Waarom trillen atomen?

Robert, 56 jaar
21 augustus 2016

Bij stijgende energie van atomen, bijv. door temperatuurstijging, trillen atomen harder. Einstein heeft dat aangetoond met de brownse beweging. Maar wat veroorzaakt dit trillen? Mijn theorie is dat de elektronenwolk door invangen en uitstoten van fotonen uitzet en krimpt en dat daardoor de trilling veroorzaakt wordt. Is dat waar?

Antwoord

Beste Robert,

 

De beweging van "atomen" is iets complexer dan je hierboven aangeeft. Het is belangrijk dat je duidelijk aflijnt over welk soort systeem er wordt gesproken (sommige van je gevolgtrekkingen hierboven zijn daarom niet in orde).

  • Beweging atomen in een vloeistof/gas: In een gas/vloeistof bewegen atomen, en zou je deze kunnen voorstellen als stuiterende balletjes. De snelheid van de balletjes is gerelateerd aan hun energie en deze is op zich gerelateerd aan de temperatuur van het systeem (via de Maxwell-Boltzmann verdeling). Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de "gemiddelde" energie van de deeltjes en hoe sneller ze vliegen. Door met elkaar te botsen kunnen de deeltjes energie uitwisselen zodat sommige deeltjes sneller bewegen dan andere (vandaar dat ik het had over gemiddelde energie en een verdeling). Het gaat hier in hoofdzaak dus niet over "trillingen" maar eerder over klassieke bewegingen (de elektronenwolken zullen ook wel trillen maar dat is een ander verhaal).
  • Beweging van atomen in een vaste stof:
    • rooster-trillingen: In een vaste stof kunnen atomen niet zomaar rondvliegen. Ze zitten immers verankerd in het kristalrooster (wil een atoom naar links dan botst het op een nabuur links, wil het naar rechts dan botst het op een nabuur rechts). Wanneer we een vaste stof opwarmen zal de kinetische energie van de atomen verhogen en zullen de atomen niet random heen en weer stuiteren, maar dit eerder op een gesynchroniseerde manier doen: fononen. De frequentie waarmee dit gebeurd is van de orde van enkele THz (een miljard tot 1000 miljard keer hogere frequentie dan kristalbewegingen die gerelateerd zijn aan hoorbare geluidsgolven)
    • diffusie: Naast roostertrillingen kunnen atomen ook echt door een kristalrooster heen bewegen, dit wordt diffusie genoemd. Hierbij hopt een atoom van de ene rooster-site naar de andere, waarbij dit verspringen vlotter gaat bij steeds hogere temperaturen. Dit verspringen gaat vaak gepaard met het aanwezig zijn van andere defecten (bv. ontbrekende atomen in het kristalrooster, waarbij diffusie dan zeer sterk gaat lijken op een schuifpuzzeltje). In veel moderne technologieën wordt dit gedrag niet erg geapprecieerd gezien dit ervoor kan zorgen dat de materiaaleigenschappen veranderen, bv. een kabel die hierdoor niet meer geleidend wordt, of een detector die z'n detectievermogen verliest.
  • Brownse beweging: Ik heb het al een paar keer gehad over botsingen. Brownse beweging is opnieuw een voorbeeld waar botsingen een belangrijke rol spelen. In deze experimenten worden heel kleine stofdeeltjes (geen enkelvoudige atomen !) op een vloeistof geplaatst. Doordat de atomen/moleculen van de vloeistof tegen de zeer kleine stofdeeltjes botsen, en vanwege behoud van impulsmoment, zal je deze kleine stofdeeltjes zien bewegen. Er botsen echter ontzettend veel atomen/moleculen uit de vloeistof tegen deze stofdeeltjes, steeds uit een andere richting zodat de stofdeeltjes steeds een andere richting uit zullen gaan bewegen (een random walk in het Nederlands ook soms een dronkemanswandeling genoemd).
  • Nulpuntstrilling: We hebben nu al vrij veel bewegingsvormen gehad, en deze waren tot nu toe mooi klassiek mechanisch te beschrijven. Je kan je nu ook de vraag stellen of je een stof kan blijven afkoelen? Het antwoord op deze vraag is nee. Er is een absolute minimumtemperatuur (0 Kelvin of -273.15°C ). Bij deze temperatuur staat volgens de klassieke mechanica alles stil. Atomen bewegen niet meer in hun rooster of vliegen niet meer rond in een gas. Deze temperatuur heeft men nog nooit bereikt, maar men heeft deze wel reeds zeer dicht benaderd (100 pK of 0.000 000 000 1 Kelvin). Nu, bij deze temperaturen wordt quantum mechanica van belang. En een van de principes van de quantum mechanica (de Heisenberg onzekerheid: je kan niet tegelijk de plaats en snelheid van een deeltje exact kennen) heeft tot gevolg dat een systeem (dus ook een enkel atoom) een nulpuntsenergie of nulpuntstrilling heeft. 

Hiermee hebben we een beknopt overzicht gehad in de bewegingsmogelijkheden van atomen onder verschillende omstandigheden. Wat gebeurt er echter als een atoom een foton invangt? Wel, de energie van dit foton wordt opgenomen in de energie van het atoom die daar iets mee dient aan te vangen. Afhankelijk van de energie van dit foton kan zowel een elektron als een kerndeeltje geëxciteerd worden. Voor het laatste heeft het foton wel zeer veel energie nodig, dus dit zal geen foton uit het visuele deel van het spectrum zijn. Bekijken we nu het geval waarbij het een elektron exciteert (of in een hogere energietoestand brengt). In dat geval zal het elektron naar een hoger (onbezet) orbitaal verhuizen. Verschillende orbitalen hebben verschillende vormen en "groottes" zodat je zou kunnen stellen dat het atoom hierdoor groter/kleiner wordt. Dit zal echter niet de trilling veroorzaken welke u aangeeft in uw vraag. 

 

Reacties op dit antwoord

  • 07/09/2016 - Robert (vraagsteller)

    Hartelijk dank voor deze zeer uitgebreide uitleg! Waar ik echter nog steeds mee zit is de vraag wat er dan trilt? Er moet toch een of ander mechanisme zijn dat de trilling veroorzaakt. Is het dan de beweging van de kern? En waarom trilt die dan? Hoe wordt energie inhoud vertaald in trilling? Ik begin te denken dat die trilling gezien wordt als een uitgangspunt en dat er geen quantum mechanische theorie hiervoor is, die er wel is voor alle bv. electromagnetische verschijnselen (qed). Excuses als ik doorzeur, maar dit is een vraag waar ik al een tijdje mee zit.

  • 07/09/2016 - Danny (wetenschapper)

    Beste Robert, Geen probleem. Wat er "trilt" hangt van de context af. In het geval van fononen zijn het de "atomen" (waarbij we die dan beschuowen als rigide bollen), in het geval van de nulpuntsenergie (0.5 h*omega) is het moeilijker. Dit stelt immers de laagste energietoestand van "een deeltje" in een harmonische potentiaal voor. In dit beeld zie je een deeltje heen en weer slingeren (met frequentie omega) in een put met parabolische vorm (klassieke mechanica). Wat dit deeltje in werkelijkheid is, is een heel ander verhaal. Dit kan 1 elektron zijn, maar ook een quasi-deeltje (zoals een fonon) waarbij er heel veel kernen gesynchroniseerd aan het bewegen zijn. De kernen voelen elkaar door Coulomb krachten (rechtstreeks, maar ook onrechtstreeks door hun elektronenwolken) Je hebt hier een flink aantal modellen die zeer dicht tegen elkaar aan liggen, maar waarvan de beelden niet noodzakelijk een mooi harmonisch geheel vormen. In het geval van temperatuur heb je in hoofdzaak te maken met de kinetische energie van je atomen (als we even teruggrijpen naar je beginvraag) en atoomkernen in een rooster trillen dan omdat ze niet vrij kunnen bewegen (het klassieke beeld is dat van bollen die door veren met elkaar verbonden zijn, hogere temperatuur komt dan overeen met harder schudden aan dit rooster.)

Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.

Beantwoord door

Dr. Danny Vanpoucke

Computationeel materiaalonderzoek

Universiteit Hasselt
Agoralaan Universitaire Campus-gebouw D BE-3590 Diepenbeek
http://www.uhasselt.be/

Zoek andere vragen

© 2008-2022
Ik heb een vraag wordt gecoördineerd door het
Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen