Monday, June 27, 2011

Osakeste sensoritest ja tulemuste tõlgendamisest


Üksikosakeste nagu elektronide, prootonite ja vähemalt teiste laenguga osakeste olemasolu ning liikumist saab silmale nähtavaks teha kergelt sarnaste meetoditega. Eestikeelsed vasted võivad siinkohas valed olla. Pilvekamber, mullikamber ja sädemekamber teevad laenguga osakesed nähtavaks nendes kambrites olevate osakeste ioniseerimisega ja kaasnenud suuremaskaalaliste muutustega.
Pilvekambris on kiiresti kondenseeruv vee või alkoholi aur kus ioniseerimivad osakesed tekitavad liikudes tugevamalt kondenseerunud piiskade raja mis kasvab silmale nähtavaks.
Mullikambris on keemise piiri lähedase temperatuuriga vedelik ja laetud osakesed põhjustavad selles oma teel mullide teket. Magnetvälja lisamisel liiguvad osakesed laengust ja massist sõltuvalt tiirutades ning energilisema inertsiga osakesed on vähem järskude kurvidega.
Sädemekambris
ioniseeritakse osakeste poolt gaasi (heelium, neoon) osakesed ja kui sellest ruumist elekter läbi juhtida, siis eriti eredalt hakkavad helendama ioniseeritud piirkonnad.

Sensori leidude tõlgendamisest CERN'i õppematerjalide järgi

Kiirendites tekkinud ebastabiilsed osakesed nagu mesonid jõuavad ka valguse kiiruse lähedal liikudes enne sensorist väljumist ära laguneda lühikese säilivusaja tõttu kuid relatiivsusest tingitud liikuja kohaliku aja aeglustumine pikendab veidi säilivust. Meson kaoon (u ja s kvargiga) näiteks säilib 90 pikosekundit, mis tähendaks, et valguse kiirusel laguneks see 2,7 cm läbimisel kuid relatiivsuse tõttu on läbib see umbes 17 cm (Lorentzi tegur gamma=6,34).

Üldiseid leidude omadusi:
Ristid on lisatud mõõtskaala olemasoluks.
Mullikambris kasutatakse vesinikku, sest selles on ainult prooton ja elektrone ning ei pea arvestama osakeste kokkupõrgetega läbisegi prootonite ja neutronitega.
Suurema inertsiga osakeste rajad kõverduvad aeglasemalt.
Osakeste energiat näeb trajektoori pikkusest ja koos inertsiga saab üheskoos arvutada nende massi. Energia (E) ja inerts (p) on massi leidmise valemis eraldi suurused (E2 = p2c2 + m2c4).
Osad osakesed nagu mesonid (kvargi ja antikvargiga) lagunevad peatudes ettearvataval viisil.
Rajad on peenemad relativistlikel kiirustel ehk valguse kiiruse lähedal. Aeglasemad osakesed jätavad maha paksema raja. Lihtsustatult on sentimeetri kohta tekkinud mullide arv umbes 1/kiirus ruudus.
Neutraalse laenguga osakesed nagu neutronid ei jäta rada kuid nende olemasolu saab hinnata teades kiirendis kasutatud osakeste massi/energiat ja mullikambris nähtava massi/energiat ning vahel ka nende lagunemise järgi positiivseks ja negatiivseks.
Spiraalselt sissepoole krussis trajektooridel olevad osakesed aeglustuvad. Aeglustumisel vabaneb elektromagnetkiirgus. Elektronid ja prootonid saavad kiirendis võrdselt energiat kuid kuna elektron on umbes 2000 korda kergem, siis kiireneb see palju rohkem kuid see jõuab ka rohkem energiat kaotada ja kiiresti spiraalse tiirlemisega peatuda. Mida rohkem osakest kiirendati seda rohkem see kiirgab elektromagnetkiirgust.
Kui elektroni energia on üle 2mec2 (me on elektroni mass), siis võib see tekitada elektroni ja positroni koosteket.

Laenguga osakesed
lagunevad tavaliselt sama laenguga osakesteks kuid väiksema impulsiga ja tekib ka neutraalne osake. See sündmus põhjustab järsu suuna muutuse trajektooris.
Paksemad rajad on tavaliselt prootonid.

Paralleelsed rajad on kiirendis kiirendatud osakesed mis ei põrkunud prootonitega ja kõrvalekaldumised tekkisid kokkupõrke tõttu.

Positiivse ja negatiivse
laenguga osakesed pöörduvad magnetväljas vastassuunades ja negatiivse laenguga elektronide väikeste spiraalide abil leiab negatiivse laenguga osakeste suuna.

