Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi- Kap. 2 Krefter, felt, stråling Truls Norby Kjemisk institutt/

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi- Kap. 2 Krefter, felt, stråling Truls Norby Kjemisk institutt/"— Utskrift av presentasjonen:

1 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi- Kap. 2 Krefter, felt, stråling Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo FERMIO Forskningsparken Gaustadalleen 21 NO-0349 Oslo Kurs-uke 1b Repetisjon fra Fysikk 2 Mekanikk Krefter og bevegelse Krefter og felt Gravitasjonelt Elektrisk Magnetisk Stråling

2 I dette kapittelet skal vi lære om… Krefter som virker på og mellom legemer –Store legemer (feks kloder, satellitter, biler, menneskekropper) –Små legemer (feks elektroner eller protoner) –Felt som påvirker legemer med kraft Gravitasjon Elektrisitet Magnetisme –Energi Potensiell energi Kinetisk energi –Arbeid Stråling –Elektromagnetiske bølger –Fotoner MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

3 Greit å kunne litt om krefter og slikt….

4 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Krefter og bevegelse F p Ingen av disse begrepene er energi. Her ser vi en kule med masse m. Den beveger seg med hastighetsvektorer v. Den har moment p. Hvis den utsettes for en kraft F opplever den akselerasjon a, og derfor endres v (hastighet og/eller retning). Noen begreper om en gjenstand med masse m i bevegelse: Posisjon r og hastighet v ved tid t : Bevegelsesmengde (moment) p: Akselerasjon a: Kraft F: Impuls:

5 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Newtons lover om bevegelse 1. lov: Om et legeme i ro: –Vektorsummen av alle krefter som virker på et legeme i ro er null 2. lov: Om et legeme der vektorsummen ikke er null: –Endringen per tidsenhet i bevegelsesmengden til gjenstanden er proporsjonal med (netto) kraft som virker på den og har samme retning 3. lov: Om to gjenstander som utøver krefter på hverandre: –Krefter fra en gjenstand til en annen opptrer alltid i par; kraft (fra A til B) og en like stor og motsatt rettet motkraft (fra B til A). An object at rest remains at rest and an object in motion continues with a constant velocity in a straight line unless an external force is applied to either object. The acceleration of an object is directly proportional to the net force acting on it, while being inversely proportional to its mass. For every action there is an equal and opposite reaction. Sir Isaac Newton

6 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Øvelse 2-0. Hva er SI-enhetene for masse og tid? Hva er enhetene for størrelsen på hastighet, akselerasjon, bevegelsesmengde, kraft og impuls? Eksempel 2-1: Et svevetog veier kg og beveger seg i en lineær bane uten friksjon med en hastighet på 360 km/h. a) Hva er togets bevegelsesmengde? b) I løpet av 60 s ønsker vi å stanse fartøyet helt ved en elektromagnetisk brems som setter opp en kraft mellom toget og underlaget. Hvor stor netto kraft må bremsen yte i fartsretningen? c) Hvor stor er akselerasjonen? Avrund svarene til antall gjeldende sifre. Løsning: a) (2.1) gir p = kg  360 km/h  1000 m/km / 3600 s/h = kg  m/s. b) Siden vi skal motvirke hele bevegelsesmengden p har vi fra (2.4) at  p = kg  m/s = F  60,0 s, slik at F = kg  m/s 2 = N. c) Fra (2.3) har vi a = F/m = N / kg = 1,6667 = 1,67 m/s 2. (Dette er absoluttstørrelsene; hva med retning (fortegn)?) Øv En bil veier 2000 kg. Hvor stor kraft må hjulene tilsammen skyve fra med mot underlaget for å akselerere bilen jevnt fra 0 til 100 km/h i løpet av 10 sekunder? (Hint: bruk for eksempel impuls ΔP.) Se på eksempelet, evt. kontrollregne. Løs så Øvelsen. Fasit/løsningsforslag bak i kompendiumet. Se på eksempelet, evt. kontrollregne. Løs så Øvelsen. Fasit/løsningsforslag bak i kompendiumet.

