Natuurkunde samenvatting hoofdstuk 13 - Quantumfysica

Natuurkunde - samenvatting hoofdstuk 13
Paragraaf 1
Twee theorieën over licht:
- deeltjesmodel van Newton --> lichtbron straalt voortdurend ‘lichtdeeltjes uit’
- golfmodel van Huygens --> licht bestaat uit trillingen

Als je een steen op het water gooit, ontstaat er een cirkelvormige golf. Zo’n trillend punt noem je
een puntbron.

Een ander type golf is een vlakke golf. De golflijnen lopen dan evenwijdig aan elkaar. Als je een golf
op een kleine opening laat vallen, dan zie je dat de golf na de opening breder is dan de opening zelf
Dit verschijnsel heeft buiging.

Als je en vlakke golf laat vallen op een spleet smaller dan één golflengte, dan kan de trilling alleen op
de plek van de opening worden doorgegeven. De opening gedraagt zich dan als puntbron. De vlakke
golf breidt zich uit als een cirkelvormige golf.

In welke mate er buiging optreedt, hangt af van de breedte van de spleet ten opzichte van de
golflengte. Hetzelfde verschijnsel treedt op bij licht.

Voor buiging moet de golflengte in de orde van de grootte van de breedte van de spleet zijn.
--> als de golflengte kleiner is dan de breedte dan krijg je een lichte buiging.
--> als de golflengte groter is dan de breedte dan krijg je volledige uitwaaiering.

Bij figuur 13.6:
Als je een golf op een dubbele spleet laat vallen, gedragen de openingen A en B zich als
puntbronnen.
Waar de lijnen snijden is het faseverschil tussen de twee golven een heel getal. Op die punten is de
constructieve interferentie maximaal. De streeplijnen door de punten met een gelijk faseverschil zijn
buiklijnen.
Het is wiskundig niet mogelijk dat het weglengteverschil AP-BP tussen twee golven groter is dan de
afstand AB tussen de twee spleten. Als de afstand tussen de spleten kleiner is dan één golflengte,
dan is het faseverschil overal kleiner dan 1. Er is dan maar één buiklijn, op de middelloodlijn van de
spleetafstand.
Als de afstand tussen de spleten veel groter is dan één golflengte, dan zijn er heel veel buiklijnen.

Als je licht op een dubbele spleet laat vallen, zijn er lichte en donkere vlekken. Bij de lichte vlekken
vindt constructieve interferentie plaats, bij de donkere vlekken destructieve interferentie. Dit geeft
aan dat licht een golfverschijnsel is.

Licht en geluid zijn beide golfverschijnselen. Geluid heeft een grotere golflengte en buigt dus
makkelijker af. Licht buigt niet vaak af, want de golflengte is heel klein.
Met een lichtmicroscoop kun je hele kleine voorwerpen niet zien, doordat het licht alle kanten op
buigt.

Voor het verband tussen de afbuigingshoek en de golflengte geldt:

λ
o sin ( α )=n ⋅
d

, Paragraaf 2
Om de afwijkende vorm van de planckkromme van licht te verklaren, stelde Max Planck dat
stralingsenergie bestaat uit een stroom energiepakketjes. Voor elektromagnetische straling heet zo’n
energiepakketje een foton.
Hij nam aan dat de energie van die pakketjes evenredig is met de frequentie van de straling:

o E f =h⋅ f

Als licht op een metaal valt, wordt de stralingsenergie van het licht geadsorbeerd door elektronen in
het metaal. Soms krijgt een elektron daardoor genoeg energie om het metaal te verlaten. --> dit is
het foto-elektrisch effect. Rood licht is nooit in staat om elektronen vrij te maken. Blauw licht kan
het zelfs bij een hele kleine lichtintensiteit.

Het foto-elektrisch effect kun je aantonen met een schakeling waarin een fotocel en een
stroommeter zijn opgenomen. (figuur 13.16). Licht valt op een halfronde metalen kathode K, de
vrijgemaakte elektronen worden opgevangen door een draadvormige anode A. De anode is erg dun,
zodat er bijna geen licht op valt en er dus ook bijna geen elektronen vrijkomen. De fotocel zit in een
vacuümbuis om te voorkomen dat moleculen in lucht elektronen adsorberen.

Elektronen verlaten het metaal alleen als de golflengte klein genoeg is (gelijk aan of kleiner dan een
maximale golflengte). Bij een kleinere golflengte is de snelheid van het vrijgemaakte elektron groter,
en dus ook de kinetische energie (Ek).

Om een elektron te laten loskomen uit een metaal is een bepaalde hoeveelheid energie nodig, de
uittree-energie. Deze energie is afhankelijk van de atoomsoort.  binas tabel 24, uittree-energieën.

Einstein stelde dat bij het foto-elektrisch effect één elektron de energie van één foton adsorbeert. Als
de energie van het foton groter is dan of gelijk is aan de uittree-energie, verlaat het elektron het
metaal.
De golflengte waarbij de fotonenergie precies gelijk is aan de uittree-energie heet de
grensgolflengte. Via de formule c = f x λ hoort hier een frequentie bij die de grensfrequentie wordt
genoemd.

Als het elektron is vrijgemaakt, heeft het buiten het metaal een snelheid en dus een hoeveelheid
kinetische energie. Ek is volgens de wet van behoud van massa gelijk aan de oorspronkelijke energie
van het foton verminderd met de uittree-energie.

o Ek = Ef – Eu
Ek is de kinetische energie van het vrijgemaakte elektron in J
Ef is de energie van het geadsorbeerde foton in J
Eu is de uittree-energie van het bestraalde metaal in J

Een nadeel van het foto-elektrisch effect is dat het effect niet bij alle kleuren zichtbaar licht optreedt.
Dit is onder andere zo bij halfgeleiders.



Paragraaf 3
Licht heeft zowel golfeigenschappen als deeltjesachtige eigenschappen. Dit noem je de golf-
deeltjedualiteit.