מרמת הננו ועד מיקרואלקטרוניקה

Präsentation zum Thema: "מרמת הננו ועד מיקרואלקטרוניקה"—  Präsentation transkript:

1 מרמת הננו ועד מיקרואלקטרוניקה
כימיה מכל וחול: מרמת הננו ועד מיקרואלקטרוניקה

2 במה עוסקת היחידה: הכרת המבנה האלקטרוני של אטומים, מולקולות ומוצקים.
הסברים לשאלות ותופעות רבות מחיי יום יום: כיצד פועלים זיקוקי דינור? מה קובע את צבעם? כיצד אנו רואים צבעים? מדוע פלמינגו ורוד? כיצד מנקה המלבין את החולצה הלבנה מכתמים צבעוניים? מהם מוליכים למחצה? מהם ההיבטים הכימיים בתעשיית המיקרואלקטרוניקה?

3 המבנה האלקטרוני של האטום
פרק 1 מזיקוקי דינור אל המבנה האלקטרוני של האטום

4 המחשת סדרי גודל מהם סדרי הגודל של מרחקים אסטרונומיים?
מהם ממדי האורך הנוחים לשימוש בביולוגיה מולקולרית? מהם ממדי האורך הנוחים לשימוש בכימיה? הקידומת "ננו" (מקורה הלשוני: "ננוס" ביוונית או "ננס" בעברית) קשורה ליחידת האורך "ננומטר", שהיא מיליונית המילימטר או אלפית המיקרון, כגודל מולקולות מסוימות. קנה מידה זה הופך יותר ויותר רלוונטי בפיתוחים טכנולוגיים מתקדמים, שבהם יש ניסיון לארגן או להרכיב אטומים או מולקולות בודדות למבנים פונקציונאליים. סרט: powers of ten

5 נמלה מצויה, גודלה 5 מיליון ננומטר סיכת ראש, קוטרה מליון וחצי ננומטר
מה גודלו של ננומטר? נמלה מצויה, גודלה 5 מיליון ננומטר סיכת ראש, קוטרה מליון וחצי ננומטר תא של דם אדם, 7500 ננומטר קוטר שערת אדם רגיל ננומטר וה- D.N.A ? שניים וחצי ננומטר פעילות ממוחשבת עמ' 15

6 העריכו מהו אורכן של מולקולות אלו?
המחשת סדרי גודל - המשך אספירין ניקוטין (כדור אפור מייצג אטום פחמן, כדור לבן מייצג אטום מימן, כדור כחול מייצג אטום חנקן, כדור אדום מייצג אטום חמצן) העריכו מהו אורכן של מולקולות אלו? רדיוס אטומי של פחמן ביחידות של אנגסטרום: 0.77, מימן: 0.32, חנקן: 0.72, חמצן:0.70 1nm = 10-9m = 10-7cm 1Å = 10-10m = 10-8cm 1nm = 10Å

7 גודלם של החלקיקים בחומר
מולקולה 10-7סמ’ 1/10 אטום 10-8 סמ’ 1/10,000 גרעין 10-12סמ’ 1/10 פרוטון 10-13סמ’ 1/1,000 קווארק 1nm = 10-9m = 10-7cm פחות מ סמ’

8 גודלם של החלקיקים בחומר
מולקולה 10-9מ’ 1/10 אטום 10-10 מ’ 1/10,000 1nm 0.1nm גרעין 10-14מ’ 10-5nm 1/10 פרוטון 10-15מ’ 1/1,000 קווארק 10-6nm פחות מ מ’ 1nm = 10-9m = 10-7cm

9 תרגיל – מעברי יחידות 10 m = ____ cm = _____ nm
10x109 10 m = ____ cm = _____ nm 1.53 Å = _____nm = _______ m 523 nm = _______m = ______ Å 6323 Å = ______ nm = _________m 3.5x10-6 m = ______ nm 1000 0.153 1.53x10-10 523x10-9 5230 632.3 632.3x10-9 3.5x103

