Kategori: The light side

Kategorier
Kemi The light side

Mina Grundämnen – Magnesium

Det finns några grundämnen som är vanliga men som man inte har ett speciellt förhållande till. För mig är magnesium en av dessa. Jag har egentligen inte arbetat direkt med magnesium, annat än aluminium/magnesium legeringar för olika detaljer som måste svarvas eller fräsas till rätt form.

Även om magnesiums atomära struktur är enkel har jag inte gjort någon spektroskopi på den. Det är så att säga ett hål i min direkta erfarenhet.

Men magnesium är intressant ur ett historiskt perspektiv då det är ett av grundämnena som «upptäckts» genom elektrolys. Entymologiskt har det samma grund som mangan och magnetit.

Biologiskt är det en av de viktiga grundämnena så en del av mig är magnesium och därför även ett av mina grundämnen.

Kategorier
Fysik The light side

Mine grundämnen – Natrium

De fleata har sett de gula ljusen i gatubelysning även om dessa nu håller på att bytas ut med LED. Det gula ljuset kommer av natrium som sänder ut gult ljus, 589.0 och 589.6 nm. Den så kallade natrium dubletten, något som ingår i alla atomfysik kursers laboratorium. Just natrium har fördelan av att vara en metall som både har låg smältpunkt och låg excitations energi, vilket gör att du kan relativt enkelt förånga och driva en elektrisk urladdning genom gases och få den att sända ut ljus. Detta kan man göra effektivt vilket förklarar varför natrium var/är populärt i lampor dr man vill få bra effektivitet. I tillägg är våra ögon ganska känsliga inom detta våglångdsområde vilket också är en fördel.

Men samtidigt är natrium lätt att excitera med ljus och då lasrer i första hand vilket gör att man har detta som ett textboksexempel i labbet. Att man har en gas-cell med natrium i labbet för demonstrationer är en självklarhet. Nu är natrium väl studerat så det är inte mycket ny forskning som kan göras. Men i slutet på 1980-talet jobbade jag i ett projekt där vi skulle göra ett experiment där vi behövde ett mycket homogent magnetfält över en längre sträcka. Det vi ville göra var att kunna mäta magnetfältet med hög noggrannhet inom ett litet område samtidigt som vi optimerade magnetfäletet. En teknik som inte fanns då. Här skulle vi utnyttja just natrium och titta på Zeeman-effekten (uppsplittring av spektrallinjer på grund av magnetfält) på olika punkter längs en linje. Genom att flytta detektionspunkten och variera ljusets frekves skulle vi kunna bestämma magnetfältet. De första experimenten fungerade bra och vi kunde optimera ionom ett mindre område, men det visade sig att det blev för komplicerat samtidigt som nya mindre magnetometrar utvecklades så vårt projekt fullföljdes aldrig.

Natrium är alltid ett problembarn därfr att det finns överallt, så när man skall titta på grundämnesinnehåll i olika prover så finns alltid natrium i rummet vilket kan ställa till problem i detektionen.

Natrium är en alkalimetall som kan fatta eld i luft eller om det hamnar i vatten så man måste vara varsam, så vi hade olika stt att «desarmera» natrium vilket ofta betydde att man lät det stå i luft eller att man spreyade vatten på det för att skulle oxidera.

Så jag har jibbat med natrium och det är något som alla atomfysiker har ett förhållande till, så även jag.

Kategorier
Experiment Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Neon

Neon är en ädelgas och det 5e mest förekommande grundämnet i universum. Det är trots detta relativt sällsynt på jorden, där det till skillnad från Helium inte skapas genom radioaktivt sönderfall. Neon skapas genom fusion av kol-12 kärnor i stjärnor och allt neon i universum kommer från detta. Det som de flesta förknippar neon med är det röd-oranga ljuset i neon-rör. Men neon har används i olika typer av vakuum-rör, men även i olika typer av lasrar, He-Ne laser eller excimerlasrar för XUV inom litografi i halvledar industrin.

