EXACT PERIODE 9.2 ENERGIESCHEMA POLARIMETER LASERS LICHTFILTERS HET BETROUWBAARHEIDSINDERVAL VAN DE MONSTERCONCENTRATIE BIJ SPECTRO

Transcriptie

1 EXACT PERIODE 9.2 ENERGIESCHEMA POLARIMETER LASERS LICHTFILTERS HET BETROUWBAARHEIDSINDERVAL VAN DE MONSTERCONCENTRATIE BIJ SPECTRO 1

2 Het energieschema van waterstof Oefeningen. 1. Een waterstofatoom gaat van energietoestand n=3 naar n=2. Bereken het bijbehorende energieverschil in ev en in J. Bereken de bijbehorende frequentie. Is dit foton zichtbaar? Zo ja, welke kleur? 2

3 2. meerkeuzevraag Hoe ziet een absorptie spectrum eruit? a. Een continu spectrum met daarin zwarte lijnen. b. Een paar gekleurde lijnen maar verder helemaal zwart. c. Alle kleuren van de regenboog gaan vloeiend in elkaar over. d. Geheel zwart met één gekleurde streep. 3. Hoeveel energie is nodig om een waterstofatoom (dat in de grondtoestand is) te ioniseren? Geef je antwoord ev en in J. 3

4 Lasers Laserlicht Een laser is een lichtbron waar heel speciaal licht uit komt. Het licht is monochromatisch de bundel is zeer evenwijdig alle fotonen zijn met elkaar in fase. ( golven in de maat ) de intensiteit is erg hoog (veel energie per mm 2 ) l.a.s.e.r. Het woord laser komt van light amplification bij stimulated emission of radiation. Licht versterking door gestimuleerde emissie van straling. 4

5 Gestimuleerde emissie Als een atoom in de aangeslagen toestand is, zal hij terugvallen naar de grondtoestand en in willekeurige richting een foton uitzenden. Het moment van terugvallen is in principe ook willekeurig. Gestimuleerde emissie vindt plaats als een atoom in de aangeslagen toestand is en er een geschikt foton aan komt vliegen. Met geschikt wordt bedoeld: een foton dat het atoom zelf uit zou kunnen zenden. Dan zal de emissie niet willekeurig zijn. Er komen twee fotonen van het atoom af die gelijk zijn wat betreft frequentie, richting en fase. Zie hiernaast. Foton Atoom ( grondtoestand) Atoom (aangeslagen toestand) Als deze twee fotonen bij andere aangeslagen atomen komen zullen er weer gelijke fotonen bij komen. Zo ontstaat er foton-lawine. + + Spiegels We plaatsen de atomen tussen twee evenwijdige spiegels waarvan één gedeeltelijk doorlatend is. Gevolg: een gedeelte van de fotonen treedt uit het systeem als een monochromatisch evenwijdige bundel licht. Laserlicht Gestimuleerde emissie 5

6 Applets Bekijk de applets die je hieronder ziet

7 The Helium-Neon Laser While not the most powerful or efficient laser, the helium-neon laser has many advantages over other types of lasers. Most lasers have an efficiency of about 1 percent, about ten times the efficiency of the typical helium-neon laser. Most lasers are capable of delivering power far in excess of the helium-neon laser's 75 milliwatt limit. The advantages of helium-neon lasers are that they can emit visible light, are affordable and have good beam quality. While most lasers cannot efficiently emit visible light, heliumneon lasers usually emit at 632.8nm, producing a red beam. Helium-neon lasers do not require any consumables (sapphire rods or cryogenic gases for example), nor do they generate enough heat to require special cooling devices. They also have good beam quality, that is, their beams stay tightly focused even over long distances. Helium-neon lasers are versatile devices that have many useful applications. They are often found in integrated bar code readers (the hand-held bar code readers use red semiconductor lasers or red LEDs.) Because they can emit visible light, helium-neon lasers are used in laser surgery to position the powerful infrared cutting beams. Surveyors take advantage of the helium-neon laser's good beam quality to take precise measurements over long distances or across inaccessible terrain. Red heliumneon lasers are also used in holography. Vragen Hoeveel J licht levert de Helium-Neon Laser per seconde? Hoeveel energie heeft één foton? Geef je antwoord in J en in ev. 7

