Livet, Universum, Fysik, Undervisning, Lärande och allting annat..

Arkiv for juli, 2019

Mina Grundämnen – Helium

Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Trots det är det inte så vanligt på jorden, utan kan klassas som utrotningshotat (se: https://www.ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2018/02/02/utrotningshotade-grundamnen/ ). Men detta beror främst på svårigheter att utvinna helium. Dock är det så att de tyngre grundämnena i jordens inre konstant genererar helium genom alfa-sönderfall.

Helium är ett grundämne som man observerade på solen(därav namnet, Helium efter Helios solguden i grekisk mytologi) innan man fick fram det på jorden. Solförmörkelsen 1868 gjorde att många observerade den gula He-linjen i coronan, Det är dock Janssen som fått äran, ibland med Lockyer som föreslog att det var ett nytt grundämne. De första som isolerade helium på jorden var Cleve och Langlet 1895.

Det främsta vetenskapliga bruket av helium är för att kyla ner supraledare, och det finns många artiklar som tar upp cryogenetiska användelser och studier av helium vid låga temperaturer. Jag har inte jobbat med flytande helium men har arbetat med det på andra sätt.

Helium spektret är ett av de experiment som jag fick göra som student och senare som handledare. Det intressanta med det spektret är att det är två spektra i ett. Singlett-He och Triplett-He, Parahelium och Ortohelium. Något som borde göra det enkelt att lösa, men så är inte fallet. Det går att göra grova beräkningar för att få fram energinivåerna, med systemet är ett tre-kroppa problem utan analytsika lösningar så olika approximationsmetoder måste användas. Men mina erfarenheter med detta visade sig komma till nytta på ett oväntat ställe.

Efter att jag försvarat min avhandling fick jag jobb vid University of Birmingham, UK, där ett experiment med laserspektroskopi på radioaktiva isotoper skulle flyttas till Finland. Vid den tiden var varma jonkällor vid acceleratorer i bruk på den flesta ställen. Men i Jyväskylä använde man sig av en gas-jet (He)(IGISOL) där producerade isotoper stoppades och tog åt sig elektroner i gasen, så att sedan skjutas ut i en gas-jet. Jeten som man får (om tryckskillnaden är stor nog) är supersonisk, dvs de enskilda atomerna är kall (låg spridning i hastighet) i alla fall om man har en fri expansion. Då var det många som sa att det inte skulle vara möjligt att få en smal hastighetetsfördelning som möjliggjorde laserspektroskopi. Det fanns studier som antydde att så var fallet.

Dock hade man i dessa studier använt elektriska fält (runt 500 V/cm) i expansionsvolumen. Då alla atomer rör sig med ungefär samma hastighet där så kommer ett fält att accelerera ev. joner (som skall studeras) och de kommer då att kollidera med långsammare He-atomer och tappa fart, vilket i sin tur ger en ökad hastighetsspridning. Lösningen var att minska fält-styrkan för att undvika detta.

Men det fanns ett problem till, med gas-jet, den är inte speciellt effektiv så allt som stoppas kan inte utnyttjas utan det kan sluta som atomer eller dubbelladdade joner. Här kommer heliums energinivåer in. Grundtillståndet ligger på runt -24eV, vilket gör att allt som stoppas i gasen borde sluta som dubbelladdade joner. Men det sker inte, något som man kan tro beror på föroreningar i gasen. För mycket och man tappar alla joner. Men Helium har två system Triplett-He som är metastabilt har en «jonisationsenergi» runt 4,7 eV. Men denna energinivå tillsäger att man bara får atomer. Så det handlar om en balansgång. Problemet är att man inte vet om det finns Triplett-He i gasen, det borde men vad jag vet så är det inte bekräftat än. Det finns två sätt, 1) obsertvera ljus får gas-kammaren och se efter triplett linjer eller 2) under exteremt rena förhållanden se efter en jon med massa 8, He-molekyl jonen. Även om Helium är en ädelgas så kan den bilda molekyler men då måste en eller båda av atomerna vara i triplett-tillståndet.

Så helium är ett av de grundämnen som jag har ett speciellt förhållande till.

Mina grundämnen-Väte/hydrogen

Väte är det lättaste grundämnet och består i sin enklaste form av en proton och en elektron. Det förekommer i tre olika isoptoper som har fått egna namn, Deuterium och Tritium (efter 2 och 3). Namnet Väte fick det då Ekeberg(1795) inte hittade ett bättre svenskt namn för hydrogenium (vattenbildare) som är det engelska namnet, Wasserstoff på tyska. Så på ett sätt är det en slump att Svenska (och Finska, Vety) avviker till viss del från andra språk.

Väte är det vanligaste grundämnet i universum och kan observeras på himlen, både med optiska teleskop (Balmer alfa- linjen i rött) och med radioteleskop (7 cm linjen).

Som atomfysiker är väte-spektret en av de första som man träffar på. Det är relativt enkelt att både studera och analysera. Samtidigt så används vätets olika spektrallinjer inom ex. astrofysiken. Men samtidigt är väte intressant för olika typer av precisionsmätningar. Att mäta vätespektret med hög precision var under min studietid något som genomfördes på de främsta laboratorierna. Och nya mer precisa värden av ex. Rydbergskonstanten kom med jämna mellanrum allt medan nya spektroskopska tekniker utvecklades. Även idag så finns ett stort intresse men då när det gäller mätningar på Anti-väte (en antiproton och positron) för att se om det finns någong skillnad mellan materia och anti-materia.

För min del så var vätespektret en av laboration som jag handledde som doktorand under flera år vid CTH. Den utrustning som vi hade där (en prisma spektrometer) hade inte den bästa upplösningen, men det finns idag relativt billiga spektrometrar där det är möjligt att se isotopskiftet mellan väte och deuterium.

Men det är inte bara inom atomfysik man kan utnyttja väte. Deuterium och protoner är ganska bra projektiler i kärnfysik experiment. I tillägg kan man detektera väte med radioteleskop, vilka idag är tillgängliga för amatörer. Så det finns en ganska stor potential i undervisningen.

Även om jag inte direkt jobbat med väte i forskningen, så är det ett grundämne som är där och som vi fortfarande utforskat fullt ut. Man har kanske observerat metallist väte nu. Men det behöver bekräftas, så historien är inte slut än.

«Mina» grundämnen!

I samband med periodesystemets år 2019, finner man olika typer av aktiviteter och artiklar om olika grundämnen. I Sverige har man tilldelat de olika universiteten olika grundämnen som de är faddrar för. I tillägg had det gjorts ett försök med Landskapsgrundämnen för att få upp kemiintresset.

Då jag varit aktiv inom både atom- och kärnfysik som forskare och genom detta kommit i kontakt med olika grundämnen, kan det vara naturligt(?) att skriva om mina erfarenheter med just dessa grundämnen. En del har jag bara(?) behandlat teoretiskt medan andra har haft en mer praktiskt betydelse, som material i utrustning eller som grundämne som jag deltagit i studier av. Totalt rör det sig om ett 30-tal grundämnen som jag haft kontakt med både bildligt och bokstavligen. Jag kommer att behandla grundämnena i olika inlägg och ska försöka begränsa mig till ett grundämne åt gången, men i vissa fall kan man behandla flera på en gång.

Topp