Πρόοδος µαθήµατος «οµικής και Χηµικής Ανάλυσης Υλικών» Χρόνος εξέτασης: 3 ώρες

Transcript

1 21 Οκτωβρίου 2009 Πρόοδος µαθήµατος «οµικής και Χηµικής Ανάλυσης Υλικών» Χρόνος εξέτασης: 3 ώρες 1) α. Ποια είναι η διαφορά µεταξύ της ιονίζουσας και της µη ιονίζουσας ακτινοβολίας; β. Ποιες είναι οι γνωστότερες ιονίζουσες ακτινοβολίες; 2) Εξετάστε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες Τα ισότοπα είναι: α. άτοµα διαφορετικών στοιχείων µε τον ίδιο µαζικό αριθµό. β. άτοµα του ίδιου στοιχείου µε διαφορετικό µαζικό αριθµό. γ. άτοµα µε τον ίδιο µαζικό αλλά µε διαφορετικό ατοµικό αριθµό. δ. άτοµα διαφορετικών στοιχείων. 3) Ποια είναι η απαγορευτική αρχή του Pauli; 4) Εξετάστε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες Κατά την διέγερση ενός ατόµου υδρογόνου από µία ενεργειακή κατάσταση σε µία άλλη έχουµε α. αύξηση της ενέργειας του ατόµου. β. ελάττωση της ακτίνας της τροχιάς του ηλεκτρονίου. γ. εκποµπή φωτονίου. δ. ιονισµό του ατόµου.

2 5) Εξετάστε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονικές δοµές ατόµων εκφράζει άτοµο σε διεγερµένη κατάσταση; α. 1s 2 2s 1 β. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 γ. 1s 2 2s 2 2p 6 δ. 1s 1 2s 2 6) Ποια από τα ακόλουθα διαγράµµατα τροχιακών και τις ηλεκτρονικές δοµές είναι επιτρεπτό και ποιο αδύνατο, σύµφωνα µε την απαγορευτική αρχή του Pauli; Εξηγήστε. (α) 1s 2s 2p (β) (γ) 1s 2s 2p (δ) 1s 2 2s 1 2p 6 (ε) 1s 2 2s 2 2p 8 (στ) 1s 2 2s 2 2p 9 3s 1 7) Εξετάστε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες Ο αριθµός των ηλεκτρονίων κάθε ατόµου είναι: α. ίσος µε τον αριθµό των νετρονίων του πυρήνα του ατόµου. β. ίσος µε τον αριθµό των πρωτονίων του πυρήνα του ατόµου. γ. διπλάσιος του αριθµού των πρωτονίων του πυρήνα του ατόµου. δ. διπλάσιος του αριθµού των νετρονίων του πυρήνα του ατόµου.

3 8) a. Να γράψετε την ηλεκτρονική δοµή του Μg και του Ar. ( ίδονται: Ατοµικός αριθµός Μg = 12 και Αr = 18) β. Πόσα ηλεκτρόνια του ατόµου Μg έχουν m s = +½; 9) Περιγράψτε τη σκέδαση Compton. 10) α. Ποια προϋπόθεση απαιτείται για την πραγµατοποίηση του φωτοηλεκτρικού φαινόµενου; β. Κατά το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο, µε τι ισούται η κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου που εγκαταλείπει το άτοµο του υλικού; 11) Εξετάστε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες Στην συσκευή παραγωγής ακτίνων - Χ, µειώνουµε την τάση µεταξύ ανόδου καθόδου. Συνεπώς: α. αυξάνεται η µέγιστη ενέργεια των ακτίνων - Χ που παράγονται. β. µειώνεται το ελάχιστο µήκος κύµατος των ακτίνων - Χ που παράγονται. γ. µειώνεται η µέγιστη συχνότητα των ακτίνων - Χ που παράγονται. δ. παράγονται µαλακότερες ακτίνες Χ. ε. παράγονται σκληρότερες ακτίνες Χ. 12) a. Αναφέρετε επιγραµµατικά µε ποιους τρόπους µπορεί να αποµονωθεί η κατάλληλη µονοχρωµατική συχνότητα από µια πηγή εκποµπής ακτίνων Χ, προκειµένου να χρησιµοποιηθεί για αναλυτικούς σκοπούς (π.χ. δοµική ανάλυση στη περίθλαση ακτίνων Χ); β. Πως γίνεται η ανίχνευση - µέτρηση ακτίνων-χ; γ. Ποιοι είναι οι µηχανισµοί εξασθένησης της έντασης των ακτίνων - Χ όταν διαβιβάζονται µέσα από την ύλη;

