NANO-SCIENCE CENTER KØBENHAVNS UNIVERSITET. Se det usynlige. - øvelsesvejledninger

Transkript

1 Se det usynlige - øvelsesvejledninger

2 INDHOLDSFORTEGNELSE OG KOLOFON "Se det usynlige" øvelsesvejledninger Indholdsfortegnelse Undersøg laserlysets interferensønster... 3 Beste tykkelsen af et hår... 7 Undersøg princippet i en lysleder - totalrefleksion... 8 Frestilling af li og illustrer såvinkelspredning... 9 Teori til deonstrationsforsøg - En regnbue i nanoskoven Kolofon Undervisningsaterialet er udgivet af Nano-Science Center, Københavns Universitet i 2014, ed støtte fra Vækstotorprojektet. Redaktør: Rikke Bøyesen. Tekster og øvelser er udviklet og skrevet af: Rikke Bøyesen, Aske Gejl og Freja Eilsø Stor i saarbejde ed skolelærer Ingelise Dige Seark og forsker ved DFM A/S Morten Hannibal Madsen. Billeder og Illustrationer: Freja Eilsø Stor og Aske Gejl, edindre andet er nævnt. Undervisningsaterialet er blevet til ed støtte fra: Vækstforu Hovedstaden og EU.

3 ØVELSESVEJLEDNING Undersøg laserlysets interferensønster I denne øvelse skal I arbejde ed laserpointere og undersøge interferensønstre. HUSK: Laserlys kan være farligt for øjnene. Undlad at lyse på andre. Apperatur Rød laserpointer λ=650 n Grøn laserpointer λ=532 n Optisk gitter Evt. niveaubord/underlag Klo til at fastholde laserpointeren (tændt) Lineal/ålestok Skær (enhver reflekterende overflade) Evt. gitterbænk (til at spænde gitteret fast) Figur 1: Illustration af diffraktionsønsteret af laserlys genne et gitter. Gitteret opstilles præcis een eter fra væggen, og laseren fastgøres i kloen, så den kan "skyde" vinkelret ind på gitteret og væggen. - Hvordan kan an tjekke, at laseren er vinkelret på gitteret? Figur 2: Opsætning af forsøg.

4 Udfra de relevante længder og vinkler i opstillingen, skal I beregne sinus til θ. sin (θ) = b c b c a θ Figur 3: a er afstanden fra gitter til væggen, b er afstanden ielle prikkerne på væggen. θ er vinklen, der kan beregnes elle 0'te ordens prik og n'te orden. Databehandling Nedenstående er skeaer hvor I kan skrive jeres data ind. De første to skeaer er til data ved brug af rød laserpointer (husk at bruge SI enheder) d beregnes udfra gitterligningen λ = d sin(θ) n Målte data Gitter ed 500 linier pr. n (orden) 1 a gitter til væg) b 0 te orden til n te prik på væg Beregnede data c gitter til n te ordens prik) Sin (θ) (bøjningsvinkel) d gitterkonstanten n 2 Målte data Gitter ed ukendt antal linier pr. n (orden) 1 a gitter til væg) b 0 te orden til n te prik på væg Beregnede data c gitter til n te ordens prik) Sin (θ) (bøjningsvinkel) d gitterkonstanten n 2

5 Data ved brug af grøn laserpointer Målte data Gitter ed 500 linier pr. n (orden) 1 a gitter til væg) b 0 te orden til n te prik på væg Beregnede data c gitter til n te ordens prik) Sin (θ) (bøjningsvinkel) d gitterkonstanten n 2 Målte data Gitter ed ukendt antal linier pr. n (orden) 1 a gitter til væg) b 0 te orden til n te prik på væg Beregnede data c gitter til n te ordens prik) Sin (θ) (bøjningsvinkel) d gitterkonstanten n 2 1) Angiv herunder ét eksepel på beregningerne til skeaet. 2) Passer den beregnede gitterkonstant d ed det tal, der er opgivet på gitteret, so er 1 d? 3) Er der fejlkilder ved forsøget? 4) Kan I, ved at bruge den gitterkonstant der er angivet på gitteret eftervise, at den røde laser har en bølgelængde på 650 n? 5) Hvad vil der ske, hvis an placerer to gitre uiddelbart efter hinanden, og sender laserstrålen i genne? 6) Hvilken forskel vil der være i diffraktionsønsteret hvis gitrene er drejet 90 grader i forhold til hinanden?

