronien sironta, sekundäärielektronit, luminesenssi Ionisuihkumenetelmät ioneja sisään, (toisia) ioneja tai säteilyä ulos Magneettiset resonanssit (Hanna Renvall 21.2.) elektroni- ja ydinspinien vuorovaikutukset atomimittakaava Valoherätteiset prosessit absorptio, sironta, luminesenssi Sähköiset menetelmät resistanssi, kapasitanssi, ominaisuuksia atomitason rakenne

Haasteita? Elektronimikroskoopit aineen atomirakenteen tutkimuksen lippulaiva! mutta: itseiset pistevirheet haaste näytteiden valmistelun vuoksi Magneettiresonanssimenetelmät antavat todella yksityiskohtaista tietoa pistevirheistä mutta: vain riittävän paksuja ja riittävän eristäviä näytteitä voi tutkia Ionisuihkumenetelmät ovat erittäin herkkiä epäpuhtauksille mutta: muiden pistevirheiden havaitseminen vaatii n. 0,1%:n esiintymistiheyksiä

Positroniannihilaatiospektroskopia positroni on elektronin antihiukkanen (m = m e, q = +e)! annihiloituu elektronin kanssa, tuottaen sähkömagneettista säteilyä (gammasäteilyä) lähteitä: parinmuodostus (ydinreaktorit, kiihdyttimet, vapaaelektronilaser) tai radioaktiiviset isotoopit (Na, Co,...) β + -aktiivinen Na-isotooppi ja positroni-elektroniannihilaatio 22 Na β + e + (0-540 kev) e + + e - 2γ (511 kev) 22 Ne γ (1,27 MeV) 11

Positronihistoriaa 1928: Ennuste/teoria: e + (P. Dirac, anti-elektroni) 1932: 1. havainto (C. Anderson, kosminen säteily) 1940-luku: positroniannihilaatiotutkimuksia materiassa (myös Simons) 1950- ja 60-luvut: kokeelliset menetelmät: positronin elinaika, annihilaatiosäteilyn Doppler-levenemä ja kulmakorrelaatio (myös Jauho, Kohonen, TKK) 60-luvun lopulla: annihilaatioparametrit herkkiä kiinteiden aineiden (metallien) hilavirheille!

Historia jatkuu 1970- ja 80-luvut: lisää kokeellisia menetelmiä, positronikiihdytinteknologia (ohutkalvojen tutkimista varten) + positronien loukkuuntumisen teorian kehittelyä (Hautojärvi, Nieminen, Puska) 1990-luku: teoreettisten ja kokeellisten menetelmien kehittyminen puolijohteiden pistevirheet! (Saarinen) 2000-luku: puolijohdekomponentit, biologiset materiaalit, transienttipositronispektroskopia (Tuomisto)

Positronit haluavat mennä sinne, missä ei ole atomien ytimiä! E + E B 14

Molekyylimateriaalit (esim. polymeerit, biologiset kudokset) Molekyylimateriaaleissa isompia reikiä muodostuu positroniumia (positronin ja elektronin sidottu tila), positronivetyatomi Positroni elää paljon pidempään! e + e e + e

Timanttien väri Savuinen väri johtuu vakanssivirheistä!

Kudoksia voi tutkia positroneilla! Lipidikalvoissa (esim. soluseinämä) nähdään lämpötilan muutoksen aiheuttamia rakennemuutoksia positroneilla! Vaatii lisätutkimuksia sekä teoria- että kokeellisella puolella

Miksi aine on sellaista kuin se on? Materiaalien atomitason rakenne vaikuttaa oleellisiin ominaisuuksiin Materiaa voi tutkia antimaterialla! Puolijohteiden tutkimus vähemmän energiaa kuluttavaa elektroniikkaa, parempia aurinkokennoja Biologiset materiaalit enemmän ymmärrystä kemiallis-fysikaalisista prosesseista ihmiskehossa

The annihilators Dos. Filip Tuomisto, akatemiatutkija Dos. Jonatan Slotte, lehtori TkT Floris Reurings, tekninen asiantuntija PhD Asier Zubiaga, post-doc PhD Łukasz Kilański, post-doc DI Simo Kilpeläinen, jatko-opiskelija DI Esa Korhonen, jatko-opiskelija FM Jiri Kujala, jatko-opiskelija DI Jussi-Matti Mäki, jatko-opiskelija Dipl. Eng. Christian Rauch, jatko-opiskelija TkT Ilja Makkonen, teoria Dos. Ari Harju, teoria Prof. Martti Puska, teoria