Elektronen 3 4 - Wetenschapsforum

Bij chemoluminescentie is er sprake van het uitzenden van elektromagnetische straling in de
vorm van licht, doordat er energie vrijkomt bij een chemische reactie. Hierbij kan licht worden
uitgezonden die ultraviolet is (100 - 400 nm), zichtbaar is (400 - 780 nm) of infrarood (≥ 780),
maar het komt het meest voor dat het licht zichtbaar is.
Elektromagnetisch spectrum
De - al dan niet grafisch weergegeven - verdeling van soorten elektromagnetische straling: van
laagenergetische naar hoogenergetische straling, ofwel van een lage naar hoge frequentie (en
dus van een lange naar korte golflengte). In een elektromagnetisch spectrum worden
achtereenvolgens een aantal primaire ‘gebieden onderscheiden: radiostraling, microstraling,
zichtbare straling, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling.1
Gammastralen, röntgenstralen, microgolven, infrarode stralen en ultraviolette stralen zijn
allemaal elektromagnetische golven. Elektromagnetische straling plant zich voort met de
lichtsnelheid en kan doordringen in materie. Alle frequenties van elektromagnetische straling
samen vormen het elektromagnetisch spectrum. Het woord ‘spectrum’ betekent
oorspronkelijk iets dat gezien kan worden. Het werd gebruikt voor de regenboog van kleuren
die we krijgen wanneer wit licht met een prisma gebroken wordt. Nu weten we echter dat het
hele spectrum veel breder is dan het kleine gedeelte dat wij als licht zien. Zichtbaar licht valt
ongeveer in het midden van het spectrum in. Het menselijk oog ziet licht doordat het netvlies
cellen bevat die gevoelig zijn voor één golflengtegebied. De rest van het spectrum is voor
mensen onzichtbaar.
Alle soorten elektromagnetische straling bevatten energie. De energie van infrarode stralen
wordt door ons waargenomen als warmte. Het ultraviolette deel bevat veel meer energie dan
het infrarode. Bij elke golflente hoort een eigen hoeveelheid energie. Hoe korter de
golflengte, hoe groter de energie.
1
http://www.astronova.nl/e.html
UV-licht is het deel van het elektromagnetisch spectrum met straling tussen 40 nm en 400
nm. Het ultraviolette deel geeft geen warmte af, maar breekt de binding af tussen de
bouwstenen van stoffen, moleculen genoemd. Ook kan ultraviolet licht ervoor zorgen dat
cellen afsterven.
Algemeen wordt ultraviolette straling onderverdeeld in vier groepen:
- UVA  nabije UV 315 - 400 nm
- UVB  midden UV 280 - 315 nm
- UVC  verre UV 200 - 280 nm
- VUV  vacuüm UV 40 - 200 nm
Welke kleur hoort bij welke golflengte?2
Golflengte
12,5 - 300 𝜇
15 - 35 𝜇
3 - 30 𝜇
2 - 16 𝜇
770 - 1400 nm
630 - 780 nm
600 - 630 nm
590 - 600 nm
570 - 590 nm
550 - 570 nm
510 - 550 nm
480 - 510 nm
450 - 480 nm
420 - 450 nm
380 - 420 nm
200 - 400 nm
315 - 400 nm
280 - 315 nm
200 - 280 nm
40 - 200 nm
Kleur
Ver infrarood
Infrarood (vaste stof)
Thermisch infrarood
Infrarood
Nabij infrarood
Licht: rood
Licht: oranjerood
Licht: oranje
Licht: geel
Licht: geelgroen
Licht: groen
Licht: blauwgroen
Licht: blauw
Licht: blauwviolet
Licht: violet
Ultraviolet
UV - A
UV - B
UV - C
Vacuüm ultraviolet
Hieruit kunnen we dus zien dat de golflengte bepalend is voor de kleur.