8 Hoeveel fotonen worden per seconde uitgezonden? 8

9 H3 De polarimeter 3.1 Gepolariseerd licht. Licht is een elektromagnetische golf. Loodrecht op de voortplantingsrichting van het licht vinden twee soorten trillingen plaats: elektrische en magnetische. Bij normaal licht (dus ongepolariseerd) zijn er oneindig veel trillingsrichtingen. trillingsrichtingen nn voortplantingsrichting Bij gepolariseerd licht is er slechts één trillingsrichting. Een polaroidfilter polariseert het licht. 9

10 Met twee polaroidfilters achter elkaar kan je licht uitdoven. Je zet dan de doorlaatrichtingen loodrecht op elkaar. Hiervan kan je een demonstratie bekijken op: Indien je slechts één filter hebt kan je toch testen of het polariserend werkt. Je maakt dan gebruik van licht dat is weerkaatst op een niet-metalen oppervlak. Hiervan kan je een demonstratie bekijken op: 10

11 3.2 concentratiebepaling in een polarimeter. Sommige stoffen zijn optisch actief: Ze draaien de trillingsrichting van gepolariseerd licht. De hoek waarover de draaiing plaatsvindt is evenredig met de concentratie van de stof. Dit principe wordt gebruikt in polarimeters. Formule : 11

12 T. c. l gemeten draaiingshoek c concentratie kg.m -3 l cuvetlengte (m) T specifieke draaiing voorbeeld: voor D-glucuse geldt: specifieke draaiing 20 D =0,525 kg 1.m 2 Met D wordt bedoeld de D-lijn in het Natrium lijnenspectrum. De kleur is oranje ( bekend van straatverlichting). Binas 20.5 De golflengte van dat licht is 589 nm. 12

13 concentratiebepaling in een polarimeter. Formule : T. c. l gemeten draaiingshoek c concentratie kg.m -3 l cuvetlengte (m) T specifieke draaiing 13

14 T Opdrachten en oefenen. c. l 1. Wat betekent nm? 2. Schrijf de bovenste formule in de vorm c= 3. Schrijf de bovenste formule in de vorm T = 4. Leid de eenheid van T af.. 5. Gegeven: specifieke draaiing 20 D = 0,525 kg 1.m 2 Een D-glucose oplossing bevindt zich in een polarimeter. Het cuvet is 1,00 dm lang. De golflengte van het licht is 589nm de temperatuur is 20 C. De draaiingshoek bedraagt 7,8. Bereken de concentratie. 6. Een oplossing van 0,118 g.cm -3 rietsuiker veroorzaakt in een 10,0 cm lang cuvet van een polarimeter een draaiingshoek van 10,5 (bij 589nm en 20 C). Bereken de specifieke draaiing. 14

15 Filters 1. Kleurfilters. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, In een spectrofotometer kan een kleurfilter als monochromator zijn opgenomen. Hierboven zie je een karakteristiek. De golflengte die het best wordt doorgelaten heet de analytische lijn: 0. De bijbehorende (maximale) transmissie geven we aan met T0. De bandbreedte is de breedte van de grafiek (in nm) op halve hoogte dus bij ½ T0. opgaven Lees uit de grafiek (rechts) af: T0 0 en bepaal de bandbreedte. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,

16 2. Teken hieronder de T- grafiek van een filter waarvan gegeven is: 0 = 500 nm, bandbreedte : 70 nm T0 : 50% 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,

17 2. Interferentiefilters Een interferentiefilter bestaat uit doorzichtig materiaal. De dikte (d) van het materiaal bepaalt welke kleur versterkt wordt doorgelaten. Interferentie betekent immers: golven versterken en verzwakken elkaar afhankelijk van het weglengteverschil. wit licht één kleur licht In de figuur hierboven wordt niet duidelijk hoe een weglengteverschil ontstaat. Daarom staat hieronder een uitvergroting. Voor extra duidelijkheid hebben we schuine lichtinval gekozen. 1: invallende lichtstraal d Je kan zien dat lichtstraal 1 2 een kortere weg door het filter aflegt dat lichtstraal 1 3. Het weglengteverschil is (bij loodrechte inval) tweemaal de dikte van het filter : 2d. Een kleur wordt dus versterkt bij n. kleur = 2.d. ( n = 1,2,3 enz) 2: uittredende lichtstraal (rechtstreeks) 17 3: uittredende lichtstraal (weerkaatst)