Kui neutraalsed osakesed lagunesid v kujuliselt nähtavateks positiivseteks ja negatiivseteks osakesteks, siis laenguga osakesed teevad lagunedes järske kõrvalepöördeid, näiteks 90 kraadi paremale või vasakule, ning nende nimetuseks on "kink". Neutraalse laenguga osake peaks liikuma sellest vastassuunas kuid neid ei näe.

Tavaliselt ei saa kõiki osakesi tuvastada, sest energilisemates kokkupõrgetes tekib eriti suures osas piioneid (mesonid) mis jõuavad kambrist väljuda ning ka teised valguse kiiruse lähedased vaateväljast lahkuvad osakesed (mesonitest prootoniteni) võivad eristamatud olla.

Elektrivool läbi kambri on elektronide liikumissuunaga vastupidine.

Mullikambri tulemuste galerii. Paralleelsed jooned on kiirendatud k-mesonid. Ettevaatlikuse osas võiks teada, et stabiilsemate osakeste sümbolid olid normaalsed kuid tekkinud mesonite ja teiste lühikese säilivusega osakeste nime asemel oli seal lehel enamasti puuduva pildi sümbol, mis tegid joonised arusaamatuks.
Elektronid on punaselt tähistatud, positronid roosalt ja rohelised on muuonid.
Gamma kiirguse footon (kollane) ei ole otseselt nähtav kuid põrkudes tuumaga tekitab see tuumaga põrkudes elektroni ja positroni. Footoni vabanemisel eelnevast rajast kaotas osake energiat ja keerdus aeglustumise tõttu.
Prooton lillalt.
Tõenäolise neutroni (kõige tavalisem neutraalne osake) trajektoor on näha halli sirgena ning v kujuliselt harunenud lillad jooned on neooni tuumast neutroni poolt välja löödud prootonid.
Tumelillakas osake on antiprooton, mis laguneb ülal vasakul nurgas annihilatsiooni käigus 6 haruliseks täheks. Harude arv võib kõikuda kuid tähelaadne struktuur on annihilatsiooni puhul tavaline.
Lisaillustratsioon antiprootoni pildist. Antiomega lagunemisel tekkinud antilambda osake on tähistatud katkendliku joonega. Antilambda lagunemisel tekkis antiprooton. Teist osakest polnud tähistatud kuid tavamateeria lambda laguneb tavaliselt prootoniks ja piioniks.


K miinusega on tähistatud negatiivsed k-mesonid (u kvark ja s antikvark), mis kiirendati vaadeldud ruumi ja põrkus seal prootoniga tekitades järjest omega, lamda ja prootoni. Negatiivsed osakesed on vasakule poole pöörduvad.

Sunday, June 26, 2011

Elektronkihi mõjust suuremates struktuurides

Valents ehk valentsarv näitab kui palju sidemeid võib vastava keemilise elemendi aatomid moodustada oma kõige välimiste elektronidega. Monovalentne aatom või molekul võivad tekitada ühe keemilise sideme, divalentsed kaks sidet jne. Täpsuse mõttes kasutatakse rohkem oksüdatsiooniastet, et tähistada ka elektroni allika ja vastuvõtja rollis olevat aatomeid/molekule koos võimalike sidemete arvuga.

Metallid on tahkena suhteliselt nõrgalt valentselektrone ligi hoidvad elemendid ja seetõttu loovutatakse need kergesti elektrilise või magneetilise mõjutamise korral. Ühisena on metallidele omaseks väike valentselektronide arv ja suhteliselt suur diameeter, mis nõrgestab nende võimet elektrone enda ümber hoida. Elektrone on raskem eemaldada mittemetallide piirkonnas asuvatelt aatomitelt, mis suudavad vähe elektrit juhtida ja on kasutusel rohkem isolatsioonimaterjalina.
Metallid võivad blokeerida elektrivoolu teket kui nad on ioonsidemega (ühine elektron enamasti ühe aatomi ümber) nagu näiteks naatriumkloriidis, kus naatriumi valentselektron on ioonsidemes kloorile edasi antud ja ei saa osaleda voolu tekkes.
Pooljuhtide elektriline juhtivus on metallide ja mittemetallide vahel ning erinevalt metallidest suureneb nende elektrijuhtivus kuumenemisel.


