§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 voorbeeld van een energie-niveauschema Deze wisselwerking is mogelijk omdat: - atomen in verschillende energieniveaus kunnen verkeren - e.m.-straling uit golfpakketjes / energiepakketjes, de zgn. fotonen, bestaat

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 energie-niveaus: 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 𝐸 𝑓 : energie van foton in J of eV 𝐸 𝑚 : energie van (willekeurig) energieniveau m in J of eV 𝐸 𝑛 : energie van (willekeurig) energieniveau n in J of eV Verband tussen fotonenergie en atomaire energieniveaus:

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 energie-niveaus de golf-lengte voor de overgang van n = 4 naar n =2.

Oefenen met energieniveauschema’s de energieniveaus van het waterstofatoom zijn te berekenen: 𝐸 𝑛 =− 13,6 𝑛 2 𝐸 𝑛 : 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 grond-toestand 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 Warmte Energie! 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!!!