2.1 Wat is licht? In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur). Licht is een elektromagnetische golf. Andere voorbeelden van e.m.-golven zijn radar en röntgenstraling. Zie Binas tabel 19A en 19B. Met frequentie (f) wordt bedoeld: het aantal trillingen per seconde. De eenheid van frequentie is hertz (Hz). De frequentie bepaalt de kleur van het licht. (BINAS tabel 19A). De golflengte (labda) is de lengte van één golf ( zie figuur hierboven) Formule: c f : golflengte (m) c : lichtsnelheid (m.s -1 ) f : frequentie (Hz) c f Voor bewegende beelden kijk je op http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=35 2.2 Lichtsnelheid in stoffen In vacuüm bedraagt de lichtsnelheid 3,0.10 8 m.s -1. In lucht of doorzichtige vloeistoffen en vaste stoffen is de lichtsnelheid minder. Om de lichtsnelheid in een stof te vinden deel je de lichtsnelheid in vacuüm door de brekingsindex van de stof (Binas tabel 18) cvacuum Formule: cstof n stof 1
2.2 Fotonen Licht is gekwantiseerd. Licht bestaat uit fotonen. Je mag een foton opvatten als een soort golfpakketje. De energie van een foton is te berekenen met: E foton h f Hierin is: E foton de energie van het foton in J h de constante van Planck : 6,63.10-34 Js (BINAS tabel 7) f de frequentie van het foton De golflengte λ van het foton is te berekenen met c f. (c: lichtsnelheid) 2.3 Wat is een spectrum? Licht bestaat vaak uit een mengsel van kleuren (dus van verschillende golflengten). Bij een spectrum worden de verschillende kleuren naast elkaar geprojecteerd. Hoe maak je een spectrum? Er zijn twee manieren om een spectrum te maken. 1. Met een prisma: verschillende golflengten hebben ook een verschillende brekingsindex. De stralen komen dus met een verschillende hoek uit het prisma. 2. Met een tralie: Als licht op een CD-tje valt zie je een spectrum. Het CD-tje werkt als een tralie. Een tralie bestaat uit een glaasje met zeer veel evenwijdige krasjes (bijv 600 per mm). Het licht dat op het tralie valt gaat door de openingen tussen de krasjes. Daar vindt buiging plaats. De gebogen lichtstralen interfereren. Interferentie is: het versterken en verzwakken van de golven. In bepaalde richtingen wordt rood versterkt, in andere violet, enz. 2
2.4 Het continu spectrum Fotonen wordt uitgezonden door gloeiende voorwerpen. (gloeidraad, gloeiende koolstofdeeltjes in een kaarsvlam). Er ontstaat wit licht als de temperatuur hoog genoeg is. Als van dit licht een spectrum wordt gemaakt zie je alle kleuren continu in elkaar overlopen. Continu betekent: doorlopend, zonder onderbrekingen. Zie Binas: 20-1 en http://phet.colorado.edu/sims/blackbody-spectrum/blackbody-spectrum_nl.html 2.5 De gasontladingslamp. In een gasontladingslamp (zie figuur hieronder) bevindt zich een gas (bijvoorbeeld Neon) of een damp (bijv natrium of kwik). Door de lamp stromen elektronen van de min-elektrode naar de plus-elektrode. De elektronen bewegen steeds sneller. Als ze tegen een gas- of dampatoom botsen kan dit atoom in een aangeslagen toestand komen. Atomen in aangeslagen toestanden zijn zeer labiel. Kwikdamp ca 600V Na zeer korte tijd valt het atoom terug in de grondtoestand. Hierbij wordt een foton uitgezonden. 3
2.6 Het emissiespectrum (lijnenspectrum) Een emissiespectrum ontstaat als we atomen van een gas of damp blootstellen aan botsingen van elektronen. Fotonen worden uitgezonden door atomen die terugvallen van een aangeslagen toestand (plaatje links) naar de grondtoestand (plaatje rechts). foton kern kern Een atoom in de grondtoestand heeft minder energie dan een atoom in een aangeslagen toestand. Het energieoverschot komt vrij in de vorm van em-straling: een foton. Een atoom heeft diverse aangeslagen toestanden. Ieder met een zeer bepaalde energie. En de energie bepaalt de kleur (golflengte van een gasontladingslamp uit enkele gekleurde strepen bestaat. Zie Binas: 20-3 t/m11 en 13 h c ).Vandaar dat het spectrum E 4
