Systematische Natuurkunde 6 vwo- hoofdstuk 13

Systematische Natuurkunde

V WO 6

6 VANAF

E X AM EN

M EI 2 0 2 5

vwo 6 Naam Klas

9 789006 373844

SysNat_Leerboek_6vwo_OMSLAG.indd All Pages

31/10/2023 14:59

SysNat_6_vwo_2023.indb 4

27/10/2023 11:55

6 V WO 6

Beste leerling,

Dit boek van Systematische Natuurkunde kun je samen met de digitale leeromgeving gebruiken in de les. Het is van jou ­persoonlijk, dus je mag er aantekeningen in maken. Na dit schooljaar mag je het boek houden. Wij wensen je veel succes en plezier met het vak natuurkunde. Team Systematische Natuurkunde

SysNat_6_vwo_2023.indb 1

27/10/2023 11:55

COLOFON

Bureauredactie Lineke Pijnappels, Tilburg Beeldresearch Verbaal Visuele Communicatie BV, Velp Technische illustraties Jeannette Steenmeijer / Verbaal Visuele Communicatie BV, Velp Vormgeving basisontwerp Studio Bassa, Culemborg Vormgeving en opmaak Crius Group

Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt slimme flexibele leeroplossingen met een persoonlijke aanpak. Voor elk niveau en elke manier van leren. Want niemand is hetzelfde. We combineren onze kennis van content, leerontwerp en technologie, met onze energie voor vernieuwing. Om met en voor onderwijsprofessionals grenzen te verleggen. Zo zijn we samen de motor voor verandering in het primair, voortgezet en beroepsonderwijs. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 37384 4 Tiende druk, eerste oplage, 2023 © ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2023 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieën in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

SysNat_6_vwo_2023.indb 2

27/10/2023 11:55

6 V WO 6

Jan Cor Isarin René de Jong Arjan Keurentjes Maarten Duijnstee

Mark Bosman Torsten van Goolen Kees Hooyman Koos Kortland Michel Philippens Hein Vink Eindredactie Harrie Ottink

Eindredactie Digitaal Evert-Jan Nijhof

SysNat_6_vwo_2023.indb 3

27/10/2023 11:55

SysNat_6_vwo_2023.indb 4

27/10/2023 11:55

Inhoud

11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6

Werken met Systematische Natuurkunde

6

Medische beeldvorming

9

Echografie en MRI Röntgenfotografie en CT-scan Kernstraling Halveringstijd en activiteit Risico’s van ioniserende straling Afsluiting Checklist voor begrippen en leerdoelen

10 18 25 35 43 50 56

Astrofysica

61

Straling van sterren Sterren classificeren Spectraalanalyse Bewegende sterren Afsluiting Checklist voor begrippen en leerdoelen

62 71 81 91 102 106

Quantumwereld

109

Licht als golf Fotonen Golfgedrag bij elektronen Opgesloten quantumdeeltjes Elektronen in materialen Afsluiting Checklist voor begrippen en leerdoelen

110 122 131 142 154 165 169

Register

172

Grootheden en eenheden

176

Lijst van uitkomsten

178

SysNat_6_vwo_2023.indb 5

27/10/2023 11:55

Een verloskundige maakt tijdens de zwangerschap een echo om de

Werken met Systematische Natuurkunde

ontwikkeling van de baby te volgen. Dit is niet schadelijk voor het kind.

Je gaat aan de slag met Systematische Natuurkunde. Bij deze methode werk je met je leerboek en online. Alle leerstof die je nodig hebt voor het eindexamen vind je in de leerboeken. Soms staat informatie of een opdracht online. In de kantlijn staat dan een icoon.

Hoe werkt echografie?

Theorie en opgaven Figuur 11.1

Elk paragraaf begint met een korte introductie en een vraag. Zo krijg je een eerste indruk van het doel van de paragraaf. Een verloskundige maakt tijdens de 11.1 Echografie en MRI zwangerschap een echo om de

ontwikkeling van de baby te volgen. Medische beeldvorming Start Maak de startvragen

Dit is niet schadelijk voor het kind.

Als een huisarts een patiënt onderzoekt, kan hij alleen de buitenkant bekijken. Dit Hoe werkt echografie? komt doordat zichtbaar licht niet in het lichaam doordringt. Er bestaan soorten straling die wel in het lichaam doordringen, zoals röntgenstraling. Met behulp van deze soorten straling worden afbeeldingen van inwendige Figuur 11.24 organen en processen gemaakt. Zichtbaar licht en röntgenstraling zijn voorbeelden van elektromagnetische golven. Echografie maakt gebruik van geluidsgolven. Geluidsgolven dringener wel in het keer gehalveerd: is door dan nog maar _14 lichaam, maar behoren niet tot de elektromagnetische golven. 1 _ maar deel oftewel 12,5% vanjedeaan oorspronkelijke hoeveelheid over. De tekst is verdeeld in subparagrafen. Belangrijke begrippen herken een 8

Figuur 11.1

isotopen dat na een bepaalde tijd nog niet blauwe kleur. In de checklist aan het eindeHet vanaantal een hoofdstuk staan deze begrippen Net als voor andere golven geldt voor de golfsnelheid van elektromagnetische golven env =def ∙ leerdoelen per isparagraaf bij elkaar. Achterin het boek n staat het register. λ . De golfsnelheid bij elektromagnetische golven gelijk aan de t c. 1 lichtsnelheid 11.1 is dit Echografie en snelheid MRI N=N ⋅ (__ met n = _ Daarmee zie je je snel welke pagina’s een begrip is0 besproken. t_1 Volgens Einstein deop grootst mogelijke in het heelal. Grotere snelheden 2) 2 zijn nog nooit waargenomen. ▪ N Medische beeldvorming Voor elektromagnetische golven geldt dus: De formules die je moet ▪ N is aantal isotopen in de beginsituatie. Als een huisarts een patiënt onderzoekt, kan hij alleen de buitenkant bekijken. Dit Start 0 en kunnen gebruiken, Maak de startvragen ▪ doordringt. Er bestaan soorten n is hetkennen aantal halveringstijden. c = f ∙ λ komt doordat zichtbaar licht niet in het lichaam straling die wel in het lichaam doordringen,▪zoals röntgenstraling. Met behulp van hebben een gele t is de tijd die verstreken is vanaf het begin in s. deze soorten straling−1worden afbeeldingen van organen en processen ▪ c is de lichtsnelheid ▪ inwendige in m s . t_1 is deachtergrondkleur. halveringstijd in s. De legenda gemaakt. 2 ▪ f is de frequentie in Hz. geeft de betekenis van Zichtbaar licht en röntgenstraling zijn voorbeelden van elektromagnetische golven . elk ▪ λ is de golflengte in m. Echografie maakt gebruik van geluidsgolven. Geluidsgolven dringen wel door in het

symbool.

lichaam, maar behoren niet tot de elektromagnetische golven.

vijf verschillende eenheden worden gebruikt bij de halveringstijd.

10

Net als voor andere golven geldt voor de golfsnelheid van elektromagnetische golven v = f ∙ λinclusief . De golfsnelheid is bij elektromagnetische golven gelijk aan de lichtsnelheid c. De voorbeelden uitwerking Voorbeeld Rekenen met halveringtijd Volgens Einstein is dit de grootst mogelijke snelheid in het5heelal. Grotere snelheden hebben een blauwe achtergrondkleur. zijn nog nooit waargenomen. Een radioactieve stof bevat de isotoop jood-131. Op het tijdstip t = Als je alle voorbeelden hebt Voor elektromagnetische golven geldt dus: 2,8·1013 atoomkernen van deze isotoop aanwezig. De halveringstijd v h o o f dstuk 1 1

bestudeerd heb je een goede basis c=f∙λ voor het maken van de opgaven aan ▪ cparagraaf. is de lichtsnelheid in m s−1. het einde van de ▪ ▪

f is de frequentie in Hz. λ is de golflengte in m.

8,0 dagen. a Bereken hoeveel atoomkernen I-131 nog aanwezig zijn na 20,0 da b Bereken na hoeveel dagen 93,75% van de kernen is vervallen. Uitwerking

Opsommingen blokjes zijn dat nog over is, geldt: a elkaar, Voor het atoomkernen Vergelijk je in de vier kernreacties de getallen met danaantal ziemet je dat de volgende t _1 ) n met n = _ N = N ⋅ ( belangrijke onderdelen van de theorie twee behoudswetten gelden: 2 0 t_ 13 ▪ Behoud van massagetal: de som van de massagetallen = 2,8⋅ 10 die je N goed moet onthouden of kunnen rechts van de pijl is gelijk 0 20,0 aan de som van de massagetallen links vantoepassen. de pijl. Hier wordt bijvoorbeeld n = ____ = 2,5 8,0 rechts van de pijl is ▪ 1 0 Behoud ladingsgetal: de som van de atoomnummers h ovan ofd stu k 11 beschreven hoe 1 2,5 probleem het best 13 je _ N = 2,8⋅10 × ( een 2) gelijk aan de som van de atoomnummers links de pijl. kuntvan aanpakken. 1 2

36 o ofd stuk 11 Moet je zelf een vergelijking opstellen, dan hmaak je gebruik van deze twee behoudswetten. Het symbool van een onbekende atoomsoort leid je af met behulp van het atoomnummer. SysNat_6_vwo_2023.indb 6

Voorbeeld 3 Kernreactie opstellen

27/10/2023 11:55

Aan het eind van een paragraaf vind je een aantal opgaven. Achterin dit boek staat een lijst met uitkomsten. Hiermee kun je controleren of je een vraag goed hebt beantwoord.

Lijst van uitkomsten Hoofdstuk 11

e 1,9·1010 g 3,6·1014 25 c 8,2∙10 −3 Bq 26 b nee 27 c 2,2·10 −4 Sv 29 b diepliggend 30 b bètastraling 31 b 1,1·1011 32 c 29 d 1,7∙10 −4 Sv 33 b lood-210 d 3,0·10 −3 Sv e 8,8·102 WL 34 d 1,9∙10 −12 m e 1,9∙102 mBq

2 c nee 3 a 1,6·106 Hz b hoger Wil je de volledige uitwerking van 5 a 5,60 m een vraag inzien, dan kun je die b 1,26 T krijgen van je docent. d vetweefsel 6 a uv-C b nee Afsluiting c 3,41·1019 Hz d harde röntgenDe Afsluiting is de laatste paragraaf van elk hoofdstuk. straling De afsluiting begint met een samenvatting7 van de theorie. 4,1 cm 8 verpakking 1 9 a kleiner 10 kleine Hoofdstuk 12 11 Tom 12 a 0,70 cm 1 b 8,7 jaar Samenvatting 25% grijs c links wit in beeld te brengen. d 25 Medische beeldvorming gaat over technieken om0,097% het lichaam 100% gesteld, zwart een ziekte e 0,153R⊙ Met het resultaat van zo’n techniek wordt een diagnose 13 a 66 2 d ja Zn gebruik gemaakt van opgespoord, een operatie gemakkelijker. Daarbij wordt 30 3 b 46% b 5 verschillende soorten straling: straling die gebaseerd is op ultrasoon geluid, c 1 maakt van deeltjes: alfa- cen53 elektromagnetische straling en straling die gebruik Verderbètastraling. vind je in de Afsluiting een lijst met alle die in het hoofdstuk 4 c 120 Kzijn d formules 1 5 b 1,1·107 J 14 a stabiel besproken. b instabiel c Lisa Echografie gebruik vanvan ultrasone geluidspulsen. Uit devan reflectie van die Daaronder staatmaakt een overzicht de BINAS-tabellen die belang zijn bij de c instabiel 6 a 4,53·103 K pulsen een computer het beeld. theorie van berekent het hoofdstuk. d instabiel b roder e stabiel 7 in b beeld 7,1·1019 m Bij een MRI-scan wordt de verdeling van de waterstofatomen in het lichaam Gegevens die betrekking hebben op dit hoofdstuk f instabiel 8 c 6,52∙10 gebracht. MRI is gebaseerd op het feit dat waterstofkernen zich gedragen als kleine 11 kg 18 a staan 8deel van 9 b 9,34∙1037 magneetjes. MRI-scan resoneert een de waterstofkernen De formules Tijdens die in diteen hoofdstuk besproken zijn, hieronder bij elkaar. b 7in alle richtingen te meten c 4,28·109 kg per waarbij radiostraling ontstaat. Door deze straling −9 19van b 10 seconde s berekent een computer een dwarsdoorsnede het lichaam. lichtsnelheid c=f ∙λ 10 a 5,5·1017 kg m−3 20 a 71,0% 21 b nee Elektromagnetische straling bestaat uit energiepakketjes, fotonen genoemd.bDe106 K h om ⋅ c in plaats vanc joule c hvaak ja∙ f enhandig 7,2·107 m s−1 energie van een foton is erg klein. Daarom isEhet fotonenergie = Ef = _ f λ d 15 dagen 11 b Rigel een andere eenheid te gebruiken: de elektronvolt. 22 zes c 3,0 uur met steeds kleinere 12 a lager Het elektromagnetische spectrum bestaat uit gebieden verzwakking elektromagnetische d _1 ) n met n = _ I =alicht, I0 ⋅preparaat ( 23 I d röntgenstraling c 10 golflengten: radiogolven, infrarood, zichtbaar en7 2 ultraviolet, stralingin de afsluiting gaan vaak over meerdere hoofdstukken _ De opgaven en zijn op gammastraling. examenniveau. Fotonen van radiostraling hebben weinig energie. De_1 fotonen van t ultraviolette, vervallen van kernen N = N0 ⋅ ( 2 ) n met n = _ t _ vormen van röntgen- en gammastraling hebben veel energie en zijn daardoor 1 7hebben 8 l ij st vaenergie n u i t ko om mste n ioniserende straling. Hun fotonen genoeg elektronen uit atomen Opgaven t n=_ A = A 0 ⋅ (_12 ) n metontstaan weg te slaan, waardoor deeltjes met andere eigenschappen en dat kan t_ gevaarlijk zijn. dN = − _ ΔN ▶ tekenblad 33 In de Radon Health Mine in de A = − _ activiteit op een tijdstip ( Δt )raaklijn Amerikaanse staat Montana kunnen dt ln 2 ⋅ N Je kunt in aanraking komen met ioniserende via natuurlijke en kunstmatige =_ mensen radontherapie ondergaan.Astraling t_1 2 stralingsbronnen. Natuurlijke stralingsbronnen voor achtergrondstraling. Tien dagen lang verblijven ze enkele zorgen Dit is de som van de straling die radioactieve stoffen in de aarde uitzenden en de uren per dag in een ondergrondse E (geabsorbeerde stralings)dosis D=_ kosmische straling uitwaar het heelal. Het röntgenapparaat is een voorbeeld van een mijntunnel de lucht een hoge m kunstmatige stralingsbron. concentratie aan radioactief radon

