Hoofdstuk 14: quantumwereld
Paragraaf 14.1: introductie
In de natuurwetenschap kan de lading niet verdwijnen, wel kunnen positieve en
negatieve lading elkaar opheffen. De totale lading blijft altijd behouden. Ook kan
de totale hoeveelheid energie niet veranderen. Bij veranderingen vinden altijd
alleen omzettingen plaats van de ene energiesoort in de andere, of van het ene
voorwerp of deeltje naar het andere.
Bij botsingen geldt behoud van impuls: de grootheid die de hoeveelheid
beweging van de deeltjes aangeeft.
Een lopende golf is het verschijnsel dat trillingen worden doorgegeven,
bijvoorbeeld transversale golven in een gespannen koord of longitudinale golven
in de lucht.
Als een elektron in een atoom een foton uitzendt (emissie) raakt het atoom een
beetje energie kwijt en bij absorptie krijgt het atoom er een beetje energie bij.
Losse atomen zoals in een gas zenden alleen fotonen uit met bepaalde
golflengtes en de daarbij horende fotonenergie. In het spectrum worden die
golflengtes zichtbaar als spectraallijnen. De formule voor de fotonenergie is:
Ef = h x f
Paragraaf 14.2: golfkarakter van licht
Licht wordt door atomen uitgezonden als fotonen, lichtdeeltjes of lichtpakketjes,
die een bepaalde hoeveelheid elektromagnetische stralingsenergie hebben. Bij
absorptie van een foton, bijvoorbeeld in ons netvlies, wordt de totale
stralingsenergie van dat golfpakketje ineens afgegeven en omgezet in een
andere energiesoort. Het uitzenden en ook absorberen van elektromagnetische
stralingsenergie, zoals licht, is gequantiseerd. Dat wil zeggen dat het gebeurt in
afzonderlijke hoeveelheden en niet als een continu proces.
Golven bestaan uit trillingen die zich voortplanten met een bepaalde
golfsnelheid. De trillingen hebben een frequentie en de golven een golflengte
waarvoor geldt: λ = v/f
Als golven heen en weer kaatsen kunnen staande golven ontstaan met knopen
en buiken. Knopen en buiken worden veroorzaakt doordat op sommige plaatsen
de door elkaar lopende golven elkaar verzwakken of zelfs uitdoven (knopen) of
elkaar versterken (buiken). Dit heet interferentie (samenwerking). Als in een
bepaald punt van twee kanten golven met voortdurend gelijke fase aankomen,
versterken ze elkaar en is er sprake van constructieve interferentie. Golven
die in een bepaald punt voortdurend met tegengestelde fase aankomen,
verzwakken elkaar of doven elkaar uit als hun amplitudes even groot zijn. Dat
heet destructieve interferentie.
, Als je in een waterbak twee dobbers legt die
met dezelfde frequentie op en neer bewogen
worden, zie je dat in het gebied waar de golven
door elkaar heen lopen een interferentiepatroon
ontstaat van knooplijnen en buiklijnen.
Ruimtelijke interferentie vantwee identiek
bronnen treedt ook op bij geluid. Op de
knooplijnen is het geluid zwak en op de buiklijnen maximaal.
Elektromagnetische golven uit twee identieke bronnen vlak bij elkaar kunnen ook
interfereren met als gevolg knooplijnen en buiklijnen. Maar dat lukt niet met twee
verschillende bronnen. Verschillene lichtbronnen zijn nooit identiek.
Elektromagnetische straling wordt immers uitgezonden als aparte fotonen enniet
als een continue reeks golven. Omdat fotonen op willekeurige momenten worden
uitgezonden, is er tussen verschillende lampjes geen vast faseverschil.