Tõlkeprobleemina ei leidnud eestikeelset vastet electron band structure'le ja tõlgin selle esialgu elektrontsooni struktuurid. Tahke aine puhul tähistab see energia tasemeid, millega elektron saab ja ei saa olla.
Aatomite orbitaalidel on erinev hulk energiat kuid kui molekulis on mitu aatomit koos, siis nende orbitaalid ühinevad mingil määral ja energia hulk ühtlustub osaliselt. Suurema aatomite arvuga tahketes kogumites (näiteks ligikaudu mooli jagu) jäävad erinevused elektronide energias väga väikeseks ja materjalis tekivad suured ühtlasema energia sisaldusega "ribad". Osade energiatasemete puhul puuduvad vastava energiaga orbitaalid (bandgaps). Erinevused energia tasemes on tahkes aines tihedalt vahendatud footonite vahetusega.
Erinevate energia hulgaga ribade hulk võib olla lõputu kuid ka elektronil võib ühes aatomis lainelise käitumise tõttu olla lõputult palju erineva energiatasemega piirkondi.
Osades ribades on piisavalt energiat, et elektron saaks materjalist väljuda.
Ribade paksus sõltub nendesse jäävate orbitaalide paksusest.

Valence band on eesti keeles valentstsoon. Valentselektronid (ülal helesinised) on seotud oma aatomiga erinevalt erinevalt tahkes kristallstruktuuris vabalt liikuvatest elektronidest (pildil kollakad ribad). Valentselektroni rollis on nad madalama energia sisalduse tõttu kuid energilisemalt võivad nad vabalt kristallis ringi liikuda. Pooljuhtides ja insulaatorites on iga riba vahel isoleeriv elektronideta vähese energiaga riba (joonisel tühi piirkond) kuid metallides on energilisemad ribad ülekattuvate piiridega ning puuduvad elektrone piiravad vahealad.
Valentsribade rollist metallstruktuuri moodustamisel:
3 elektroniga liitiumi elektronkonfiguratsioon on 1s22s1 ning selliselt on neil aatomitel võime luua keemilist sidet ainult ühe teise aatomiga (üksiku väliskihi elektroni tõttu) ja kristalse massi moodustamisel võib selline piiratus ühenduste arvus takistuseks saada.
Samas võivad elektronid kõikuvalt (resonants) eri aatomite vahel eri sidemeid luua sarnaselt ülaloleva lämmastikdioksiidiga. Üks liitiumi aatom annab lühiajaliselt ära ühe elektroni kaotades selles olukorras võime sidet luua ning teine saab 2 elektroni, millega see saab ühendada ennast kahe teise liitiumi aatomiga võimaldades koos teiste endasugustega moodustada suuri kristallstruktuure. Elektroni kaotanud aatomid ei ole enam kovalentselt ühendatud kuid neil jääb võime neutraliseerida naabrite lisaelektroniga kaasa tulnud negatiivse laengu.
Teised metallid püsivad sarnase korrapäraga koos.
Valentstsoon on kõige energilisem elektronidega täidetud alamelektronkiht. Näitena pildil lillast overlap piirkonnast on s ja p elektronkihid kui mõlemad on elektronidega täidetud.
Juhtivustsoon (conduction band) on üldnimetus elektronide energia piirkonnale, kus veel pole elektrone kuid millel on piisavalt energiat valentselektroni vabastamiseks ja aatomite vahele liikuma saamiseks.
Metalli elektrijuhtivus sõltub juhtiva riba võimest valentselektrone üle võtta ning suurem aatomite vaheline distants ja kõrge orbitaalide energia takistavad seda tekitades keelutsooni (band gap).
Kui keelutsoonid on väikesed, siis soojendamine vähendab neid ja elektrijuhtivus paraneb nagu see on pooljuhtidel. Suuremate keelutsoonide korral valentstsoonide ja juhtivtsoonide vahel jääb elektrijuhtivus nullilähedaseks ning materjal mõjub elektrit isoleerivalt.

Keelutsoon on energiatase valentstsooni ja juhtivustsooni vahel kus pole elektrone ning selle ulatust tähistatakse elekronvoltides. Räni ja teiste elektroonikas kasutatud pooljuhtide keelutsooni suurus jääb ~1 elektronvoldi piirkonda. Ränile lisatud ained võivad olla väiksema keelutsooniga. Germaaniumil on see 0,67 eV ja indium(III)arseniidil 0,36 eV.
Eriti tundlik on indium antimoniid toatemperatuuril 0,17 elektronvoldiga (infrapunakiirguse kvandid on 0,0012-1,2 eV), mis on oma tundlikkuse tõttu kasutusel infrapunadetektorina infrapunakaamerates, soojuse poolt juhitavates rakettides ja infrapunateleskoopides.

