Deeltjestheorie en straling Newton - VWO Deeltjestheorie en straling Samenvatting

Molecuultheorie Sinds de middeleeuwen ging men er van uit dat materie bestaat uit ondeelbare deeltjes: moleculen Moleculen bewegen – hoe hoger de temperatuur, des te groter de gemiddelde snelheid Moleculen oefenen een aantrekkende kracht op elkaar uit: de vanderwaalskracht – hoe kleiner de afstand tussen de moleculen des te groter de vanderwaalskracht Gasdruk is te verklaren met moleculen die tegen de wand botsen en daarbij een kracht op de wand uitoefenen

Gasdruk en volume Een gas (of vloeistof of vaste stof) oefent een kracht op een oppervlak uit, de kracht per m2 heet de druk: Hierin is: p de druk (in N/m2 of Pa), F de kracht (in N) en A de oppervlakte (in m2) Als men een afgesloten hoeveelheid gas samenperst bij een constante temperatuur, neemt de druk toe Het verband tussen de druk p en het volume V is dan: p ∙ V = c Dit noemen we de wet van Boyle Hierin is: p de druk (in Pa), V het volume (in m3) en c een constante die afhangt van de temperatuur en de hoeveelheid gas

Absolute nulpunt Als de temperatuur zover is gedaald dat de moleculen stilliggen, heeft de temperatuur het absolute nulpunt (0 K of -273,16 °C) bereikt Bij 0 K is de gasdruk gelijk aan nul De kinetische energie van gasmoleculen is recht evenredig met de absolute temperatuur T (in K) Het verband tussen de absolute temperatuur T (in K) en de temperatuur T (in °C) is: T (in K) = 273,16 + T (in °C)

Wetten van Gay-Lussac Drukwet van Gay-Lussac: het verband tussen de druk p en de absolute temperatuur T van een afgesloten gas bij constant volume is recht evenredig: Hierin is: p de druk (in Pa), T de absolute temperatuur (in K) en c een constante die afhangt van de hoeveelheid gas en het volume Volumewet van Gay-Lussac: het verband tussen het volume V en de absolute temperatuur T van een afgesloten gas bij constante druk is recht evenredig: Hierin is: V het volume (in m3), T de absolute temperatuur (in K) en c een constante die afhangt van de hoeveelheid gas en de druk

Algemene gaswet De drie gaswetten zijn te combineren tot één gaswet: Deze is ook te schrijven als: De constante c is afhankelijk van de hoeveelheid gas, als we voor c = n ∙ R invullen wordt het de algemene gaswet: Hierin is: p de druk (in Pa), V het volume (in m3), T de absolute temperatuur (in K), n het aantal mol en R de gasconstante (8,31 J/(mol∙K) 1 mol bevat 6,02∙1023 moleculen

Kinetische gastheorie Moleculen bewegen in alle richtingen, de gemiddelde snelheid hangt af van de temperatuur Boyle – in een kleiner volume zijn meer moleculen per m3, het aantal botsingen per seconde per m2 neemt toe en de druk neemt daardoor toe drukwet – bij temperatuurstijging neemt de gemiddelde snelheid van de moleculen toe, ze botsen vaker én heviger zodat de druk toeneemt volumewet - bij temperatuurstijging neemt de gem. snelheid van de moleculen toe, ze kunnen alleen dezelfde druk uitoefenen als het volume toeneemt

Barometer De barometer van Torricelli is een met kwik gevulde buis van ± 1 m, die omgekeerd in een bak met kwik wordt gezet Het hoogteverschil is gemiddeld 76 cm De druk van een kwikkolom (pk) van 76 cm is gelijk aan de barometerstand: Naast de kwikbarometer is er een metaalbarometer pb=13,5∙103∙9,81∙0,76=1,0∙105 Pa Verband tussen de eenheden: 76 cmHg = 1,013∙105 Pa = 1,013 bar =1013 mbar(of hPa)

Manometer De druk van een gas in een ruimte wordt gemeten met een manometer Een open vloeistofmanometer bestaat uit een U-buis met vloeistof, het hoogteverschil is een maat voor het verschil in druk met de buitenlucht (pb) Een metaalmanometer bestaat uit een gebogen holle buis, die als er gas in komt veert (overdruk) (onderdruk)

Fasen De vanderwaalskracht neemt af naarmate de afstand tussen de moleculen groter wordt Daarmee is het verschil tussen de fasen te verklaren: vaste stof moleculen zitten gerangschikt kleine gemiddelde snelheid moleculen voeren trillingen uit relatief sterke vanderwaalskracht vloeistof moleculen bewegen chaotisch relatief zwakke vanderwaalskracht moleculen kunnen ontsnappen: damp gas grote gemiddelde snelheid moleculen bewegen chaotisch vanderwaalskracht verwaarloosbaar

Atoomtheorie In 1810 maakt Dalton een onderscheid tussen elementen en verbindingen, een molecuul is opgebouwd uit kleinere deeltjes: atomen Uit de proef van Rutherford blijkt: een atoom heeft • een positief geladen kern met vrijwel alle massa • één of meer negatief geladen elektronen die op relatief grote afstand om de kern bewegen Ladingen: gelijknamige ladingen stoten elkaar af, ongelijknamige trekken elkaar aan De eenheid van lading (Q) is coulomb (C) Een elektron is een negatief geladen deeltje met de (eenheids)lading: -e = -1,6·10-19 C

