Les 1: Aanleiding voor de ontwikkeling van de kwantummechanica
Algemene structuur van het atoom
- Atoom = kern + elektronen
o kern = protonen +
neutronen
o massagetal A = massa kern
- Atoomsoort wordt bepaald door aantal protonen Z:
- Neutraal atoom: evenveel elektronen als protonen
Isotopen:
- Zelfde atoom, andere massa (massa proton ≈ 1.67 x 10-27 kg)
- Zelfde aantal protonen, verschillend aantal neutronen
Proef van Thomson
J.J. Thomson voerde in 1897 experimenten uit met een kathodestraalbuis en ontdekte
dat de kathodestralen afgebogen worden door elektrische en magnetische velden. Ze
werden steeds aangetrokken door de positieve elektrode, wat bewees dat de stralen
uit negatief geladen deeltjes bestonden.= elektronen
Hun eigenschappen bleken bovendien onafhankelijk van het gebruikte gas of de
elektroden, wat betekende dat elektronen in alle materie voorkomen. Thomson
bepaalde ook de verhouding tussen de massa en de lading van het elektron (mₑ/e) en
bewees daarmee dat atomen deelbaar zijn
Thomson atoommodel:
- Atoom = positief geladen “soep”, met daarin uniform verdeeld de negatief
geladen elektronendeeltjes. Atoom = "vol”
Uniforme verdeling van:
- Massa
- positieve lading
- elektronen
Rutherford experiment
Experiment Becquerel (1896):
, - Ontdekt dat uranium spontaan radioactieve straling uitzendt, dmv. α-straling, β-
straling, γ-straling
Experiment Rutherford (1909):
- Toont aan dat α-straling bestaat uit heliumionen (He²⁺).
- Gebruikt deze α-deeltjes later in zijn beroemde goudfolie-experiment om de
structuur van het atoom te onderzoeken.
Verklaring (1911):
- Een atoom grotendeels lege ruimte bevat.
- In het centrum bevindt zich een kleine, positief geladen kern.
- De elektronen bewegen rond deze kern.
Rutherfords gold foil experiment:
In 1909 voerden Geiger, Marsden en Rutherford een experiment uit waarbij ze dunne
metaalfolie bestraalden met α-deeltjes. De meeste deeltjes gingen recht door de folie,
maar enkele werden sterk afgebogen of zelfs teruggekaatst. Rutherford concludeerde
hieruit dat atomen grotendeels uit lege ruimte bestaan en dat bijna alle massa
geconcentreerd zit in een kleine, positief geladen kern, met daaromheen lichte,
negatieve elektronen. Dit leidde in 1911 tot het atoommodel van Rutherford. Later
bleek dit model niet volledig juist, wat de weg vrijmaakte voor het atoommodel van
Bohr, gebaseerd op kwantummechanica.
Rutherford atoom:
Atoom is grotendeels lege ruimte met kleine (r = 10-15 m) positief geladen nucleus
omgeven door elektronenwolk (r = 10-10 m)
Géén uniforme verdeling van:
- Massa
- positieve lading
- elektronen
Elektron draait rond:
- elektron wordt continu versneld
, - elektron zendt continue EM straling uit
- continu verlies van energie
Aard van materie: 20e eeuw
Joseph John Thomson Ernest Rutherford Niels Bohr
massieve positieve bol + centrale kern + kwantisatie elektronbaan
homogeen verdeelde rondzwevende elekronen
elektronen
Proef van Millikan (1909)
Robert Millikan voerde in 1909 het beroemde oliedruppel-experiment uit om de lading
van het elektron nauwkeurig te bepalen.
- Opstelling:
Een kamer gevuld met lucht, met twee horizontale elektroden waartussen een
elektrisch veld kon worden aangelegd. Bovenaan werd olie verneveld tot kleine,
elektrisch geladen druppeltjes.
