Soveltavat tehtävät (251–261)

251. Kaasupilven spektri

Kaksi havaitsijaa, A ja B, tähti, sekä harva vetykaasupilvi sijaitsevat kuvan mukaisesti toisiinsa nähden. Havaitsijat mittaavat kaasupilven suunnalta tulevan valon spektrin. Selitä, millaisen spektrin he havaitsevat ja miten havainnot poikkeavat toisistaan.


  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

252. Balmerin sarja

Johann Balmer (1825–1898, kuvassa) keksi vuonna 1885 matemaattisen kaavan, jolla voitiin laskea tunnetut vetyatomin emittoimat näkyvän valon aallonpituudet. Bohrin vetyatomimalli antoi myöhemmin teoreettisen selityksen Balmerin sarjalle. Nykyään tiedetäänkin Balmerin sarjan syntyvän, kun elektroni siirtyy vedyn ensimmäiselle viritystilalle.

  1. Laske Balmerin sarjan lyhin aallonpituus.
  2. Osoita, että ensimmäiselle viritystilalle päätyvissä siirtymissä emittoituva säteily on aina näkyvää valoa.

 

Balmerin sarja (Wikipedia)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

253. Vedyn absorptiospektri

Alla on esitetty vedyn absorptiospektri, eli merkitty ne aallonpituudet, jotka voivat absorboitua vetyyn ja virittää elektronin perustilaltaan.


  1. Miksi absorboituvat aallonpituudet esiintyvät yhä tiheämmässä aallonpituuden pienentyessä?
  2. Mitä tapahtuu aallonpituudella 91,2 nm, jota lyhyempiaaltoinen säteily näyttää absorboivan aallonpituudesta riippumatta?
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

254. Vedyn ionisoituminen lämpöliikkeen vaikutuksesta

Ideaalikaasun molekyylien keskimääräinen liike-energia [[$ E_\text{kk} $]]​ riippuu kaasun lämpötilasta [[$ T $]]​ kaavan

[[$ \quad E_{kk}=\dfrac{3}{2}kT $]]

mukaisesti, jossa [[$ k=1,38\cdot 10^{-23} J/K $]]​ on ns. Boltzmannin vakio.

Laske, missä lämpötilassa vetykaasun molekyylien keskimääräinen liike-energia riittää ionisoimaan vetyatomin.

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

255. Litiumin energiatasot

Litiumilla on energiatilat -3,54 eV, -2,02 eV, -1,56 eV ja -1,51 eV. Sen emissiospektrissä havaitaan aallonpituudet 813 nm, 610 nm ja 2 688 nm. Piirrä litiumin energiatasokaavio ja merkitse siihen lueteltuja aallonpituuksia vastaavat siirtymät. Huomaa, että pyöristys voi aiheuttaa hieman poikkeamaa tuloksissa.
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

256. Viritystilan yksikkö

Atomien energiatasot ilmoitetaan joissain lähteissä ilmaisemalla viritystilan ero perustilaan pituusyksikön avulla. Esimerkiksi vedyn ensimmäinen viritystila voidaan ilmaista 82 258 cm-1. Päättele, mihin tämä perustuu ja ilmaise samalla tavalla vedyn toisen viritystilan energia.
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

257. Elohopealampun spektri

Elohopeaa sisältävälle kaasupurkauslampulle mitattu spektri on annettu liitteenä. Oheisessa kuvassa on esitetty osa elohopean energiatasokaaviosta.

  1. Esitä spektri kuvaajana ja määritä sen voimakkaimmat neljä aallonpituutta.
  2. Mikä aallonpituuksista sopii energiatasokaavioon? Minkä energiatilojen välinen siirtymä on aiheuttanut piikin? 
  3. Spektroskooppi on herkkä vain näkyvän valon aallonpituusalueelle. Mistä voidaan päätellä elohopealampun emittoivan myös ultraviolettisäteilyä?

Aineisto:
Taulukko: elohopealampun_spektri.ods​ (LibreCalc)
Taulukko: elohopealampun_spektri.cmbl (Logger Pro)
Taulukko: elohopealampun_spektri.cap (Capstone)
Taulukko: elohopealampun_spektri.gambl (Graphical Analysis)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

258. Kvartsikiteen energiatilat

Kvartsikiteen rakennepoikkeamien energiatiloja voidaan mallintaa kuvassa esitetyllä tavalla lähekkäisten tilojen ryhminä. Ryhmiä kutsutaan tässä energiavyöhykkeiksi. Vyöhykettä A kutsutaan perustilojen vyöhykkeeksi. Kun kvartsikide ottaa vastaan energiaa, se voi virittyä kaikille kuvassa näkyville energiavyöhykkeille. Kun se luovuttaa energiaa, se palautuu aina vyöhykkeelle A.

  1. Millä aallonpituuksilla kvartsikide absorboi ja emittoi säteilyä?
  2. Miten energiatilojen ryhmittyminen energiavyöhykkeiksi näkyy kvartsikiteen emittoiman säteilyn spektrissä?

