Hvordan ses svingninger i atomer? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Hvordan ses svingninge...

21. februar 2014

Hvordan ses svingninger i atomer?

Hej Spørg om Fysik
Hvordan ses svingninger i atomer, og hvordan tælles antallet? Er det i et STM mikroskop? Et sekund er f.eks. antallet af svingninger i et cæsium atom. Er det konstant under alle forhold?

Med venlig hilsen 
P K

Det der svinger i forbindelse med atomer er måske ikke altid atomerne, som dog kan svinge f.eks. i et fast stof, når der sendes lydbølger igennem stoffet. Det man taler om er som oftest elektronerne, som er udenom atomkernerne.

Eks. atomgitter, de sorte streger viser hvor elektronernes bindinger er

Hvis man snakker om selve atomkernerne, kan de klart svinge når de sidder i et gitter, det vil sige et fast stof evt. i en væske. Tilfører man stoffet et slag, vil atomerne kunne svinge omkring ligevægtsstillingen i deres elektroniske bindinger. I væsker kan man også have udbredelse af lydbølger, så atomerne svinger i forhold til hinanden. I faste stoffer og væsker er atomerne bundet sammen af bindinger, som etableres af de yderste af de elektroner som omgiver dem (der kan være lidt forskellige typer af bindinger).

Svingningstiderne bestemmes altså af bindingsstyrken af elektronbindingerne, fuldstændigt som om de var forbundet med fjedre. Og principielt også atomkernernes masse, som kan forekomme i flere typer, efter hvilket grundstof der er tale om. Ved at forsøge at sende lydbølger med forskellige frekvenser igennem krystalgitteret (det faste stof), kan man få informationer om bindingerne.

Bølger i luft med fortætninger og fortyndinger

Frie atomer i gasser

I gasser er atomerne frie og uafhængige af hinanden. Her kan man også sende lydbølger igennem. Det bevirker fortætninger og fortyndinger i gassen, og disse bølger udbreder sig med en hastighed, som er lydhastigheden i den pågældende gas ved den temperatur, og det tryk man har. Da atomerne ikke er bundet til hinanden i en gas, foregår vekselvirkningen ved sammenstød imellem luftmolekylerne (atomerne). Atomerne i gasser ved normalt tryk og temperatur, bevæger sig omkring med hastigheder i området 400 – 2000 m/s afhængig af gassen (2000 m/s for hydrogen). Lydhastighederne er noget mindre. Man vil næppe kalde det egentlige atomsvingninger i den forstand.

Bohr model med "elektronskaller

Måling af egenskaber med lydbølger

Man kan altså måle visse egenskaber med lydbølger (lydbølger, som kan have meget højere frekvenser end det hørbare område), eller ved slag imod stoffet. I kraftige magnetfelter kan man få kerner til at vippe 180 grader rundt ved at bestråle dem med høje frekvenser.

Det man ser, er at når man langsomt ændrer frekvensen, så absorberes energien pludseligt ved en meget præcis frekvens, og det er individuelt for de forskellige atomer, som de sidder i stoffet. Det er principielt det man gør ved lægeundersøgelser med kerne spin resonans (MS-scanner), det har sygehusene store superledende magneter til.

Hydrogenspektrum, Balmer serien

Møssbauereffekten

Med visse kerner kan man også sende gammastråling imod kernen, og ved visse energier ser man så, at gammastrålingen absorberes. Det kaldes Møssbauereffekt, og kan bruges på en række grundstoffer til at se, hvordan atomerne er bundne i det stof de sidder i. Der sker også absorption af gammastråler i alt andet stof, men det der mest er tale om, det er i hovedsagen dæmpning og spredning ved sammenstød. Ikke en spektral absorption. Se også:

Det første effektive Cs ur

Endeligt kan man tænke på de svingninger, der skyldes elektronerne udenom kernerne. Jeg tror, at det er de svingninger der tænkes på. Elektronerne kan befinde sig i bestemte energiniveauer udenom atomet. Energierne afhænger af atomarten, men princippet er det det samme for alle grundstoffer. Hvordan det måles afhænger bl.a. af energien.

Spektrallinjer er aftrykket af spring imellem de diskrete energiniveauer, og det er oftest det man henviser til, når man taler svingninger se:

Nyere cæsium-ur

Bohrs model af hydrogenatomet

Det blev forklaret igennem Bohrs model af hydrogenatomet, hvor elektronerne kun kan være i bestemte energiniveauer omkring kernen. Tilføres energi sker der intet, med mindre energien præcis svarer til energien ved at springe fra et niveau til et andet. I det tilfælde absorberes energien totalt, og elektronen løftes til et højere niveau. Hvis elektronen senere falder tilbage til det oprindelige niveau, kommer den samme energi retur. Sendes meget høje energier ind, dvs. høje frekvenser, kan atomet blive ioniseret. Det vil sige, at elektronen slynges helt bort ved højere energier, end ioniseringsenergien kan elektronen flyttes af alle energier.