7 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Bevegelse i sirkelbane Sirkelbevegelse er et spesielt viktig tilfelle. Vi skal ikke utlede det, men legge merke til karakteristiske trekk. Hvis banehastigheten er konstant i en sirkelbevegelse, har vi –Konstant akselerasjon, a; –Konstant kraft, F;

8 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En kule på 1 kg roteres om et sentrum holdt av en snor. Snora er 1 m lang og omløpstiden er 1 sekund. Hva er kraften i snora? Løsning: Banehastigheten på kula finner vi fra omkretsen på banen og tiden: v = 2  3.14  1 m / 1 s = 6,28 m/s. Fra (2.6) har vi F = 1 kg  (6,28 m/s) 2 / 1 m = 39,4 N. Øv Anta at et elektron går rundt i en sirkelbane rundt en atomkjerne i en avstand av 1 Å ( m) og at banehastigheten er lik lyshastigheten. Bruk data fra tabellen for konstanter bakerst i kompendiet til å regne ut kraften som holder elektronet i bane basert på klassisk mekanikk.

9 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Kinetisk energi E = ½ mv 2 Skalar. Enhet = J (joule) Eks Hvor mye energi må bremsen i Eks. 2-1 bruke for å stanse toget? Løsning: Energien må tilsvare togets kinetiske energi før oppbremsingen: (2.7) gir E = ½  kg  (360 km/h  1000 m/km / 3600 s/h) 2 = ½  kg  (100 m/s) 2 = 5  10 6 kg  m 2 /s 2 = 5  10 6 J = 5  10 3 kJ = 5 MJ. Øv Hvor mye energi kreves for å akselerere bilen i Øv. 2-1 fra 0 til 100 km/h? E = ½ mv 2

10 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Elastisk og uelastisk støt Ved støt mellom to legemer: Bevegelsesmengden bevares: Elastisk støt: Kinetisk energi bevares: Uelastisk støt: Kinetisk energi bevares ikke. Men totalenergien bevares (Energibevaringsloven): E etter = E før

11 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En stillestående satellitt i fritt rom som veier 1000 kg skal repareres av en klønete astronaut på 100 kg, som dessverre treffer satellitten med en hastighet på 10 km/h i et fullstendig elastisk støt rett på. Hva blir satellittens hastighet v s etter støtet? Løsning: Vi kaller astronautens hastighet etter støtet for v a. Denne er også ukjent og vil måtte være en del av løsningen. Vi har to ukjente og bruker ligningene (2.8) og (2.9). Vi har fra (2.8) at 100 kg  10 km/h = 1000 kg  v s kg  v a og fra (2.9) at ½ 100 kg  (10 km/h) 2 = ½ 1000 kg  v s 2 + ½ 100 kg  (v a ) 2. Siste ligning løst gir v a = (100 – 10 v s 2 ) 1/2. Innsatt i første ligning får vi v s = 1,82 km/h. Øv Bilen i Øv. 2-1 kolliderer etter akselerasjonen (utrolig nok...) front mot front med en like tung bil med samme hastighet. Kollisjonen er fullstendig uelastisk. Hva er den totale bevegelsesmengden til de to bilene før og etter kollisjonen? Hva er den totale kinetiske energien før støtet og hvordan kan energien foreligge etter støtet?

12 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Arbeid. Krefter og felt Nærkrefter –Krefter som virker mellom legemer i kontakt med hverandre Mekanikk (det vi har sett på hittil) Trykk (virkning av atombevegelser) Fjernkrefter –Krefter som virker på grunn av et felt (en gradient i et potensial) –Feltene og kreftene kan formidles i alle medier, også vakuum. –Utfordring for fysisk forståelse og logikk. –To (tre) typer: Gravitasjon Elektromagnetisk felt –Elektrisk felt –Magnetisk felt Arbeid omsetter en energiform til en annen Arbeid gjøres ved bruk av krefter. Arbeid er lik kraft x strekning Dersom kraft endrer seg med strekning: Dersom kraften er konstant og parallell med strekningen: w = F·s

13 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Gravitasjon Newtons gravitasjonslov: Gjenstand med masse m ved jordoverflaten: F = gm der g er tyngdeakselerasjonen; g = 9,8 N/kg = 9,8 m/s 2. Cavendish målte  ved hjelp av en blykule i laboratoriet:  = 6.67* Nm 2 /kg 2 Ved dette kunne man beregne Jordens masse! (=6*10 24 kg)

14 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Potensiell energi i gravitasjonsfelt Ved jordoverflaten: F = gm ~ konstant Arbeid = økning i potensiell energi ved å endre høyde h: w =  E p = gmh Derfor: E p med jordoverflaten som referansepunkt er E p = gmh. Potensiell energi for legeme med masse m i gravitasjonsfelt til legeme med masse M: Referansepunkt uendelig langt ute: E p = 0 ved r =  w =  Ep = gmh

15 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks Satelitten på 1000 kg kommer inn i gravitasjonsfeltet til Jorden og styrter inn mot overflaten. Hvor stor kinetisk energi har det fått når den befinner seg 1000 km over jordflaten? Løsning: Uendelig langt ute har det potensiell energi lik 0. Ved 1000 km har vi en avstand på = 7371 km fra jordens sentrum og derved Dette tapet i potensiell energi er blitt til kinetisk energi E kin = 5,429  J. Øv Et satellitt på 1000 kg skal skytes ut i det ytre rom. Hvor mye energi kreves som minimum (dvs. for å ende opp med hastighet 0 uendelig langt ute)?

16 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En ingeniør planlegger å lagre elektrisk energi ved å pumpe vann fra havet opp i en stor, grunn innsjø som ligger 100 meter over havet. Hvor mye energi koster det (og kan hun få tilbake) per liter vann, når vi ser bort fra eventuelle tap? Løsning:  E = w = gmh = 9,8 N/kg  1 liter  1 kg/liter  100 m = 980 J. Øv En vektløfter holder en manual med vekt 10 kg ½ meter over bakken. Så løfter hun den ytterligere ½ meter høyere og holder den der i 1 minutt. Deretter slipper hun den. a) Hvor mye energi kreves for løftet? b) Hvor stor kraft trenger hun å bruke for å holde gjenstanden og c) hvor mye energi koster det å holde den i 1 minutt? d) Hva er hastigheten til gjenstanden idet den treffer bakken?

17 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Elektrisk felt Charles de Coulomb; kraft mellom to ladde partikler: Der k e = 9,0*10 9 Nm 2 /C 2. 1 C (Coulomb) = 1 As –ladningen som passerer når 1 A strøm går i ett sekund Feltstyrke: Den kraft en ladet partikkel føler per enhet ladning. Retning fra + til -. + q F

18 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Elektriske feltstyrkelinjer Feltstyrkelinjer –Vektorer (fra + til -) vinkelrett på ekvipotensielle elektrostatiske linjer Inhomogene felt –Eks. kulesymmetrisk felt Homogent felt –Platekondensator Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

19 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Kulesymmetrisk elektrisk felt + q F

20 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks Vi betrakter et hypotetisk elektron i ro 1 Å fra en atomkjerne med én positiv ladning. a) Hva er den elektrostatiske kraften mellom de to? b) Hva er energien som må tilføres for å fjerne elektronet uendelig langt vekk? Løsning: Fra (2.17) og (2.19) har vi a) F = -9,0  10 9 Nm 2 /C 2  1,602  C  ( ‑ 1,602  C) / ( m) 2 = 2,31*10 -8 N og b) E pot = 9,0  10 9 Nm 2 /C 2  1,602  C  ( ‑ 1,602  C) / m = -2,31* J = eV. Det må tilføres 2,31* J = 14,4 eV for å fjerne elektronet (feil fortegn i boka). Øv To små metallkuler henges 10 cm fra hverandre i metalltråder forbundet med en strømkrets. Vi sender 1 μA strøm gjennom kretsen i ett sekund og antar at alle ladningene samles i kulene. Hva er nå kraften mellom kulene?

21 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eksempel; klassisk betraktning av elektronets hastighet og energi i hydrogenatomet +

22 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Ioniseringsenergi basert på klassisk betraktning av hydrogenatomet + E tot w

23 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Platekondensator; Homogent elektrisk felt Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

24 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En protonstråle skal avbøyes med en elektrostatisk linse; den passerer i vakuum mellom to parallelle plater som ligger 1 cm fra hverandre. Det ligger 1 kV over platene. Hva er protonenes akselerasjon? Løsning: Feltet over platene er E = 10 V/m. Protonets ladning er elementærladningen, slik at kraften på protonet er F = qE =1,602* C * 10 V/m = 1,602* N. Akselerasjonen a = F/m = 1,602* N / 1,673* kg = 9,576*10 8 N/kg (=m/s 2 ). Øv Et elektron befinner seg i vakuum mellom to parallelle plater 1 mm fra hverandre. Det ligger 1 V over platene. Hva er akselerasjonen for elektronet? Hvis elektronet starter stillestående fra den ene platen, hvor lang tid vil det ta før det har nådd frem til den andre platen?

25 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Magnetfelt Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY. Magnetiske mineraler har vært kjent og brukt i kompasser siden oldtiden, bl.a. i mineralet magnesitt fra Magnesia. Permanente magneter og induserbare magneter. Magneter omgir seg med et magnetisk felt – feltstyrkelinjene er definert å gå fra N (nordpol) til S (sydpol). Ulike poler tiltrekker hverandre. Like poler frastøter hverandre. Jorden er en magnet. Skyldes rotasjon i jernkjernen. N (magnetisk nordpol) ligger nær den geografiske Sydpolen. Magnetfelt på enkelte andre planeter skyldes rotasjon i metallisk H 2.

26 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Elektromagnetisme Hans Kristian Ørsted, 1820: Elektrisk strøm induserer magnetisk felt. Årsaken til magnetisme er bevegelse av elektriske ladninger; netto transport eller netto spinn. Elektrisitet og magnetisme hører derfor sammen; elektromagnetisme. Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY. Hans Christian Ørsted André-Marie Ampère Michael Faraday James Clerk Maxwell

27 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Spoler Spiralformet leder forsterker feltet. Magnetiserbar kjerne forsterker feltet ytterligere; elektromagnet. Brukes i elektromagneter, motorer, generatorer, og transformatorer. Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

28 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Ladning i magnetfelt Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

29 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks Et elektron kommer med lysets hastighet vinkelrett inn i et magnetfelt på 100 T. Hva er kraften på elektronet? Løsning: Fra (2.26) har vi F =  C  3  10 8 m/s  100 T = 4,806  N Øv Et elektron har en hastighet på 1000 m/s. Det skal holdes i en sirkelbane med radius 1 m ved hjelp av et magnetfelt. Finn flukstettheten for magnetfeltet.

30 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Nordlys (aurora borealis) og sørlys (aurora australis) Nordlys og sørlys –Ladde partikler strømmer ut fra solen –Treffer Jordens magnetfelt –Avbøyes og akselereres mot polene –Treffer atomer og molekyler i atmosfæren –Disse ioniseres/eksiteres –Lys avgis når elektronene faller ned i grunntilstandene

31 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Induksjon Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY. Dersom en leder beveger seg gjennom et magnetfelt får vi indusert en spenning. Hvis magnetfeltet står vinkelrett på både lederen og hastigheten, blir spenningen: Hvis det går en strøm som resultat av spenningen (forbruk av energi) må vi tilføre arbeid til bevegelsen. Mer generelt: Spenning induseres ved å endre fluksen: Dette kan oppnås ved å endre feltet, flukstettheten eller arealet.