10 קרינה אלקטרומגנטית קרינה אלקטרומגנטית היא מונח המתאר את סוגי האנרגיה השונים המשתחררים לתוך החלל. סוגי אנרגיה אלו כוללים בתוכם: גלי רדיו, חום - גלי אינפרא-אדום, האור הנראה לעין (שמהווה חלק קטן מאוד מהקרינה האלקטרומגנטית), אור אולטרא-סגול, גלי רנטגן, גלי מיקרוגל, קרני גמא. כל הגלים הללו משמשים אותנו לדברים שונים אך ניתן למצוא ביניהם מכנה משותף: כולם הם הפרעה המתקדמת באופן מחזורי כולם נעים גם כגלים, כמו גלי הים וגלי הקול, וגם כחלקיקים קטנים

11

12 האופי החלקיקי של האור

13 גל – התפשטות של הפרעה במרחב

14 התאבכות של גלי מים הדגמה: התאבכות של אור דרך 2 סדקים + דרך שריג

15 הדגמה: התאבכות של אור דרך 2 סדקים

16 האופי הגלי של האור התאבכות הורסת חיסור גלים התאבכות בונה חיבור גלים

17 קרינה אלקטרומגנטית – על פי המודל הגלי
בעוד שגלי ים וגלי קול מועברים בתווך – מים או אוויר, גלים אלקטרומגנטיים מועברים גם בריק. מהירות תנועתם בריק היא מהירות האור (כ- 300,000 ק"מ לשנייה). גלים שונים מאופיינים על פי "אורכי גל" שונים. אורך הגל הוא המרחק בין שתי נקודות דומות במסלול המחזורי של הגל, למשל שתי "פסגות עוקבות" של השדה בכיוון ההתקדמות של הגל, אורך הגל מסומן באות היוונית λ.

18 קרינה אלקטרומגנטית – על פי המודל הגלי
מספר המחזורים בשנייה נקרא תדירות הגל, מסומן באות ν ונמדד ביחידות הרץ Hz = 1/sec בריק מתקדם הגל במהירות האור C ולפיכך אפשר לקשור את אורך הגל ואת תדירות הגל ע"י הנוסחה: הקשר בין אורך הגל לתדירות:

19 האור המגיע אלינו מהשמש מכיל תערובת גלים בעלי אורכי גל רבים ושונים.
גלי רדיו גלי מיקרו אינפרא אדום אור נראה אולטרה סגול קרני X קרני γ אורך גל ארוך אורך גל קצר תדירות נמוכה תדירות גבוהה

20

21 במסגרת המודל החלקיקי מתוארת הקרינה האלקטרומגנטית כזרם של חלקיקים הנקראים פוטונים.
הקשר בין התאור החלקיקי לתאור הגלי של הקרינה האלקטרומגנטית נוסח על ידי מקס פלאנק ב-1900: מנת האנרגיה של פוטון קשורה ישירות לתדירות הגל על פי הנוסחה:  E = h ● ν כאשר, E= אנרגיה של מנת קרינה (פוטון) הנמדדת בג'אול J h= קבוע פלנק אשר ערכו J•sec ν= תדירות הקרינה אשר יחידותיה 1/Sec ש.ב.1,2,4 עמ' 32

22 אורך גל ארוך אורך גל קצר אנרגיית תדירות גבוהה פוטון גבוהה אנרגיית
תרגילים עמ' 12- 1,2,3, 4א-ב אורך גל ארוך אנרגיית פוטון נמוכה תדירות נמוכה

23 במעבר אור לבן דרך מנסרה מתקבל ספקטרום רציף.
מעבר אור שמש דרך מנסרה

24 בתהליך הראיה אורכי גל שונים מתורגמים לצבעים שונים
טבלת צבעים ואורכי גל אורך גל (nm) צבע סגול כחול ירוק צהוב כתום אדום

25 פעילות באתר האינטרנט: חיבור צבעים
אדום כחול ירוק צהוב מג'נטה ציאן לבן עמ' 10 – לענות על השאלות תרגיל 1 עמ' 12 שאלה 4 ג' תרגול 2 עמ' 12-13

26 מעבר אור הנפלט מאטומי מימן דרך מנסרה
האור המגיע אלינו מהשמש מכיל תערובת גלים בעלי אורכי גל רבים ושונים. במעבר אור זה דרך מנסרה מתקבל ספקטרום רציף. אם מקור האור הוא פליטה על ידי חומר מסוג מסוים, הספקטרום מכיל מספר קטן של אורכי גל שונים והוא נקרא ספקטרום קווי. לכל יסוד בטבע ספקטרום קווי ייחודי ואופייני לו כטביעת אצבעות מעבר אור שמש דרך מנסרה מעבר אור הנפלט מאטומי מימן דרך מנסרה