MR scanner

Måling af frekvensen

Imidlertid kan man i moderate magnetfelter også lave elektronspin resonans, hvor det er elektroner, der tipper rundt i magnetfeltet ved bestemte frekvenser. Helt som ovenfor kernerne, også i disse tilfælde er der tale om meget præcise energier..

Tælling af antallet svingninger sker ved at måle frekvensen, dvs. måle antal svingninger pr. sek. I andre frekvensområder sker det lettest ved at måle bølgelængden af strålingen i f.eks. lys. Har man den ene, kan den anden findes, idet bølgeligningen siger λ*f = c, hvor λ  er bølgelængden, f frekvensen af den pågældende stråling og c lyshastigheden.

Lille STN

Sådan virker et atomur

Man kan lave et atomur ved at måle de uhyre velbestemte frekvenser, som elektronhoppene har. Man kalder et sådant system et atomur, og det er ofte indrettet ved, at man kan sende mikrobølger ind i et rør, hvor man har de pågældende atomer på gasform (fordampet). Ved at variere mikrobølgefrekvensen finder man så det sted, hvor der pludseligt sker absorption, og måler så den frekvens. Sekundet er defineret ud fra et energispring af elektronerne i et bestemt atom, idet energien, E , ved en bestemt frekvens, f,  kan skrives som E = h * f, hvor h er plancks konstant h = 6,6260693 *10-34 J*s.

STM-princip

Atomur som hyldevare

Det stof der leverer svingningerne er ofte grundstof-isotop Cæsium-133. Det første atomur var en ammonium-maser, som blev bygget ved NBS i 1949, men den første praktiske udgave blev konstrueret af af Louis Essen (GB, 1908 – 1997). I dag er der gået 1 sekund, når der er talt 9 192 631 770 svingninger. Atomure kan i dag købes som hyldevarer.

De bedst konstruerede idag (ej hyldevarer) arbejder med en nøjagtighed som er ca. 1:10-14. I praksis er det ikke et uoverstigeligt problem med moderne elektronik. Den oscillator der leverer frekvensen, som skal finde resonanslinjen, bliver automatisk fastholdt på linjen (låst) af elektronisk tilbagekobling. Frekvensen leveres ind i en mikrobølgekavitet, som indeholder den ønskede gas. Kaviteten tunes (tilpasses bedst muligt) på den frekvens, som uret skal absorbere i. Frekvensen afhænger af gassen, som kan være ammoniak, rubidium, cæsium, hydrogen eller flere andre.

STM billede, rød Cæsiumatomer resten galliumarsenidatomer

Normalen er imidlertid cæsium (grundstof 55, et alkali-metal dvs. i familie med kalium, natrium og litium. Smeltepunktet er 28,44 °C og kogepunktet er 671 °C). Man kan, når systemet er i resonans, derefter digitalt neddele denne oscillators frekvens til de frekvenser man skal bruge. Frekvensen er konstant, og afhænger kun af at uret er rigtigt opstillet med det rigtige gastryk. Det påvirkes ikke af planeter, solen eller andre ydre omstændigheder, men kun af, at uret er anvendt efter de fysiske principper.

Kurve fra elektronspin resonans apparat

Atomure i GPS satellitter

Kvantetilstandene i atomet bliver ikke påvirket af omgivelserne, så længe at temperaturerne ikke er ekstreme. Der skal naturligvis være et passende damptryk af den gas der anvendes, og det betyder, at mikrobølge-kaviteten skal holdes i et bestemt temperaturinterval. Der er atomure i alle GPS satellitter.

Man har kunnet måle på atomare svingninger i mange år, meget længe før STM mikroskopet blev opfundet. STM mikroskopet anvendes først og fremmest til at studere atomers placering i overflader af faste stoffer.

Elektronspin resonans apparat

STM mikroskopet

STM mikroskopet betyder Scanning Tunneling Microscope. Det blev først konstrueret i 1981. Det er baseret på en spids der føres hen meget tæt over overfladen af det materiale man undersøger. Der kan så ske noget, der hedder kvante tunneling. Der lægges en lille spænding imellem spidsen og materialet. Strømmen der så går, afhænger af spidsens position, spændingen og de faststof fysiske forhold på overfladen nedenunder. I bedste tilfælde kan man se ca. 0,1 nm (1/1000 af en milliontedel meter) i planen og 0,01 nm i dybden på overfladen. Spidsen bevæges normalt hen over den flade man undersøger med piezo elektriske transducere, som flytter spidsen hen langs overfladen umådeligt præcist i et scan, så man kan aflæse forholdene i stribe efter stribe ved siden af hinanden, som en gammeldags TV-skærm. Man får på den måde et art topografisk kort af overfladen, hvor beliggenheden af enkeltatomer og andre forhold kan ses.

Med venlig hilsen
Malte Olsen