11.6 Afsluiting

13 a blauwwit b 0,03 c Aldebaran 14 b ja c 0,32 × zonne constante 15 b 8 c 3-2, 4-2, 5-2 16 a b waterstof c groter 17 c nee d nee 18 b 8,84·105 m s−1 19 b 486 en 656 20 a c nee 21 a spectrum 1 c 22 dagen 23 a C 24 b 8,7 nm 25 b 1,5∙10 −17 s−1 d 26 a 3·106 m s−1 d 6,0·109 jaar e 2,9∙108 m s−1 27 a c 4,91·104 m s−1 28 b e waterdamp f 2049

Hoofdstuk 13 2 a smaller c groter d kleiner 3 a energie 4 c violet e minder

1 2

1 2

1 2

bevat. De(dosisequivalent) straling waaraan de equivalente dosis H = wR ⋅ D Een radioactieve vervalt uiteindelijk. Daarbij kunnen alfastraling, bètastraling mensenstof worden blootgesteld heeft en gammastraling ontstaan. een heilzame werking, zo wordt Bij alfaverval stoot kern twee neutronen De formules kun je de terugvinden in tabel 35E2 en E3. uit: een heliumkern. beweerd. Het radon inprotonen deBINAS mijn isen detwee Bij bèta-min-verval zendt de kern een elektron uit terwijl in de kern eenbelang neutron in In BINAS tabellen 7A, 15A, 25A, 27D en 28F vind je de gegevens die van zijn isotoop radon-222. In figuur 11.35 is SysNat_6_vwo_2023.indb 7

27/10/2023 11:55

Aan het einde van de afsluiting vind je per paragraaf een checklist van de begrippen en leerdoelen. De leerdoelen geven je een kort overzicht van wat je moet kennen en kunnen voor het eindexamen.

Checklist voor begrippen en leerdoelen Hierna vind je een overzicht van de begrippen en leerdoelen per paragraaf. Kruis de leerdoelen aan waarvan jij vindt dat je ze nu beheerst. Bij de leerdoelen die je nog niet helemaal beheerst noteer je de acties die je gaat ondernemen om het leerdoel alsnog te kunnen behalen.

Paragraaf 2 Röntgenfotografie en CT-scan Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: röntgenfoto, röntgenstraling, intensiteit, doorlatings­ kromme, halveringsdikte, strooistraling, CT­scan



uitleggen hoe bij röntgenfotografie een beeld van het inwendige van het lichaam ontstaat



beschrijven dat de intensiteit van de doorgelaten



niet alleen afhangt van de dikte en het Iconenröntgenstraling in de kantlijn soort materiaal, maar ook van de fotonenergie

De iconen de kantlijn(ofhebben de volgendebepalen betekenis:  uit een in (I,d)­diagram doorlatingskromme) hoe groot de halveringsdikte van het materiaal is

Start

Als je

in de kantlijn ziet, weet je dat er digitale opdrachten

uitleggen hoe bij een CT­scan een beeld van het  die je (aanvullend) kunt de maken. Na het maken krijg je direct inwendige van hetzijn lichaam ontstaat, en wat daarbij feedback. overeenkomsten en verschillen zijn met röntgenfotografie Er zijn vier soorten opdrachten:

Maak de startvragen

– Start het begin een paragraaf berekeningen maken en redeneren metaan de formule voorvan  – doorgelaten Oefenen Astraling: na Ide de intensiteit van de = I0helft . (_12 ) n van met de paragrafen d n=_ – Oefenen B na de laatste paragraaf d_ 1 2

– Zelftoets

digitaal over het hele hoofdstuk

Staat het icoon applet in de kantlijn, dan kun je digitaal een ▶ Paragraaf applet 3 Kernstraling Significante experiment nabootsen of oefenen met een specifiek onderwerp. cijfers Ik kan Acties Eventuele opdrachten krijg je van je docent.

de volgende begrippen beschrijven en toepassen:  kunstmatige stralingsbron, stof, natuurlijke Staat hetradioactieve icoon practicum in de kantlijn, dan is op de ▶ practicum stralingsbron, kosmische straling,een achtergrondstraling, Dichtheid van docentensite practicum beschikbaar. Je docent bepaalt vurenhout proton, neutron, ion, atoomnummer, massagetal, wanneer en op welke manier je een practicum aangeboden krijgt. isotopen, kernstraling, radioactief verval, α­straling, β­straling, γ­straling, positron, annihilatie, creatie, Bij sommige opgaven staat het icoon tekenblad. Dan moet er ▶ tekenblad kernreactie, doordringend vermogen, dracht, ioniserend getekend worden in een fi guur in het boek. De originele vermogen, nucleaire diagnostiek, gammacamera, tracer, PET­scan, β+­straling tekenbladen vind je in je eigen digitale omgeving, zodat je een

tekenopdracht ook hierop kunt maken. 56

SysNat_6_vwo_2023.indb 8

o o fd stuk 1 1 ▶h hulpblad

Bij sommige vragen is een hulpblad beschikbaar. Op dit hulpblad wordt in stappen duidelijk gemaakt hoe je een vraag kunt beantwoorden. Een hulpblad krijg je van je docent.

27/10/2023 11:55

13

Quantumwereld

Onze huizen worden smart met intelligente technieken voor energievoorziening, beveiliging en bediening. Denk aan zonnepanelen, sensoren, leds en lasers. Gegevens worden verwerkt met computers en smartphones. Deze moderne apparaten hebben gemeen dat ze gebruik maken van de quantumtheorie, die na 1900 opkwam en ons inzicht in het gedrag van licht en materie grondig heeft veranderd. In dit hoofdstuk lees je meer over de bijzondere eigenschappen van licht en elektronen en hoe die eigenschappen worden toegepast in de digitale technieken.

SysNat_6_vwo_2023.indb 109

27/10/2023 11:56

Een lasersnijder snijdt met behulp van licht de letters nauwkeurig uit. Laserlicht is een vorm van licht met bijzondere toepassingen. Wat is licht, en hoe maak je het zo sterk dat je ermee kunt snijden?

Figuur 13.1

13.1 Licht als golf Modellen van licht Start Maak de startvragen

In de zeventiende eeuw waren er twee theorieën over licht: ▪ Het deeltjesmodel van Newton Newton stelde dat licht uit een stroom deeltjes bestaat. Volgens deze opvatting zendt een lichtbron voortdurend ‘lichtdeeltjes’ uit en zijn lichtstralen de banen van die deeltjes. ▪ Het golfmodel van Huygens Huygens stelde dat licht bestaat uit trillingen die zich zeer snel voortplanten. Licht zou dan een golfverschijnsel zijn, net als geluid of golven in het water. Om onderscheid tussen deze theorieën te maken, heb je verschijnselen nodig die het ene model wel kan verklaren, en het andere niet. In deze paragraaf lees je dat licht gedrag vertoont dat kenmerkend is voor golven, en hoe je dat gedrag kunt waarnemen.

Diffractie bij een spleet Als je een steen in het water gooit, gaat het water op die plek op en neer bewegen. Vanuit dit punt ontstaat een cirkelvormige golf die zich in alle richtingen uitbreidt. Zo’n trillend punt noem je een puntbron. Een ander type golf is de vlakke golf. Dat is een golf waarbij de golfbergen en golfdalen evenwijdig aan elkaar in één richting bewegen.

1 10

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 110

27/10/2023 11:56

Laat je een vlakke golf op een kleine opening vallen, dan zie je dat de golf na de opening breder is dan de opening zelf. Zie figuur 13.2. Dit verschijnsel heet diffractie en komt voor bij alle soorten golven. Een ander woord voor diffractie is buiging.

a

b

Figuur 13.2

Vallen vlakke watergolven op een spleet die tien keer zo breed is als de golflengte van de golf, dan is de vlakke golf direct na het passeren van de opening vrijwel even breed als de spleet, en een stukje verder is de vlakke golf iets breder dan de spleet. Zie figuur 13.2a. Komt een vlakke golf aan bij een spleet smaller dan één golflengte, dan kan de trilling alleen op de plek van de opening worden doorgegeven. De opening gedraagt zich daardoor als een puntbron. De vlakke golf breidt zich vanuit de opening als een cirkelvormige golf uit in alle richtingen. Zie figuur 13.2b.

Intensiteit van licht bij diffractie Als licht zich gedraagt als een golf, moet dat zichtbaar zijn aan de variaties in de intensiteit van het licht. Laat je licht op een spleet vallen, dan zie je voorbij de spleet inderdaad verschillen in intensiteit. De intensiteit van het licht achter de spleet hangt af van de plaats ten opzichte van de spleet. De intensiteit van het licht is het grootst recht achter de spleet, dus bij α = 0°. Zie figuur 13.3. Deze intensiteit heeft symbool I(0). De intensiteit bij een bepaalde hoek heeft symbool I(α). Om de verandering in intensiteit bij verschillende spleetbreedtes gemakkelijker met elkaar te kunnen I​(α)​ vergelijken, bepaal je de relatieve intensiteit _ ​​   ​​  . I​(0)​

I(𝛼𝛼)

I(0)

𝛼𝛼

Figuur 13.3

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 111

111

27/10/2023 11:56

In figuur 13.4 zie je voor drie spleetbreedtes de grafiek van de relatieve intensiteit als functie van hoek α. Figuur 13.4a hoort bij een spleet met een breedte die tien keer zo groot is als de golflengte. Er treedt nauwelijks diffractie op. Het meeste licht gaat rechtdoor en komt in het midden terecht tussen A en B. Bij A en B is de intensiteit nul. Je ziet dat links van A en rechts van B ook nog een beetje licht komt. a

b

1,0

I(𝛼𝛼) I(0) A –

c

1,0

1,0

I(𝛼𝛼) I(0) M

–

I(𝛼𝛼) I(0)

B –

–

–

–

Figuur 13.4

In 13.4b is de breedte van de spleet ongeveer gelijk aan de golflengte. Dan is de middelste piek breder. Er treedt meer diffractie op. Figuur 13.4c geldt voor een spleet die smaller is dan de golflengte. Je ziet dat de relatieve intensiteit zeer geleidelijk verandert. De diffractie is maximaal. De mate van diffractie hangt dus af van de verhouding tussen golflengte en spleetbreedte. Omdat licht een zeer kleine golflengte heeft, bleef lang onduidelijk dat licht een golfverschijnsel is. Voorbeeld 1 Diffractie bij een deuropening

Je staat bij een deuropening. Net om de hoek staat iemand die je niet kunt zien, maar als hij spreekt kun je hem wel horen. Leg uit hoe dat kan. Maak een schatting van de orde van grootte van een deuropening, en gebruik daarbij de orde van grootte van de frequenties van hoorbaar geluid en zichtbaar licht. Uitwerking Een deuropening heeft een ordegrootte van 1 meter. De geluidssnelheid is 340 m s−1. De orde van grootte van de frequentie van hoorbaar geluid is 102 tot 104 Hz. Uit v = f ∙ λ volgt dat de golflengte 0,034 tot 3,4 m is. Voor zichtbaar licht is de orde van grootte van de frequentie 1014 Hz en de golfsnelheid is 3∙108 m s−1. De orde van grootte van de golflengte is dan 10 −6 m. Voor geluid is een deuropening dus enkele golflengtes tot minder dan één golflengte breed. Daardoor is er voldoende diffractie en hoor je geluid om de hoek. Voor zichtbaar licht is een deuropening miljoenen golflengtes breed. Dan is de diffractie verwaarloosbaar.