För min del har jag i första hand jobbat med He-Ne lasrar, både för upplinjering, som ljuskälla i undervisningslaboratoriet och som referens för en våglängdsmeter. En He-Ne har normalt tre moder (våglängder) där två har en polarisation och en den vinkelräta mot dessa. Detta gör att man kan isolera en mod och bestämma exakt vilken våglängd den har med hjälp av absorption i jod, eller låsa våglängden genom att variera längden på laserkaviteten. Även om denna tekniken nu ersatts av andra är det mycket att lära sig med att bygga en jod-stabiliseras He-Ne laser.

Även om jag inte direkt jobbat med neon så har jag arbetat med en applikation där neon spelar en viktig roll. I ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2019/07/31/mina-grundamnen-helium/ skrev jag om mitt arbete med en jon-guide där exciterat He var en källa till problem genom att det hamnade i Triplett-tillståndet, samma tripplet tillstånd som står för energin överföring från He till tillstånd i Ne som ger laser effekten. I och med att vi har en nästan resonant överföring av energi bör en liten inblandning av Ne i He-jeten göra att man får en minskning av antalet tripell-tillstånd. En minskning större än den man hade observerat med inblandning av Xe som har en icke-resonant överföring. Jag skrev en proposal och skickade till labbet som jag hade lämnat 1 år tidigare och bad de att prova. Jag fick dock inte något svar så jag vet änideg inte om det gjorde försöket eller inte.

Så på det sättet är neon ett av mina grundämnen.

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Fluor

Fluor är ett grundämne som finns i ganska mycket och som har en hel del miljömässiga problem. CFC-gaser och andra fluor baserade föreningar. Teflon känner de flesta till och finns i de flesta kök som non-stick i stekpannor och grytor.

Min erfarenhet av fluor har främst handlat om rengöring av glas, med fluorvätesyra (flussyra) som etsar glas men som också kan brukas för att få bort ytliga repor. I mitt fall fick vi en repa på Brewster-fönstret i vår argon-jon laser som behövde fixas. Så destillerat vatten, fluorvätesyra och optiskt papper användes för att fixa detta.

Den andra närkontakten med en Fluor-föringar (SF6) fick jag i England vid acceleratorn i Daresbury (Nuclear Structure Facility) under min postdoc då utrustning från denna skulle demonteras och packas för flytt till Jyväskylä. Acceleratorn, en van der Graff arbetar med höga spänningar varför man har SF6 som en skyddsgas för att hindra urladdningar. Detta är en tung gas, så om det blir ett läckage kommer den att ansamlas i lågt liggande fördjupningar som gropar eller dalar. Larmet gick och vi fick evakuera till skyddsvallarna runt anläggningen. En speciell upplevelse men den gången var det ett falsk larm.

Även om SF6 i sig är inert så kan man kvävas om den fastnar i lungorna på grund av sin tyngd. Tidigare har den dock brukats i små mängder för att få fram motsatsen till He-röst (hög frekvens) då man får en rejäl bas-röst. Men detta är för farligt så det party-tricket hoppas jag ingen gör längre.

Kategorier
Experiment Fysik Kemi The light side Uncategorized

Mina Grundämnen – Oxygen/syre

Oxygen/syre kan man kalla en av de lyckligaste grundämnena i Finland; happi! Men oxygen är oftast något man inte vill ha då det oxiderar metaller och annat. Oxygen är också en av orsakerna till massutdöenden på jorden. När organismer kunde utnyttja fotosyntesen så var oxygen en bi- eller avfallsprodukt som samtidigt råkade vara giftigt för många organismer som då dog ut.

Vi tänker inte på det men oxygen är giftigt för oss så koncentrationer över 30% är toxiska. Normalt innehåller atmosfären runt 21% så vanlig luft är livsviktig och inte toxisk. Det kan vara värt att notera att under Perm (250-300 miljoner år sedan) var oxygen koncentrationen närmare 30%, vilket gjorde att insekter med sina trakéer som fungerar genom diffusion kunde växa sig större än idag.