27 ספקטרום פליטה של אטומים
שפופרות ואקום עבודה באתר: שאלות עמ' 17 ש.ב. דף עבודה – ספקטרום אטומי

28 ספקטרום הפליטה של מימן בתחום הנראה
מנורת מימן מפיצה אור הנקלט בעין האדם כגוון סגול, אך כאשר מעוררים אטומי גז מימן הנמצאים בלחץ נמוך מתקבל ספקטרום קווי הכולל ארבעה קווים בתחום הנראה. בתחומים שונים של הקרינה האלקטרומגנטית מתקבלים קווי פליטה שונים בספקטרום של אטום המימן. האור הנפלט ממנורת מימן ספקטרום הפליטה של מימן בתחום הנראה

29 מדוע פולט אטום מסוים פוטונים מסוימים ולא אחרים?
מדוע פולט אטום ספקטרום קווי ולא רציף? קווי ספקטרום מסוימים מתאימים לאורכי גל או תדירויות קרינה (לפי המודל הגלי) או למנות אנרגיה (פוטונים) על פי המודל החלקיקי. ניתן לפיכך לנסח את השאלה- מדוע פולט אטום מסוים פוטונים מסוימים ולא אחרים?

30 מודל בוהר לאטום מימן בתחום הנראה: ארבעה קווים
בתחומים שונים של קרינה אלקטרומגנטית מתקבלים קווי פליטה שונים.

31 מודל האטום – מודל בוהר האטום בנוי מגרעין המכיל חלקיקים נושאי מטען חיובי. סביב הגרעין נמצאים האלקטרונים בתנועה מתמדת. האלקטרונים נמצאים בכל אטום ברמות אנרגיה בדידות "מותרות". האלקטרון סובב סביב הגרעין החיובי במסלולים מעגליים מסוימים ה"מותרים" לתנועתו. האנרגיה של האלקטרון במסלולים השונים של האלקטרון מחושבת על ידי: ?

32 האם כיום אנחנו מסכימים לחלוטין עם מודל האטום לפי בוהר?
מודל האטום – מודל בוהר האטום בנוי מגרעין המכיל חלקיקים נושאי מטען חיובי. סביב הגרעין נמצאים האלקטרונים בתנועה מתמדת. האלקטרונים נמצאים בכל אטום ברמות אנרגיה בדידות "מותרות". האלקטרון סובב סביב הגרעין החיובי במסלולים מעגליים מסוימים ה"מותרים" לתנועתו. האנרגיה של האלקטרון במסלולים השונים של האלקטרון מחושבת על ידי: נילס בוהר - חתן פרס נובל בפיזיקה כדורגלן בנבחרת האולימפית של דנמרק האם כיום אנחנו מסכימים לחלוטין עם מודל האטום לפי בוהר?

33 המודל של אטום מימן מודל בוהר מודל קוונטי
האלקטרונים נמצאים ברמות אנרגיה בדידות האלקטרון מתואר באופן הסתברותי - אורביטל מודל בוהר האלקטרונים נמצאים ברמות אנרגיה בדידות האלקטרון הוא חלקיק הנע במסלול מעגלי סביב הגרעין ובכל זאת בוהר צדק: המסלולים המעגליים שלו מתאימים לאזור בו "ענן האלקטרונים" ההסתברותי צפוף ביותר והנוסחה שלו לחישוב רמת האנרגיה של האורביטל מדוייקת לחלוטין

34 הקשר בין מודל האטום לספקטרום הקווי
במצב היסודי, האלקטרון באטום המימן נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר n=1. כאשר מקבל האלקטרון אנרגיה מסביבתו (למשל על ידי בליעת קרינה או התנגשות בחלקיק אחר), האטום מעורר והאלקטרון עובר לרמות גבוהות יותר (n=2,3,...). כאשר האלקטרון חוזר מרמת אנרגיה גבוהה לנמוכה הוא פולט אנרגיה בשיעור של ההפרש בין הרמות. E2 – E1 = h מכיוון שרמות האנרגיה באטום מוגדרות היטב, ספקטרום הפליטה מורכב מסדרת קווים צרים.