1 12

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 112

27/10/2023 11:56

Valt het rode licht van een laser op een spleet van ongeveer 1 µm, dan zie je het schermbeeld van figuur 13.5.

Figuur 13.5

Je ziet een brede lichtvlek, waarvan de intensiteit zeer geleidelijk verandert. Er is dus veel diffractie. De breedte van de spleet heeft dus dezelfde ordegrootte als de golflengte van het rode licht van de laser: 650 nm = 0,650 µm. Buigingsverschijnselen treden niet alleen op bij een opening. Ook als een golf op een obstakel valt, treedt diffractie op. Is de breedte van het obstakel hoogstens één golflengte, dan buigt de golf om het obstakel heen. Er treedt volledige diffractie op. Is de breedte van het obstakel tien keer de golflengte, dan zie je achter het obstakel nauwelijks diffractie en komen daar geen golven (bij licht: is het daar donker).

Interferentie, knooplijnen en buiklijnen Hoewel in de 17e eeuw al werd ontdekt dat bij licht diffractie optreedt, waren de voorstanders van het deeltjesmodel van licht niet overtuigd. Dat veranderde pas toen werd ontdekt dat licht ook interferentie vertoont. In het hoofdstuk Trillingen en golven is interferentie van geluid besproken. Lopen twee geluidsgolven met dezelfde frequentie en amplitude door elkaar, dan ontstaan knopen en buiken. Dit verschijnsel kun je onderzoeken met twee luidsprekers aangesloten op een toongenerator. In figuur 13.6a is een momentopname van deze situatie getekend. A en B stellen twee bronnen voor die cirkelvormige geluidsgolven uitzenden. De zwarte cirkels om A en B stellen de maxima van de verdichtingen voor. De afstand tussen twee van deze cirkels is één golflengte. De gestreepte cirkels zijn de minima van de verdunningen op een afstand van een halve golflengte van de doorgetrokken cirkels. Het gereduceerde faseverschil tussen een gestreepte cirkel en een zwarte cirkel is dus steeds 0,5. Aan het patroon van doorgetrokken en gestreepte cirkels zie je dat de bronnen A en B in fase trillen.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 113

113

27/10/2023 11:56

A

B

P Q

a R S 𝜆𝜆

b Figuur 13.6

Op het getekende moment in figuur 13.6a is in punt P zowel uit bron A als uit B een golf aangekomen. Het verschil in weglengte is PA − PB = 0. Omdat A en B in fase trillen, zijn ook de golven die in P arriveren in fase. Er ontstaat dus een buik in P. Ook voor het punt Q geldt QA − QB = 0, en dus arriveren ook hier de golven in fase, en is er een buik. Op alle punten op de blauwe lijn door P en Q geldt dat de golven in fase arriveren, en dat er een buik wordt gevormd. Zo’n lijn noem je een buiklijn. Op een buiklijn versterken de golven elkaar maximaal. Ook in punt R komen golven uit A en B aan. Door de doorgetrokken lijnen en gestreepte lijnen in de tekening te tellen, zie je dat R A = 3,5λ en R B = 2λ. Voor het weglengteverschil geldt R A − R B = 1,5λ. Als in R een maximum uit A arriveert, dan arriveert tegelijkertijd een minimum uit B, en omgekeerd. De golven uit A en B werken elkaar steeds tegen, ze zijn in tegenfase. Ook in punt S is dat zo. In de punten R en S ontstaat een knoop. De rode lijn door R en S bestaat uit knopen, en die lijn noem je een knooplijn. Op een knooplijn doven de golven elkaar bijna volledig uit. Alle blauwe lijnen in figuur 13.6a zijn buiklijnen en alle rode lijnen zijn knooplijnen. Loop je langs de groene lijn, dan varieert de amplitude. Passeer je een knoop, dan is de amplitude minimaal, bij een buik is de amplitude maximaal. Daardoor hoor je het geluid afwisselend zachter en harder worden. Figuur 13.6b toont de intensiteit van de golven op de groene lijn.

Proef van Young Voor constructieve en destructieve interferentie is het essentieel dat de twee bronnen dezelfde frequentie en amplitude hebben, en een vast faseverschil. Dit is lastig te realiseren met lichtbronnen.

1 14

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 114

27/10/2023 11:56

In 1805 kwam de Engelsman Thomas Young met een oplossing. Zie figuur 13.7. Eerst liet hij licht op één smalle spleet vallen, waarna het door diffractie uitwaaiert. Dit licht liet hij vervolgens op twee smalle spleten vallen die even ver van de eerste spleet afliggen. Deze spleten dienen op hun beurt weer als puntbronnen. Licht uit deze twee spleten is uit één oorspronkelijke bron afkomstig en heeft dus dezelfde frequentie, amplitude en faseverschil. Achter de dubbele spleet ontstaan daardoor op dezelfde manier als in figuur 13.6 knoop- en buiklijnen.

Figuur 13.7

Tralie Young gebruikte een dubbele spleet. Bij praktische toepassingen van interferentie van licht gebruik je meestal een tralie. Hierin zitten niet twee, maar heel veel spleten op regelmatige afstand. De afstand tussen twee aangrenzende spleten heet de tralieconstante d. Bij een tralie wordt meestal gesproken over lijnen in plaats van spleten. Bij de info over een tralie staat dan het aantal lijnen per mm. Hiermee bereken je de afstand tussen twee lijnen en dus tussen twee spleten. Laat je het rode licht van een laser via een tralie op een scherm vallen, dan zie je op het scherm slechts op bepaalde plaatsen een rode stip. Op die plaatsen ontstaan dus maxima en is er constructieve interferentie. Op alle andere plaatsen is er destructieve interferentie. In figuur 13.8 zie je een schematisch bovenaanzicht.

scherm

Figuur 13.8

Het licht dat op de tralie valt gaat dus verder langs buiklijnen. Het rechtdoorgaande licht volgt de buiklijn, aangeduid met n = 0. Dit noem je het licht van de nulde orde. Aan beide kanten van de nulde orde komt licht van de eerste orde, aangeduid met n = 1. Weer verder naar buiten loopt aan beide kanten licht van de tweede orde, aangeduid met n = 2. De bijbehorende hoek α is de hoek tussen het rechtdoorgaande licht en het licht van de tweede orde. Zie het grijze vlak in figuur 13.8. Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 115

115

27/10/2023 11:56

Hoe groter de traliecontante, des te kleiner is hoek α. Hoek α is ook kleiner als de golflengte kleiner is. De formule voor de maxima van een tralie geeft het verband tussen hoek α en de golflengte λ van het licht. Er geldt: ​d ⋅ sin (α ) = n ⋅ λ​ ▪ ▪ ▪ ▪

d is de tralieconstante in m. α is de hoek tussen het afgebogen licht en het rechtdoorgaande licht. n is een geheel getal (0, 1, 2, 3, …). λ is de golflengte in m.

In opgave 6 leid je af dat bij een tralie alleen smalle maxima op het scherm te zien zijn en dat op andere plaatsen destructieve interferentie optreedt. De formule voor de maxima van een tralie leid je als volgt af. Zie figuur 13.9. Je ziet twee lichtstralen die door twee aangrenzende spleten worden afgebogen. Op het scherm komen deze lichtstralen samen en interfereren ze. Het faseverschil komt door het weglengteverschil tussen de twee lichtstralen. Omdat de afstand tot het scherm veel groter is dan de afstand tussen de spleten, is de hoek die de lichtstralen maken met de normaal voor beide spleten nagenoeg gelijk, zie de uitvergroting aan de linkerkant in figuur 13.9.

𝛼𝛼

d Δx

𝛼𝛼

tralie

scherm

Figuur 13.9

Om het weglengteverschil Δx aan te geven, trek je een loodlijn van de bovenste spleet naar de lichtstraal uit de onderste spleet. Zo ontstaat een rechthoekige Δx ​​. Voor maxima is constructieve driehoek met tophoek α. Er geldt: ​sin​(α)​ = ​  _ d interferentie nodig en die treedt op als Δx = n · λ, met n een geheel getal. Δx ​​ en Δx = n · λ volgt de formule voor de maxima van een tralie. Uit ​sin​(α)​ = ​  _ d Voorbeeld 2 Golflengte bepalen met een tralie

De tralie in figuur 13.8 heeft 535 lijnen per mm. De afstand van de tralie tot het scherm is 1,75 m. De afstand PQ bedraagt 1,61 m. Bepaal de golflengte van het gebruikte licht. Uitwerking d ​ ⋅ sin​(α)​ = n ⋅ λ​ De tralieconstante bereken je uit het aantal lijnen per mm = 10 −3 m. ​10​​  −3 ​​ = 1,869⋅​10​​  −6​  m​. Er zijn 535 lijnen per mm. Dus d ​ = ​ _ 535

1 16

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 116

27/10/2023 11:56

Hoek α bereken je uit de afstand PQ en de afstand tussen de tralie en het scherm. PQ 1,61 ​tan​(α)​ = ​ _ ​ = ​ _ ​  ​ MP 1,75 Hieruit volgt α = 42,61°. De waarde van n bepaal je uit figuur 13.8. Bij de afstand PQ hoort n = 2. Invullen levert: 1​ ,869⋅​10​​  −6​  ⋅ sin​(42,61)​= 2 ⋅ λ​. λ = 6,326·10 −7 m Afgerond: λ = 6,33·10 −7 m.

Diffractie en interferentie om ons heen Licht en geluid zijn beide golfverschijnselen. De golflengte van geluid varieert van enkele centimeters tot enkele meters. De golflengte van zichtbaar licht ligt rond de 550 nm. In voorbeeld 1 heb je gezien dat geluid eenvoudig om alledaagse voorwerpen buigt, en licht nauwelijks. Zijn de obstakels kleiner dan de golflengte van het licht, dan vertoont ook licht diffractie. Daardoor kun je met een lichtmicroscoop geen voorwerpen zien die veel kleiner zijn dan de golflengte van licht. Al is de vergroting nog zo sterk, het licht buigt in alle richtingen om het voorwerp en geeft dus geen (duidelijk) beeld. Als je wit licht op een cd laat vallen, zie je allerlei kleuren. In figuur 13.10 zie je het witte tl-licht en tegelijkertijd de kleuren waaruit het tl-licht is opgebouwd. Een cd is gemaakt van spiegelend materiaal. De informatie op een cd is vastgelegd in kleine putjes die in een spiraalvorm op de cd liggen. De afstand tussen de windingen van de spiraal is steeds gelijk. Daardoor vormen ze een tralie. Door de tralie vertoont het teruggekaatste licht diffractie en interferentie. De richting waarin de maxima liggen hangt af van de golflengte, en dus van de kleur. Daardoor zie je in verschillende richtingen allerlei kleuren van het licht.

Figuur 13.10

De informatie op een cd wordt afgelezen met een laser. In een laser wordt met behulp van interferentie licht van één golflengte gemaakt en versterkt. Bij het aflezen van de cd is vooral van belang dat het licht van de laser slechts één frequentie heeft. De versterking van het licht bij een laser geeft weer andere toepassingen, zoals een lasersnijder.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 117

117

27/10/2023 11:56

Opgaven 1

Verklaar de volgende verschijnselen: a In een dal tussen hoge bergen komt een radio-uitzending op de korte golf slecht door als de zendmast in een ander dal staat. Uitzendingen op de lange en middengolf van die zendmast zijn veel beter te ontvangen. b Bij een openluchtconcert draagt het geluid heel ver. Op grote afstand hoor je echter vooral de lage tonen. c Voor onderzoek aan de structuur van kristallen wordt röntgenstraling gebruikt. Zichtbaar licht is hiervoor niet geschikt.