Även om man inte vill ha oxygen, så finns en del intressanta aspekter som man kan få med sig. Flytande oxygen är paramagnetiskt så det är möjligt att fånga flytande oxygen mellan två magnetiska poler [https://www.youtube.com/watch?v=Lt4P6ctf06Q ] problemet är att få fram flytande oxygen(kokpunkt 90K). I videon brukas en gastub och rör i flytande nitrogen (kokpunkt 77K) men man kan även låta flytande nitrogen förångas i en öppen termos, man får då en svagt blå vätska när det mesta förångats, detta är oxygen som då kan brukas för försöket.

Man kan också stoppa ner stålull i vätskan, ta upp och sätta eld på den. På grund av oxygen innehållet kommer det bli en explosiv förbränning, tidigare kunde man hitta brännmärken både på bänkar och i tak där fysik-studenter gjort just detta.

Kategorier
Fysik Kemi The light side Uncategorized

Mina Grundämnen – Nitrogen

Nitrogen, främst i sin flytande form är den form som jag använt mest. Då den har en temperatur på 77 K så fungerar den bra som hjälpmedel för sorption i vacuum system. Under min tid i Göteborg hämtade jag ofta nitrogen i en 25 liters dewar. Påfyllningen gjordes i ett rum där man satte i påfyllningsröret, satte på påfyllningen och gick ut. Genom fönstren där kunde man då se hur dimma bildades när notrogenen kokade bort innan vätska fylldes och när man såg att det sprutade över gick man i och stängde av.

Vi hade en del party trick med flytande nitrogen, man kunde låta det rinna över händerna, Leidenfrost effekten skyddade, kyla ner olika föremål eller «dricka» det. Återigen så skyddar Leidenfrost men man kan inte ha mycket i munnen eller låta det komma nära tänder. En ryss brukade svälja lite för att sedan komma med ett gigantiskt rap. När man kyler ner med nitrogen, händer det en hel del roliga effekter: Blommor blir skära som glas.

Strunt är strunt och snus är snus om än i gyllne dosor.
Mer rosor i ett krus är ändock alltid rosor.

Men i Nitrogen blir det:

Strunt är strunt och snus är snus om än i gyllne dosor.
Mer rosor i ett nitrogen krus blir spruckna rosor.

En klocka i bly klingar nedkyld som en fin mässingsklocka. Men ett radergummi (viskelär) kan explodera spontant på grund av spänningar i materialet när den kyls ner.

Maskinen som kan får fram flytande nitrogen med är i princip en Stirling-motor som körs baklängs, dvs det är möjligt att bygga om en sådan till en motor, något en kollega ville prova med en rysk maskin som stod i Jyväskylä. Det intressanta med den var att det var en exakt kopia av en väst-maskin. Till och med Made in och serienumret var kopierat.

Så nitrogen är ett grundämne som förutom att finns runt oss även ett som jag har jobbat med..

Kategorier
Fysik Historia Kemi The light side

Mina Grundämnen – Kol

Kol är ett grundämne som är mycket speciellt. Ser man astrofysiskt så borde egentligen inte Kol finnas. Eller rättare sagt, det är en mycket speciell egenskap som gjort att liv och tyngre grundämnen överhuvudtaget kan existera. Fusion i stjärnor ger i princip bara He-4, men Be-8 som man får när två He-4 kolliderar är inte partikelstabil, vilket betyder att den har en livstid på under 10^{-16} s det vill säga under den tiden måste en He-4 kollidera med Be-8 för att bilda ett exciterat tillstånd av C-12. Detta är mycket osannolikt, men nu finns en liten detalj till som hade kunnat ge en ännu mindre sannolikhet, dvs energinivåer i C-12. Det finns ett energitillstånd i C-12 som ger en ökad sannolikhet för reaktionen, hade energin varit annorlunda hade inte sannolikheten varit mycket mindre och hade inte kunnat ske. Så om det inte vore för det.. inget kol och inget liv..