Pooljuhid elektroonikas


Katood on tavaliselt elektrivoolu väljumiskoht ja anood voolu sisenemissuund.
P-tüüp ja N-tüüp tähistavad vastavalt positiivset ja negatiivset laengut. Katoodi negatiivne laeng tekib kui elektrone on rohkem kui prootoneid ja anoodi positiivne laeng tekib kuna prootoneid on rohkem elektronidest.
Transistoreid on ka teiste p ja n tüüpi materjalide kombinatsioonidega nagu n-p-n või p-n-p.
Räni ise on nõrgem elektrijuht kuid tundlikkuse ja mitmekülgsuse suurendamiseks lisatakse sellele teisi materjale (doping).
Mõlemad tüübid on ühtsed kristallid. Elektrijuhtivus langeb igasuguste katketega järjepidevas kristallis.
P-tüübi tekitamisel lisatakse metalle ja ühendeid, mis võtavad ränilt osad elektronid ära ning jääb tühi elektronauk. Tavaliselt kasutatakse selleks perioodilisustabeli 13. tulba elemente nagu boor ja alumiinium.
N-tüübi puhul lisatakse ränile lisaelektronide andmiseks näiteks fosforit või teisi 15. tulba elemente. Ühe esimese kasutusalana kasutati selliseid pooljuhte 1898. aastal raadios.
N-P ühendused on kasutusel dioodides mida kasutatakse LED ja laservalgustites. Diood laseb elektril voolata ainult ühes suunas (N ja P vahel on ühesuunaline ebaproportsionaalsus elektronide hulgas) ning neid kasutatakse seetõttu ka vahelduvvoolu muutmiseks alalisvooluks, sest kuigi vahelduvvool muudab oma suunda, saab see läbi dioodi suuremaltjaolt ainult ühesuunalist voolu levitada.
Lisaks on metallkihiga ühendatud N-tüüpi pooljuhte kasutatud vesinikust energia saamiseks. Vesinik ja hapnik ühinevad pallaadiumi mõjul ja soojusega kaasnenud vool kantakse edasi N-tüüpi pooljuhile.

Pooljuhid päikesepatareides

Nähtav valgus ja suurema energiaga footonid tekitavad fotoelektrilist effekti, mis võib näiteks eemaldada objektidest staatilise elektri (klipp). Eintsein pakkus ühes oma 1905. aasta artiklis välja, et valgusel on kvandid, mis suudavad elektrone materjalist välja lüüa piisava energia olemasolul ja selle selgituse eest sai ta 1921. aastal Nobeli preemia.

Päikesepatareide puhul ei lennuta footonid üldiselt elektrone minema vaid suunavad neid valentsribalt juhtivale ribale, mis saavutatakse eri materjalide kokku ühendamisega.
Näiteid erinevate pooljuhtide ja materjalide effektiivsustest päikesepatareides.
Esimene päikesepatarei tehti 1883. aastal pooljuhist seleeniumile õhukese kulla kihi peale lisamisega, mis tekitas 1% efektiivsusega päikesepatarei.
Tööpõhimõttena saab pooljuhi materjal footoneid ja nende elektronid hakkavad liikuma edasi alalisvooluna.

Maksimaalseks efektiivsuseks vajalik lünk valents- ja juhtivustsooni vahel peaks olema umbes 1,5 elektronvolti ning nähtav valgus sobib selleks hästi. Efektiivsust saab tõsta mitme n-p tüübi kombineerimisel või kiirguse püüdmisel peegeldustega.

Lihtsustatud kokkuvõttena võib pooljuhte panna elektrit juhtima sobivate tingimuste saavutamisega. Energia allikates võivad nad juba toatemperatuuril või infrapunakiirgusega elektronide voolu tekitada. Lisaks võib neid panna elektrit juhtiva elektromagnetkiirgusega stimuleerides näiteks laseriga või isegi surve avaldamisega. Sellised aktiveerimisviisid võimaldavad neid kasutada lisaks sensoritele ka elektroonikas.

Friday, June 24, 2011

Elektronide kvantarvud ja elektronkihid

Kuna mul jäi põhi- ja keskkoolis enamus elektronkihi kohta käivast arusaamatuks, siis teen endale järelaitamist.