2

Jeroen laat een evenwijdige bundel geel licht vallen op een plaatje met twee spleten. Op een wit scherm achter de spleten ziet Jeroen het interferentiepatroon van figuur 13.11. De golflengte van het licht is 589 nm. a Leg uit of een spleet breder of smaller is dan 589 nm. b Leg uit waarom Jeroen afwisselend gele en witte strepen ziet. Jeroen verandert de afstand tussen de spleten. De gele strepen komen daardoor dichter bij elkaar te liggen. c Heeft Jeroen de afstand tussen de spleten groter of kleiner gemaakt? Licht je antwoord toe. De strepen liggen ook dichter bij elkaar als Jeroen een andere kleur licht gebruikt. d Is de golflengte van die kleur licht dan groter of kleiner? Licht je antwoord toe.

3

Figuur 13.11

Een brede evenwijdige bundel licht valt op een spleet. Zie figuur 13.12. De grafiek laat de lichtintensiteit op een scherm achter de spleet zien.

A B

Figuur 13.12

Figuur 13.13

In figuur 13.13 valt dezelfde bundel licht op een voorwerp. Dit voorwerp is precies even breed als de spleet in figuur 13.12. De lichtintensiteit op het scherm in figuur 13.13 is precies omgekeerd aan die in figuur 13.12. Dit heet het principe van Babinet.

1 18

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 118

27/10/2023 11:56

a Noem de natuurkundige wet die samenhangt met dit principe. b Beschrijf met het principe van Babinet de diffractie rondom een voorwerp: 1 als het voorwerp veel groter is dan de golflengte van het licht; 2 als het voorwerp veel kleiner is dan de golflengte van het licht. 4

Annick laat het licht van een neonlaser op een tralie vallen. Ze ziet op het scherm in zeven richtingen rood licht. Dit zijn de plaatsen waar de buiklijnen het scherm raken. Het scherm staat op een afstand van 1,75 m van de tralie. Figuur 13.14 is een schematisch bovenaanzicht.

scherm

Figuur 13.14

De golflengte van het licht van de neonlaser is 633 nm. De tralie bestaat uit 500 lijnen per mm. a Leg uit waarom er maar in zeven richtingen rood licht te zien is. Laat je een straal wit licht op zo’n tralie vallen, dan zie je in het midden een witte streep. Op de zes andere plaatsen zie je spectra met alle kleuren tussen rood en violet. b Leg uit waarom de streep in het midden wit is en op de andere plaatsen niet. Zowel links als rechts van de witte streep is een volledig spectrum te zien. c Leg uit welke kant van deze spectra het dichtst bij de witte streep ligt: rood of violet. Het spectrum op de plaats n = 2 valt gedeeltelijk over het spectrum met n = 3. d Leg met de formule voor de maxima van een tralie uit waarom dat zo is. De overlap is kleiner bij een andere tralie. e Heeft deze andere tralie meer of minder lijnen per mm? Licht je antwoord toe. 5

Een eenvoudige spectroscoop maak je zelf uit een kartonnen doosje met één schuine rand. In figuur 13.15 zie je een foto en een dwarsdoorsnede. Licht uit een lichtbron valt via een spleet naar binnen, en reist door het doosje naar de schuine zijde aan de overkant. Daar zit een venster met traliefolie. Deze traliefolie bevat 1000 lijnen per mm. Door de tralie wordt het licht gebogen en valt het uiteen in een spectrum van verschillende golflengtes. Daarvoor moet je wel in de goede richting kijken.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 119

119

27/10/2023 11:56

φ

spleet

n=0

lichtstraal

a

b

n=1

Figuur 13.15

Leg uit waarom je in de richting aangegeven met n = 1 een spectrum van het licht kunt zien, maar in de richting van n = 0 niet. Loodrecht op de tralie zie je het licht van de eerste orde. In deze richting zie je het midden van het spectrum van zichtbaar licht bij 575 nm. b Bereken de hoek φ tussen de bovenzijde van het doosje en de tralie. a

▶ hulpblad

6

In een plaat bevinden zich vier spleten op gelijke afstand van elkaar. Op de plaat valt een vlakke golf. Daardoor zijn de golven uit de spleten in fase. Achter de spleten treedt interferentie op tussen de golven uit de vier spleten.

Figuur 13.16

Figuur 13.16 laat de richting zien van de golven die interfereren in de punten A en B. Ligt een punt, in vergelijking met de afstand tussen de spleten, heel ver van de plaat af, dan mag je aannemen dat de golven richting dat punt evenwijdig aan elkaar lopen. Zie de vergroting in figuur 13.16. In werkelijkheid komen telkens vier golven samen in een punt. a Leg uit dat de golven in punt A maximaal constructief interfereren. Voor de ‘evenwijdige’ golven in de richting van B is het faseverschil tussen de golven van twee naast elkaar gelegen spleten steeds gelijk aan _14 . b Leg uit dat de golven uit de vier spleten in de richting van B toch maximaal destructief interfereren in punt B. c Leg uit dat maximale destructieve interferentie achter de vier spleten ook optreedt als het faseverschil tussen golven uit twee naast elkaar gelegen spleten _12 of _34 is.

1 20

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 120

27/10/2023 11:56

In sommige punten treedt alleen maar constructieve interferentie op. In die richtingen ontstaan maxima. d Geef aan wat er dan geldt voor het faseverschil tussen de golven uit twee naast elkaar gelegen spleten. Als je in het interferentie-experiment in plaats van vier spleten veel spleten gebruikt, blijven de maxima op hun plaats. e Leg uit dat in de punten tussen de maxima vrijwel alleen maximale destructieve interferentie plaatsvindt. Laat je wit licht op spleten vallen, dan splitst het licht in verschillende kleuren en ontstaat er een spectrum. f Leg uit dat je voor een goed spectrum beter een tralie met veel spleten kunt gebruiken dan een tralie met vier spleten.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 121

121

27/10/2023 11:56

Boven dit oplaadpunt liggen zonnepanelen die stralingsenergie omzetten in elektrische energie. Zichtbaar licht van de zon wordt omgezet in elektrische energie, infraroodstraling niet. Hoe verloopt de interactie van licht met elektronen?

Figuur 13.17

13.2 Fotonen Problemen voor het golfmodel van licht Nadat Thomas Young had aangetoond dat licht diffractie en interferentie vertoont, waren de meeste natuurkundigen overtuigd dat licht een golfverschijnsel is. In de negentiende eeuw werden echter een aantal ontdekkingen gedaan die niet te verklaren zijn met het golfmodel voor licht. Twee van die ontdekkingen zijn: ▪ Zichtbaar licht kan elektronen vrijmaken uit materialen, maar infraroodstraling niet. ▪ Het stralingsspectrum van gassen is een lijnenspectrum. Max Planck gaf in 1900 de eerste aanzet tot een verklaring van die ontdekkingen. Hij nam aan dat stralingsenergie bestaat uit een stroom ondeelbare energiepakketjes, fotonen. Zo’n ondeelbaar energiepakketje noemde hij een quantum. Planck stelde dat de energie van die pakketjes evenredig is met de frequentie van de bijbehorende straling: Ef = h · f.

Straling maakt elektronen vrij ▶ applet Foto-elektrisch effect

1 22

Als licht op een metaal valt, kan de stralingsenergie van het licht worden geabsorbeerd door elektronen in het metaal. Krijgt een elektron daardoor genoeg energie, dan verlaat het elektron het metaal. Vanuit het golfmodel van licht verwacht je dat een stralingsbron met grote intensiteit veel elektronen per seconde vrijmaakt. In 1887 ontdekte Heinrich Hertz bij zijn experimenten dat niet alleen de intensiteit, maar ook de frequentie van het licht een rol speelt.

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 122

27/10/2023 11:56

Wordt een plaatje lithium met groen licht bestraald, dan komen er per seconde weinig elektronen vrij. Rood licht maakt bij lithium geen enkel elektron vrij, hoe groot de intensiteit van het licht ook is. Bij blauw licht komen altijd elektronen vrij, ook bij een kleine intensiteit. Elektronen verlaten het metaal blijkbaar alleen als de frequentie groot genoeg is en dus de golflengte klein genoeg. En hoe groter de frequentie, des te groter bleek de snelheid van het elektron dat het lithium verlaat. Zie figuur 13.18.

v v

Figuur 13.18

In 1905 realiseerde Einstein zich dat de hypothese van Planck de problemen met het vrijmaken van elektronen uit metalen oplost. Einstein stelde dat een elektron in een metaal slechts één foton kan absorberen. Heeft zo’n foton te weinig energie, dan kan het geen elektron vrijmaken. Uit Ef = h ∙ f volgt dus dat het vrijmaken van een elektron afhangt van de frequentie van de straling.

Straling van warme voorwerpen en gassen Het stralingsspectrum van een gloeiend voorwerp is continu: alle golflengtes en frequenties komen voor. Een heet gas vertoont geen continu spectrum, maar een lijnenspectrum. Zo’n spectrum noem je discreet . Dit betekent dat het gas alleen straling absorbeert en uitzendt bij enkele scherp bepaalde frequenties, en bij andere frequenties niet. In een golfmodel van licht kunnen golflengtes en frequenties echter elke waarde aannemen. Dus hoe ontstaat dan een discreet lijnenspectrum? In 1913 gebruikte Bohr de ideeën van Planck en Einstein voor zijn atoommodel. In zijn model kunnen atomen alleen bestaan bij bepaalde energieniveaus. Een overgang tussen twee energieniveaus vindt plaats door emissie of absorptie van een enkel foton. Bohrs model verklaart het bestaan van spectraallijnen, zoals beschreven in hoofdstuk 12. Bohr kon echter niet aangeven waarom er discrete in plaats van continue energieniveaus zijn. De verklaring hiervoor wordt beschreven in paragraaf 13.4.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 123

123

27/10/2023 11:56

Voorbeeld 3 Elektronen vrijmaken

Een plaatje zink is verbonden met een elektroscoop. Zie figuur 13.19. De elektroscoop geeft een uitslag. Dit komt doordat met een geladen staaf lading op het plaatje zink is gebracht. Zolang de opstelling bij kunstlicht staat, gebeurt er niet veel. Laat je een bundel ultraviolet licht op het plaatje zink vallen, dan loopt de uitslag van de elektroscoop snel terug. Aan de uitslag van een elektroscoop zie je niet of de aangebrachte lading positief of negatief is. Na dit experiment weet je dat wel. a Beredeneer dat het plaatje zink negatief geladen was. In BINAS tabel 24 vind je de uittree-energie van Figuur 13.19 diverse materialen. Dit is de energie die nodig is om een elektron uit het materiaal vrij te maken. b Verklaar met deze tabel waarom er niets gebeurt bij zichtbaar kunstlicht. Het zinken plaatje wordt bestraald met uv-straling met een golflengte van 250 nm. De energie van een foton wordt volledig door een elektron geabsorbeerd. Hierdoor verlaat het elektron het metaal met een hoeveelheid kinetische energie. c Bereken de kinetische energie van het vrijgemaakte elektron uitgedrukt in eV. Uitwerking a Bij bestralen met uv-licht worden (negatief geladen) elektronen uit het materiaal vrijgemaakt. Als het plaatje zink positief geladen zou zijn, zou daardoor het plaatje zink steeds positiever moeten worden. De uitslag wordt echter niet groter, maar kleiner. Dus is de verklaring dat het plaatje steeds minder negatief wordt. Het plaatje was dus negatief geladen. b Volgens BINAS tabel 24 is 4,27 eV of meer nodig om een elektron uit zink vrij te maken. In BINAS tabel 19A zie je dat de maximale energie van fotonen van zichtbaar (kunst)licht ongeveer 3,10 eV is. Dat is dus te weinig om elektronen uit zink vrij te maken. c De kinetische energie bereken je met de wet van behoud van energie. Ef = Euittree + Ek h ⋅ c ​​ ​​E​ f​​ =  ​ _ λ (zie BINAS tabel 7A) h = 6,626·10 −34 J s c = 2,997·108 m s−1 (zie BINAS tabel 7A) λ = 250 nm = 250·10 −9 m 6,626⋅​10​​  −34​ × 2,997⋅​10​​  8​ 7,943⋅​10​​  −19​        ​= 7,943⋅​10​​  −19​  J =  ​ ___________  ​ = 4,958 eV​. Invullen levert: ​​Ef​  ​​ =  ​ ______________________ 250⋅​10​​  −9​ 1,602⋅​10​​  −19​ Euittree = 4,27 eV 4,958 = 4,27 + Ek Ek = 0,688 eV Afgerond: Ek = 0,69 eV.

1 24

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 124

27/10/2023 11:56

Dubbelspleetexperiment met fotonen Het dubbelspleetexperiment van Young bewijst dat bij licht diffractie en interferentie optreedt, en dus dat licht golfgedrag vertoont. Planck, Einstein en Bohr veronderstelden dat licht deeltjesgedrag vertoont, en konden daarmee succesvol andere experimenten verklaren. Golf- en deeltjesgedrag komen samen als je het dubbelspleetexperiment uitvoert met een lichtbron die je kunt dimmen. Als je licht op een dubbele spleet laat vallen, verwacht je interferentie. Om het deeltjesgedrag zichtbaar te maken, dim je de lichtbron zo ver dat hij slechts één foton tegelijk uitzendt en dat hij pas een nieuw foton uitzendt als het vorige foton het scherm bereikt heeft. In figuur 13.20 zie je het scherm na een steeds langere tijd. In figuur 13.20a zijn slechts enkele puntjes te zien, die horen bij de inslagen van afzonderlijke fotonen. Deze losse puntjes bevestigen het deeltjeskarakter van licht. De deeltjes lijken willekeurig verspreid op het hele scherm terecht te komen. Als het experiment langer duurt, zie je strepen ontstaan. Op de lichte plekken zijn veel fotonen gedetecteerd, op de donkere plekken juist weinig. De fotonen vormen een korrelig interferentiepatroon, waarbij de afzonderlijke puntjes bij losse fotonen horen. Het interferentiepatroon is juist een eigenschap van alle fotonen samen. Als je het experiment herhaalt, is de opbouw van de stippen elke keer anders, maar steeds ontstaat uiteindelijk een interferentiepatroon zoals in figuur 13.20e. Je kunt dus niet van tevoren voorspellen waar afzonderlijke fotonen terechtkomen. Figuur 13.20 Een foton heeft wel een grote kans om bij een maximum in het interferentiepatroon terecht te komen, en bij een minimum is die kans heel klein. Het interferentiepatroon geeft dus een waarschijnlijkheids­ verdeling weer: statistische informatie over waar een foton terecht kan komen. De wiskundige beschrijving van deze waarschijnlijkheidsverdeling gebruikt een

toestandsfunctie ψ (x) met een amplitude A, die afhangt van de plaats x. Die

amplitude heeft echter geen directe fysische betekenis, zoals in de formule voor de uitwijking bij een harmonische trilling, maar is een maat voor de waarschijnlijkheid om het deeltje op plaats x aan te treffen. De kans om het foton op plaats x aan te treffen wordt bepaald door A2. De toestandsfunctie heeft ook een deel dat de fase beschrijft. Ook dit is geen meetbare grootheid, maar het verschil in fase zegt iets over de interferentie en daarmee over de kansverdeling. De toestandsfunctie wordt ook wel golffunctie genoemd. Die naam is verwarrend, want er is niet altijd sprake van golven.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 125

125

27/10/2023 11:56

Door welke spleet ging het foton? In het dubbelspleetexperiment met losse fotonen ontstaat nog steeds een interferentiepatroon. Toch is de lichtbron zo gedimd dat er steeds maar één foton tussen bron en scherm aanwezig is. De interferentie ontstaat dus niet door interactie van fotonen onderling. Men zegt daarom dat een foton interfereert met zichzelf. Maar ook die beschrijving in woorden schiet tekort. Voor interferentie zijn twee spleten nodig. Hoe kan één foton door twee spleten zijn gegaan? Op het eerste gezicht lijkt dat een oplosbaar probleem. Er zijn manieren om een foton te detecteren, en je kunt een experiment ontwerpen waarbij je detecteert door welke spleet het foton is gegaan. Een uitbreiding van het experiment met een bepaling door welke spleet het foton reist heeft echter een onverwachte uitkomst. Zodra je vaststelt door welke spleet het foton reist, verdwijnt het interferentiepatroon! Wiskundig gezien is dit verklaarbaar. Als je niet kijkt door welke spleet het foton is gegaan, wordt het experiment beschreven door een toestandsfunctie waarbij de kans voor beide spleten gelijk is. Als je het foton wel detecteert, is een beschrijving aan de orde waarbij het foton 100% zeker door één spleet gegaan is, en niet door de andere. Deze twee wiskundige beschrijvingen verschillen, en de uitkomst dus ook. De natuurkundige interpretatie is echter opmerkelijk. Blijkbaar heb je, door te kijken waar het foton onderweg was, het experiment veranderd. Je hebt twee duidelijk verschillende situaties: 1 Je hebt een interferentiepatroon, en dan moet je het idee opgeven dat je kunt nagaan hoe het foton gereisd is. 2 Je checkt hoe het foton gereisd is, maar dan heb je geen interferentiepatroon. Meten onderweg verandert de toestandsfunctie, en daarna zijn de golven niet meer hetzelfde. Daardoor is interferentie niet meer mogelijk.

▶

Hoe vreemd dit resultaat ook lijkt, het is bevestigd in diverse experimenten. Natuurkundigen denken zelfs aan een praktische toepassing: communicatie die je niet kunt afluisteren. Je maakt een boodschap die je alleen maar kunt reconstrueren uit twee delen, zoals bij een interferentiepatroon. Die boodschap codeer je in de toestandsfunctie van een foton en dan heb je de hele toestandsfunctie nodig om het bericht te kunnen decoderen. Probeert iemand een dergelijke boodschap onderweg te onderscheppen, dan verandert hij de toestandsfunctie, en vernielt daarmee het bericht.

1 26

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 126

27/10/2023 11:56

Opgaven

▶ hulpblad

7

Het zonlicht dat de aarde bereikt, bestaat uit fotonen. Een zonnestraal met doorsnede 1,0 m 2 levert 1,36 kW aan stralingsvermogen. De golflengte van zichtbaar licht ligt tussen ongeveer 400 en 760 nm. De gemiddelde golflengte van zichtbaar licht ligt rond de 550 nm. a Bereken met deze golflengte hoeveel fotonen er per seconde door een doorsnede van 1,0 m 2 gaan. Zichtbaar licht valt op een plaatje cesium. De uittree-energie van cesium vind je in BINAS tabel 24. b Bereken de maximale snelheid van de elektronen die worden vrijgemaakt uit cesium.

8

BINAS tabel 24 bevat gegevens over het vrijmaken van elektronen bij diverse metalen, het foto-elektrisch effect. De uittree-energie is de energie die minimaal nodig is om een elektron vrij te maken uit een metaal. De golflengte en frequentie van een foton dat precies die minimale energie heeft, noem je de grensgolflengte en grensfrequentie. a Controleer voor het metaal koper dat de grensfrequentie en grensgolflengte volgen uit de uittree-energie. Het foto-elektrisch effect treedt op bij fotonen die een energie hebben die groter is dan de uittree-energie. De uittree-energie is dus een ondergrens. b Leg uit of de grensfrequentie een boven- of ondergrens is. c Leg uit of de grensgolflengte een boven- of ondergrens is.

9

Nuray onderzoekt het vrijmaken van elektronen uit kalium met een schakeling waarin een fotocel is opgenomen. Zie figuur 13.21a. Figuur 13.21b is een tekening van een fotocel. Een halfronde kathode K is bedekt met een laagje kalium. De anode A is een erg dunne draad, waardoor er nauwelijks licht wordt tegengehouden. Valt er licht op de fotocel, dan worden in de kathode elektronen vrijgemaakt, die vervolgens richting anode bewegen.

fotocel

a

b

Figuur 13.21

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 127

127

27/10/2023 11:56

Eerst verbindt Nuray anode A met de positieve pool van een variabele spanningsbron. Zie figuur 13.21a. Als de spanning 0 V is, meet ze een stroomsterkte van 45 μA. Als Nuray de spanning vergroot, neemt de stroomsterkte toe. a Geef hiervoor een verklaring. Daarna verbindt Nuray de anode met de negatieve pool van de variabele spanningsbron. Als ze vervolgens de spanning vergroot, bereiken steeds minder elektronen de anode. De stroomsterkte neemt af. Is de stroomsterkte 0 μA geworden, dan is de kinetische energie van een vrijgemaakt elektron volledig omgezet in elektrische energie van het elektron. De spanning waarbij dat gebeurt noem je de remspanning Urem. In figuur 13.22 zijn de meetresultaten van Nuray verwerkt.

Figuur 13.22

In BINAS tabel 24 vind je de uittree-energie van kalium. Dit is de energie die nodig is om een elektron uit kalium vrij te maken. b Toon aan dat de golflengte van het licht dat op de kathode valt, gelijk is aan 4,1∙10 –7 m. c Toon aan dat het aantal elektronen dat per seconde uit de kathode wordt vrijgemaakt, gelijk is aan 5,6∙1014. Op de kathode valt licht met een intensiteit van 6,0 W m−2. De oppervlakte van de kathode is 3,5 cm 2. d Bereken hoeveel procent van de op de kathode vallende fotonen een elektron vrijmaakt. e Wat gebeurt er met de energie van de fotonen die geen elektron vrijmaken?

1 28

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 128

27/10/2023 11:56

10 In figuur 13.23 zie je drie momentopnamen van het dubbelspleetexperiment waarbij de lichtbron een laser met rood licht is. a Leg uit dat dit experiment zowel het bestaan van fotonen als het golfkarakter van licht aantoont.

Figuur 13.23

Je herhaalt het dubbelspleetexperiment, maar je gebruikt een laser met groen licht in plaats van rood licht. b Leg uit of het linker plaatje dan verandert, en zo ja, hoe. c Leg uit of het rechter plaatje dan verandert, en zo ja, hoe. Een dubbelspleetexperiment doe je met monochromatisch licht. Dit is licht van één frequentie. d Leg uit hoe het rechter plaatje eruitziet als je wit licht gebruikt. 11 David en Steven doen het dubbelspleetexperiment met losse fotonen. De afstand tussen de dubbele spleet en het scherm is 80 cm. David en Steven gebruiken een lichtbron die fotonen uitzendt met een golflengte van 650 nm. Ze stellen het vermogen zo laag in dat zich tussen de dubbele spleet en het scherm steeds maar één foton bevindt. Uiteindelijk willen David en Steven voor een duidelijk interferentiepatroon ten minste 10 miljoen fotonen detecteren. Voer de volgende opdrachten uit: − Bereken het maximale vermogen van de lichtbron. − Bereken hoelang één experiment dan minstens duurt. 12 Kartal en Malou voeren beiden een dubbelspleetexperiment uit. Ze gebruiken dezelfde opstelling, maar Kartal doet het experiment zonder te detecteren door welke spleet het foton ging, terwijl Malou dit wel checkt. Beiden laten evenveel fotonen op een scherm terechtkomen. In figuur 13.24 zie je de resultaten van Kartal en Malou weergegeven in een diagram van het aantal fotonen van het licht op het scherm.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 129

129

27/10/2023 11:56

1800

aantal fotonen

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

-30

-20

-10

0

0

10

20

30

hoek (°) Figuur 13.24

a

Leg uit welke grafiek hoort bij de resultaten van Kartal en welke bij die van Malou. Na het detecteren door welke spleet het foton ging, gaat het foton wel verder. Toch is er aan de waarschijnlijkheidsgolf iets veranderd. b Leg uit of de amplitude of de fase veranderd is. De oppervlakte onder beide grafieken is gelijk. c Leg uit waarom dat zo moet zijn.

1 30

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 130

27/10/2023 11:56

De groene draadjes op deze foto zijn ebolavirussen. De diameter van een ebolavirus is ongeveer 80 nm, veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Deze foto kan dus niet met een lichtmicroscoop zijn gemaakt. Hoe dan wel?

Figuur 13.25

13.3 Golfgedrag bij elektronen Golf-deeltjedualiteit In de zeventiende eeuw vroegen wetenschappers zich af of licht een golf- of een deeltjesverschijnsel was. In dezelfde tijd werd de vraag gesteld waaruit materie bestaat. In de negentiende eeuw leken beide vragen beantwoord: materie bestaat uit kleine deeltjes, licht is een golfverschijnsel. In het begin van de twintigste eeuw was dat toch niet zo duidelijk meer. Licht vertoont naast golfgedrag ook deeltjesgedrag. Dit noem je golf-deeltjedualiteit . Als licht een golfverschijnsel is met deeltjesgedrag, dan vertonen deeltjes misschien ook golfgedrag. En dan hoort bij een deeltje een golflengte.

Debrogliegolflengte De Franse geleerde Louis de Broglie kwam in 1924 met een voorstel voor de golflengte van de toestandsfunctie van bewegende deeltjes. Deze golflengte noem je de debrogliegolflengte. Volgens De Broglie wordt de golflengte van de toestandsfunctie die hoort bij een bewegend deeltje gegeven door: ​λ = _ ​ mh⋅ v ​​ ▪ ▪ ▪ ▪

λ is de debrogliegolflengte in m. h is de constante van Planck in J s. m is de massa van het deeltje in kg. v is de snelheid van het deeltje in m s−1.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 131

131

27/10/2023 11:56

Voor het waarnemen van golfgedrag zoals diffractie en interferentie is de golflengte belangrijk. De mate van diffractie is groot bij een grote golflengte ten opzichte van de breedte van een spleet. Voor een grote golflengte moet de noemer m ∙ v in de formule voor de debrogliegolflengte heel klein zijn. Golfgedrag is dan het best waarneembaar voor deeltjes met een kleine m. Het lichtste deeltje dat je kent is het elektron. Het grootste deel van de rest van dit hoofdstuk gaat dan ook over het gedrag van elektronen. Voorbeeld 4 Rekenen met de debrogliegolflengte

In een versneller wordt een proton versneld tot een snelheid van 2,0 miljoen km h−1. a Bereken de debrogliegolflengte van dit proton. De kleinste golflengte van zichtbaar licht is 400 nm. b Bereken de minimale snelheid van een elektron zodat de debrogliegolflengte kleiner is dan 400 nm. Uitwerking h a ​ λ = ​ _ m ⋅ v ​​ h = 6,626∙10 −34 J s m = 1,673∙10 −27 kg

(zie BINAS tabel 7A) (zie BINAS tabel 7B) 2,0⋅​10​​  6​ −1 _ v = 2,0 miljoen km h = ​​   ​​ = 5,556∙105 m s−1 3,6 6,626⋅​10​​  −34​ Invullen levert: λ​ = ​ ______________________        ​​  1,673⋅​10​​  −27​ × 5,556⋅​10​​  5​ −12 λ = 7,128∙10 m Afgerond: λ = 7,1∙10 −12 m. h b ​ λ = ​ _ m ⋅ v ​​ (zie BINAS tabel 7A) h = 6,626∙10 −34 J s m = 9,109∙10 −31 kg (zie BINAS tabel 7B) λ = 400 nm = 4,0∙10 −7 m 6,626⋅​10​​  −34​ Invullen levert: 4​ ,0⋅​10​​  −7​ = ​ _____________    ​​  9,109⋅​ 10​​  −31​  ⋅ v v = 1,819∙103 m s−1 De snelheid moet dus afgerond groter zijn dan 1,8∙103 m s−1 (= 1,8 km s−1).

De debrogliegolflengte van een bewegend deeltje is omgekeerd evenredig met de snelheid. Voor een deeltje dat bijna stilstaat wordt die golflengte heel groot, en verwacht je meetbaar golfgedrag zoals diffractie. Maar deeltjes bewegen bij kamertemperatuur, en de bijbehorende snelheid is zeker niet klein. Koel je de materie sterk af, tot in de buurt van het absolute nulpunt, dan wordt de snelheid wel klein, en geeft de grote debrogliegolflengte meetbare effecten.

1 32

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 132

27/10/2023 11:56

Diffractie aan kristalroosters Een experiment van Davisson en Germer zorgde voor bewijs voor de hypothese van De Broglie. Zij onderzochten het oppervlak van metalen. Hun opstelling zie je in figuur 13.26. Een elektronenkanon schiet elektronen met een bepaalde snelheid op een plaatje nikkel. beweegbare detector

teruggekaatste bundel

elektronenbundel elektronenkanon

𝛼𝛼 plaatje nikkel

Figuur 13.26

Met een detector die om de opstelling heen kan draaien meten ze in elke richting het aantal elektronen dat terugkomt van het plaatje nikkel. In plaats van een gelijkmatige verdeling constateren ze op enkele plaatsen een grote intensiteit aan elektronen. Tussen deze plaatsen is de intensiteit van de elektronen klein. Voorbeeld 5 Rekenen aan het Davisson-Germer-experiment

Davisson en Germer gebruikten een elektronenkanon met een versnelspanning van 54 V. Door met de detector bij verschillende hoeken te meten vinden ze drie scherpe pieken: een piek bij α = 0°, en een piek links en rechts ervan bij α = 50°. Tussen deze pieken meten ze veel minder elektronen. a Leg uit dat dit bewijs is voor het golfgedrag van elektronen. Davisson en Germer hadden de hypothese dat de elektronen weerkaatsen op de eerste laag nikkelatomen. Zie figuur 13.27. De meetkunde van de gereflecteerde elektronstralen is dan hetzelfde als bij een tralie. Als elektronen golfgedrag vertonen, mag je de formule voor de maxima van een tralie gebruiken.

𝛼𝛼

d Figuur 13.27

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 133

133

27/10/2023 11:56

b Leg uit dat er geen pieken mogelijk zijn bij hoeken groter dan 50°. c Toon aan dat de gebruikte elektronen een snelheid hebben van 4,4∙106 m s−1. d Bereken de afstand d die uit het experiment volgt. Uitwerking a De afwisseling van grote en kleine intensiteit hoort bij een interferentie­ patroon. Interferentie is een kenmerk van golfgedrag. b ​ d ⋅ sin​(α)​ = n ⋅ λ​ Als n = 0 is α gelijk aan 0°. Dit is de bundel elektronen die loodrecht terugkaatst. Bij n = 1 is α gelijk aan 50°. Hieruit volgt d ​ ⋅ sin​(50)​ = λ​ en ​sin​(50)​ = _ ​  λ ​​  . d λ ​= 2 ⋅ sin​(50)​ = 1,53​. Bij n = 2 geldt d ​ ⋅ sin​(α)​= 2 ⋅ λ​. Hieruit volgt ​sin​(𝛼)​= 2 ⋅ ​ _ d Maar sin(​α​) ≤ 1. Dus er is geen oplossing voor n ≥ 2, en dus is er geen piek mogelijk bij een hoek groter dan 50°. c

ΔEk = q ∙ U

​  2 ​​− ​ _12 ​  m ⋅ ​vbegin ​  2 ​​= q ⋅ U ​ ​​ _12 ​  m ⋅ ​veind (zie BINAS tabel 7B) m = 9,109∙10 −31 kg v begin = 0 m s−1 q = e = 1,602∙10 −19 C (zie BINAS tabel 7A) U = 54 V Invullen levert: ​​ _21 ​ × 9,109⋅​10​​  −31​  ⋅ ​veind ​  2 ​​= 1,602⋅​10​​  −19​ × 54​ 6 −1 v = 4,358∙10 m s Afgerond: v = 4,4∙106 m s−1. d ​ d ⋅ sin​(α)​ = n ⋅ λ​met α ​ ​= 50° en n = 1 h _ ​ λ = ​ m ⋅ v ​​ (zie BINAS tabel 7A) h = 6,626∙10 −34 J s m = 9,109∙10 −31 kg (zie BINAS tabel 7B) v = 4,4∙106 m s−1 6,626⋅​10​​  −34​ Invullen levert: λ​ ​= ​​ ____________________        ​​   9,109⋅​10​​  −31​ × 4,4⋅​10​​  6​ −10 ​ λ​= 1,653∙10 m Invullen in de formule voor de maxima van een tralie levert: ​d ⋅ sin​(50)​= 1 × 1,653⋅​10​​  −10​​. d = 2,157∙10 −10 m Afgerond: d = 2,2∙10 −10 m. Onafhankelijk van Davisson en Germer voerde ook G.P. Thomson een experiment uit, waarbij hij elektronen schoot op kristalroosters. In opgave 18 wordt een versie van zijn experiment besproken. De experimenten van Davisson, Germer en Thomson maken duidelijk dat elektronen inderdaad golfgedrag vertonen. In 1931 wordt een eerste praktische toepassing uitgevonden: de elektronenmicroscoop.

1 34

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 134

27/10/2023 11:56

Elektronenmicroscoop Met een lichtmicroscoop kun je geen voorwerpen bestuderen die kleiner zijn dan de golflengte van zichtbaar licht. Is een voorwerp kleiner, dan zal het licht om het voorwerp heen buigen en nagenoeg ongehinderd verdergaan. Gebruik je echter elektronen in plaats van licht, dan kun je de golflengte veranderen door de snelheid te veranderen. Met een elektronenkanon kun je een elektron nagenoeg elke snelheid geven. Hoe groter de spanning tussen de anode en de kathode, des te groter is de snelheid. Hoe groter de snelheid van de elektronen, des te kleiner is de bijbehorende debrogliegolflengte. In voorbeeld 4 bleek dat elektronen met een snelheid groter dan 1,8 km s−1 een debrogliegolflengte hebben die kleiner is dan die van zichtbaar licht. Dit idee leidde tot de ontwikkeling van de elektronenmicroscoop. In een elektronenmicroscoop zorgen elektromagnetische lenzen ervoor dat de elektronen op de juiste plaats op het te onderzoeken voorwerp terechtkomen. De weerkaatste elektronen worden met elektrische en magnetische velden weer samengebracht in één punt van de detector. Omdat de elektronenbundel zeer smal is, treft hij maar een deel van het te onderzoeken voorwerp. Door de elektronenbundel over het voorwerp heen te bewegen, kun je grote oppervlakken scannen. Door de informatie van verschillende punten te combineren maakt de elektronenmicroscoop een zeer gedetailleerde afbeelding. In figuur 13.28 zie je het verschil in details bij de plaatjes van een ijskristal gemaakt met een lichtmicroscoop en een scanning elektronenmicroscoop (SEM).

Figuur 13.28

De eerste elektronenmicroscoop, uit 1931, vergrootte slechts zeventien keer. Tegenwoordig zijn details van 0,1 nm te onderscheiden. Ruim voldoende om virussen met een afmeting van 80 nm te kunnen fotograferen, zoals op de foto aan het begin van de paragraaf.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 135

135

27/10/2023 11:56

Quantumtheorie en klassieke theorie Tussen 1925 en 1930 werden de ideeën van Planck, Einstein, Bohr en De Broglie verwerkt in een nieuwe theorie: de quantumtheorie. Deze theorie beschrijft verschijnselen wiskundig met behulp van quantumdeeltjes: deeltjes met zowel golfgedrag als deeltjesgedrag. Met behulp van de toestandsfunctie bepaal je de kans om een quantumdeeltje in een bepaalde natuurkundige toestand aan te treffen. Je spreekt dan van de quantumtoestand van het quantumdeeltje. De natuurkundige theorieën van vóór de quantumtheorie behoren nu tot de klassieke natuurkunde. In de klassieke natuurkunde gebruik je de wetten van Newton om te voorspellen of een voetbal in het doel terechtkomt, of een brug sterk genoeg is om het verkeer te dragen en hoe de stand van de planeten is over tien jaar. De klassieke theorie geeft steeds één antwoord bij bepaalde gegevens. In de quantumtheorie kun je met dezelfde gegevens alleen mogelijke einduitkomsten berekenen met bijbehorende kansen. Toch is de quantumtheorie niet alleen van toepassing op fotonen en elektronen, maar ook op voetballen, bruggen en planeten. Uit experimenten is zelfs gebleken dat de quantumtheorie nauwkeurigere voorspellingen geeft. De quantumtheorie is dus een verbetering van de klassieke theorie. Voor een beschrijving van alledaagse verschijnselen geeft de quantumtheorie dezelfde resultaten als de klassieke natuurkunde. Dat komt door de kleine waarde van de constante van Planck: h = 6,626∙10 −34 J s. Als je de debrogliegolflengte berekent van knikkers, voetballen of ruimteschepen, dan is die golflengte veel kleiner dan de afmetingen van knikkerkuiltjes, voetbaldoelen of planeten. Daardoor is het vrijwel uitgesloten dat er diffractie optreedt. Voorbeeld 6 Debrogliegolflengte van een knikker

Een knikker met een diameter van 16 mm heeft een massa van 5,5 gram. Zo’n knikker lijkt stil te kunnen liggen. De deeltjes hebben echter kinetische energie die afhangt van de temperatuur van de knikker. Bij 293 K is de gemiddelde kinetische energie van een deeltje 6,065∙10 −21 J. Voor een knikker is de bijbehorende snelheid 1,5 nm s−1 a Toon dit aan. Van een dergelijke kleine snelheid merk je niets bij het knikkeren. Toch zorgt deze snelheid ervoor dat de debrogliegolflengte van een knikker veel te klein is om meetbaar golfgedrag te vertonen. b Toon dit aan door de diameter van een knikkerkuiltje te schatten, en deze te vergelijken met de debrogliegolflengte van een knikker.

