Resonans, Big Bang og Fotonenergier – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Resonans, Big Bang og ...

16. juni 2014

Resonans, Big Bang og Fotonenergier

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et par spørgsmål, som jeg vil sætte pris på, hvis I gad at hjælpe mig med at besvare.

Det første spørgsmål handler om lyd og bølger:

1. Hvad er resonans og resonansfrekvens?

Mit andet spørgsmål handler om astronomi:

2. I hvilken forstand er urstoffets sammensætning en af de 4 søjler, der understøtter Big Bang teorien?

Mit tredje og sidste spørgsmål handler lys og bølger:

3. Hvad kan man beregne en fotons energi i forbindelse med Bohrs atommodel?

Med venlig hilsen
C

Resonans er et fænomen man kender i mange sammenhænge. Man har set operasangerinder synge en bestemt tone til et vinglas, så det springer. Det er når hun rammer resonanstonen. Det er den tone, man hører glasset giver, når man knipser på det ved kanten (før det er sprunget naturligvis). Det er også den tone man får frem, ved at ”spille” på det tomme glas, ved at gnide langs kanten.

Fragonard 1767 gynge, et resonanssystem

Vi har vist alle prøvet at få noget i resonans. Når man sidder på en gynge og vil svinge op, læner man sig skiftevis bagud med benene frem og fremad med benene lidt bagud (flytter tyngdepunktet). Hvis man gør det i den rigtige takt, bliver udsvingene større og større. Det er fordi man gør det med resonansfrekvensen, den frekvens (antal svingninger pr. sekund) som gyngen ville have, hvis man blev trukket ud og bare sad stille.

Glas og stentøj der står på et klaver, synger somme tider med på bestemte toner. Det er fordi, de er i resonans. Tilsvarende med musikinstrumenter, f.eks. en orgelpibe. Den giver normalt den tone som er resonanstonen for piben. Dette gælder også de fleste andre musikinstrumenter. Synger man i badeværelset, er det den tone der lyder kraftigst, når man rammer den (man kan næsten sige, at det er derfor man synger i sit badeværelse).

Hængebro ødelagt efter at være i resonans svingninger med vinden som drivkraft

Sender man lys ind i natriumdamp går det lige igennem. Dog vil en stråle gult lys, eller den gule del af lyset, i en bestemt bølgelængde, blive stoppet fordi den er i resonans med et elektronspring i natriumatomet. Den genudsendes når den pågældende elektron falder tilbage igen, men i alle retninger, så det man ser, er at strålen forsvinder og dampen lyser op.

Altså resonans er, når man rammer den naturlige frekvens for et system, så det svinger med, og den frekvens kalder man resonansfrekvensen.

Big Bang teorien støttes af disse observationer:

  1. Universet udvider sig
  2. Man kan observere den kosmiske baggrundsstråling fra dengang elektroner og

    Den antenne hvor baggrundsstrålingen blev fundet på

     atomkerner kombineredes til atomer, så stoffet blev gennemsigtigt. Hidtil blev lyset spredt på de frie elektroner.

     

  3. Dannelsen af brint og helium i Universets første minutter, stemmer overens med den observerede blanding på ca. 25% Helium og 75% brint efter vægt. Det skyldes at neutronerne henfaldt, inden de blev brugt til opbygning af heliumkerner.
  4. Fjerne galakser - der observeres som de så ud i Universets tidligere tider - er

    Rødforskydning som viser galaksernes fart væk fra os

    anderledes opbygget end nære galakser. Så man kan se, at der er sket en udvikling i galaksernes struktur og sammensætning i løbet af Universets levetid. Dette argument kom til, efter at vi fik bygget tilstrækkeligt godt grej til at Big Bang teorien støttes af disse observationer: 

     

Balmer serien som var udgangspunkt for Bohr modellen

Fotonenergien og Bohrmodellen

Bohrmodellen for f.eks. brintatomet opfatter elektronernes energi som kvantiseret. Elektronerne bevæger sig i cirkulære baner omkring atomkernen. Ved lav temperatur er elektronen i den bane, der har mindst energi. Elektronen taber ikke og vinder ikke energi, når den er i en Bohrbane.

Tilføres energi, kan det kun ske med en størrelse, der passer til præcist energispringet til en af de højere baner. Når der har været tilført energi, falder elektronen senere tilbage til den oprindelige bane med den laveste energi, hvorefter der udsendes en foton med præcis sammen energi, som den der tidligere kom ind. Se også:

Emmission og absorption, samme frekvens (farve)

Den magiske formel er altså h*f = E2 – E1 , hvor h er Plancks konstant (h = 6,626 069 3 *10-34 Js), f frekvensen af fotonen, som hænger sammen med bølgelængden, λ (m), via bølgeligningen f * λ = c hvor c er lyshastigheden (c = 2,997 924 58 *108 m/s, den er i dag sammen med sekundet en del af meterdefinitionen, dvs. dette tal er defineret som lyshastigheden).

 

Med venlig hilsen
Michael Quaade
Malte Olsen