Na - H14 - Quantumwereld
14.1 INTRODUCTIE
- Elektromagnetische straling wordt in afgemeten hoeveelheden uitgezonden; geen continu proces.
- Ook absorptie discontinu proces; foto-elektrisch effect wordt verklaard door aan te nemen dat vrije
elektronen in metaal stralingsenergie opnemen in afgepaste hoeveelheden, lichtquanta of fotonen.
- Tussen uitzenden en absorberen is elektromagnetische straling een golfverschijnsel:
stralingsenergie die zich met lichtsnelheid voortplant en gekarakteriseerd wordt door golflengte.
- Volgens quantumtheorie heeft elektromagnetische straling twee gezichten: Tijdens emissie en
absorptie heeft deze straling een deeltjeskarakter en tussen emissie en absorptie een golfkarakter
- Volgens quantumtheorie is grootte en positie van elektron op geen enkele manier te zien, te
meten op te bepalen; elektron ‘heeft’ geen afmeting en geen positie.
- Voor kleine deeltjes als elektronen is klassieke natuurkunde, wetten van Newton, niet geldig.
- Quantumwereld; natuur op schaal van atomen, elektronen en fotonen.
Quantumwereld
- Voor quantumverschijnselen wordt gekeken naar heel kleine deeltjes. Niet alleen materiedeeltjes,
protonen, elektronen, atomen, moleculen, maar ook fotonen, ‘lichtdeeltjes met afgepaste
hoeveelheid stralingsenergie.
- Voor alle voorwerpen en ‘normale’ deeltjes met massa en afmetingen zijn wetten en regels van
quantummechanica hetzelfde als die van klassieke mechanica.
- Alleen op atomair niveau en kleiner gaan wetten van klassieke mechanica niet meer op.
- Massadeeltjes blijken dan tevens golfkarakter te hebben en elektromagnetische straling blijkt ook
deeltjeskarakter te hebben, terwijl fotonen geen massa hebben en stralingsenergie zich altijd met
lichtsnelheid voortplant.
Behoudswetten van bijvoorbeeld lading en impuls
- Behoudswetten: o.a.; lading kan niet verdwijnen, totale energie blijft gelijk.
- Bij botsingen geldt behoud van impuls: grootheid die hoeveelheid beweging van deeltjes
aangeeft; totale impuls blijft altijd behouden.
- Behoudswetten gelden altijd en overal, ook op atomair niveau.
Staande golven door interferentie van lopende golven
- Lopende golf: trillingen worden doorgegeven. Elk volgend trillend punt in koor of lucht ‘loopt iets
achter; fase is kleiner. Amplitude overal gelijk maar niet in fase.
- Als in koord van beide kanten lopende golven komen, met zelfde constante golflengte, kunnen
staande golven met knopen en buiken ontstaan.
- Tussen twee naastliggende knopen is fase gelijk maar niet amplitude.
- Samenwerking van verschillende lopende golven heet interferentie en patroon van amplitudes van
resulterende staande golf is interferentiepatroon.
- Bij identieke bronnen is in een koord interferentiepatroon eendimensionaal, bij watergolven
tweedimensionaal en bij geluidsgolven driedimensionaal.
Elektromagnetische straling en fotonen
- Als elektron in atoom een foton uitzendt (emissie) raakt het atoom een beetje energie kwijt en bij
absorptie van foton krijg atoom er beetje energie bij.
- Losse atomen zoals in gas zenden alleen fotonen uit met bepaalde golflengtes en daarbij horende
fotonenergie. In spectrum worden deze golflengtes zichtbaar als spectraallijnen.
- Voor fotonenergie Ef van uitgezonden straling geldt: E f =h∙ f
, Atoommodel van Rutherford
- Alle atomen zijn opgebouwd uit drie materiedeeltjes: protonen, neutronen en elektronen.
- Traditionele plaats van atoom bestaat uit stilstaande kern van protonen en neutronen waaromheen
elektronen, bewegen als soort planeetbanen.
Atoommodel van Bohr
- In atoommodel van Bohr kan elektron slechts in beperkt aantal ‘toegestane’ banen rond atoomkern
bewegen. Bij elke baan hoort bepaald energieniveau: grotere baanstraal -> hoger energieniveau.
- Fotonenergie van eventueel uitgezonden straling wordt bepaald door energieverschil tussen twee
energieniveaus Em en En voor en na ‘sprong omlaag’.
- E f =h∙ f =|E m−En|
- Discrete energieniveaus van atomen en vaste hoeveelheden fotonenergie die horen bij overgangen
tussen die energieniveaus zijn quantumverschijnselen.
- Bij vaste stoffen als metalen hebben vrije elektronen, die niet gebonden zijn aan één atoom, geen
discrete energieniveaus. Bij emissie en absorptie ontstaat geen lijnen maar continu spectrum
14.2 GOLFKARAKTER VAN LICHT
Golven en interferentie
v
- Trillingen hebben een frequentie en de golven hebben een golflengte waarvoor geldt: λ= .
f
- Knopen en buiken worden veroorzaakt doordat door elkaar lopende golven elkaar op sommige
plaatsen verzwakken of zelfs uitdoven (knopen) en op andere plaatsen elkaar versterken (buiken).