Ieder gekleurde streep komt overeen met een energieovergang. In het energieschema, hier rechtsonder, wordt geprobeerd dat duidelijk te maken. kern E 2 E 1 E 0 Een atoom in de tweede aangeslagen toestand. Het terugvallen naar de grondtoestand kan rechtstreeks (lange pijl) of met een tussenstop in de eerste aangeslagen toestand (korte pijltjes). Als E 2 E 0 veel vaker voorkomt dan E 2 E 1 E 0 zal in het spectrum de lijn die bij E 2 E 0.hoort veel helderder zijn dan de lijnen die bij E 2 E 1 en bij E 1 E 0 horen. Bij de langste pijl hoort de grootste energiesprong dus de hoogste frequentie en de kleinste golflengte violet groen rood λ 2.7 Het absorptiespectrum Een absorptiespectrum ontstaat als licht van een gloeilamp (met een continu spectrum) door een absorberende stof gaat. De stof absorbeert bepaalde kleuren (golflengten) van het licht. Op die plaatsen ontstaat in het spectrum een zwarte streep. Hierbij is het volgende belangrijk. Atomen absorberen alleen de fotonen met de juiste energie. Dat wil zeggen fotonen die ze zelf zouden uitzenden als ze vanuit een aangeslagen toestand terugvallen in de grondtoestand. Absorptie speelt dus een belangrijke rol bij het herkennen van stoffen (kwalitatief).ook kwantitatief is absorptie belangrijk (AAS) 5
Hieronder zie je een schema hoe je een absorptiespectrum kan maken. 2.8 Hoe komt een atoom in een aangeslagen toestand? Er zijn drie manieren om een atoom in een aangeslagen toestand te krijgen. 1. Door het atoom verwarmen (bijvoorbeeld in een gasvlam) 2. Door het atoom te laten botsen met elektronen (in een gasontladingsbuis) 3. Door het atoom licht te laten absorberen. In alle gevallen valt het atoom terug in de grondtoestand en zendt een foton uit. 2.9De elektronvolt (ev). De energie eenheid joule (J) is niet erg geschikt voor de atomaire schaal. De energie van een foton kan bij voorbeeld 4,12.10-19 J zijn. Daarom is de elektronvolt (ev) ingevoerd. definitie: 1 ev = 1,60.10-19 J De energie van foton uit het voorbeeld is 2,58 ev 6
1.0 De zon staat (gemiddeld) 1,5.10 11 m van ons af. Hoe lang is zonlicht onderweg voordat het de aarde bereikt? 1.1 De golflengte van blauw licht in vacuüm is 490 nm. Bereken de frequentie. 1.2 Licht met een frequentie van 3,8.10 14 Hz kunnen we nog zien. a. Bereken de golflengte b. Kunnen we licht met een iets hogere frequentie ook zien? 1.3 De frequentie van geel licht is 5,09.10 14 Hz. Bereken de lichtsnelheid van geel licht in ijs. Bereken de golflengte van geel licht in ijs. 2.0 Zoek de brekingsindex van water op. Bereken de lichtsnelheid in water. 2.1 Een foton heeft een frequentie van 3,8.10 14 Hz Bereken de energie van het foton. 2.2 De energie van een foton is 3,55.10-19 J. a. Bereken de frequentie b. bereken de golflengte c. welke kleur heeft het foton? 2.3 Zijn de onderstaande stellingen waar? I. Bij interferentie worden golven altijd versterkt. waar/ niet waar II. Een prisma werkt met buiging van licht. waar/ niet waar III. In een prisma wordt blauw sterker gebroken dan rood waar/ niet waar IV Licht heeft in lucht een hogere snelheid dan in glas waar/ niet waar 4.1 Noem een lichtbron waarvan het spectrum continu is 7
4.2 Is het spectrum van de zon continu? Geef toelichting. 5.1 Hoe komt het dat een natriumlamp een andere kleur licht geeft als hij net is ingeschakeld? 6.1 h c Leid de volgende formule af: E 6.2 Bereken de energie van de groene lijn in het emissiespectrum van Helium (Binas tabel 20) 6.4 Hiernaast zie je een gedeelte van een energieschema van een atoom. Hoeveel spectraallijnen verwacht je in het spectrum?. E3 E 2 E 1 E 0 6.5 Niet alle spectraallijnen hebben dezelfde helderheid. Leg uit waardoor dat wordt veroorzaakt. 8.1 Licht met golflengte tussen de 370nm en 800nm kunnen wij zien. Bereken tussen welke energiegrenzen (in ev) zichtbare fotonen zich bevinden. 8
8.2 Hiernaast zie je een gedeelte van een energieschema. Bereken de golflengtes van de fotonen die bij de pijlen horen. E 2 =3,3 ev E 1 =2,4 ev E 0 =0 ev 8.3 592 388 230 nm Hierboven zie je een gedeelte van een lijnenspectrum Schrijf in de figuur rechts de juiste energiewaarden (in ev) bij de niveaus. 9