1 36

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 136

27/10/2023 11:56

Uitwerking a ​​E​ k​​ = _ ​  12 ​  m ⋅ ​v​​  2​​ Ek = 6,065∙10 −21 J m = 5,5 g = 5,5∙10 −3 kg Invullen levert: 6​ ,065⋅​10​​  −21​ = _ ​  12 ​ × 5,5⋅​10​​  −3​  ⋅ ​v​​  2​​. −9 −1 v = 1,48∙10 m s Afgerond: v = 1,5 nm s−1. h b ​ λ = ​ _ m ⋅ v ​​ (zie BINAS tabel 7A) h = 6,626∙10 −34 J s m = 5,5 g = 5,5∙10 −3 kg v = 1,5∙10 −9 m s−1 6,626⋅​10​​  −34​ Invullen levert: λ​ = ​ __________________        ​​ 5,5⋅​10​​  −3​ × 1,5⋅​10​​  −9​ ​ λ​= 8,0∙10 −22 m Een knikkerkuiltje is ongeveer 1 dm = 0,1 m en is daardoor 1020 golflengtes groot. Eventueel golfgedrag van de knikker zal dus nooit tot meetbare effecten leiden. Met de formule Ef = h ∙ f bereken je de energie van één foton. Uit BINAS tabel 19A blijkt dat de energie van een foton voor zichtbaar licht in de ordegrootte van 1 eV ligt. Hiermee bereken je dat een lampje van een paar watt per seconde meer dan 1019 fotonen uitzendt. Je ziet een lichtstraal en geen losse fotonen. Hetzelfde geldt voor een waterstraal waarbij je de losse moleculen waaruit een waterstraal bestaat niet ziet. Onder alledaagse omstandigheden in de macroscopische wereld geeft de klassieke natuurkunde goede voorspellingen. Berekeningen met de quantumtheorie zijn veel ingewikkelder. Zolang de quantumtheorie geen meetbaar verschil geeft, kun je beter de klassieke theorie gebruiken. Maar bij kleine afstanden, bij lage temperaturen, bij deeltjes met zeer kleine massa of als hoge precisie vereist is, geeft de quantumtheorie veel betere voorspellingen dan de klassieke theorie.

Opgaven 13 Volgens De Broglie kun je aan alle bewegende voorwerpen een golflengte toekennen. Bereken de golflengte van: a een persoon van 75 kg die wandelt met een snelheid van 5,0 km h−1; b een zuurstofmolecuul met massa 32 u dat bij kamertemperatuur een snelheid heeft van 480 m s−1; c een elektron dat in een elektronenbuis wordt versneld tot v = 1,2∙106 m s−1.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 137

137

27/10/2023 11:56

14 De golflengte van De Broglie kun je voor een bewegend deeltje herschrijven tot h  ​​  . Hierin is E de bewegingsenergie van het deeltje. _ ​λ = ​ _ k √​ 2m ⋅ ​Ek​  ​​ ​

▶

a Leidt deze formule af. Voor bewegende deeltjes in een stof geldt dat de gemiddelde kinetische energie recht evenredig is met de absolute temperatuur. Voor de beschrijving van elektronen is de quantumtheorie zelfs al nodig bij kamertemperatuur, 293 K. Voor zwaardere deeltjes zoals protonen geldt een andere temperatuur. b Bereken bij welke temperatuur de debrogliegolflengte van een proton even groot is als die van een elektron bij kamertemperatuur. 15 Omdat licht en materie beide golf- en deeltjeseigenschappen hebben, kun je ze vergelijken. Volgens Einstein hebben deeltjes een rustenergie E = m ∙ c2. Een foton met evenveel energie als de rustenergie van een deeltje met massa m heeft golflengte ​ λ​c = _ ​ mh⋅ c ​ . De golflengte λ​ ​c heet de comptongolflengte. a Leid de formule voor de comptongolflengte af. b Bereken de comptongolflengte voor een elektron in drie significante cijfers. Laat je een foton met een golflengte kleiner dan de comptongolflengte botsen met een elektron, dan bestaat de mogelijkheid dat je met meer dan één elektron eindigt. c Leg uit hoe dat kan. ▶ hulpblad

16 Een foton met een golflengte van 1,1950 nm botst frontaal op een stilstaand elektron. Hierdoor krijgt het elektron snelheid. Het foton dat terugkaatst, heeft een golflengte van 1,1999 nm. a Leg uit waardoor het teruggekaatste foton een grotere golflengte heeft. b Laat zien dat het bewegende elektron een snelheid heeft van 1,22∙106 m s−1. Naast de wet van behoud van energie gelden er nog andere behoudswetten voor de botsing tussen een foton en een elektron. Een van die behoudswetten voorspelt dat: 1  ​ = ​ _ 1  ​​ _ ​​  1  ​  + ​ _ ​λ​  f,na​​ ​λ​  f,voor​​ ​λ​  e​​ ▪ ▪ ▪

c

​λ​f,voor is de golflengte van het foton voor de botsing. ​λ​f,na is de golflengte van het foton na de botsing. ​λ​e is de golflengte van het elektron na de botsing. Bereken de golflengte van het elektron en laat zien dat de relatie geldt.

17 In een elektronenmicroscoop worden elektronen versneld met behulp van een elektronenkanon. De beginsnelheid van de elektronen is verwaarloosbaar. De snelheid waarmee een elektron het elektronenkanon verlaat is 3,75∙106 m s−1. a Bereken de spanning tussen kathode en anode in het elektronenkanon. b Bereken de debrogliegolflengte van het elektron. Stel, tussen twee voorwerpen zit een spleet. Als deze spleet kleiner is dan de golflengte van licht, is het niet mogelijk om de twee voorwerpen gescheiden waar te nemen met behulp van een lichtmicroscoop. c Leg uit waardoor dit met een lichtmicroscoop niet lukt. d Leg uit dat het mogelijk wel lukt met een elektronenmicroscoop.

1 38

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 138

27/10/2023 11:56

▶ hulpblad

18 Bob en Marly willen de afstanden tussen de atomen in grafiet bepalen. Zij gebruiken de opstelling van figuur 13.29. plaatje grafiet

gloeidraad kathode anode

fosforscherm elektronenstraal

0V

5000 V

interferentieringen

Figuur 13.29

De gloeikathode levert elektronen. Deze elektronen hebben een verwaarloosbare snelheid. De elektronen doorlopen een versnelspanning die variabel is tot 10 kV. De elektronen gaan door het plaatje grafiet, waarna ze op een fosforscherm een interferentiepatroon geven. Dit interferentiepatroon kan worden verklaard doordat de elektronen een golfkarakter vertonen. Voor de debrogliegolflengte van de elektronen geldt: h _ λ = ___________ √2e ⋅ m ⋅ U ▪ λ is de debrogliegolflengte in m. ▪ h is de constante van Planck in J s. ▪ e is de lading van het elektron in C. ▪ m is de massa van het elektron in kg. ▪ U is de versnelspanning in V. a Leid de formule af. b Bereken de debrogliegolflengte van de elektronen nadat ze een versnelspanning van 5,0 kV hebben doorlopen. In grafiet liggen de koolstofatomen in lagen op elkaar. In de afzonderlijke lagen liggen de koolstofatomen in regelmatige zeshoeken. In figuur 13.30 is één zo’n laag weergegeven. In een laag liggen de atomen in evenwijdige lijnen. Aan deze roosterlijnen vindt reflectie plaats, de zogenaamde braggreflectie. De elektronengolven die terugkaatsen van de verschillende roosterlijnen hebben een verschil in weglengte waardoor ze interfereren. Dit is schematisch weergegeven in figuur 13.31.

D C d

Figuur 13.30

A

B

Figuur 13.31

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 139

139

27/10/2023 11:56

Er treedt constructieve interferentie op als: ​2d ⋅ sin(α) = n ⋅ λ​ ▪ d is de afstand tussen de roosterlijnen in m. ▪ ​α​ is de hoek waaronder de elektronenbundel de roosterlijn treft in graden. ▪ n is een geheel getal (1, 2, 3, …). ▪ ​λ​ is de debrogliegolflengte van de elektronen in m. c Voer de volgende opdrachten uit: – Geef in figuur 13.31 het verschil in weglengte aan tussen de twee stralen. – Leid hiermee af waarom in de formule de factor 2 staat, in tegenstelling tot in de formule voor de maxima van een tralie. In figuur 13.32 zijn verschillende lijnen te zien waaraan reflectie plaats kan vinden. De afstanden tussen verschillende lijnen zijn aangegeven met d1 en d2. Bij interferentie aan een monokristallijne laag grafiet (dat wil zeggen: een laag die uit één kristal grafiet bestaat) ontstaat het patroon van figuur 13.33 op het scherm van de elektronendiffractiebuis. d2

d1

Figuur 13.32

Figuur 13.33

Figuur 13.34

Als in de buis geen monokristallijne laag grafiet zit, maar een polykristallijne laag (dat wil zeggen dat er vele kristallen kriskras door elkaar zitten), ziet het interferentiepatroon eruit als in figuur 13.34. d Leg uit of de buitenste ring ontstaat door interferentie aan lijnen met afstand d1 of d2. Bob en Marly meten bij verschillende versnelspanningen de straal van de ringen op het scherm. Bij lage versnelspanningen verschijnen geen ringen op het scherm. Dan is alleen de stip in het midden op het scherm te zien. e Leg uit waarom bij lage versnelspanningen geen ringen verschijnen op het scherm.

1 40

Oefen m

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 140

27/10/2023 11:56

Van de metingen maken Bob en Marly een grafiek waarin ze de straal van beide ringen uitzetten tegen de debrogliegolflengte van de elektronen. Zie figuur 13.35. 21 19 17

r (10–3 m)

15 13 11 9 7 0 0

1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0

λ (10–11 m) Figuur 13.35

Voor kleine afbuigingshoeken geldt bij benadering: ​r = _ ​ 2R ​  ⋅ n ⋅ λ​ d ▪ r is de straal van de ring op het scherm in m. ▪ R is de straal van de bol van de buis in m. ▪ d is de afstand tussen de roostervlakken in m. ▪ ​λ​ is de debrogliegolflengte in m. ▪ n = 1. De straal van de bol van de buis is 65 mm. f Bepaal met behulp van figuur 13.35 zo nauwkeurig mogelijk de grootte van d voor de buitenste ring. Oefenen A Oefen met 13.1 t/m 13.3

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 141

141

27/10/2023 11:56

Kleurstoffen en pigmenten worden gebruikt in verf, in de mode en in voedsel. Stoffen hebben kleuren door hun interactie met zichtbaar licht. Welke eigenschappen van stoffen bepalen de kleuren die ze absorberen en doorlaten?

Figuur 13.36

13.4 Opgesloten quantumdeeltjes Vrije en opgesloten deeltjes Een vrij deeltje is een deeltje waarop geen krachten werken. Beweegt dit deeltje, dan verplaatst het zich volgens de eerste wet van Newton langs een rechte lijn. Zolang er geen krachten op het deeltje werken, kan het oneindig lang blijven bewegen. Vaak kan een deeltje slechts in een kleine ruimte bewegen. Een elektron is bijvoorbeeld gebonden aan een atoom. Atomen in een vaste stof zijn gebonden in een rooster. Dit zijn gebonden of opgesloten deeltjes. Kan een deeltje slechts in een kleine ruimte bewegen, dan heeft dat gevolgen voor de toestandsfunctie. Wat die gevolgen zijn, wordt besproken aan de hand van een deeltje in een ééndimensionale energieput en een elektron in het waterstofatoom.

Quantumgolflengte bij een ééndimensionale energieput Een eenvoudig ééndimensionaal systeem van een opgesloten deeltje is een deeltje dat over een recht lijnstuk heen en weer kan bewegen. Bij de uiteinden bevindt zich een barrière waardoor het deeltje niet verder kan. Dit model staat bekend als een deeltje in een ééndimensionale energieput . De barrières zijn de wanden van de energieput. Hoe dieper de energieput, des te hoger is de barrière (wand) en des te meer energie is er nodig om uit de put te komen. Een deeltje dat beweegt in een ééndimensionale energieput vertoont volgens de quantumtheorie deeltjesgedrag en golfgedrag. Door het deeltjesgedrag weerkaatst het tegen de wand en beweegt daarna in tegenovergestelde richting. Bij de botsing met een wand verliest het deeltje geen kinetische energie.

1 42

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 142

27/10/2023 11:56

Door het golfgedrag treedt tussen de wanden van de energieput interferentie op. Er ontstaat een patroon met knopen en buiken. De toestandsfunctie ψ (x) beschrijft dus een staande golf. Waar de amplitude van de staande golf het grootst is, is de kans om het deeltje aan te treffen ook het grootst. Bij de wanden ontstaan knopen, net als bij een trillende snaar. Dit komt overeen met het gegeven dat het deeltje bij de wanden niet verder kan. De waarschijnlijkheid om het deeltje buiten de energieput aan te treffen is gelijk aan nul. Dus bevindt zich bij de wand een knoop. Net als bij een trillende snaar geldt voor een deeltje in een ééndimensionale energieput dat de golflengte van de staande golf moet passen bij de afmeting van de energieput: 1 _ ​L = n ⋅ ​  2 ​  λ​ ▪ ▪ ▪

L is de lengte tussen de twee wanden van de energieput in m. ​λ​ is de debrogliegolflengte in m. n is een positief geheel getal (1, 2, 3, …).