Keemiliste elementide aatomite raadius suureneb perioodilisustabelis alla ja vasakule liikudes ning suurema raadiusega nõrgeneb suutlikus väliskihi elektrone tuuma ümber hoida. Võime elektrone aatomi ümber saada suureneb suurema elektronegatiivsusega, mis kasvab enam-vähem sujuvalt perioodilisustabelis üles paremale liikudes olles samuti väiksem, kui aatomi raadius kasvab.
Elektronide piirkondi nimetatakse orbitaalideks mitte orbiitideks.

Kvantarvud on kvantmehhaanilisi seisundeid kirjeldavad väärtused, mis erinevad üksteisest kindla väärtuse jagu ning mis ei saa olla ühised mitmel sama aatomi elektronil.
Elektroni seisundite kirjeldamiseks on 4 kvantarvu:
Peakvantarv (n) tähistab elektronkihti täisarvudega 1, 2 ... n. Suurim arv tähistab aatomi pinnapealset kihti.
Asimuudi kvantarv (l) tähistab alamelektronkihti (s kiht on 0, p kiht 1, d kiht 2, f kiht 3 jne.) ning elektroni puhul kehtivat versiooni pöördimpulssi (pildil angular momentum). Igapäevasema näitena on pöördimpulss välismõjutuste puudumisel püsiv suurus, mis hoiab vurri tasakaalus pöörlevana. Elektronide puhul näitab see ka orbitaali kuju ja millise nurga all keemilisi sidemeid võib vastava pöördimpulsiga elektron alal hoida.
Magnetiline kvantarv (m) tähistab elektroni tõenäolist orientatsiooni alamelektronkihi orbitaalis ehk elektronpilves (elektroni tõenäolisem asukoht). Väärtused kõiguvad täisarvudena l ja -l vahel. Kihi s (asimuudi kvantarv l=0) puhul on ainult üks alamkiht ja väärtus on 0. Kihi p (l=1) puhul on 3 "pilve" (m väärtused on -1, 0, +1). Kihi d (l=2) korral on 5 "pilve" ja m väärtused on -2, -1, 0, 1, 2.
Elektroni spinn (s) on 1/2 või -1/2 ning kahte sama spinniga elektroni ei saa olla samas elektronpilves. Algse nime valiku puhul peeti spinni pöörlemiseks.

Elektronkonfiguratsioonid


Elektronkonfiguratsioon kirjeldab elektroni asumist aatomites ja molekulides. Elektronid saavad elektronkihti vahetada energia neeldumise või kiirgamise korral ning püsivad muidu oma orbitaalil. Elektronkihtide täitmisel tekstis alustatakse madalamast kihist ning liigutakse ülal pildil nähtava korrapäraga edasi. Lihtsuse mõttes saab s, p, d jne. panna vertikaalselt tulpadesse ja diagonaalis järgmine sobiv alamkiht leida. Alates f alamkihtidest nimetatakse edasisi alamkihte tähestikus järgmise tähega. Tähe ees olev number tähistab (orbitaalide lõigu allikast) energilustaset (kvantarv n) ning vahel loetletakse neid n väärtuseid vastavalt tähtedega K, L, M jne. Tähe järel on ülal väiksemalt tähistatud elektronide arv. Kui madalamad kihid on täitmata, siis on elektron ergastatud olekus kaotades oma lisaenergia kiiresti tagasi langemisega ja footoni kiirgamisega selle käigus. Iga suurema l väärtusega alamkiht on energilisemate elektronidega kui eelnev väiksema l väärtusega orbitaali tüüp. Näiteks 4s, 4p, 4d ja 4f on järjest suureneva energiaga elektronkihid.
Aatomi n'das kihis võib olla 2n2 elektroni. Esimesel kihil 2, teisel 8, kolmandal 18 jne. Kahega korrutatakse, sest kuni 2 elektroni mahub ühele orbitaalile. Alamkihile mahub l väärtusest sõltuvalt maksimaalselt 2(2l+1) elektroni. S, p, d, f puhul on maksimum vastavalt 2, 6, 10 ja 14. Limiidi seab see, et igal elektronil peab olema aatomis ainulaadne kombinatsioon kvantarvude väärtuseid (Pauli printsiip).