Interferentie van twee lichtbronnen kun je wel zichtbaar maken als je het licht
van een bron eerst splitst en daarna weer bij elkaar laat komen. Dat kan
bijvoorbeeld als je een laserbundel laat vallen op een dubbelspleet, twee smalle
openingen in een verder dicht scherm. Omdat de golflengte van het licht zo klein
is, moeten de spleten heel dicht op elkaar staan. Op een scherm een stuk verder
ontstaan dan lichte en donkere stippen of strepen. Als je een van de twee spleten
afdekt, neemt de lichtsterkte op de donkere plaatsen toe en op de lichte plaatsen
af.
Als vlakke golven door een kleine opening moeten, breiden de golven zich vanuit
de opening niet alleen rechtdoor uit, maar ook gedeeltelijk opzij. Dit verschijnsel
wordt buiging genoemd en treedt op als de breedte van de opening in dezelfde
orde van grootte ligt als de golflengte (een breedte van ongeveer 10x zo groot en
10x zo klein). Hoe kleiner de opening is ten opzichte van de golflengte, des te
meer wordt de straling verspreid na de opening.
De golflengte van een rode laser is ongeveer 0,6 micrometer. Buiging na een
spleet is daarbij pas goed te zien als de breedte van de spleet minder is dan 0,01
mm. Bij grotere openiingen overheerst het rectdoor gaande licht. Een laserbundel
die op een smalle spleet valt, vertoont buiging.
Bij transversale trillingen, longitudinale trillingen en bij watergolven is er sprake
van trillingen van materie(deeltjes) die de trilling doorgeven met de
voortplatingssnelheid. De golven hebben een materieel medium nodig om zich
te kunnen voortplanten. Geluid gaat bijv niet door een vacuum ruimte.
Bij licht en alle andere vormen van elektromagnetische stralin is geen materieel
medium nodig om de stralingenergie door te geven. Bovendien plant licht zich
altijd voor met de lichtsnelheid. De frequentie van licht kun je niet meten, er trilt
niets in een laserbundel. Wel kun je de lichtsnelheid meten en ook de golflengte
bepalen uit een interferentiepatroon. Daarmee kun je dan de frequentie
berekenen.
Paragraaf 14.3: deeltjeskarakter van licht
Paragraaf 14.1: introductie
In de natuurwetenschap kan de lading niet verdwijnen, wel kunnen positieve en
negatieve lading elkaar opheffen. De totale lading blijft altijd behouden. Ook kan
de totale hoeveelheid energie niet veranderen. Bij veranderingen vinden altijd
alleen omzettingen plaats van de ene energiesoort in de andere, of van het ene
voorwerp of deeltje naar het andere.
Bij botsingen geldt behoud van impuls: de grootheid die de hoeveelheid
beweging van de deeltjes aangeeft.
Een lopende golf is het verschijnsel dat trillingen worden doorgegeven,
bijvoorbeeld transversale golven in een gespannen koord of longitudinale golven
in de lucht.
Als een elektron in een atoom een foton uitzendt (emissie) raakt het atoom een
beetje energie kwijt en bij absorptie krijgt het atoom er een beetje energie bij.
Losse atomen zoals in een gas zenden alleen fotonen uit met bepaalde
golflengtes en de daarbij horende fotonenergie. In het spectrum worden die
golflengtes zichtbaar als spectraallijnen. De formule voor de fotonenergie is:
Ef = h x f
Paragraaf 14.2: golfkarakter van licht
Licht wordt door atomen uitgezonden als fotonen, lichtdeeltjes of lichtpakketjes,
die een bepaalde hoeveelheid elektromagnetische stralingsenergie hebben. Bij
absorptie van een foton, bijvoorbeeld in ons netvlies, wordt de totale
stralingsenergie van dat golfpakketje ineens afgegeven en omgezet in een
andere energiesoort. Het uitzenden en ook absorberen van elektromagnetische
stralingsenergie, zoals licht, is gequantiseerd. Dat wil zeggen dat het gebeurt in
afzonderlijke hoeveelheden en niet als een continu proces.
Golven bestaan uit trillingen die zich voortplanten met een bepaalde
golfsnelheid. De trillingen hebben een frequentie en de golven een golflengte
waarvoor geldt: λ = v/f
Als golven heen en weer kaatsen kunnen staande golven ontstaan met knopen
en buiken. Knopen en buiken worden veroorzaakt doordat op sommige plaatsen
de door elkaar lopende golven elkaar verzwakken of zelfs uitdoven (knopen) of
elkaar versterken (buiken). Dit heet interferentie (samenwerking). Als in een
bepaald punt van twee kanten golven met voortdurend gelijke fase aankomen,
versterken ze elkaar en is er sprake van constructieve interferentie. Golven
die in een bepaald punt voortdurend met tegengestelde fase aankomen,
verzwakken elkaar of doven elkaar uit als hun amplitudes even groot zijn. Dat
heet destructieve interferentie.
, Als je in een waterbak twee dobbers legt die
met dezelfde frequentie op en neer bewogen
worden, zie je dat in het gebied waar de golven
door elkaar heen lopen een interferentiepatroon
ontstaat van knooplijnen en buiklijnen.
Ruimtelijke interferentie vantwee identiek
bronnen treedt ook op bij geluid. Op de
knooplijnen is het geluid zwak en op de buiklijnen maximaal.
Elektromagnetische golven uit twee identieke bronnen vlak bij elkaar kunnen ook
interfereren met als gevolg knooplijnen en buiklijnen. Maar dat lukt niet met twee
verschillende bronnen. Verschillene lichtbronnen zijn nooit identiek.
Elektromagnetische straling wordt immers uitgezonden als aparte fotonen enniet
als een continue reeks golven. Omdat fotonen op willekeurige momenten worden
uitgezonden, is er tussen verschillende lampjes geen vast faseverschil.
Interferentie van twee lichtbronnen kun je wel zichtbaar maken als je het licht
van een bron eerst splitst en daarna weer bij elkaar laat komen. Dat kan
bijvoorbeeld als je een laserbundel laat vallen op een dubbelspleet, twee smalle
openingen in een verder dicht scherm. Omdat de golflengte van het licht zo klein
is, moeten de spleten heel dicht op elkaar staan. Op een scherm een stuk verder
ontstaan dan lichte en donkere stippen of strepen. Als je een van de twee spleten
afdekt, neemt de lichtsterkte op de donkere plaatsen toe en op de lichte plaatsen
af.
Als vlakke golven door een kleine opening moeten, breiden de golven zich vanuit
de opening niet alleen rechtdoor uit, maar ook gedeeltelijk opzij. Dit verschijnsel
wordt buiging genoemd en treedt op als de breedte van de opening in dezelfde
orde van grootte ligt als de golflengte (een breedte van ongeveer 10x zo groot en
10x zo klein). Hoe kleiner de opening is ten opzichte van de golflengte, des te
meer wordt de straling verspreid na de opening.
De golflengte van een rode laser is ongeveer 0,6 micrometer. Buiging na een
spleet is daarbij pas goed te zien als de breedte van de spleet minder is dan 0,01
mm. Bij grotere openiingen overheerst het rectdoor gaande licht. Een laserbundel
die op een smalle spleet valt, vertoont buiging.
Bij transversale trillingen, longitudinale trillingen en bij watergolven is er sprake
van trillingen van materie(deeltjes) die de trilling doorgeven met de
voortplatingssnelheid. De golven hebben een materieel medium nodig om zich
te kunnen voortplanten. Geluid gaat bijv niet door een vacuum ruimte.
Bij licht en alle andere vormen van elektromagnetische stralin is geen materieel
medium nodig om de stralingenergie door te geven. Bovendien plant licht zich
altijd voor met de lichtsnelheid. De frequentie van licht kun je niet meten, er trilt
niets in een laserbundel. Wel kun je de lichtsnelheid meten en ook de golflengte
bepalen uit een interferentiepatroon. Daarmee kun je dan de frequentie
berekenen.
Paragraaf 14.3: deeltjeskarakter van licht