6 Fourier transforering Når to gitre bliver sat op efter hinanden, opstår der et ere koplekst ønster. Mønsteret i et rigtigt forsøg vil svare til flere tusind gitre sat op efter hinanden, og ønsteret bliver eget koplekst. Derfor skal der bruges avanceret ateatik til at udlede strukturen af prøven ud fra diffraktionsønsteret. Det ateatik der bruges kaldes Fourier transforering, og forlen ser sådan her ud: X(ω)= - x(t) e -iωt dt Billederne viser opstilling og et lille udsnit af det ønster, so frekoer, når to gitre er sat op efter hinanden.

7 ØVELSESVEJLEDNING Beste tykkelsen af et hår I denne øvelse skal I bruge teorien fra forsøget ed gitterene, til at bestee tykkelsen af ét enkelt hår. Det kan lade sig gøre fordi, at brydningen af lys på en sal barriere er den sae, so brydningen genne en sal spalte. Tykkelsen af et hår kan bestees ved at sende laserlys ind på håret. Derved skabes et diffraktionsønster bestående af en lysende streg ed ørke og lyse striber. Figur 1: Illustration af opsætning af differaktion genne hår. Afstanden b på figur 2 svarer til afstanden fra den centrale prik til centru af den n te prik i diffraktionsønstret: Figur 2: Et hår er sat fast ed tape henover åbningen på en laserpointer. Tykkelsen af håret bestees på sae åde so gitterkonstanten i det første forsøg. Her er d det sae so tykkelsen af håret. Gitterligningen λ = d sin(θ), hvor sin(θ) = b n c (Så λ= d n b c eller d = λ n c b ) Er der forskel i tykkelsen af håret fra en lyshåret i forhold til en ørkhåret? Hvad ed krøller og glat hår? Hår ed og uden hårprodukter?

8 ØVELSESVEJLEDNING Undersøg princippet i en lysleder - totalreflektion I dette afsnit skal vi illustrere princippet i en lysleder, dvs. at lys kan bevæge sig igenne et stykke plexiglas uden at slippe ud på grund af totalrefleksionen. Derved kan an transittere lys-partikler /fotoner igenne plexiglasset. For at signalet når fre i den anden ende af glasset, er det vigtigt, at lyset ikke ister intensitet i væsentlig grad. Det betyder, at vi skal forsøge at undgå, at lyset bryder ud genne plexiglasset. Hvis der kun er plexiglasset og luften uden o glasset, og hvis strålens indfaldsvinkel er større end en vis grænsevinkel, vil der forekoe totalrefleksion (se afsnit o totalrefleksion). Det betyder, at størstedelen af lyset forbliver inden for plexiglasset. Figur 1: Illustration af opsætning af forsøget, hvor plexiglasstykkerne tapes fast på bordpladen. I forsøget skal I prøve at guide en laserstråle igenne flere stykker plexiglas for at afbøje strålen så eget so uligt i forhold til den oprindelige udbredelsesretning. Materialer: 7 stk. plexiglas 1 laserpointer 1 saks 1 rulle tape 1 vinkelåler (evt. en tube vaseline) Start ed at finde et bord, hvor I kan tape plexiglas stykkerne fast. Tape det første stykke glas fast og lys ed laseren igenne det. Hvor eget kan I dreje lyset genne et enkelt glas? Sæt det andet glas op til enden på det første og drej det, så lyset bliver afbøjet est uligt og tape det fast. Prøv nu at dreje de forskellige stykker plexiglas i forhold til hinanden således, at laserlyset bliver afbøjet så eget so uligt. Hvilket hold kan afbøje lyset est? Når I ener, at plexiglassene er placeret så godt so uligt, åler I ed vinkelålerne, hvor eget lyset er afbøjet i alt og noterer det ned, så I kan saenligne ed resultatet fra de andre grupper.

9 ØVELSESVEJLEDNING Frestilling af lin - og illustrer såvinkelspredning I denne øvelse skal I lave jeres egen li. Det gør I ved at udvinde kaseinolekyler fra skuetælk ved hjælp af natron og eddike. Kaseinolekyler er proteiner, so binder sig i lange kæder, og de fungerer derfor so en li. Når kasein-lien tørrer, vil der være salinger af flere proteiner i lien. Hver saling vil indeholde et forskelligt antal af kasein-proteiner og derfor have forskellige størrelser. Disse salinger af proteiner fungerer so diffrektionsgitre i forskellige størrelser. Det betyder, at I får et kopliceret diffraktionsønster, so inder o diffraktionsønsteret i et rigtigt neutronspredningseksperient. Materialer: 250 l bægerglas 250 l konisk kolbe 100 l åleglas Et elblus eller en bunsenbrænder, trådnet og trefod Tragt Spatel Filterpapir Skuetælk Eddike Natron (Natriuhydrogencarbonat, NaHCO3) Fregangsetode: Hæld ca. 125 l skuetælk op i bægerglasset. Afål 25 l eddike i et åleglas. Hæld derefter eddiken op i bægerglasset. Sæt bægerglasset på bunsenbrænder eller elblus. Var langsot op og rør rundt ed spatel. Blandingen å kun blive lunken ikke koge. Når væsken bliver klar, og der dannes hvidgule kluper i væsken stoppes opvarningen. Rør rundt til der ikke længere dannes kluper. Lad kluperne bundfældes og hæld den klare del af væsken ud, så der kun er ca. ¼ del tilbage i glasset. Filtrér resten af væsken genne et filterpapir i en tragt på kolben. Det tager noget tid - ca. 15 inutter. I den tid kan an fx lave øvelsen ed totalrefleksion. Hæld de kluper der er tilbage i filtret ned i bægerglasset og tilsæt 15 l vand. Rør rundt og tilsæt lidt efter lidt op til en halv teskefuld natron indtil der ikke koer flere bobler. Stoffet i bægeret er li. Når jeres li er færdig, skal I lægge en lille klat på et objektglas og lade det tørre. Tag glasset ed til den næste øvelse og prøv at lyse ed en laser genne liklatten.