Elektronkihtide arv võrdub perioodilisustabeli rea numbriga ja väliskihi elektronide arvu näeb tulba arvust jättes välja metallide tulbad (vasakult paremale vastavalt 1-8 elektroni). Tabelil nähtud s, p, d ja f koos laiendavate nooltega tähistavad seda, millise orbitaaliga on nende aatomite puhul kõige energilisem ehk väline elektronkiht.
Aatomite raadius suureneb alumiste perioodide suunas ja paremale poole jäävad aatomid jäävad järjest väiksemaks.
Metallide puhul suureneb ülalt alla liikudes nende keemiline aktiivsus, sest väliskihi elektronid jäävad tuumast kaugemale, on sellega nõrgemini seotud ja loovutatakse seetõttu kergesti.
Mittemetallide keemiline aktiivsus langeb ülalt alla, sest suurema läbimõõdu tõttu suudavad need järjest nõrgemalt elektrone vastu võtta.
Elektronide seondumise ja loovutamise puhul on määravaks elektronegatiivsus (üleeelmisel illustratsioonil electron affinity), mis on suurem elektrone tugevamalt siduvate aatomite puhul. Kui keemiliste elementide erinevused elektronegatiivsuses on väikesed (kuni 1,7), siis nimetatakse tekkinud sidet kovalentseks sidemeks ja suurema erinevuse korral ioonsidemeks.
Erandina on kõige parempoolsema tulba elemendid väga madala keemilise aktiivsusega, sest nende väline elektronkiht on tavaliselt elektronidest küllastunud ja ei saa rohkematega seonduda.

Ionisatsioonienergia tähistas üleeelmisel pildil elektroni eemalduseks vajalikku energiahulka ning see kasvab koos elektronegatiivsusega. See kasvab sama aatomi puhul järjest iga elektroni eemaldusega, sest allesjäänud elektronid asuvad tuumal lähedamal ja on sellega tugevamalt seotud.

Orbitaalid

Orbitaalid tähistavad elektroni tõenäolist asukohta aatomis olles tähistatud kvantarvude n, l ja m poolt, mis tähistavad vastavalt ka elektroni energiat, pöördimpulsi tüüpi ja pöördimpulsi asukohta. Lisaks on 2 erinevat spinni mida mahub igasse orbitaali maksimaalselt 2.
Sarnaselt teiste väikeste osakestega käituvad elektronid korraga lainena ja osakesena ning n, l, m poolt kirjeldatud väärtused näitavad sujuva tõenäosusega elektroni asukohta. Osakesena käituvad nad näiteks sellega, et 1 footon muudab ühe elektroni energiat ja üheks laine omaduseks on nende sujuvad piirid ning kindla punktasukoha puudumine.
Osad elektronid (s alamkihis) on pöördimpulsita, mistõttu nende puhul ei sobi hästi elektroni analoogia planeedi ümber oleva orbiidiga kehast.
Ühe elektroniga aatomi puhul võib selle kuju olla selline nagu vastava alamkihi kuju peaks olema kuid lisaelektronidega täidavad need üldiselt ülejäänud tühjema ruumi tuuma lähedusest ja aatomi üldkuju läheneb rohkem kera kujule.
Väärtus n tähistab elektroni keskmist kaugust tuumani. Tuuma raskenemisel surutakse elektrone tugevamalt tuuma lähedusse.
S orbitaal on n=1 puhul kerakujuline eemaldudes hajuv ning iga järgneva n väärtuse kasvuga lisandub selle ümber teine tõenäolise elektroni sisaldusega kest. Ülal pildil on arvutisimulatsioon n=6 s orbitaalist. Keskel on kõrgema esinemistõenäosusega hele täpp, sest s orbitaalid on ainsad, millel võib tuuma piirkonnas olla suurem tõenäosus elektroni esinemiseks. Teised orbitaalid on pöördimpulsiga (kvantarv l ei ole null) ja väldivad koos sellega liigset tuuma lähedust.
Sinine ja punane tähistavad orbitaali lainefunktsiooni faase ning n, l ja m on vastavad kvantarvud. Orbitaal p on umbes hantli kujuliselt kahe jämedama otsaga ja tuuma lähedalt peenemaks jääva piirkonnaga. Orbitaal d enamus versioonidest on kahe ristuva p orbitaali kujulised või keskelt rõngaga ümbritsetud p orbitaali moodi ja f orbitaalid on 3 lõikuva ja otstega üksteist vältiva kujuga.

Näiteid vesiniku võimalikest elektronkihtide läbilõikest arvutisimulatsiooni järgi. Sulgudes olevad väärtused paistavad vastavalt n, l ja m.