(YO-koe kevät 2015)

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

259. Laser

  1. Esittele laserin toimintaperiaate ja laserin valon tärkeimmät ominaisuudet.
  2. Oheisessa kuvassa on esitetty argonlaserin yksinkertaistettu energiatasokaavio. Kuvaan on merkitty lasersiirtymät a ja b. Laske siirtymiä vastaavat aallonpituudet. Minkä väristä on näissä siirtymissä syntyvä valo?


(YO-koe kevät 2008)
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

260. Röntgenfluoresenssi

Röntgenfluorensenssi (XRF) on menetelmä, jolla voidaan tutkia kappaleiden alkuainekoostumusta. Tutkittavaan materiaaliin kohdistetaan suurienergistä röntgen- tai gammasäteilyä. Se saa atomien alimpien energiatilojen elektroneja irtoamaan, minkä seurauksena korkeamman energiatilan elektroneja siirtyy vapautuneisiin alempiin tiloihin. Siirtymät vapauttavat atomeista energiaa röntgenfotoneina. Eri atomien energiatilat poikkeavat toisistaan, joten ne emittoivat itselleen ominaisia röntgenaallonpituuksia. Tätä kutsutaan karakteristiseksi röntgensäteilyksi. Monielektroniatomeissa elektroneja on useilla eri energiatiloilla, joten alhaisen kuoren elektronin poistuminen voi synnyttää useita eri aallonpituuksia. Liitteenä olevassa taulukossa on lueteltu eri alkuaineiden [[$K_\alpha$]]- ja [[$K_\beta$]]-energioita. Nämä tarkoittavat siirtymiä L- ja M-kuorelta alimman energian K-kuorelle.

Erään metalliseoksen koostumusta tutkittiin XRF-menetelmällä. Materiaaliin kohdistettiin röntgensäteilyä. Materiaalin emittoimalle säteilylle mitattu spektri on annettu liitetiedostona. Taulukossa on lueteltu eräiden metallien karakteristisen säteilyn energioita. 

  1. Esitä spektridata kuvaajana ja määritä havaitut karakteristisen säteilyn aallonpituudet.
  2. Mitä alkuaineita näyte sisälsi?


Aineisto:
Taulukko: rontgenfluoresenssi.ods (LibreCalc)
Taulukko: rontgenfluoresenssi.cmbl (Logger Pro)
Taulukko: rontgenfluoresenssi.cap (Capstone)
Taulukko: rontgenfluoresenssi.gambl (Graphical Analysis)

Alkuaine [[$ K_\alpha $]]​(eV) [[$ K_\beta $]]​(eV)
Cr 5 415 5 947
Fe 6 405 7 059
Ni 7 480 8 267
Cu 8 046 8 904
Zn 8 637 9 570
Ga 9 251 1 027
Ge 9 886 1 098
As 10 540 11 726
Se 11 224 12 497
  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.

261. Franckin ja Hertzin koe

James Franck ja Gustav Hertz palkittiin Nobelin fysiikan palkinnolla v. 1925 kokeestaan, jossa he tutkivat matalapaineista elohopeahöyryä. Elohopeahöyry (Hg) oli putkessa, jossa oli viereisen kytkentäkaavion mukaisesti kolme elektrodia.



Kaavion kohdassa K on katodi. Katodina toimii hehkulanka, josta irtoaa elektroneja. Katodin ja keskimmäisen elektrodin A välillä oli säädettävä jännite [[$ U_1 $]]​, minkä vuoksi elektronit joutuvat kiihtyvään liikkeeseen. Kiihdytetyt elektronit kulkevat verkkomaisen elektrodin A läpi. Elektrodin A ja anodin B välillä on pieni jännite [[$ U_2 $]]​, minkä vuoksi kiihdytetyillä elektroneilla tulee olla hieman liike-energiaa, jotta ne pääsevät anodille B. Anodille saapuvat elektronit havaitaan sähkövirtana.

Jännitettä [[$ U_1 $]]​ kasvattaessaan Franck ja Hertz havaitsivat sähkövirran kasvavan, kunnes se putoaa lähes nollaan jännitteen arvolla 4,9 V. Kun saavutetaan ensimmäinen sähkövirran huippuarvo, elohopeahöyryn havaittiin lähettävän ultraviolettisäteilyä, jolla oli tietty aallonpituus. Kiihdytysjännitettä kasvatettaessa ultraviolettisäteilyn aallonpituus pysyy samana. Sähkövirta kasvaa jännitteen kasvaessa, kunnes se putoaa lähes nollaan jännitteen arvolla 4,9 V. Sama toistuu jännitteillä, jotka ovat 4,9 V:n monikertoja.

  1. Selitä, mitä katodilta lähteneille elektroneille ja elohopea-atomeille tapahtuu jännitteen ylittäessä 4,9 V.
  2. Miksi sähkövirta laskee myös 4,9 voltin jännitteen monikerroilla? 
  3. Laske havaittavan ultraviolettisäteilyn aallonpituus.

Franckin ja Hertzin koejärjestely on toteutettavissa myös muilla kaasuilla. Valokuvassa näkyy neonkaasun lähettämää oranssinpunaista valoa alhaalla olevan katodin C ja keskellä olevan verkkomaisen elektrodin A välissä.

  • Palauta vastaus

Sinulla ei ole tarvittavia oikeuksia lähettää mitään.