2
http://qtwork.tudelft.nl/~schouten/meas/em-spectrum.htm & BINAS tabel 19A
Elektronen34
De elektronenconfiguratie van de elektronen rond de atoomkern beschrijft in welke banen de
elektronen zich bevinden rond het atoom. Het elektron gedraagt zich ook als een
golfverschijnsel  de baan is meer een staand golfpatroon met buiken en knopen. Voor
iedere baan beschrijft een wiskundige formule de waarschijnlijkheid om het elektron ergens
aan te treffen. Elke baan heeft een bepaald energieniveau ten opzichte van de kern. In het
algemeen geldt: Hoe verder van de kern, hoe hoger het energieniveau. De elektronen
beïnvloeden echter ook elkaar omdat zij geladen deeltjes zijn. Grofweg worden de binnenste
banen het eerst opgevuld maar door de onderlinge afstoting zijn daar uitzonderingen op. De
banen kunnen onderverdeeld worden in een aantal schillen en subschillen, die genummerd
worden met hun kwantumgetallen.
De eerste drie kwantumgetallen zijn altijd gehele getallen:
- Het hoofdkwamtumgetal n is een hoofdverdeling van de energieniveaus. Ze worden
de hoofdschillen genoemd. Deze hoofdschillen worden genummerd van 1 tot 7, van
de kern naar buiten toe. Deze hoofdschillen worden met de letters K, L, M, N, O, P, Q
enz. aangeduid.
- Het nevenkwantumgetal l is de hoekimpuls. Deze verdeelt de hoofdschillen in
subschillen. Voor een hoofdkwantumgetal n kan l de waarden 0, 1, 2, …, n-1 bezitten.
De subschillen worden aangegeven door een letter uit de reeks s, p, d, f, g, h, i, j, k, …
(voor 1=0, 1, …) toe te voegen aan het hoofdkwamtumgetal n. De termen s, p, d, f, …
komen van de atoomspectra en staan voor scherp, principaal, diffuus en
fundamenteel, naar het uiterlijk van de spectraallijnen. Pas later werd hun onderling
verband duidelijk en besloot men de volgende waarden alfabetisch voort te zetten
vanaf de letter ‘f’.
- Het magnetische kwwantumgetal m, verdeelt iedere subschil in 2 * l + 1 banen. M
loopt van - l tot + l (in deze formule is l, het nevenkwantumgetal 0 - 7).
- Het magnetisch spinkwamtumgetal s. In tegenstelling tot de andere
kwamtumgetallen, beschrijft dit getal niet zozeer de baan als de ‘draaiing’ van het
elektron zelf. Dit getal heeft twee waarden s =- 1⁄2 en + 1⁄2. (spin up en spin down).
Twee elektronen moeten altijd minstens in één van hun kwantumgetallen verschillen. In
iedere baan kunnen zich daardoor twee elektronen bevinden, met tegengestelde spin. Er
komt steeds een subschil bij naarmate n hoger wordt: voor n = 1 is er één subschil (1s), voor
n = 2 zijn er twee (2s en 2p), voor n = 3 zijn er drie subschillen (3s, 3p, 3d) enzovoorts. Dit is
gebaseerd op het atoommodel van Sommerfeld.
3
http://www.jbruinink.nl/chemischebinding1.html
4
http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektronenschil
Figuur
Atoommodel van Sommerfeld.
2 * l + 1 = aantal
aantal elektronen in
'magnetische' schillen baan = 2 per baan
aantal
elektronen per
subschil
1 K 0
1
2
2
2 L 0,1
1,3
2,6
8
3 M 0,1,2
1,3,5
2,6,10
18
4 N 0,1,2,3
1,3,5,7
2,6,10,14
32
5 O 0,1,2,3,4
1,3,5,7,9
2,6,10,14,18
50
6 P 0,1,2,3,4,5
1,3,5,7,9,11
2,6,10,14,18,22
72
7 Q 0,1,2,3,4,5,6
1,3,5,7,9,11,13
2,6,10,14,18,22,26
98
8 R
Enzovoorts
n
l=0,1,..,n-1
(nummer
subschil)
De elektronen in de schillen met een lage n-waarde worden de binnenelektronen genoemd.
De buitenste elektronen, de valentie-elektronen, bepalen de chemische eigenschappen van
het atoom.
Atomen
Als een atoom in een aangeslagen toestand raakt, wil het deze energie weer zo snel mogelijk
kwijtraken. Het atoom raakt deze energie kwijt doordat een elektron in energieniveau daalt.
De energie die verdwijnt uit het atoom, wordt door het uitzenden van een foton weggevoerd.
Wat de frequentie van het foton is, hangt af van de hoeveelheid energie die het atoom
verloren is. Het elektron kan bijvoorbeeld maar één of twee stationairniveaus dalen, maar het
kan ook gelijk naar de grondtoestand vervallen. Op deze manier kan een stof dus
opgenomen energie kwijtraken in de vorm van licht.