Atoommodel Uit het atoommodel van Rutherford is het schillenmodel ontstaan, elektronen bewegen niet op willeurige afstanden rond de kern maar in schillen Elke schil (K, L, M, …) kan slechts een bepaald aantal elektronen bevatten, in de K-schil 2, in de L-schil 8, in de M-schil 18, enzovoort Als een schil vol is wordt de volgende schil opgevuld

Elektrische lading en geleiding In metalen zijn de buitenste elektronen zwak gebonden, ze raken gemakkelijk los van het atoom Ze worden vrije elektronen genoemd en bij een spanning gaan ze bewegen als gevolg van de elektrische kracht Het verband tussen stroomsterkte en lading is: I is de stroomsterkte (in A) Q is de lading (in C) t is de tijd (in s)

Elektromagnetische straling Lichtbronnen: • een gloeilamp heeft een continu spectrum • een gasontladingsbuis heeft een lijnenspectrum Een deel van het spectrum ligt vaak in het infrarode (ir) of ultraviolette (uv) gebied Bohr stelt dat licht bestaat uit een stroom van pakketjes energie: fotonen Voor de fotonenergie geldt: Hierin is: Ef de fotonenergie (in J), f de frequentie van de straling (in Hz) en h de constante van Planck (6,63∙10-34 Js) gloeilamp -continu natrium - lijnen waterstof - lijnen

Atoommodel van Bohr Elektronen kunnen slechts in bepaalde banen rond de kern bewegen, er is een beperkt aantal waarden van de energie mogelijk. Als een elektron naar een open plaats in een lagere baan terugvalt wordt een foton uitgezonden. Dit verklaart het lijnenspectrum H – waterstofatoom Ne – neonatoom N2 - stikstofmolecuul In een gloeidraad zijn veel atomen met elkaar verbonden en er zijn veel energieovergangen mogelijk, er zijn geen afzonderlijke lijnen zichtbaar: er ontstaat een continu spectrum

Lijnenspectrum Bij een botsing met een vrij elektron absorbeert het atoom een deel van de kinetische energie van het vrije elektron. Het elektron komt in een baan met een grotere straal terecht, bij terugval naar een baan met een kleinere straal zendt het atoom de geabsorbeerde energie weer uit in de vorm van een foton. De fotonenergie bepaalt de kleur van het licht.

Lichtabsorptie Niet alleen bij een botsing met een elektron kan een elektron in een hogere schil terecht komen, het kan ook bij een botsing van een foton met een atoom. Vervolgens zal het elektron weer terugvallen naar de oude baan onder uitzending van een foton Een atoom absorbeert uit een bundel doorvallend licht die golflengten die het zelf in lichtgevende toestand zou uitzenden – zie omkering van de Na-lijn Na-emissie Na-absorptie

Röntgenstraling In een röntgenbuis botsen elektronen met zeer grote snelheid op de anode, die zendt daarbij röntgenstraling uit – dat zijn fotonen met veel energie Door de grote energie van de elektronen kunnen er elektronen uit de K- of L-schil worden weggeschoten Bij het opvullen van de lege plaats door een elektron uit een hogere schil komt een foton met grote energie vrij. Het spectrum van de buis is zowel een lijnen- als een continu spectrum (remstraling)

Elektromagnetisch spectrum Licht is te beschrijven als een golfverschijnsel én als een stroom van fotonen – voor licht als golf geldt: c = λ · f c is de lichtsnelheid (in m/s) Naast licht zijn er andere vormen van elektromagnetische straling: λ is de golflengte (in m) f is de frequentie (in Hz)

Atoomkern De bouwstenen van de atoomkern zijn het proton en het neutron Het proton heeft een lading +e, het neutron is ongeladen Een atoom wordt beschreven met een • atoomnummer Z (aantal protonen) • massagetal A (aantal kerndeeltjes) N is het aantal neutronen in de kern, dus is A = Z + N Een atoomkern van element X geeft men als: staat voor een ijzerkern met 56 kerndeeltjes (A), waarvan 26 protonen (Z) en 30 neutronen (N)

Isotopen en elementaire deeltjes Kernen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen noem je isotopen, bijvoorbeeld Bij waterstof is er deuterium en tritium: De symbolen voor de elementaire deeltjes zijn: proton: neutron: elektron: Voor een heliumkern of α-deeltje is het: Er bestaat ook een positief elektron - het positron:

Radioactief verval Een stof is radioactief als de kernen kernstraling uitzenden Kernstraling kan bestaan uit α-, β- of γ-straling α-straling Een kern stoot een α-deeltje (heliumkern) uit Bijvoorbeeld radium-226 dat daarbij overgaat in radon-222

Radioactief verval β-straling Een kern stoot een elektron uit Een neutron gaat over in een proton en een elektron: Bijvoorbeeld jodium-131: γ-straling Na het uitzenden van een α- of β-deeltje kan een kern energie uitzenden in de vorm van een γ-foton