- Dit verschijnsel van interferentie (samenwerking) is typisch golfverschijnsel.
- Constructieve interferentie: als in bepaald punt van twee kanten golven met voortduren gelijke
fase aankomen, versterken deze elkaar.
- Destructieve interferentie: golven die in bepaald punt voortduren met tegengestelde fase
aankomen, verzwakken elkaar of doven elkaar uit als amplitudes even groot zijn.
- Als elektromagnetische golven heen en weer kaatsen, kunnen staande golven met knopen en
buiken ontstaan als golflengte past in afstand waarin golven weerkaatsen: resonantie.
- Laser is lichtbron die licht met slechts één golflengte uitzendt en waarbij fase in lichtbundel gelijk is
voor alle punten in een vlak loodrecht op de bundel.
- Laserstraal wordt in feite opgewekt als staande golf met knopen bij voor- en achterkant.
- Golflengte van licht is echter zo klein waardoor buiken en knopen zo dicht bij elkaar liggen dat er
geen ‘ontvangers’ bestaan om die knopen en buiken te kunnen onderscheiden.
Interferentie bij twee bronnen
- Hiervoor besproken interferentie vindt plaats bij golven die van 2 kanten langs rechte lijn bewegen.
- Interferentie van golven die zich in ruimte uitbreiden kunnen waargenomen worden als twee
verschillende bronnen dicht bij elkaar staan en continu trillen met zelfde vaste frequentie.
- Dichtbij elkaar -> met onderlinge afstand tussen ongeveer 1 en 100x golflengte.
- Waar golven door elkaar heen lopen ontstaat interferentiepatroon van knooplijnen en buiklijnen.
- Ruimtelijke interferentie van twee identieke bronnen treedt ook op bij geluid:
- Op knooplijnen is geluid zwak, daartussen bevinden zich buiklijnen met maximaal geluid.
- Geluidsgolven kunnen elkaar versterken of verzwakken; golfverschijnsel.
- Ook op plaatsen waar nikst te horen is komt ‘geluid’ uit beide luidsprekers. Wanneer één
luidspreker wordt uitgeschakeld, neemt geluidsterkte op die plaatsen toe.
- Destructieve interferentie niet te verklaren met deeltjes model; geluid uitsluitend golfverschijnsel
- Elektromagnetische golven uit twee identieke bronnen kunnen vlak bij elkaar kunnen ook
interfereren met als gevolg knooplijnen en buiklijnen.
- Kan niet met twee verschillende bronnen; deze zijn nooit identiek.
14.1 INTRODUCTIE
- Elektromagnetische straling wordt in afgemeten hoeveelheden uitgezonden; geen continu proces.
- Ook absorptie discontinu proces; foto-elektrisch effect wordt verklaard door aan te nemen dat vrije
elektronen in metaal stralingsenergie opnemen in afgepaste hoeveelheden, lichtquanta of fotonen.
- Tussen uitzenden en absorberen is elektromagnetische straling een golfverschijnsel:
stralingsenergie die zich met lichtsnelheid voortplant en gekarakteriseerd wordt door golflengte.
- Volgens quantumtheorie heeft elektromagnetische straling twee gezichten: Tijdens emissie en
absorptie heeft deze straling een deeltjeskarakter en tussen emissie en absorptie een golfkarakter
- Volgens quantumtheorie is grootte en positie van elektron op geen enkele manier te zien, te
meten op te bepalen; elektron ‘heeft’ geen afmeting en geen positie.
- Voor kleine deeltjes als elektronen is klassieke natuurkunde, wetten van Newton, niet geldig.
- Quantumwereld; natuur op schaal van atomen, elektronen en fotonen.
Quantumwereld
- Voor quantumverschijnselen wordt gekeken naar heel kleine deeltjes. Niet alleen materiedeeltjes,
protonen, elektronen, atomen, moleculen, maar ook fotonen, ‘lichtdeeltjes met afgepaste
hoeveelheid stralingsenergie.
- Voor alle voorwerpen en ‘normale’ deeltjes met massa en afmetingen zijn wetten en regels van
quantummechanica hetzelfde als die van klassieke mechanica.
- Alleen op atomair niveau en kleiner gaan wetten van klassieke mechanica niet meer op.
- Massadeeltjes blijken dan tevens golfkarakter te hebben en elektromagnetische straling blijkt ook
deeltjeskarakter te hebben, terwijl fotonen geen massa hebben en stralingsenergie zich altijd met
lichtsnelheid voortplant.
Behoudswetten van bijvoorbeeld lading en impuls
- Behoudswetten: o.a.; lading kan niet verdwijnen, totale energie blijft gelijk.
- Bij botsingen geldt behoud van impuls: grootheid die hoeveelheid beweging van deeltjes
aangeeft; totale impuls blijft altijd behouden.
- Behoudswetten gelden altijd en overal, ook op atomair niveau.
Staande golven door interferentie van lopende golven
- Lopende golf: trillingen worden doorgegeven. Elk volgend trillend punt in koor of lucht ‘loopt iets
achter; fase is kleiner. Amplitude overal gelijk maar niet in fase.