10 TEORI TIL DEMONSTRATIONSFORSØG En regnbue i nanoskoven - plastbrikker ed nanogitre Ved hjælp af nanoteknologi kan vi bygge og designe forskellige aterialer ed enkelte atoer og olekyler. Den kunnen bliver benyttet inden for ange oråder fx udviklingen af ny edicin og bedre elektronik. Specielt inden for udviklingen af nye aterialer bruger vi nanoteknologi. De nye aterialer har egenskaber so fx selvrensende overflader eller overflader, der lyser i forskellige farver. Et eksepel på et nyt ateriale er de NanoPlast-brikker, so er inkluderet i dette kit. Her er overfladen lavet uden brug af keikalier. Det er en ere iljøvenlig åde at lave plastik på, so satidig gør den neere at genbruge. I stedet for at sortere plastik efter farve før det kan genbruges, vil an, hvis farven skyldes foren af overfladen, kunne genbruge eget ere plastik. NanoPlast-brikkerne er støbt i sort plastik. Forskellen fra alindeligt plastik er, at når denne brik belyses fra forskellige vinkler, skifter klodsen farve. Farven frekoer, fordi der er nanostrukturer på overfladen. Dette skyldes, at brikken er sprøjtestøbt ed en asse så gitre på overfladen. Gitrene består af så linjer, so står vinkelret ud fra plastbrikken. En lignende effekt kendes fra soerfuglevinger. Når soerfuglen bevæger sine vinger, ser vi et flot farvespil. Strukturerne er dog så så, at de ikke kan ses ed det blotte øje (ca. 100 n høje), og overfladen ser derfor helt plan ud. Kun ved lysets spredning på strukturerne, kan an se den forandrede overflade. Lys ed forskellig bølgelængde spredes i forskellige vinkler, når det sendes igenne et optisk gitter. Blåt lys har en bølgelængde okring 450 n, grønt lys okring 550 n og rødt lys okring 650 n. Det ses af gitterligningen, at lys ed forskellige bølgelængder bliver spredt forskelligt, når de raer et gitter. Lyset bliver altid sendt vinkelret ud fra strukturerne. Dvs. går linjerne op/ned, bliver lyset sendt ud højre/venstre. Når der lyses ed en laser på plastbrikken, ser vi et diffraktionsønster, so nærest ligner en lille sol ed forskellige afstande elle prikkerne i de forskellige ønstre. Dette er en effekt af de ange forskellige gitre, so er støbt på overfladen. Fra gitterligningen kan an se, at når afstanden elle spalterne, d, er stor, bliver afstanden elle prikkerne i diffraktionsønsteret lille. Bliver d indre, bliver afstanden elle prikkerne i diffraktionsønsteret lille. Det er grundlæggende sae princip, an benytter i neutronspredning. Ved at studere den vinkel, so neutroner bliver spredt ud i, kan an få værdifuld inforation o en prøve. De prøver an undersøger har ofte så variationer og uregelæssigheder der gør, at neutron-diffraktionsønsteret bliver ere koplekst, og derfor arbejder forskere ed eget kraftige coputere. Plastikbrikkerne er frestillet i NanoPlast-projektet (læs ere o projektet på Billeder af Morten Hannibal Madsen, DFM. Plastik ed struktureret overflade. Billede taget ed et alindeligt kaera ed lys, der koer ind fra siden. Det er den sae plastikbrik, der er fotograferet på alle billederne. Overfladen af plastikenet so er forstørret gange. Billedet er ed atoar kraft ikroskopi (AFM). Det kan bruges til at se strukturer helt ned på nanoeterskala.