Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde

Transkript

1 Forsøg del 1: Beregning af lysets bølgelængde Formål Formålet med denne forsøgsrække er, at vise mange aspekter inden for emnet lys med udgangspunkt i begrænset materiale. Formålet med forsøget er at beregne bølgelængden på forskellige laserfarver. Teori Lys kan som vi allerede ved beskrives som bølger. Derfor har de forskellige farver lys også en bestemt bølgelængde og frekvens. I tabellen neden for her kan du se sammenhængen mellem bølgelængde og frekvens for de forskellige farver: Lysets frekvens nævnes ofte i tabeller som THz THz står for tera hertz og er Hz = Hz (en billion) Vi nævner ofte bølgelængde for lys i nanometer, som er 1 milliontedel af en mm 1nm = mm Du skal finde målene i mm, og til sidst gange med , så du får resultatet i nanometer. Optisk gitter Formel λ = x d L Et optisk gitter er en plade hvor der er lavet en række spalter. Der står på det optiske gitter hvor mange linjer der er udskåret pr. millimeter. Side 1 af 9

2 Gitterkonstanten er et mål for hvor mange linjer der er pr. millimeter og er altid skrevet som en brøk. Er der 300 linjer i gitteret er gitter konstanten 1/300mm Forsøgsopstilling Materialer og udstyr Lasere (rød, grøn violet) I skal nok låne lasere fra hinanden undervejs Optisk gitter Stativ til at montere laser Billedet herunder viser forsøgsopstillingen: x d Øvelsesvejledning Først monteres en laser i et stativ. Laseren skal lyse igennem et optisk gitter for derefter at ramme en hvid overflade. Men hjælp fra tegningen ovenfra skal måle værdien x og værdien L d som er gitterkonstanten aflæses på gitteret og skrives ind som brøk. VIGTIG: lav meget præcise målinger.. Side 2 af 9

3 Resultat og efterbehandling Skriv målingerne ind i nedenstående skema Laserfarve x L d Grøn Rød Violet Hvor: x er afstanden mellem to lysprikker målt i mm. (afstand mellem 0. orden og 1. orden.) d er gitterkonstanten. Altså afstanden mellem to gitterspalter. Er der fx 300 linjer/mm er gitterkonstanten! mm, som skrives ind i formlen.!"" L er afstanden fra gitteret til væggen, målt i mm. Lav udregning af bølgelængden for de tre lasere: Grøn laser: λ = x d L = Rød laser: λ = x d L = Violet laser: λ = x d L = Skriv resultatet af beregningen ind i skemaet og noter den teoretiske bølgelængde. Laserfarve Beregnet λ Teoretisk λ Grøn Rød Violet Den teoretiske bølgelængde står enten på laseren, eller er intervallet for farven. Find den i teoriafsnittet. Side 3 af 9

4 Forsøg del 2: Beregning af lysets frekvens Formålet med forsøget er at finde frekvensen for laserlysene. Vi har i forsøg 1 beregnet bølgelængden på 3 laserfarver. Vi kan nu finde frem til, hvor mange perioder/svingninger lysbølgerne foretager på 1 sek. altså frekvensen. Vi bruger bølgeformlen: ν = f λ Hvor.. v er bølgeudbredelseshastigheden målt i m/s f er frekvensen Hz målt i s -1 λ er bølgelængden målt i m Hvad kender vi?.. lyset bevæger sig tilnærmelsesvis km/s, så vi kender udbredelseshastigheden for lys, og vi har i forsøg 1. beregnet bølgelængden. Så vi omskriver formlen til: f = v λ MEN da hastigheden for lyset er i enheden km/s, og bølgelængde er i enheden meter, skal vi først lave om til en fællesenhed, som her er meter. Eks. for den blå laser med bølgelængde 475nm (aflæst i skema) f =!"".!!!!"/!!"#!" vi omskriver og får f =!"".!!!.!!!!/!!.!!!!!!"#$! eller f =!!"!!/!!"#!"!!! S!! (Hz) Frekvensen = 6, Hz Eller = gange i sekundet. (hvad hedder tallet?) Side 4 af 9

5 Lav evt. en ny kolonne i dit første skema, hvor du skriver frekvensen ind. Laserfarve x d L Beregnet λ Teoretisk λ Frekvens Grøn Rød Violet I skemaet på side 5 i lyskompendiet kan du aflæse, om du har beregnet rigtig. Enheden i skemaet står i THz (Terahertz, som svarer til 1000GHz, som er gange i sek.) Side 5 af 9

6 Forsøg (3) Formålet med forsøget er at bestemme, hvor meget energi de forskellige farvers lyspartikler (fotoner) indeholder. Energien for et foton regner vi i elektronvolt. (ev) Formlen for elektronvolt er ev = H f Hvor.. H er Plancks konstant. Som er tallet 4,136 10!!" ev s Du behøver ikke vide noget om denne værdi, men er du alligevel nysgerrig så tjek nettet. Vi indsætter vores tal for frekvens og får ev = 4,136 10!!" 6,3 10!" ev = 2,6 Denne energimængde har det blå lys Vi betegner tit energi i joule (J) 1 ev = 1, J, altså en ufattelig lille mængde energi. Skriv gerne resultat og udregninger op i et skema, for at give overblik Laserfarve Frekvens ev Grøn Rød Violet Side 6 af 9

7 Forsøg (4) Formålet med forsøget er at bestemme, mellem hvilke 2 skaller elektronen udfører sit spring, og hvilken farve det giver. Kort teori: Der er potentiel energi i elektronerne. Jo større skalnummer des højere energiniveau. Skal nr. 1 har energiniveau 0, og indeholder ingen Epot. Der kan ikke være elektroner i et højere skalnummer, hvis der mangler elektroner i et mindre skalnummer. Skal nummer 3, skal være fyldt ud, før der kan være elektroner i skal nr. 4. Figur 1: 1. En hurtig elektron slår en elektron ud af K-skallen (inderste skal, nr. 1) 2. En elektron fra L-skallen, udfylder hullet og udsender den overskydende energi som en foton. (måske synligt lys) Fig. 1. Figur 2: Vi ser her at et spring fra skal nr. 4 til skal nr. 2 giver grønt lys og et spring fra skal nr. 3 til skal nr. 2 giver rødt lys. Fig. 2. Side 7 af 9

8 Men lad os se på lidt beregning. Niels Bohr står bag opdagelsen af formlen Em En = fotonens energi. Em er energien for den yderste skal i beregningen, og En er energien for den inderste skal i beregningen. For at beregne energien for de forskellige skaller bruger vi denne formel, hvor m = 1 og n = skalnummer 1-7 E = 13,60 (!!!!!! ) ev Eks 1: Energi for skal nr. 2 E = 13,60 1 1! 1 2! E = 10,2 Find energien for skallerne herunder. Energi i skal nr. 1 = 0eV Energi i skal nr. 2 = 10,2 ev Energi i skal nr. 3 = Energi i skal nr. 4 = Energi i skal nr. 5 = Energi i skal nr. 6 = Energi i skal nr. 7 = Beregn nu energiforskellen i elektronspring, hvor skal nummer 2 altid er den inderste. Em En = fotonens energi Side 8 af 9

9 Elektronspring Em En Energiforskel (fotonens energi) Fra 3 til 2 Fra 4 til 2 Fra 5 til 2 Fra 6 til 2 Fra 7 til 2 Lysets farve Slutkonklusion Vi startede med en laser og en formel. Vi fandt bølgelængden, herefter frekvensen. Med disse, samt hastigheden for lysets bølgeudbredelse, kunne vi bestemme farvernes energi. Vi så at lyset er fotoner, som udsendes som energibundter, udsprunget af den overskydende energi, når der sker et elektronspring. Forskellen mellem disse spring, svarer til energien i farvernes lys. Vi kan nu bestemme, ved hvilket elektronspring farverne opstår ud fra. Side 9 af 9