- Als in koord van beide kanten lopende golven komen, met zelfde constante golflengte, kunnen
staande golven met knopen en buiken ontstaan.
- Tussen twee naastliggende knopen is fase gelijk maar niet amplitude.
- Samenwerking van verschillende lopende golven heet interferentie en patroon van amplitudes van
resulterende staande golf is interferentiepatroon.
- Bij identieke bronnen is in een koord interferentiepatroon eendimensionaal, bij watergolven
tweedimensionaal en bij geluidsgolven driedimensionaal.
Elektromagnetische straling en fotonen
- Als elektron in atoom een foton uitzendt (emissie) raakt het atoom een beetje energie kwijt en bij
absorptie van foton krijg atoom er beetje energie bij.
- Losse atomen zoals in gas zenden alleen fotonen uit met bepaalde golflengtes en daarbij horende
fotonenergie. In spectrum worden deze golflengtes zichtbaar als spectraallijnen.
- Voor fotonenergie Ef van uitgezonden straling geldt: E f =h∙ f
, Atoommodel van Rutherford
- Alle atomen zijn opgebouwd uit drie materiedeeltjes: protonen, neutronen en elektronen.
- Traditionele plaats van atoom bestaat uit stilstaande kern van protonen en neutronen waaromheen
elektronen, bewegen als soort planeetbanen.
Atoommodel van Bohr
- In atoommodel van Bohr kan elektron slechts in beperkt aantal ‘toegestane’ banen rond atoomkern
bewegen. Bij elke baan hoort bepaald energieniveau: grotere baanstraal -> hoger energieniveau.
- Fotonenergie van eventueel uitgezonden straling wordt bepaald door energieverschil tussen twee
energieniveaus Em en En voor en na ‘sprong omlaag’.
- E f =h∙ f =|E m−En|
- Discrete energieniveaus van atomen en vaste hoeveelheden fotonenergie die horen bij overgangen
tussen die energieniveaus zijn quantumverschijnselen.
- Bij vaste stoffen als metalen hebben vrije elektronen, die niet gebonden zijn aan één atoom, geen
discrete energieniveaus. Bij emissie en absorptie ontstaat geen lijnen maar continu spectrum
14.2 GOLFKARAKTER VAN LICHT
Golven en interferentie
v
- Trillingen hebben een frequentie en de golven hebben een golflengte waarvoor geldt: λ= .
f
- Knopen en buiken worden veroorzaakt doordat door elkaar lopende golven elkaar op sommige
plaatsen verzwakken of zelfs uitdoven (knopen) en op andere plaatsen elkaar versterken (buiken).
- Dit verschijnsel van interferentie (samenwerking) is typisch golfverschijnsel.
- Constructieve interferentie: als in bepaald punt van twee kanten golven met voortduren gelijke
fase aankomen, versterken deze elkaar.
- Destructieve interferentie: golven die in bepaald punt voortduren met tegengestelde fase
aankomen, verzwakken elkaar of doven elkaar uit als amplitudes even groot zijn.
- Als elektromagnetische golven heen en weer kaatsen, kunnen staande golven met knopen en
buiken ontstaan als golflengte past in afstand waarin golven weerkaatsen: resonantie.
- Laser is lichtbron die licht met slechts één golflengte uitzendt en waarbij fase in lichtbundel gelijk is
voor alle punten in een vlak loodrecht op de bundel.
- Laserstraal wordt in feite opgewekt als staande golf met knopen bij voor- en achterkant.
- Golflengte van licht is echter zo klein waardoor buiken en knopen zo dicht bij elkaar liggen dat er
geen ‘ontvangers’ bestaan om die knopen en buiken te kunnen onderscheiden.
Interferentie bij twee bronnen
- Hiervoor besproken interferentie vindt plaats bij golven die van 2 kanten langs rechte lijn bewegen.
- Interferentie van golven die zich in ruimte uitbreiden kunnen waargenomen worden als twee
verschillende bronnen dicht bij elkaar staan en continu trillen met zelfde vaste frequentie.
- Dichtbij elkaar -> met onderlinge afstand tussen ongeveer 1 en 100x golflengte.
- Waar golven door elkaar heen lopen ontstaat interferentiepatroon van knooplijnen en buiklijnen.
- Ruimtelijke interferentie van twee identieke bronnen treedt ook op bij geluid:
- Op knooplijnen is geluid zwak, daartussen bevinden zich buiklijnen met maximaal geluid.
- Geluidsgolven kunnen elkaar versterken of verzwakken; golfverschijnsel.
- Ook op plaatsen waar nikst te horen is komt ‘geluid’ uit beide luidsprekers. Wanneer één
luidspreker wordt uitgeschakeld, neemt geluidsterkte op die plaatsen toe.
- Destructieve interferentie niet te verklaren met deeltjes model; geluid uitsluitend golfverschijnsel
- Elektromagnetische golven uit twee identieke bronnen kunnen vlak bij elkaar kunnen ook
interfereren met als gevolg knooplijnen en buiklijnen.
- Kan niet met twee verschillende bronnen; deze zijn nooit identiek.