35 אנרגיה n=5 n=1 n=2 n=3 n=4 n=6 n=∞ גרף המתאר עירור של אלקטרון באטום לרמות גבוהות וחזרתו לרמות אנרגיה נמוכות תוך פליטת עודף האנרגיה בצורת פוטונים

36 קרינה אלקטרומגנטית מאטום המימן
הצליחו להתאים נוסחה לאורכי בתחום האולטרה סגול - סידרת לימן בתחום האור הנראה - סידרת בלמר בתחום האינפרא אדום - סידרת פאשן הגל הנפלטים מאטום המימן: קרינה אלקטרומגנטית מאטום המימן ν – תדירות הגל של קו, ביחידות של Hz n מקבל ערכים טבעיים (שלמים וחיוביים)

37 קרינה אלקטרומגנטית מאטום המימן
נוסחת רידברג ν – תדירות הגל של קו, ביחידות של Hz n מקבל ערכים טבעיים (שלמים וחיוביים) na=1 סידרת Lyman – UV na=2 סידרת Balmer – האור הנראה na=3 סידרת Paschen – IR

38 אנרגיה n=5 n=1 n=2 n=3 n=4 n=6 n=∞ גרף המתאר עירור של האלקטרון באטום המימן לרמות גבוהות וחזרתו לרמת אנרגיה שנייה (n=2) סדרת בלמר

39 הבנת היערכות האלקטרון ברמות אנרגיה באטום המימן אפשרה הסבר תוצאות ניסוי ומדידות של הספקטרום האטומי. נמצא כי סדרת לימן מתקבלת בעירור האלקטרון לרמות גבוהות וחזרתו לרמת אנרגיה ראשונה (n=1). סדרת בלמר מתקבלת מעירור של האלקטרון לרמות גבוהות וחזרתו לרמת אנרגיה שנייה (n=2)ובסדרת פשן חוזר האלקטרון המעורר לרמת אנרגיה שלישית (n=3)

40 אנרגיה במסלול מסוים או רמות האנרגיה של אלקטרון:
סיכום לאטום מימן אנרגיה במסלול מסוים או רמות האנרגיה של אלקטרון: R הוא קבוע שערכו על פי מודל בוהר : R = 2.18x10-18 J = 13.6 eV (1eV = 1.6x10-19J) במצב היסוד n=1 – המסלול הקרוב ביותר לגרעין, רדיוס המעגל המתאים למסלול זה הוא Å0.529 – "רדיוס בוהר" – רדיוס של אטום מימן

41 אנרגיה שעשוי לפלוט אטום מימן מעורר במעבר מרמה nb לרמה na:
סיכום לאטום מימן אנרגיה שעשוי לפלוט אטום מימן מעורר במעבר מרמה nb לרמה na: R = 2.18x10-18 J = 13.6 eV שאלה 9 עמ' 34-35 ש.ב. 3,5,6 עמ' 32-33

42 אנרגיה שעשוי לפלוט אטום מימן מעורר במעבר מרמה 2 לרמה 1:
סיכום לאטום מימן אנרגיה שעשוי לפלוט אטום מימן מעורר במעבר מרמה 2 לרמה 1: R = 2.18x10-18 J = 13.6 eV זמן תרגול 4 עמ' 23 שאלה 9 עמ' 34-35 ש.ב. 3,5,6 עמ' 32-33 ספקטרום בליעה / ספקטרום פליטה

43 נחזור למודל הקוונטי - האורביטלים
המודל של אטום מימן מודל קוונטי האלקטרונים נמצאים ברמות אנרגיה בדידות האלקטרון מתואר באופן הסתברותי - אורביטל מודל בוהר האלקטרונים נמצאים ברמות אנרגיה בדידות האלקטרון הוא חלקיק הנע במסלול מעגלי סביב הגרעין נחזור למודל הקוונטי - האורביטלים

44 אורביטלים אטומיים שונים
"ענן האלקטרונים" – האורביטל - הוא ההסתברות למציאת האלקטרון באזור מסוים של המרחב לרמות אנרגיה שונות ענן אלקטרוני בעל צורה שונה

45 שתי דרכים לתיאור האורביטל
האלקטרון ממוקם בהסתברות גבוהה בקרבת הגרעין. האורביטל הכדורי המתאים לרמת האנרגיה n=1, מכונה אורביטל s1.