32 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Vekselstrømsgenerator Bruker induksjonsloven (forrige side) til å omsette roterende bevegelse (mekanisk arbeid) til elektrisk vekselstrøm. Arbeidet kan komme fra vannkraftturbin, gassturbin, bilmotor, sykkelhjul, osv. (Kraftverk basert på brenselceller eller solceller vil produsere likestrøm……) Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

33 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Transformator En transformator består av to eller flere spoler Vekselspenning i én spole (primærspolen) induserer spenning i en annen spole (sekundærspolen) i forhold til viklingstallet: Vikling på felles magnetiserbar kjerne (oftest jern) forsterker og formidler magnetfeltet Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

34 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En generator i et kraftverk genererer vekselspenning på 500 V. Vi skal transformere dette opp til 10 kV for transport i kraftlinjer vha en transformator. Denne har 100 viklinger i primærspolen. Hvor mange skal sekundærspolen ha? Løsning: Fra 2.30 har vi N s = N p U s /U p = 100 * / 500 = Øv Nær sluttbrukerne skal 10 kV vekselspenning fra kraftnettet transformeres ned til 220 V. a) Hva blir viklings-forholdstallet N s /N p for transformatoren som brukes til dette? b) Hvorfor brukes en høy spenning til transport over lange avstander?

35 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling (elektromagnetisk) Elektromagnetisk stråling består av svingende magnetiske og elektriske felt, vinkelrett på hverandre og på stråleretningen. Forskjellige typer stråling –Røntgen, UV, synlig, IR, radio –Sendes ut av elektroner i bevegelse; varme (ovn), elektrisk signal (antenne)) men alle er elektromagnetiske Gasser i atmosfæren absorberer stråling Optisk vindu og radiovindu Figurer: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

36 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling (elektromagnetisk) Figur: W.D. Callister jr.; Materials Science and Engineering

37 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling fra sort legeme; Wiens og Stefan-Boltzmanns lover Strålingsintensitet fra et sort legeme, som funksjon av frekvens (eller bølgelengde). Maksimumet finnes ved Wiens forskyvningslov: Mens den totale intensiteten er gitt ved Stefan-Boltzmanns lov: Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY. Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien Josef Stefan Ludwig Boltzmann

38 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Røntgenstråling Kortbølget (høyenergetisk) elektromagnetisk stråling Penetrerer de fleste materialer Gjør skade på molekyler og strukturer Dannes når elektroner akselereres mot og kolliderer med anodematerialer i en katodestrålerør (Røntgenrør). Kontinuerlig stråling (bremsestråling) Karakteristisk stråling (for anodematerialet). Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY. Wilhelm Conrad Röntgen

39 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks Sola har en overflatetemperatur anslått til ca °C. a)Hva er bølgelengden og frekvensen til lyset med høyest intensitet? b)Hva slags elektromagnetisk stråling er dette? Løsning: a)Fra (2.32) har vi m = 0,00290 K m / ( ) K = 5  m = 500 nm. Fra (2.31) har vi f = c/ = 3  10 8 m/s (lyshastigheten) / 5  m = 6  /s. b)Synlig lys (senter rundt gr ø nt). (Fordeler seg over hele det synlige (resultat hvitt) og med innslag av ultrafiolett.) Øv Et legeme befinner seg ved 1000 °C. Hva er bølgelengden og frekvensen på lyset som avgis med høyest intensitet? Anslå fargen på denne strålingen.

40 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling fra Solen Solen –Hydrogenbrenning Totalreaksjon: 4 protoner blir til en heliumkjerne + tre typer stråling: p = 4 2 He + 2e  Solen gir fra seg energi som stråling og mister litt masse i hht. Einstein: E = mc 2 Total effekt: 3,86*10 26 W Temperaturen i kjernen: T = K Temperaturen på overflaten: T = 5800 K max = 0.1 – 1  m

41 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Stråling til Jorden Jorden 1,496*10 11 m (150 millioner km) fra Solen Effekten pr m 2 (solarkonstanten S) avtar med kvadratet av avstanden. S (på jordens solside) = 1370 W/m 2 30% reflekteres direkte (albedoen), 70% absorberes (på solsiden) Stråling fra Jorden skjer fra hele overflaten på alle sider. Derfor kan Jorden avgi all stråling den mottar, selv om temperaturen er lav. I følge Stefan-Boltzmann burde temperaturen på jordoverflaten være omlag -20°C; max = ca 15  m (infrarødt) Imidlertid sørger CO 2 og H 2 O for mer absorbsjon i dette området enn for sollyset (synlig og ultrafiolett område; O 3 og H 2 O), slik at temperaturen på overflaten er høyere for å oppnå energibalanse. Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

42 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Kvantemekanikk Foto: Solvay-kongressen 1927, Brussel

43 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Kvantemekanikk: Problem 1: Fotoelektrisitet Fotoelektrisitet: –Hertz & Hallwachs, ca 1880: Når vi bestråler en overflate med ultrafiolett lys, avgis elektroner fra overflaten. –Elektronenes energi øker ikke med intensiteten til lyset. –Over en viss bølgelengde til lyset (under en viss frekvens) avgis ingen elektroner.