Tuesday, June 21, 2011

Relatiivsusest

Relatiivsusprintsiibi järgi kehtivad füüsikaseadused igas kohas ja iga vaatleja jaoks. Selle esimeseks kuulsamaks väljapakkujaks oli 1632. aastal Galilei Galileo.
Erirelatiivsusprintsiibi järgi peaks füüsikaseadus kehtima igas inertsiga liikuva vaatluskohas kuid erinevusi võib olla, kui vaatluskohad või vaatlejad liiguvad inertsiaalse liikumise asemel üksteise suhtes kiirendades või aeglustades.
Üldrelatiivsusprintsiibi järgi peaks füüsikaseadused olema ühtsed kõigi inertsiga ja kiirendusega liikuvate objektide jaoks.
Einsteini üldrelatiivsusteooria (1916) täiendas üldrelatiivsusprintsiipi mateeria aegruumi "kõverdava" mõiste lisamisega, kus liikuvad objektid on mateeriale lähenedes sujuvalt järjest rohkem mõjutatud selle gravitatsiooni poolt. "Kõverdumist" arvestavates valemites kasutas Einstein kõverdpindu leidvaid arvutusi nagu diferentsiaalgeomeetriat, mis oli aeganõudev protsess kuid saadud teooria gravitatsioonist on suutnud püsida siiani.

Ühe erirelatiivsuse teooria (Lorentzi transformatsioon/teisendus) järgi saab teisendada eri kiirustega ja eri suundades liikuvate vaatlejate vaatluseid ühest teise ning need vaatlejad võivad asju leida erineva aja kulgemise tempoga. Hendrik Lorentzi (1853-1928) erirelatiivsuse ideid kasutas edasi Einstein oma 1905. artiklis kuid juba Lorentzi arusaamade järgi võisid universumis eri kiirusega liikuvad vaatlejad mõõta erinevat aja kulgu. Seejuures paistab valguse kiirus vaakumis ühtsena sõltumatuna valgusallika liikumise kiirusest ja suunast.

Galilei teisenduse järgi sai eri kiirustega liikuvate vaatlejate asukohta absoluutses ruumis ja ajas leida erinevate kiiruste ja suundade arvesse võtmisega ning üksteise suhtes võrrelda erinevuste liitmise/lahutamisega kuid alates Lorentzi teooriast peeti Galilei versiooni sobivaks aeglaste liikumiste korral ning eemaldati eeldus, et üle universumi kehtib ühtne ruumi ja aja kulg.

\ \gamma =   \frac{1}{ \sqrt{1 - {  \frac{v^2}{c^2}}}}
Lorentzi tegur on tähistatud gamma sümboliga. Selle väärtus on 1 seisva objekti korral kuid kiiruse lähemisel valguse kiirusele väheneb ruutjuure aluse väärtus ja Lorentzi teguri väärtus kasvab.
Lorentzi teguri (gamma) järgi saab leida ka erinevat aja kulgu, muutusi massis ja liikumise suunas paistvate asjade näilise kuju muutust. Need muutused on kordselt võrdsed tabelis nähtud gamma väärtustega.
Näiteks 0,9 valguse kiiruse juures peaks näiline mass suurenema 2,294 korda ning sama palju kordi peaks asjad liikumise suunas kokku surutuna paistma. Objektid ei muutu kiirenedes massiivsemaks aga neid on raskem liigutada ning täieliku valguse kiiruse saavutamiseks oleks vaja lõputult palju energiat.
Aja kulgemise kiiruse saab lihtsalt normaalaja jagamisel gammaga ehk liikudes 90% valguse kiiruse juures liiguks kell 2,3 korda aeglasemalt.
Gamma väärtus saab valguse kiirusele lähenedes kasvada lõputult palju olles täpselt valguse kiirusel lõpmatult suur.

Sunday, June 19, 2011

Kvantfüüsika standardmudel

Standardmudel on kvantfüüsika mudel aatomites olevatest alaosakestest ja nende rollist elektromagnetismile ning nõrgale ja tugevale tuumajõule. Ainsa fundamentaaljõuna ei ole suudetud gravitatsiooni selle mudeliga seostada.

Massi koha peal kasutati elektronvolte, sest valemi E = mc^2 \,\! järgi saab energiat või massi ühest teise teisendada tehes õigeid arvutusi valguse kiiruse ruudu väärtusega. Lihtsustatult jäeti tabelis elektronvoltide järel lisama jagamine valguse kiirus ruuduga. Elektronvolt ise on elektroni poolt omastatud energia, kui see kiireneb läbi 1 voldise laengu erinevusega piirkonna.
Tabelis nähtud energiaväärtuseid ei pea jagama C ruuduga, kui need muutuvad energiaks omaantiosakesega kokku saades. Näiteks elektron ja selle antiosake positron kaaluvad mõlemad sama palju (0,511 MeV/C ruudus) ning kui need annihileeruvad kokku saades, siis vabaneb nende mõlema mass energiaga 2x 0,511=1,022 MeV ilma, et peaks seda C ruuduga jagama.
Prootoni mass on võrdluseks 0,938 GeV ning paljud lühikese säilivusega osakesed ületavad selle.
Võrdluseks on lendava sääse kineetiline energia on ~1 TeV, mis on naha vastu lennates tunda. Suurima kvargi energia on 0,17 TeV ning ühe plutoonium 239 või uraan 235 aatomi poolestumisel vabanenud energia on vastavalt 0,21 ja 0,2 TeV.

