Samenvatting Newton natuurkunde vwo 6 hoofdstuk 14 Quantumwereld Deeltjes, golven en quantumverschijnselen

Newton natuurkunde vwo 6
H14 Quantumwereld | Deeltjes, golven en quantumverschijnselen

BINAS 2 5 7 19 21 35

§1 Introductie

In de quantumwereld manifesteren zich typische quantumverschijnselen zoals buiging en inferentie
van een bundel deeltjes die door kleine openingen gaat. Dat zijn golfverschijnselen, die ook bij geluid
en licht waar te nemen zijn. Die quantumdeeltjes vertonen dan hun golfkarakter.

Elektromagnetische straling kent twee gezichten: bij emissie en absorptie heeft de straling een
deeltjeskarakter (fotonen) en tussen emissie en absorptie een golfkarakter.

golf-deeltje-dualiteit: quantumdeeltjes en elektromagnetische straling kunnen zowel een
golfkarakter als een deeltjeskarakter vertonen, maar niet tegelijkertijd

interferentie: interactie van lopende golven uit identieke bronnen
 resulteert in een interferentiepatroon met plaatsen waar de amplitude maximaal en
minimaal is
 plaatsen waar het geluid maximaal is doordat de golven uit beide bronnen in fase
aankomen en elkaar versterken
 plaatsen waar het faseverschil tussen de golven uit beide bronnen ½ is → verzwakking
→ geluidssterkte is minimaal
 ook bij staande golven in een koord zijn minima (knopen) en maxima (buiken) die worden
veroorzaakt door interferentie van lopende golven die heen en terug door het koord lopen

atoommodel van Bohr
 hoe groter de baanstraal, des te hoger is het energieniveau
 discrete energieniveaus van atomen en de vaste hoeveelheid fotonenergie die horen bij de
overgangen tussen die energieniveaus zijn quantumverschijnselen
 in vaste stoffen hebben vrije elektronen geen discrete energieniveaus → continu spectrum
bij emissie en absorptie

losse atomen zenden alleen fotonen uit met bepaalde fotonenergieën Ef = h ∙ f = |Em – En|

Ef fotonenergie J
h constante van Planck J∙s
f frequentie Hz
Em en En energieniveaus J

elektronenwolk is de waarschijnlijkheidsverdeling die de positie van elektron in het atoom beschrijft
 statische beschrijving van de positie van een elektron in een atoom
 van één enkel elektron op één moment kan de positie niet worden vastgesteld

, §2 Golfkarakter en deeltjeskarakter van licht

Golfkarakter
buiging (golfverschijnsel) is waarneembaar als de opening van dezelfde orde van grootte is als de λ
 Het buigingseffect, spreiding van de straling(senergie), neemt toe naarmate de opening
kleiner is ten opzichte van de (debroglie)golflengte.
 Buiging bij licht lijkt veel op buiging bij watergolven of geluidsgolven.
 bij watergolven trilt het water aan het oppervlak op-en-neer en bij geluid in lucht trillen
luchtmoleculen voor- en achteruit
 bij licht trilt er niets

Als de afstand tussen de bronnen of de nauwe spleten in dezelfde orde van grootte is als de
golflengte ontstaat een interferentiepatroon.
 Er ontstaan op een scherm lichte en donkere stippen of strepen, maxima en minima.

Interferentie is het golfverschijnsel dat golven uit verschillende bronnen elkaar bij aankomst op
bijvoorbeeld een scherm kunnen versterken (constructieve interferentie) of verzwakken
(destructieve interferentie).
 constructieve interferentie heeft een faseverschil van 0 (of 1)
 op de middelloodlijn komen de geluidsgolven uit beide bronnen in fase aan
 destructieve interferentie heeft een faseverschil van ½
 golven met dezelfde amplitude die in een bepaald punt met tegenfase aankomen
 geluidssterkte neemt toe als één van de luidsprekers afgedekt wordt

Een buigingspatroon en een interferentiepatroon zijn waarschijnlijkheidsverdelingen voor
waarnemingen van individuele fotonen of massadeeltjes, bijvoorbeeld op een scherm.

Deeltjeskarakter
Elektromagnetische stralingsenergie wordt uitgezonden en geabsorbeerd als fotonen
(energiequanta). Dit zijn manifestaties van het deeltjeskarakter van de straling.
 fotonenergie neemt af met de golflengte van het licht
 Licht heeft geen massa en kan niet afgeremd worden, het beweegt altijd met de
lichtsnelheid. Toch kan licht een heel erg kleine kracht uitoefenen.
 fotonen kunnen botsen en weerkaatsen (bundel deeltjes)

foto-elektrisch effect: elektromagnetische straling kan alleen elektronen losmaken uit een metaal
als de fotonenergie groter is dan de uittree-energie van het metaal
 manifestatie van het deeltjeskarakter van elektromagnetische straling
 Dit is een verschijnsel dat een metalen voorwerp negatieve lading kan verliezen door het te
beschijnen met licht van voldoende korte golflengte.
 fotonenergie neemt toe met afnemende golflengte van de elektromagnetische straling
 uittree-energie is nodig om een elektron los te maken uit het metaal
 wordt gegeven in elektronvolt (eV) 5
 Als de E f groter is dan de Euittree van het metaal dat beschenen wordt, kunnen er elektronen
uit het metaal schieten met een hoeveelheid Ek die het verschil is tussen de E f en de Euittree .
 voor de maximale kinetische energie van elektronen die vrijkomen bij het foto-elektrisch
1 2
effect geldt: Ek = ∙m ∙ v =E f −E uittree
2