Als een atoom in de aangeslagen toestand komt, bewegen de elektronen in tegengestelde
richting. Als een elektron in een aangeslagen toestand komt, kan deze alleen naar een andere
baan gaan. Een atoom neemt een foton op, die niet zichtbaar is voor het menselijk oog en
zendt een foton uit met minder energie die wij wel kunnen waarnemen. De overgangen van
de ene niveaus naar de andere horen bij een bepaalde hoeveelheid energie. De fotonen die
hierbij horen hebben dan ook een bepaalde golflengte.
Als elektronen aangeslagen worden (bijvoorbeeld door absorptie van straling of door de
beschieting met elektronen) kan dit proces ook weer ongedaan gemaakt worden. Sommige
stoffen doen dit door op te lichten en dus fotonen uit te zenden. Dit kan als de stof met
straling van geschikte golflengte beschenen wordt (of op een andere manier aangeslagen
wordt). Deze stoffen zijn luminescerend. Vaak komt dit door verontreinigen en roosterfouten.
Valentieband en geleidingsband
De buitenste schil, bezet met de zogenaamde valentie-elektronen, bepaalt voor een groot
deel de eigenschappen van een vaste stof. Als deze baan niet helemaal gevuld is, heet het de
geleidingsband. Als het wel helemaal gevuld is, wordt het de valentieband genoemd en is
degene die er vlak boven ligt (en die leeg is) de geleidingsband (band = ander woord voor
subschil).
Wat gebeurt er bij luminescentie?
Een elektron gaat van de valentieband naar de geleidingsband. Dus van een gevulde subschil
naar een lege subschil. In de valentieband ontstaat dan een soort ‘gat’. Als een rooster gewoon
helemaal zuiver en regelmatig is, zal het elektron weer teruggaan naar de valentieband. Dit
kan wel een tijdje duren, omdat zowel het gat als het elektron zich verplaatst. Als er
verontreinigingen in het rooster zitten, ontstaan er energieniveaus in het verboden gebied. Dit
is het gebied waar normaal gesproken de elektronen niet kunnen komen. Het ligt tussen twee
banden in. Het kan dus gebeuren dat een elektron die in zo’n niveau zit (die ontstaan is door
verontreinigingen) er voor zorgt dat er een gat ontstaat omdat een elektron van ‘v’ naar ‘g’
gaat. Het elektron in de geleidingsband gaat naar een verontreinigingniveau (ook wel
stoorniveau genoemd) die hoger ligt. Het elektron wat het gat opvult zit vaak in een lager
verontreinigingniveau. Deze elektronen zullen dus in energie zakken en ze zullen dus fotonen
uitzenden. Dit zijn maar kleine overgangen en dus hebben de fotonen die uitgezonden worden
lage energie. Ze liggen niet in het zichtbare gebied. Vervolgens kan het elektron van het hogere
verontreinigingniveau naar een lege lagere verontreinigingniveau gaan. Hier komen fotonen bij
vrij met een lagere energie dan de energie die geabsorbeerd werd (dat was tenslotte de energie
die nodig was om van ‘v’ naar ‘g’ te gaan).
Peroxides zijn veel voorkomend bij licht uitzendende reacties. Dit komt omdat de
peroxidebinding vrij zwak is en dus makkelijk te doorbreken. Bij het verdere verloop van de
reactie komt daarbij een grote hoeveelheid energie vrij. Het is dus een exotherme reactie. De
energie die vrijkomt wordt afgegeven aan een geschikt reactieproduct, waardoor het in de
aangeslagen toestand komt. Deze zal terugvallen naar de grondtoestand en daarbij licht
uitzenden met een bepaalde golflengte. Heel algemeen gezegd wordt dit de reactie:
𝛼 + 𝛽 → 𝛾 ∗ + 𝛿 → 𝛾 + 𝛿 + 𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡
Het sterretje staat hierbij voor de aangeslagen toestand. 𝛼 𝑒𝑛 𝛽 zijn de beginstoffen, 𝛾 𝑒𝑛 𝛿
zijn de reactieproducten.
http://upload.wikimedia.org/wiki
pedia/commons/8/89/Jablonski_
Diagram_of_Fluorescence_Only.p
ng