4 13) α. Περιγράψτε τη διαδικασία παραγωγής ακτίνων - Χ; β. Ποια είναι τα δυο είδη φασµάτων που προέρχονται από την ανάλυση της δέσµης ακτίνων Χ; 14) Το ηλεκτρόνιο του ατόµου του υδρογόνου στη θεµελιώδη κατάσταση έχει ολική ενέργεια ev. α. Σωµατίδιο συγκρούεται µε το άτοµο του υδρογόνου και το διεγείρει στην ενεργειακή στάθµη n = 4. Αν µετά τη σύγκρουση το σωµατίδιο ακινητοποιείται, να βρεθεί η ενέργεια του σωµατιδίου πριν την κρούση. β. Κατά την αποδιέγερση του παραπάνω ατόµου, από την τροχιά n = 4, στην τροχιά n = 2, εκπέµπεται φωτόνιο. Να βρεθεί το µήκος κύµατος του εν λόγω φωτονίου. Σε ποια περιοχή του φάσµατος ανήκει; ίδονται: h = 6.6 x Js, c = 3 x 10 8 m/s, 1 ev = 1.6 x J (1.5 µονάδα) 15) Το σχήµα δείχνει το διάγραµµα των ενεργειακών σταθµών του ατόµου υδρογόνου. Τα µήκη κύµατος λ 1, λ 2 και λ 3 είναι µήκη κύµατος της ακτινοβολίας που εκπέµπεται κατά τις µεταβάσεις του ηλεκτρονίου µεταξύ των ενεργειακών σταθµών, όπως δείχνουν τα βέλη. Η σχέση που συνδέει τα µήκη κύµατος λ 1, λ 2 και λ 3 είναι: α. λ 1 = λ 2 + λ 3 β. λ 2 /λ 1 = λ 1 /λ 3 γ. λ 1 = λ 2 λ 3 /λ 2 + λ 3 E 3 E 2 n = 3 n = 2 E 1 n = 1

5 Απαντήσεις 1) α. Οι ιονίζουσες ακτινοβολίες µεταφέρουν ενέργεια ικανή να εισχωρήσει στην ύλη, να προκαλέσει ιονισµό των ατόµων της και να διασπάσει βίαια χηµικούς δεσµούς. Ενώ, οι µη ιονίζουσες είναι ηλεκτροµαγνητικές ακτινοβολίες σε συχνότητες που µεταφέρουν σχετικά µικρή ενέργεια, µη ικανή να προκαλέσει ιονισµό, ικανή όµως να προκαλέσει ηλεκτρικές, χηµικές και θερµικές επιδράσεις στον οργανισµό. β. Οι γνωστότερες ιονίζουσες ακτινοβολίες είναι οι ακτίνες - Χ που χρησιµοποιούνται ευρέως στην ιατρική, καθώς και οι ακτινοβολίες α, β και γ που εκπέµπονται από τους ασταθείς πυρήνες ατόµων. 2) α. Λάθος β. Σωστό δ. Λάθος 3) Ένα τροχιακό µπορεί να χωρέσει το πολύ δυο ηλεκτρόνια, τα οποία όµως θα πρέπει να έχουν αντίθετα spin. 4) α. Σωστό β. Λάθος δ. Λάθος 5) α. Λάθος β. Λάθος δ. Σωστό 6) (α) Επιτρεπτό διάγραµµα τροχιακών, (β) Αδύνατο διάγραµµα τροχιακών, επειδή στο τροχιακό 2s υπάρχουν δυο ηλεκτρόνια µε το ίδιο spin, (γ) Αδύνατο διάγραµµα τροχιακών, επειδή στο τροχιακό 2p υπάρχουν δυο ηλεκτρόνια µε το ίδιο spin, (δ) Επιτρεπτή δοµή, (ε) Αδύνατη ηλεκτρονική δοµή, επειδή υπάρχουν οκτώ ηλεκτρόνια στον υποφλοιό 2p (ο οποίος µπορεί να χωρέσει το πολύ έξι ηλεκτρόνια), (στ) Αδύνατη ηλεκτρονική δοµή, επειδή υπάρχουν εννιά ηλεκτρόνια στον υποφλοιό 2p (ο οποίος µπορεί να χωρέσει το πολύ έξι ηλεκτρόνια).

6 7) α. Λάθος β. Σωστό δ. Λάθος 8) α. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 και 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 β. 6 9) Η σκέδαση Compton είναι η σύγκρουση του φωτονίου µε κάποιο από τα ηλεκτρόνια του ατόµου (συνήθως της εξωτερικής στοιβάδας) και η αποδέσµευσή του από το άτοµο µετά την πρόσκρουση του φωτονίου. Το ηλεκτρόνιο αυτό ονοµάζεται ηλεκτρόνιο Compton. 10) α. Η ενέργεια του φωτονίου πρέπει να είναι µεγαλύτερη ή οριακά ίση από το έργο εξαγωγής, hv W εξ. για να µπορέσει το ηλεκτρόνιο να εγκαταλείψει το µέταλλο. β. Ε κ = 1/2mυ 2 = hν W εξ. 11) α. Λάθος β. Λάθος γ. Σωστό δ. Σωστό ε. Λάθος 12) α. Με τη βοήθεια µονοχρωµατιστών οι οποίοι µπορεί να είναι ηθµοί ακτινοβολίας Κ β ή κρυσταλλικοί µονοχρωµατιστές. β. Η ανίχνευση των ακτίνων Χ στηρίζεται σε ορισµένα φαινόµενα τα οποία προκαλούν φθορισµό ορισµένων σωµάτων, αµαύρωση φωτογραφικών πλακών κλπ. Για την ακριβή µέτρηση της έντασης των περιθλωµένων από ένα κρυσταλλικό υλικό δεσµών ακτίνων Χ χρησιµοποιούνται απαριθµητές (παλµών) όπως ο αναλογικός ή ο σπινθηριστικός. γ. Όταν µια δέσµη ακτίνων - Χ διέρχεται µέσα από την ύλη, ένα µέρος της απορροφάται και η ένταση της µειώνεται επειδή, κατά την αλληλεπίδραση της µε τα ηλεκτρόνια των ατόµων, λαµβάνουν χώρα διάφορα φαινόµενα, όπως η φωτοηλεκτρική απορρόφηση (φθορισµός), η σύµφωνη σκέδαση και η σκέδαση Compton. 13) Η παραγωγή ακτίνων Χ γίνεται µέσω της λυχνίας, η οποία αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα υπό κενό (πίεση < 10-6 Torr). Η κάθοδος είναι ένα επίµηκες, σπειροειδές µεταλλικό σύρµα, συνήθως από βολφράµιο. Η άνοδος είναι ένας µεταλλικός δίσκος από µολυβδαίνιο ενσωµατωµένος είτε µε

7 επιµετάλλωση είτε µε ένθεση, σε µια βάση από χαλκό που είναι καλός αγωγός της θερµότητας. Η άνοδος συνήθως αναφέρεται σαν αντικάθοδος. Μεταξύ καθόδου ανόδου εφαρµόζεται υψηλή τάση, kv. Το νήµα της καθόδου διαρρέεται από ένα ρεύµα θερµάνσεως, Α υπό τάση 4 12 V και εκπέµπει ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά επιταχύνονται από το πεδίο µεταξύ των ηλεκτροδίων και προσπίπτουν στον µεταλλικό δίσκο της ανόδου µε µεγάλη ταχύτητα. Ένας µεταλλικός κύλινδρος συνήθως από Μο, που περιβάλλει την κάθοδο εστιάζει τα ηλεκτρόνια σε µια µικρή περιοχή της αντικαθόδου που λέγεται εστία της λυχνίας. Επίσης αποτελείται από µια γεννήτρια, η οποία είναι η πηγή ενέργειας για τη λειτουργία της λυχνίας και σε αυτήν ρυθµίζονται: (α) η τιµή της διαφοράς δυναµικού που θα επιταχύνει τα ηλεκτρόνια (ενέργεια), (β) η τιµή της έντασης του ρεύµατος που καθορίζει τον αριθµό των παραγοµένων φωτονίων (ένταση) και (γ) ο χρόνος έκθεσης. Κατά την πρόσπτωση των ηλεκτρονίων στην εστία παράγονται ακτίνες Χ που εκπέµπονται προς διαφορετικές κατευθύνσεις πάνω σε ένα παράθυρο. Για να διατηρείται το υψηλό κενό στην λυχνία, το παράθυρο είναι φτιαγµένο από ένα λεπτό έλασµα βηρυλλίου που απορροφά ελάχιστα τις ακτίνες - Χ. β. Συνεχές και χαρακτηριστικό φάσµα. 14) α. Αρχή διατήρησης ενέργειας: Ε διέγερσης = Ε 4 Ε 1 = Ε 1 /16 - Ε 1 = = ev. β) Ε = Ε 4 Ε 2 = Ε 1 /16 Ε 1 /4 = = 2.55 ev = 4.08 x J. E = hc/λ, άρα λ = hc/e = 6.6 x x3 x 10 8 /4.08 x m = 4.85 x 10-7 m = 485 nm. Είναι ορατό, αφού 400 nm < λ < 700 nm. 15) Σωστή η γ. Ε 3 - Ε 1 = (Ε 3 -Ε 2 ) + (Ε 2 -Ε 1 ) => hν 1 = hν 2 + hν 3 => ν 1 = ν 2 + ν 3 => c/λ 1 = c/λ 2 + c/λ 3 => 1/λ 1 = 1/λ 2 + 1/λ 3 => 1/λ 1 = λ 3 /λ 2 λ 3 + λ 2 /λ 2 λ 3 => 1/λ 1 = λ 3 +λ 2 /λ 2 λ 3 => λ 1 = λ 2 λ 3 /λ 2 +λ 3