- Werking:
De oliedruppeltjes vielen door de zwaartekracht naar beneden. Door de wrijving
met de lucht bereikten ze al snel een constante valsnelheid, waarmee hun
massa kon worden berekend.
- Met elektrisch veld:
Wanneer een elektrisch veld werd aangelegd, werkte er naast de zwaartekracht
ook een elektrische kracht op de druppeltjes. Door de spanning aan te passen
kon Millikan de kracht van het veld zo regelen dat een geladen druppeltje stil
bleef hangen tussen de platen.
, - Conclusie:
Uit de evenwichtstoestand kon hij de lading van het druppeltje berekenen. Na
herhaling bij veel druppeltjes ontdekte hij dat alle ladingen veelvouden waren
van één kleinste waarde de elementaire lading van het elektron.
Hiermee bepaalde Millikan de waarde van de elektronische lading (e = -1,602 ×
10⁻¹⁹ C) en bewees dat elektrische lading kwantitatief (in vaste pakketjes)
voorkomt.
Aanleiding voor kwantumtheorie
Einde 19de eeuw: klassieke fysica in de problemen:
Elektromagnetische straling:
- Een elektromagnetische golf bestaat uit een periodieke trilling van elektrische
(E) en magnetische (B) velden.
- De amplitude is de grootte van de kracht op een eenheidslading door het
elektrische veld.
- Deze velden wisselen snel en voortplantend door de ruimte met een zeer hoge
snelheid.
- Een momentopname van de amplitude in de tijd toont een golfvormige grafiek
EM golf = transversale golf van onderling loodrechte, sinusoidaal oscillerende
elektrische en magnetische velden
frequentie v = aantal golflengten die passeren in een punt per eenheid van tijd(Hz)
1) Zwarte lichaamsstraling spectrum
Wat is kleur = Absorbeert perfect alle elektromagnetische straling, best mogelijke
emitter van thermische straling, uitgestraald in een continu spectrum
- Een zwart lichaam is een ideaal object dat alle straling van elke golflengte en
invalshoek volledig absorbeert.
Algemene structuur van het atoom
- Atoom = kern + elektronen
o kern = protonen +
neutronen
o massagetal A = massa kern
- Atoomsoort wordt bepaald door aantal protonen Z:
- Neutraal atoom: evenveel elektronen als protonen
Isotopen:
- Zelfde atoom, andere massa (massa proton ≈ 1.67 x 10-27 kg)
- Zelfde aantal protonen, verschillend aantal neutronen
Proef van Thomson
J.J. Thomson voerde in 1897 experimenten uit met een kathodestraalbuis en ontdekte
dat de kathodestralen afgebogen worden door elektrische en magnetische velden. Ze
werden steeds aangetrokken door de positieve elektrode, wat bewees dat de stralen
uit negatief geladen deeltjes bestonden.= elektronen
Hun eigenschappen bleken bovendien onafhankelijk van het gebruikte gas of de
elektroden, wat betekende dat elektronen in alle materie voorkomen. Thomson
bepaalde ook de verhouding tussen de massa en de lading van het elektron (mₑ/e) en
bewees daarmee dat atomen deelbaar zijn
Thomson atoommodel:
- Atoom = positief geladen “soep”, met daarin uniform verdeeld de negatief
geladen elektronendeeltjes. Atoom = "vol”
Uniforme verdeling van:
- Massa
- positieve lading
- elektronen
Rutherford experiment
Experiment Becquerel (1896):
, - Ontdekt dat uranium spontaan radioactieve straling uitzendt, dmv. α-straling, β-
straling, γ-straling
Experiment Rutherford (1909):
- Toont aan dat α-straling bestaat uit heliumionen (He²⁺).
- Gebruikt deze α-deeltjes later in zijn beroemde goudfolie-experiment om de
structuur van het atoom te onderzoeken.
Verklaring (1911):
- Een atoom grotendeels lege ruimte bevat.
- In het centrum bevindt zich een kleine, positief geladen kern.
