Metoda XPS Rentgenowska Spektroskopia Fotoelektronowa

Poprawna odpowiedź

B

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.6 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje efekt fotoelektryczny, wykorzystuje zasadę zachowania energii do wyznaczenia energii i prędkości fotoelektronów.

Komentarz

Wstęp teoretyczny do wszystkich trzech zadań z wiązki:

Metoda identyfikacji pierwiastków XPS (Rentgenowska Spektroskopia Fotoelektronowa) opiera się na zjawisku fotoelektrycznym. Zjawisko to polega na wybijaniu elektronów z próbki naświetlanej promieniowaniem elektromagnetycznym. Aby zrozumieć to zjawisko uczniowie powinni przypomnieć sobie model budowy atomu: jądro w środku i elektrony stosunkowo daleko od niego krążące po orbitach sferycznych. Jeśli promieniowanie (paczka energii) dociera w pobliże atomu, to może zostać wychwycone przez elektron i spowodować jego przejście na wyższy poziom energetyczny lub nawet, przy wystarczająco wysokiej energii, jego wyrzucenie poza atom. Energia potrzebna elektronowi na opuszczenie atomu jest nazwana pracą wyjścia. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego pierwiastka i na jej podstawie można identyfikować pierwiastki zawarte w badanej próbce. Zatem, mierząc energię kinetyczną elektronów wybijanych z atomów i znając energię padającego promieniowania, można wyliczyć pracę wyjścia, a tym samym zidentyfikować pierwiastek.

Wszystkie trzy zadania poruszają temat spektroskopii – powszechnie stosowanej obecnie metody badawczej w wielu dziedzinach naukowych. Polega ona na analizie widm uzyskanych w wyniku oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią. Za jej pomocą możemy określić skład chemiczny substancji, nie badając jej bezpośrednio, a jedynie analizując jej oddziaływanie z falą elektromagnetyczną. Spektroskopię wykorzystuje się m.in. do badania składu chemicznego obiektów we wszechświecie: gwiazd, planet itp.

Warto przy analizie tych zadań przedyskutować z uczniami znaczenie spektroskopii we współczesnych naukach przyrodniczych i jej ogromny wpływ na rozwój wielu dziedzin, w szczególności astronomii. 

Dotyczy zadania nr 1:

Zadanie pierwsze mierzy umiejętność wyciągania wniosków na podstawie analizy informacji podanych w tekście oraz wiedzy uczniów. W zadaniu podane są 4 możliwe wyjaśnienia metody XPS. W odpowiedzi A opisano elektron, który na skutek pochłonięcia energii przechodzi z niższego poziomu energetycznego na wyższy. Zatem pozostaje na orbicie atomowej, nie wychodzi na zewnątrz atomu. Nie może to być poprawna interpretacją metody XPS, gdyż w przytoczonym w treści zadania wyjaśnieniu tej metody jest mowa o ‘wybijaniu’ elektronów z atomu. Punkty C i D przedstawiają przykłady przemian jądrowych, w których emitowane są elektrony, jednakże nie są one skutkiem padającego promieniowania. Jedynie odpowiedź B, w której mowa jest o emisji elektronów z metalu pod wpływem promieniowania, jest odpowiedzią prawidłową.

W badaniu, w którym wykorzystano to zadanie, zaledwie 36% badanych uczniów klas drugich licem podało prawidłową odpowiedź. Stosunkowo często była wybierana odpowiedź C (24%), a odpowiedzi A i D były wskazywane przez ok.16% uczniów. 

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

1C, 2A

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.6 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje efekt fotoelektryczny, wykorzystuje zasadę zachowania energii do wyznaczenia energii i prędkości fotoelektronów.

Komentarz

Teoryteczny wstęp do komentarza znajduje się po zadaniu 1.