Men det speciella med kol tar inte slut där. I sitt yttre skal finns 2s- och 2p-elektroner och det ger några mycket speciella egenskaper. p-elektronerna kan bilda 3 olika orbitaler och vi kan även få en hybridisering där s-elektronerna kommer till. Summan av det hela är att kol kan ha upptill 4 olika bindningar, se metan CH4. Men bindningarna kan variera så vi kan ha 1,2,3 st, vi kan ha dubbelbindningar och trippelbindningar. Något som gör att det kan binda med andra grundämnen på ett mycket varierat sätt, det vi kallar organisk kemi. Detta är grunden för liv.

Men vi får en annan egenskap och det har med kristallstrukturen att göra. Vi har två kristall strukturer som förekommer i naturen, Grafit och Diamant.

Grafit består av en hexagonal struktur med relativt starka bindningar i ett plan och svagare bindningar mellan planen. Planen bilder grafen, ett material med speciella egenskaper. Men planen kan också rullas ihop till rör eller till «fotbollar». Under mina studier så var det en forskargrupp (nabogruppen) som sysslade med beräkningar på just detta så vi fick hela tiden information om vad som hände i forskningsfronten. Så C-60 och C-70 var på den tiden «hett». Jag sysslade inte själv med det men det fanns diskussioner om hur man kunde göra olika experiment.

Diamant ligger mig varmare om hjärtat. I min utbildning ingick Fasta tillståndets fysik, där examinationen var en hemexamen där frågor skulle besvaras för ett grundämne som lottades ut bland studenterna, där jag fick kol, och valet var mellan Grafit och Diamant.

Diamant är en speciellt material, det är metastabilt, dvs diamanter förstörs sakta, det är i ren form en halvledare, men leder värme bättre än de flesta material. Det är transparent, extremt hårt och har ett högt brytningsindex.

Diamant förekommer naturligt och då ofta med olika föroreningar som ger de olika färgnyanser.

Rent fysiskt har diamant speciella egenskaper som gjorde svårt att att hitta data för min hemexamen, jag hade mer än 3 olika typer att förhålla mig till och att det antingen fanns mycket data eller inget alls. Så jag har ett intressant förhållande till kol och diamanter..

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina grundämnen – Bor

Bor är liksom Be ett grundämne som inte skapas genom fusion i stjärnor, utan genom fotofisson och spallation. Det är essentiellt för växter och något vi använder bland annat i olika typer av glas.

För min del har jag erfarenhet av bor i form av bornitrid (BN). En material med intressanta egenskaper, där kombinationen av att vara islator samtidigt sm det leder värme bra gjort att man kan tillverka ugnar för att få atomstrålar. Enkelt uttryckt en burk med ett litet hål som man värmer upp med en wolfram eller tantal tråd snurrad runt. Man kan dock även skapa andra designer beroende på applikationen. För min del vad det olika försök med atomstrålar av Ba, Ca och Mg, med mål att skapa en ugn för Be. (Se inlägg om Be)

Mer än så är det inte att säga.

Kategorier
Experiment Fysik Kemi The light side Uncategorized

Mina Grundämnen – Beryllium

Beryllium är ett av de grundämnen som inte borde finnas, den stabila isotopen Be-9 kan inte bildas genom fusion och Be-8 skulle bestå av två alfa, vilket inte är en partikel-stabil isotop, kan inte bildas. Beryllium kan vi dock få genom att tyngre kärnor genomgår fotodissociation.

Men samtidigt är det bra då beryllium är mycket giftigt för oss. Men samtidigt har det en rad mycket bra egenskaper, lätt, starkt och leder värme mycket bra, vilket gör att det används inom rymdindustrin (med ordentliga säkerhetsföreskrifter). Men vi kan hitta beryllium i ex. golfklubbor (beryllium-brons) vilket gör att en golfklubba kan innehålla tillräckligt mycket för att ta livet av en mellanstor stad.

Det är inte bara beryllium utan även berylliumoxid har bra värmeledningsegenskaper, samtidigt som det är en isolator. Detta gjode att BeO användes som isolationsplattor för högeffek-transistorer i ex. gas-lasrar. Man kunde också hitta BeO i laserrör hos vissa tillverkare. Numera är wolfram det som är vanligast även om BeO förkommer.