46 האורביטל הכדורי המתאים לרמת האנרגיה n=2, מכונה אורביטל s2.
ההסתברות המכסימלית למיקום האלקטרון במרחק מהגרעין מוסטת למרחק גדול יותר האורביטל הכדורי המתאים לרמת האנרגיה n=2, מכונה אורביטל s2. אתר אינטרנט:

47 מספר האורביטלים בכל רמה
מספר האורביטלים ברמה n הוא n2 ככל שעולים ברמת האנרגיה גדל נפח האורביטל – גדלה הסתברות להימצאות אלקטרון רחוק יותר מהגרעין גדל מספר הצורות השונות של האורביטלים רמת האנרגיה מספר אורביטלים כולל n = 1 1 n = 2 4 n = 3 9 n = 4 16

48 סוגי האורביטלים ומספרם
רמת האנרגיה מספר אורביטלים כולל מספר אורביטלי s p d f n = 1 1 n = 2 4 3 n = 3 9 5 n = 4 16 7 צורות שונות של אורביטלים מסומנות באותיות.

49 אטומים רבי אלקטרונים האורביטלים דומים לאורביטלים של אטום מימן אך בגלל דחייה בין אלקטרונים מופיעות תת רמות. "קליפת אנרגיה" – Energy Shell.

50 רמות אנרגיה לאלקטרון באטום המימן ובאטום רב אלקטרונים
רמות אנרגיה לאלקטרון באטום המימן ובאטום רב אלקטרונים קליפת אנרגיה שלישית קליפת אנרגיה שניה

51 כללים לאכלוס אלקטרונים
סדר המילוי – הסדר האנרגטי עקרון פאולי – באורביטל אחד ניתן לאכלס לכל היותר שני אלקטרונים. ספין של האלקטרון (תכונה פנימית המתגלית בחשיפה לשדה מגנטי). שני אלקטרונים המאכלסים אותו אורביטל חייבים להיות בעלי ספינים מנוגדים. כלל הונד – כלל "האוטובוס" – כאשר מאכלסים אלקטרונים באורביטלים בעלי אנרגיה זהה, יאוכלס תחילה אלקטרון אחד בכל אורביטל, בספין מגביל לאחרים. ↑↓

52 רמות אנרגיה באטום רב אלקטרונים
הציגו הערכות אלקטרונים של אטום: 1s2 He Li 1s22s1 ↑ ↑ ↑ ↑ 1s22s2 Be ↑ ↑ 1s22s22p2 C 1s22s22px1py1

53 אורביטלים אטומיים באטומים רבי אלקטרונים (ספקטרום פליטה אופייני)
K Na Li 3d 3d 3d 3p 3s 3p 3s 3p 2p 3s 2p 2s 2s 2p 2s 1s 1s 1s

54 האנרגיה והמספרים הקוונטים

55 סדר מילוי האורביטלים

56 Ne הציגו דיאגרמות אכלוס והיערכות לאלקטרוני האטומים הבאים: חמצן (O), פלואור (F) ומגנזיום(Mg). ש.ב. שאלות 7,8 עמ' 33

57 אורביטלים והמערכה המחזורית
אלקטרוני הערכיות (האלקטרונים המרוחקים ביותר מהגרעין) של יסודות באותו טור מאכלסים אורביטלים דומים

58 רמות אנרגיה לאלקטרון באטום המימן ובאטום רב אלקטרונים
4s 4p 4d 4f

59 מהי הערכות אלקטרונים ביסודות וביונים הבאים: סידן Ca כלור Cl טיטניום Ti
ברזל Fe גפרית יון גופרית יון רובידיום * נחושת Cu 20 - 1s22s22p63s23p64s2 17 - 1s22s22p63s23p5 22 - 1s22s22p63s23p63d24s2 26 - 1s22s22p63s23p63d64s2 16 - 1s22s22p63s23p4 18 - 1s22s22p63s23p6 36 - 1s22s22p63s23p63d104s24p6 29 - 1s22s22p63s23p63d104s1

60 תרגול תוך שימוש בנוסחת Bohr עבור התדירויות של קווי הספקטרום של המימן, חשבו את שלושת אורכי הגל הגדולים ביותר של סדרת Balmer. בסדרת בלמר האלקטרונים המעוררים עוברים מרמות גבוהות יותר לרמה n=2 קיים יחס הפוך בין אורך הגל לאנרגיה אז ככל שהאנרגיה קטנה אורך הגל גדל.

61 המשך: