Document

§11.3: Spectraalanalyse
In de wereld om ons heen treffen we twee soorten objecten aan:
• straling
• materie
Straling is opgebouwd uit stralingsdeeltjes: fotonen
Fotonen zijn golfpakketjes met twee bijzondere eigenschappen:
• ze hebben géén massa:
m=0
• ze bewegen t.o.v. iedere waarnemer altijd met de
lichtsnelheid:
v=c
Materie is opgebouwd uit materiële deeltjes: atomen
Atomen zijn deeltjes met de eigenschappen:
• ze hebben massa:
m>0
• ze bewegen t.o.v. iedere waarnemer altijd met een
snelheid kleiner dan de lichtsnelheid:
v<c
Wisselwerking tussen materie en e.m.-straling
Materie kan wisselwerken met
e.m.-straling:
- materie kan e.m.-straling
absorberen
- materie kan e.m.-straling
emitteren
Deze wisselwerking is mogelijk
omdat:
- atomen in verschillende
energieniveaus kunnen
verkeren
- e.m.-straling uit golfpakketjes /
energiepakketjes, de zgn.
fotonen, bestaat
voorbeeld van een energieniveauschema
Het mechanisme van de wisselwerking is als volgt:
- een atoom kan een foton absorberen en daardoor in een hoger
energieniveau (aangeslagen toestand) komen. De energie van
het geabsorbeerde foton moet dan wel precies overeenkomen
met het energieverschil tussen de twee atomaire energieniveaus: Efoton = │ΔEatoom │
- een atoom kan een foton emitteren en daardoor in een lager
energieniveau komen. De energie van het geëmitteerde foton is
dan precies gelijk aan het energieverschil tussen de atomaire
energieniveaus: Efoton = │ΔEatoom │
Foton-emissie in een plaatje:
Meer eigenschappen van fotonen
• Foton:
een golfpakketje / energiepakketje dat in zijn geheel gemaakt of
geabsorbeerd moet worden (Planck in 1900 en Einstein in 1905)
• Energie van een foton:
de energie van een foton hangt af
van de frequentie f / golflengte λ
Efoton = energie in J (omrekenen naar eV met 1 eV = 1,6022.10-19 J)
h = de constante van Planck: 6,6261·10-34 J·s (Binas, tabel 7!)
c = de lichtsnelheid: 2,9979·108 m/s
(Binas, tabel 7!)
Opdrachten
1. Een laser geeft rood licht met een golflengte van 715 nm.
Bereken de energie van de fotonen in het laserlicht. Druk de
uitkomst uit in eV.
Antwoord:
E = 1,73 eV
2. Een zekere soort straling bestaat uit fotonen met een energie
van 13,8 eV.
- Bereken de golflengte van deze straling in nm.
- Om wat voor soort straling gaat het?
Antwoord:
λ = 89,9 nm → UV-straling
Emissie-spectrum
Wanneer een atoom / molecuul van een stof in een aangeslagen
toestand verkeert, valt het na kortere of langere tijd terug naar
een toestand met een lagere energie.
Daarbij emitteert het atoom / molecuul een foton met een
passende energie.
Zo ontstaat het emissie-spectrum van de betreffende stof.
Emissiespectrum
Emissiespectrum
Absorptie-spectrum
Wanneer wit licht een relatief koude transparante stof passeert,
absorberen de atomen / moleculen van die stof díe fotonen die
passen bij een mogelijke energiesprong.
Bepaalde kleuren licht worden dus aan het passerende witte licht
onttrokken.
Zo ontstaat het absorptie-spectrum van de betreffende stof.
Verband tussen emissie-spectrum en absorptie-spectrum
De kleuren die een stof zelf kan emitteren, kan hij ook absorberen
uit wit licht.
absorptie/emissie waterstof
absorptie/emissie koolstof
absorptie/emissie zuurstof
Energieniveauschema’s en spectra
Verband tussen fotonenergie en atomaire energieniveaus:
E f oton  E atoom
ofwel E f  E m  E n
hc
waarin E f  h  f 

𝐸𝑓 : energie van foton in J of eV
𝐸𝑚 : energie van (willekeurig) energieniveau m in J of eV
𝐸𝑛 : energie van (willekeurig) energieniveau n in J of eV
Fraunhoferlijnen
In 1813 ontdekte Joseph
von Fraunhofer in het
spectrum van de zon een
aantal zwarte lijnen.
Fraunhoferlijnen
Ook de spectra van de andere sterren hebben fraunhoferlijnen:
Sirius
Betelgeuze
Fraunhoferlijnen
Aldebaran
De absorptielijnen verraden welke elementen er voorkomen in
de relatief koele, buitenste lagen van de ster.
Oefenen met energieniveauschema’s
waterstof (zie boek blz. 26 en Binas tabel 21A)
Opdracht:
controleer m.b.v. de
gegeven energieniveaus de golflengte voor de
overgang van n = 4
naar n =2.
Oefenen met energieniveauschema’s
de energieniveaus van
het waterstofatoom zijn
te berekenen:
13,6
𝐸𝑛 = − 2
𝑛
𝐸𝑛 : energie van niveau n
in eV (per definitie 0
voor 𝑛 = ∞)
𝑛: orde energieniveau
Ionisatie-energie: de energie die nodig is om een elektron naar het
oneindige te brengen  géén bindingsenergie meer  bij
waterstof correspondeert dat met 𝑛 = ∞ dus 𝐸∞ = 0 𝑒𝑉
Oefenen met energieniveauschema’s
Een kwikatoom dat zich in de 2e
aangeslagen toestand bevindt valt op
een zeker ogenblik terug naar de 1e
aangeslagen toestand.
a. Bereken de golflengte van het foton
dat daarbij vrijkomt.
b. Om wat voor soort straling gaat het?
Antwoord: λ = 5,90 μm → IR-straling
c. Is het mogelijk om met zichtbaar
licht een kwikatoom in de grondtoestand aan te slaan? Licht je
antwoord toe.
Nee, niet mogelijk: daarvoor is een foton met een energie van
tenminste 4,68 eV nodig → golflengte van hoogstens 265 nm → UV
Huiswerk:
Lees §11.3 (blz. 22 t/m 27) en maak de opgaven 11 t/m 15
Maak ook de extra opgaven van §11.3 (zie studie-wijzer)
Emissie & Absorptie
• Atoom = kern (protonen+neutronen) met elektronen in schillen
rond de kern: verschillende energie-niveaus!
• Grondtoestand: alle elektronen zitten in het laagst mogelijke
energieniveau (zo dicht mogelijk bij de kern)
• Aangeslagen toestand: een elektron springt een schil hoger (1e, 2e,
3e aangeslagen toestand voor steeds hogere energieniveaus).
Aanslaan door bijv.:
- Licht
- Stroom
Energie!
- Warmte
Bij terugvallen:
uitzending foton
met 𝛥𝐸 = ℎ ∙ 𝑓
Dus met typische frequentie
en dus golflengte!
§11.3 Licht als golf
Voortplantingssnelheid =
lichtsnelheid c (Tabel 7 Binas)
𝑐 =𝜆∙𝑓
𝜆: golflengte in m
𝑓: frequentie in Hz
BINAS
Tabel
19A/B
Let op: alleen
in vacuüm!!!