Dalszy ciąg dotyczy tylko zadania nr 2:

Zadanie drugie sprawdza umiejętność interpretacji wzoru matematycznego opisującego zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego. Analizując wzór, należy wywnioskować, jaki efekt ma zwiększenie częstotliwości padającego na próbkę promieniowania na pracę wyjścia i na energię kinetyczną wybijanych elektronów. Zwiększenie częstotliwości oznacza zwiększenie energii promieniowania. Praca wyjścia, jak zaznaczono w tekście, jest stała (dla danego pierwiastka), czyli zmiana częstotliwości padającego promieniowania jej nie zmienia. W pierwszej części zadania prawidłowa jest zatem odpowiedź C. Natomiast na podstawie podanego wzoru wnioskujemy, że skoro zwiększa się energia promieniowania, to musi zwiększyć się energia kinetyczna wybitych elektronów, a zatem w drugiej części należy zaznaczyć odpowiedź A.

Zadanie wykorzystano w badaniu, w którym uczestniczyli uczniowie drugich klas liceum ogólnokształcącego. Pierwszą część zadania poprawnie rozwiązało 41% badanych. Jest to stosunkowo mało osób, zważywszy na to, że w treści zadania zostało wyraźnie powiedziane, że praca wyjścia jest stała dla danego pierwiastka. Wskazuje to na nieuważne czytanie lub też nieumiejętność analizy tekstu. W drugiej części należało wydedukować, że energia kinetyczna elektronów wzrasta przy zwiększeniu częstotliwości promieniowania. Została ona poprawnie wykonana przez 59% osób biorących udział w badaniu. Całość zadania prawidłowo rozwiązało około 35% uczestników. 

Słowa kluczowe

Poprawna odpowiedź

A.

Wymaganie ogólne

1 Wykorzystanie wielkości fizycznych do opisu poznanych zjawisk lub rozwiązania prostych zadań obliczeniowych.
4 Posługiwanie się informacjami pochodzącymi z analizy przeczytanych tekstów (w tym popularno-naukowych).

Wymaganie szczegółowe

2.6 Fizyka atomowa. Uczeń opisuje efekt fotoelektryczny, wykorzystuje zasadę zachowania energii do wyznaczenia energii i prędkości fotoelektronów.

Komentarz

Teoryteczny wstęp do komentarza znajduje się po zadaniu 1.

Dalszy ciąg dotyczy tylko zadania nr 3:

Zadanie trzecie okazało się najtrudniejsze z wszystkich trzech z wiązki. Wymagało, oprócz analizy tekstu, również umiejętności interpretacji wykresu, tabeli oraz wzoru matematycznego. Wykres obrazował ilościowy rozkład elektronów w zależność od ich energii kinetycznej (tzw. widmo energetyczne). Można było z niego odczytać, że najwięcej elektronów miało energię w granicach lekko powyżej 1400 eV. Analizując treść zadania (była podana energia padającego promieniowania 1500 eV) i korzystając z zależności Einsteina wnioskujemy, że energia wiązania atomów próbki ma wartość poniżej 100 eV (odejmując trochę więcej niż 1400 od wartości 1500). W podanej tabeli jedynie złoto ma energię wiązania poniżej 100 eV, dla innych pierwiastków jest ona dużo większa (5-cio krotnie i więcej).

Zaledwie 22% badanych wybrało prawidłową odpowiedź A. Ponad dwa razy więcej (47%) wybrało odpowiedź E, czyli na podstawie wykresu zidentyfikowało tal jako pierwiastek badany. Ta właśnie grupa wpadła w pułapkę zbieżności danych w zadaniu. Dane te zostały tak dobrane, że na wykresie energia dla piku jest dokładnie taka sama, jak energia wiązania talu (podana w tabeli). Ci uczniowie zinterpretowali jedynie wykres i tabelę i wybrali odpowiedź z ich punktu widzenia oczywistą. Zapomnieli o zastosowaniu - podanego w tekście zadania - wzoru Einsteina.

Pozostałe odpowiedzi były mniej więcej jednakowo często wybierane (po około 10% zaznaczeń) i wybory te, prawdopodobnie przypadkowe, sugerują niezrozumienie przez uczniów poruszanego zagadnienia.

Słowa kluczowe