18 oefenopgaven 1. Welke dikte heeft een interferentiefilter dat groen licht van 560 nm doorlaat. Geef je antwoord in m. 2. Een interferentiefilter is 0,75 μm dik. Welke (zichtbare) kleuren licht wordt door dit filter versterkt? Geef je antwoorden in nm. 3. Lees de onderstaande tekst (afkomstig uit een (Belgische) telescoopbeschrijving) Het filter is een interferentiefilter met een doorlaatvenster van iets minder dan 30 mm gevat in een 31,5 mm filterhouder. De doorlaat is 656,3 nm en de halve bandbreedte op halve hoogte bedraagt 0,15 nm. a. Wat wordt bedoeld met doorlaat? Geef commentaar. b. Wat vind je van de bandbreedte? 4. Rechts zie je een zeepvliesraam. Verklaar het gekleurde strepenpatroon. 18

19 5. Hierboven zie je een karakteristiek van een kleurfilter. a. Bepaal T0, 0 en bepaal de bandbreedte 0,7 0,6 b. Teken de lijn voor een filter met 0 = 340 nm T0 = 0,4 en bandbreedte 40 nm 6. Een interferentiefilter heeft dikte 1,220 μm a. Bereken de dikte in nm. b. Bepaal welke zichtbare golflengten door het filter worden doorgelaten. Geef ook de bijbehorende kleuren en frequenties. 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Formule: n. = 2.d ( n = 1,2,3 enz)

20 Het betrouwbaarheidsinterval van de monsterconcentratie Haal het bijbehorende werkblad van de pippag periode 5 onder werkbladen: betrouwbaarheidsinterval van de monsterconcentratie Bij het bepalen van de monsterconcentratie wordt eerst een kalibratiereeks (n kalibratiepunten) gemaakt. Het monster wordt m maal gemeten. Het gemiddelde staat in de grafiek. Hoe betrouwbaar is de uitkomst van de monsterconcentratie? Dit wordt aangegeven door de streepjes links en rechts van het monsterpunt (foutenbalken) Door de berekeningen in Excel uit te voeren kun je ontdekken welke factoren een rol spelen in de betrouwbaarheid. Hieronder zie je de formules Geef de volgende namen aan de bijbehorende cellen a, b, n, m, Px, s, sm, t, xm, ygem, ymgem. Voor het bepalen van de t-waarde gebruik je de VERT.ZOEKEN-functie. Voer al de formules in en maak de grafiek. Vergeet de horizontale foutenbalken niet Mail de oplossing naar dlos@scalda.nl. Naam: jouw_achternaambim.xls ,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ym gem b x m a ylijn ax b s s m s a ( y y n 2 lijn 1 1 ( y m n aantal vr.gr ) 2 t s 95% b. i. monsterconcentratie n P x m gem a y 2 P x n 2 x 2 gem ) ( 2 m x) n 2 20

21 Ga na hoe het betrouwbaarheidsinterval verandert als: 1. De y waarde van het 4 de kalibratiepunt verandert in 3,3 Het b.i. van de monsterconcentratie wordt groter / blijft hetzelfde/ wordt kleiner 2. Voor de ym-waarden 5,1 5,0 en 5,2 wordt ingevuld. Het b.i. van de monsterconcentratie wordt groter / blijft hetzelfde/ wordt kleiner 3. ym slechts éénmaal wordt gemeten. Het b.i. van de monsterconcentratie wordt groter / blijft hetzelfde/ wordt kleiner 4. Er slechts drie kalibratiepunten zouden zijn. Het b.i. van de monsterconcentratie wordt groter / blijft hetzelfde/ wordt kleiner 21

22 22

23 23

24 24