Beryllium har i tillägg en intressant position i periodesystemet som gör det intressant får beräkningar av atomstrukturen. Men samtidigt är det en metall med hög smältpunkt varför det saknades experimentella data under 1980-talet. Det var vid den tiden jag började titta på möjligheten att få en atomstråle av Be med en population av meta-stabila (långlivade tillstånd) som har låg sannolikhet att deexiteras till grundtillståndet. Test av andra metaller med hög smältpunkt visade att det var möjligt att få en stråle. Populationen kunde ökas genom en urladdning i strålen. Så i princip var det möjligt. Problemet som kvarstod var att få till en laser i ultraviolett. Detta var ett problem som då inte var löst, det är det idag, så lösningen var att exitera med pulsade lasrar och använda rf för att studera tillstånden.

Planen var att använda en smalfrekvent kontinuerlig laser och använda den som oscillator (seed) i en pulsad förstärkare. Vi hade tillgång till pulsade lasrar som kunde pumpa förstärkaren, men var tvungna att se om det skulle gå att få till. En gammal blixlamps pumpad färgämneslaser användes för ett första test. Vi såg en liten förstärkning i en uppställning som var långt i från optimal, så det såg ut att vara möjligt.

Vi designade en ny uppställning och skaffade uppgifter om kostnaden. Totalt ca350000 kr i den dagens penningvärde och skrev en ansökan till NFR (forskningsrådet) vilket var inom den angivna ramen. Problemet var att beloppet var stort och skulle behandlas av FRN istället, med de hade en undre gräns på 500000kr. Så ansökan som kom högt upp på rangeringen hamnade utanför på grund av beloppet.

Vad hände sedan? Grupp en förlorade några medlemmar och andra satsade på andra projekt, så det kom ingen uppföljning nästa år och projeket dog ut…

Så beryllium är lite speciellt för mig då jag har haft bruk för det samtidigt som det är en påminnelse av ett projekt som aldrig blev..

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Lithium

Litium är ett grundämne som skapades vid Big Bang och som inte kan bildas genom fusions-processer i stjärnor. Detta delar litium med beryllium och bor. Men genom att tyngre atomkärnor kan splittras eller spalleras av högenergi gamma elller partiklar så har det skapats litium efter Big Bang. Detta förklarar även varför litium är relativt lite förkommande i universum.

Litium är en alkali-metall och som sådan reaktiv, men det är långt i från lika reaktivt som natrium eller rubidium. Men metallen som är ganska mjuk måste förvaras i olja för att inte oxideras. Problemet är att litium har en densitet som är hälften av vatten (den flyter i vatten) vilket gör att den även måste hållas under ytan även i olja.

Mina erfarenheter av litium är i samband med charge-exchange, dvs soom ett medel att tillföra elektroner till positiva joner, genom att låta dessa passera genom en litium-gas. Det vill säga en cell som håller ca 400 grader celsius. Detta var den metod som brukas när jag jobbade vid University of Birmingham. I samband med flytten av utrustning till finland från Daresbury acceleratorn så hade dessa testats för radioaktivitet (under bakgrundssgrålningen) så var ganska mycket kontaminerat med LiO och LiOH, som HMS där inte visste hur de skulle hantera. Dock öppnade HMS-ansvarig kemilabbet och försvann varvid jag och en kollega spolade av utrustningen med varmt vatten tills allt skölts bort. egentligen olagligt med det är preskriberat nu.

Det inträffade dock en incident i Finland, när det behödes fyllas på med litium. Cellen var fortfarande varm när litiumet las in. Varvid det började brinna i cellen. Det enklaste var att kyla och få bort oxygen så det var bara att ta flytande nitrogen och skvätta på medan vakuum kammaren gjordes klar och en fortfarande glödande cell sattes på och trycket sänktes snabbt när pumparna gick igång. Det var på ett sätt inte det bästa sättet, så jag konstruerade en kammare där cellen kunde stoppas ner i flytande nitrogen om detta hände igen. Vad jag vet behövde den aldrig brukas….