- De elektronen bewegen rond deze kern.
Rutherfords gold foil experiment:
In 1909 voerden Geiger, Marsden en Rutherford een experiment uit waarbij ze dunne
metaalfolie bestraalden met α-deeltjes. De meeste deeltjes gingen recht door de folie,
maar enkele werden sterk afgebogen of zelfs teruggekaatst. Rutherford concludeerde
hieruit dat atomen grotendeels uit lege ruimte bestaan en dat bijna alle massa
geconcentreerd zit in een kleine, positief geladen kern, met daaromheen lichte,
negatieve elektronen. Dit leidde in 1911 tot het atoommodel van Rutherford. Later
bleek dit model niet volledig juist, wat de weg vrijmaakte voor het atoommodel van
Bohr, gebaseerd op kwantummechanica.
Rutherford atoom:
Atoom is grotendeels lege ruimte met kleine (r = 10-15 m) positief geladen nucleus
omgeven door elektronenwolk (r = 10-10 m)
Géén uniforme verdeling van:
- Massa
- positieve lading
- elektronen
Elektron draait rond:
- elektron wordt continu versneld
, - elektron zendt continue EM straling uit
- continu verlies van energie
Aard van materie: 20e eeuw
Joseph John Thomson Ernest Rutherford Niels Bohr
massieve positieve bol + centrale kern + kwantisatie elektronbaan
homogeen verdeelde rondzwevende elekronen
elektronen
Proef van Millikan (1909)
Robert Millikan voerde in 1909 het beroemde oliedruppel-experiment uit om de lading
van het elektron nauwkeurig te bepalen.
- Opstelling:
Een kamer gevuld met lucht, met twee horizontale elektroden waartussen een
elektrisch veld kon worden aangelegd. Bovenaan werd olie verneveld tot kleine,
elektrisch geladen druppeltjes.
- Werking:
De oliedruppeltjes vielen door de zwaartekracht naar beneden. Door de wrijving
met de lucht bereikten ze al snel een constante valsnelheid, waarmee hun
massa kon worden berekend.
- Met elektrisch veld:
Wanneer een elektrisch veld werd aangelegd, werkte er naast de zwaartekracht
ook een elektrische kracht op de druppeltjes. Door de spanning aan te passen
kon Millikan de kracht van het veld zo regelen dat een geladen druppeltje stil
bleef hangen tussen de platen.
, - Conclusie:
Uit de evenwichtstoestand kon hij de lading van het druppeltje berekenen. Na
herhaling bij veel druppeltjes ontdekte hij dat alle ladingen veelvouden waren
van één kleinste waarde de elementaire lading van het elektron.
Hiermee bepaalde Millikan de waarde van de elektronische lading (e = -1,602 ×
10⁻¹⁹ C) en bewees dat elektrische lading kwantitatief (in vaste pakketjes)
voorkomt.
Aanleiding voor kwantumtheorie
Einde 19de eeuw: klassieke fysica in de problemen:
Elektromagnetische straling:
- Een elektromagnetische golf bestaat uit een periodieke trilling van elektrische
(E) en magnetische (B) velden.
- De amplitude is de grootte van de kracht op een eenheidslading door het
elektrische veld.
- Deze velden wisselen snel en voortplantend door de ruimte met een zeer hoge
snelheid.
- Een momentopname van de amplitude in de tijd toont een golfvormige grafiek
EM golf = transversale golf van onderling loodrechte, sinusoidaal oscillerende
elektrische en magnetische velden
frequentie v = aantal golflengten die passeren in een punt per eenheid van tijd(Hz)
1) Zwarte lichaamsstraling spectrum
Wat is kleur = Absorbeert perfect alle elektromagnetische straling, best mogelijke
emitter van thermische straling, uitgestraald in een continu spectrum
- Een zwart lichaam is een ideaal object dat alle straling van elke golflengte en
invalshoek volledig absorbeert.