Spinniga osakesed suudavad mõjutada elektrilist tegevust sarnaselt pöörlevate magnetitega, mis suudavad lähedal olevates juhtmetes elektrivoolu tekitada.

Rooma numbritega tähistatud põlvkonnad erinevad üksteisest massi ja energiasisalduse poolest kuid on sama laengu ja spinniga. Massiivsema põlvkonna osakesed on ebastabiilsemad ja lagunevad eelnevate põlvkondade osakesteks, mis moodustavad looduses esinevad molekulid.

Leptonid jagunevad laenguga ja laenguta leptoniteks. Laenguga leptoniks on elektron ja teised selles reas tähistatud osakesed. Ülejäänud laenguta leptonid on nimetatud neutriinodeks. Laengu olemasolu tõttu seonduvad elektronid tihti teiste laetud osakestega aatomitesse kuid neutriinod ei seondu laengu puudusel nii tugevalt teiste osakestega ja on harva leitavad.

Neutriiinod on tavaliselt valguse kiiruse lähedase kiirusega, väikese massiga ja need läbivad mateeriat peaaegu vabalt olles seega raskesti tuvastatavad. Neid tekib on energiliste sündmustega nagu tuumade pooldumised, aatomite kokkupuude gamma kiirgusega või (elektron-neutriino tekkel) prootonite-neutronite muutumisel ühest teise. Maale tuleb neid põhiliselt päikese suunast ning iga päikese suunaga risti oleva pinna ruutsentimeeter läbitakse sekundis ~65 miljardi neutriino poolt.

Bosonid on üldnimetus osakeste vaheliste jõudude vahendajatele. Neid saab jaotada kolme põhigruppi vastavalt fundamentaaljõududele mida need vahendavad.
Footonid on kõikide elektromagnetkiirguste osakeseks ning elektriliselt laetud osakeste vaheliste osakeste vahelise mõju kandjaks.
W ja Z bosonid vahendavad nõrka vastastikmõju/tuumajõudu, mis osaleb radioaktiivses lagunemises ja tuuma liitumises. W laeng on +1 või -1 sõltuvalt selle juurde lisatud sümbolist ja Z laeng on 0. Kõik 3 on raskemad neutronitest ja prootonitest ning ka raua aatomist. Säilivusaeg on neil ~3×10−25
sekundit. Nende spinn on +1 ja osakesest eraldudes või sellega ühinedes väheneb või kasvab nende spinn ja laeng vastavalt olles ainsad sellise mõjuga kvargi muutjad. Näiteks u kvark ja W- boson võivad koos moodustada d kvargi.
Neutroni muundumisel prootoniks eraldub W- boson, mis omakorda laguneb kiiresti elektroniks ja elektroni antineutriinoks.
Z bosoneid on raskem uurida, sest need muudavad osakese juures kitsamalt selle liikumise energiat, mitte koostist.
Nõrgad vastastikmõjud mõjutavad kõiki kahega jagatud spinniga osakesi.
Seos kvarkide muundumise ja W bosoni tüübi eritumise vahel koos tõenäoliseimate muundumiste suundadega.

Gluuonid vahendavad tugevat vastastikmõju/tuumajõudu, mis hoiab neutroneid ja prootoneid omavahel koos nagu ka nende sees olevaid kvarke. See on ~100 korda tugevam elektromagneetilisest jõust, 1013 korda tugevam nõrgast nõrgast tuumajõust ja ~1039 korda tugevam gravitatsioonist. Sarnaselt kvarkidega on gluuonitel erinevad püsivad "värvid", mille kombinatsioon püsib prootonites ja neutronites ettearvatavana. Erinevalt gravitatsioonist ja teistest fundamentaaljõududest ei paista see distantsiga nõrgenevana omades kvarkide vahel ~10 000 N jõudu (~1 tonn Maa pinnale).


Võimalikud otsesed omavahelised mõjutused osakeste vahel.