44 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Problem 2: Stråling fra sort legeme Figur: Hemmer: Kvantemekanikk

45 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Max Planck, 1900: Energien i lyset er kanskje kvantifisert? Figur: Hemmer: Kvantemekanikk Max Planck

46 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Einstein: Da kan vi sikkert forklare problemet med fotoelektrisiteten også: Lyset (med kvanter hf) slår løs elektroner og gir dem samme energi. De mister noe energi på vei ut; løsrivningsarbeidet, arbeidsfunksjonen, W, slik at deres kinetiske energi blir E k = hf - W Hvis hf < W blir E k < 0; ingen elektroner unnslipper. Med dette hadde Einstein, ved Plancks kvantebegrep, oppklart det fotoelektriske problem. Fotoelektrisitet utnyttes i solceller, og i analyseteknikkene XPS (X-ray Photoelectron Spectrocopy) og UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) W varierer fra materiale til materiale Oppgis ofte i eV 1 eV = 1,6022* J. For et mol elektroner: 1 eV*N A = J/mol Wunderbar! Max Planck Albert Einstein

47 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Partikler og bølger de Broglie: En partikkel i høy hastighet har også egenskaper som en bølge: = bølgelengde, m = masse, v = hastighet, h = Plancks konstant og omvendt: En bølge (eks. elektromagnetisk strålekvant) har også egenskaper som en partikkel (eks. foton). Strømmer av elektroner eller nøytroner brukes som bølger, med bølgelengde etter de Broglie, når de benyttes til mikroskopi og diffraksjon. Louis de Broglie

48 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks Palladium, som har en arbeidsfunksjon (W) på 4,98 eV, bestråles med ultrafiolett lys med en bølgelengde på λ = 200 nm. a)Regn ut maksimum kinetisk energi på fotoelektronene som sendes ut. b)Regn ut bølgelengden til disse elektronene. c)Hva er den lengste bølgelengden på bestrålingen som kan initiere en fotoelektrisk effekt i palladium? Løsning: a)Bruker 2.31 og 2.36, samt at 1 eV = 1,6022  J: E k (= ½ m e v 2 ) = hf – W = h(c/λ) – W = 1,92  J. b)Bruker 2.37, λ = h/mv, der v finnes fra v = (2E k /m) 1/2. λ = 1,1  m = 1,1 nm. c)Lengste b ø lgelengde som gir E k >0 → hf>W → hc/λ>W → λ

49 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Eks En stråle av nøytroner tas ut fra en atomreaktor. De har en hastighet på 1000 m/s. Hva er bølgelengden og frekvensen til denne strålingen? Løsning: Fra (2.37) og data i tabell over konstanter har vi = h/mv = 6,626  Js / (1,675  kg  1000 m/s) = 4,075  m. Øv Røntgenstråling med bølgelengde 1 Å (røntgenstråling) kan ses på som lyskvant eller som fotoner. a) Hva blir energien til hvert kvant? b) Hva blir den effektive massen til et slikt foton?

50 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi Oppsummering, kapittel 2 Krefter – nærkrefter og fjernkrefter Energibegrep fra dette kapittelet: –Bevegelse; Kinetisk energi –Felt; Potensiell energi –Arbeid –I neste kapittel: Nytt energibegrep; Varme (entalpi) Stråling er felt og bevegelse –Kvantemekanisk –(Relativistisk)


Laste ned ppt "MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi- Kap. 2 Krefter, felt, stråling Truls Norby Kjemisk institutt/"

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google