De simpelste staande golf met n = 1 heeft een knoop aan elk uiteinde en een buik in het midden. In figuur 13.37a zie je de toestandsfunctie ψ (x) voor deze situatie. De waarschijnlijkheid om het deeltje op een bepaalde plaats aan te treffen wordt gegeven door A2, zie figuur 13.37b. De waarschijnlijkheid om het deeltje bij een van de uiteinden aan te treffen is 0. In het midden is de waarschijnlijkheid het grootst.

Ψ(x)

a

toestandsfunctie voor n = 1

Figuur 13.37

b

A2

Ψ(x)

waarschijnlijkheidsverdeling

a toestandsfunctie voor n = 2

A2

b waarschijnlijkheidsverdeling

Figuur 13.38

In figuur 13.38a zie je ψ (x) voor n = 2, en in figuur 13.38b de waarschijnlijkheids­ verdeling. Opmerkelijk genoeg is bij n = 2 de kans om het deeltje in het midden aan te treffen gelijk aan nul!

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 143

143

27/10/2023 11:56

Energie bij een oneindig diepe energieput Een deeltje dat zich zonder invloed van krachten beweegt heeft alleen kinetische energie. Bij een oneindig diepe energieput kan een het deeltje er niet uit, hoe groot de energie van het deeltje ook is. Met behulp van de formule van de debrogliegolflengte, de beschrijving van staande golven ​L = n ⋅ ​ _12 ​  λ​en de formule voor de kinetische energie kun je de formule voor de energie van het deeltje in een ééndimensionale energieput afleiden. In opgave 19 leid je af dat deze wordt gegeven door: ​h​​  ​  ​​ ​​En​  ​​ = ​n​​  2​  ⋅ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ 2

▪ ▪ ▪ ▪ ▪

En is de kinetische energie in J. n is een positief geheel getal (1, 2, 3, …). h is de constante van Planck in J s. m is de massa van het deeltje in kg. L is de lengte tussen de wanden van de energieput in m.

De hoeveelheid energie van een opgesloten quantumdeeltje met massa m in een energieput met lengte L kan dus maar een beperkt aantal waarden voor de energie hebben. Het quantumdeeltje kan zich maar in een beperkt aantal quantumtoestanden bevinden. Het getal n wordt daarom een quantumgetal genoemd. De vaste waarden van de energieën horende bij die quantumtoestanden noem je quantisatie van energieniveaus. De laagst mogelijke energie geldt voor n = 1. Bij deze energie bevindt het deeltje zich in de grondtoestand. Die laagste energie E1 is gelijk ​h​​  2​  ​​ en daardoor altijd groter dan nul. Het is in de quantumtheorie niet aan​  ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ mogelijk dat een opgesloten deeltje stilstaat. Wordt L groter, dan komt de laagst mogelijke energie wel steeds dichter bij nul. In de klassieke theorie, die goed werkt bij grote L, kan het deeltje wel stilstaan. Toestanden met n > 1 heten aangeslagen toestanden. De erbij behorende energieën zijn veelvouden van de energie van de grondtoestand. Net als bij boventonen noem je n = 2 de eerste aangeslagen toestand, n = 3 de tweede, enzovoorts.

1 44

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 144

27/10/2023 11:56

Voorbeeld 7 Energieniveaus in een oneindig diepe put

In figuur 13.39 zie je de energieniveaus voor de grondtoestand en de eerste drie aangeslagen toestanden van een elektron dat heen en weer beweegt in een oneindig diepe energieput. Alle energietoestanden zijn een geheel veelvoud van ​h​​  2​  ​​  . de energie in de grondtoestand​ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ 70

n=4

E4 = 16E

n=3

E3 = 9E

n=2

E2 = 4E

n=1

E1 =

60 50

E (eV)

40 30 20 10 0

h 8 m•L

Figuur 13.39

a Bepaal de lengte L tussen de wanden van de energieput. Het elektron kan naar een hoger of lager energieniveau door absorptie of emissie van een foton. De energie van dat foton is precies gelijk aan het verschil tussen twee energieniveaus, zoals besproken in hoofdstuk 12. b Bereken de energie van het foton dat nodig is om het elektron van de derde in de vierde aangeslagen toestand te brengen. Uitwerking ​h​​  2​  ​​ a ​​E​ n​​ = ​n​​  2​  ⋅ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ De meetonzekerheid is het kleinst als je in figuur 13.39 de gegevens bij de grootste energieniveau afleest. E4 = 68 eV = 68 × 1,602∙10 −19 = 1,089∙10 −17 J n=4 h = 6,626∙10 −34 J s (zie BINAS tabel 7A) m = 9,109∙10 −31 kg (zie BINAS tabel 7B) (​​ 6,626⋅​10​​  −34​)​​​  2​ Invullen levert: 1​ ,089 ⋅​10​​  −17​ = ​4​​  2​  ⋅ ​ _________________       ​​ 8 × 9,109⋅​10​​  −31​  ⋅ ​L​​  2​ L = 2,97∙10 −10 m Afgerond: L = 3,0∙10 −10 m. b Voor de energie voor de vierde aangeslagen toestand geldt E 5 = 25E1. Voor de energie voor de derde aangeslagen toestand geldt E4 = 16E1 = 68 eV. Voor de energie van het foton geldt dus Ef = 25E1 − 16E1 = 9E1. 68 ​ × 9 = 38,25 eV​. Dit komt overeen met ​​ _ 16 Afgerond: Ef = 38 eV.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 145

145

27/10/2023 11:56

Deeltje in een eindig diepe energieput Bij een oneindig diepe energieput is de energie die nodig is om de put te verlaten veel groter dan de energie van het deeltje zelf. Bij een eindig diepe energieput kan het deeltje de put mogelijk wel verlaten. Dat betekent dat de toestandsfunctie doorgaat in de wand. Dit verschijnsel is vergelijkbaar met het doordringend vermogen van röntgenstraling. De intensiteit I van de straling neemt exponentieel af met de dikte n d  ​​. Zie figuur 13.40. d  van de barrière, volgens ​I = ​I0​  ​​  ⋅ ​​(_ ​  12 ​)​​​  ​​ met ​n = ​ _ ​d_​ ​ 1 ​​​ 2 In deze figuur geven de stippellijntjes de randen van de barrière aan. De intensiteit gaat dus nooit helemaal naar nul.

Figuur 13.40

Volgens de quantumtheorie geldt figuur 13.40 ook voor de toestandsfunctie ψ (x) van een deeltje in een eindig diepe energieput. Het blijkt dat de toestandsfunctie zich in de wand voortzet als een exponentiële functie. Daarbij hangt de halveringsdikte in de barrière onder andere af van het energietekort. Dat is het verschil tussen de energie van het deeltje en de energie die nodig is om de put te verlaten. Zie opgave 24. De toestandsfunctie zet zich voort in de barrière en buiten de barrière. Heeft het deeltje in een eindig diepe put niet voldoende energie om de put te verlaten, dan is er dus toch een kans om het deeltje buiten de barrière aan te treffen. Dit effect heet tunneling of het quantum-tunneleffect en is een van de golfeigenschappen van een quantumdeeltje. In de klassieke theorie is het onmogelijk dat een deeltje met te weinig energie over of door een barrière heen gaat.

Energieniveaus in een eindig diepe energieput Omdat de toestandsfunctie bij een eindig diepe energieput kan doordringen in de wanden, strekt de golf zich uit tot buiten de put. Bij een heel hoge wand is het energietekort van het deeltje erg groot en de halveringsdikte erg klein. Dan wordt de amplitude van ψ (x) in de barrière (wand) snel kleiner. Bij een deeltje in een eindig diepe energieput is dus ​​ _21 ​  λ > L​, omdat de toestands­ functie in de wand doordringt. Omdat λ iets groter is, is volgens ​λ = _ ​ mh⋅ v ​​ de snelheid van het deeltje iets kleiner. Omdat dan ook de kinetische energie van het deeltje kleiner wordt, ligt het bijbehorende energieniveau iets lager. Hoe kleiner het energietekort van het deeltje is, des te verder loopt de golf door in de wand, des te meer ruimte heeft het deeltje en des te lager ligt het bijbehorende energieniveau. 1 46

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 146

27/10/2023 11:56

Voor energieën dicht bij de bodem van de energieput, dat wil zeggen kleine waarden van n, is het energietekort groter en de toename van λ kleiner dan voor energieën die dicht bij de energie van de barrière liggen. Ten opzichte van een oneindig diepe energieput zullen alle energieniveaus dus zakken, maar hogere energieniveaus meer dan de lagere. Voorbeeld 8 Energieniveaus in een put

Een elektron bevindt zich in een energie- energie (eV) energie (eV) niveau oneindig diep eindig diep energieput met L = 0,500 nm. In de tweede kolom van tabel 13.1 staan 1 1,50 1,12 de waarden van de eerste zes energie­ 2 6,02 4,46 niveaus bij een oneindig diepe put. 3 13,5 9,91 In de derde kolom staan de energie­ 4 24,1 17,2 niveaus bij een eindig diepe put van 5 37,6 24,8 25,0 eV. 6 54,2 Voor de grondtoestand van het quantumdeeltje in de oneindig diepe Tabel 13.1 put met lengte L geldt ​L = ​ _12 ​  λ​. Bij een eindig diepe put loopt de toestandsfunctie door in de wanden, waardoor ​​ _12 ​  λ​ groter is dan de lengte L van de put. a Laat dat zien door de debrogliegolflengte te bereken voor het elektron in de grondtoestand bij een eindig diepe energieput. Bij de oneindig diepe put verhouden de energieën van de eerste vijf energieniveaus zich als 1 : 4 : 9 : 16 : 25. Voor de eindig diepe put is dat 1,12 : 4,46 : 9,91 : 17,2 : 24,8 = 1,00 : 3,98 : 8,85 : 15,4 : 22,1. De verschillen met de oneindig diepe put nemen toe. b Verklaar dit. c Leg uit waarom er voor de eindig diepe put maar vijf energieniveaus zijn. Uitwerking a De golflengte bereken je met de formule voor de debrogliegolflengte. De snelheid bereken je met de formule voor de kinetische energie. ​​E​ k​​ = _ ​  21 ​  m ⋅ ​v​​  2​​ Ek = 1,12 eV = 1,12 × 1,602∙10 −19 = 1,794∙10 −19 J m = 9,109∙10 −31 kg (zie BINAS tabel 7B) Invullen levert: 1​ ,794⋅​10​​  −19​ = _ ​  12 ​ × 9,109⋅​10​​  −31​  ⋅ ​v​​  2​​. 5 −1 v = 6,276∙10 m s h ​ λ = ​ _ m ⋅ v ​​ (zie BINAS tabel 7A) h = 6,626∙10 −34 J s 6,626⋅​ 10​​  −34​ Invullen levert: λ​ = ​ ______________________        ​​  . −31 9,109⋅​10​​  ​ × 6,276⋅​10​​  5​ −9 λ = 1,066∙10 m ​​ _12 ​  λ​= 0,5033∙10 −9 m = 0,5033 nm Dit is inderdaad groter dan de 0,500 nm van de oneindig diepe put.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 147

147

27/10/2023 11:56

b Hoe dichter een energieniveau bij de rand van de energieput ligt, des te kleiner is het energietekort en des te verder dringt de toestandsfunctie in de wand door. Hierdoor is λ groter, de snelheid kleiner en het erbij behorende energieniveau lager. c Het vijfde niveau zit met 24,8 eV net onder de rand van 25 eV. Een hoger energieniveau zou boven de 25 eV uitkomen, waardoor het elektron niet langer in de energieput zit: het is niet meer gebonden.

Elektron in het waterstofatoom Opgesloten deeltjes kom je tegen in atomen. Negatief geladen elektronen zijn gebonden aan de positief geladen atoomkern en kunnen daaraan zonder van buitenaf toegevoerde energie niet ontsnappen.

E el

Het eenvoudigste atoom is het waterstofatoom. Dit bestaat uit een proton en een elektron. Tussen proton en elektron werkt een elektrische kracht die volgens de wet van Coulomb omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand. Bij elke afstand r hoort dus een hoeveelheid elektrische energie Eel van het elektron. Dit zie je in figuur 13.41. De elektrische energie is omgekeerd evenredig met de afstand. Een vergelijkbaar verband ben je tegengekomen bij de gravitatie-energie. Analoog aan de gravitatieenergie is de elektrische energie meer negatief als het elektron dichter bij de kern is. Volgens afspraak wordt de elektrische energie op nul joule gesteld op oneindige afstand van de kern (buiten het atoom).

r

geïoniseerde toestand –

𝑛𝑛

–

–

–

𝑛𝑛

–

– – – – –

𝑛𝑛

–

Figuur 13.41

1 48

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 148

27/10/2023 11:56

Figuur 13.41 is een bodemloze energieput. Toch kan het elektron niet oneindig diep ‘vallen’. Behalve de elektrische energie van figuur 13.41 heeft een elektron ook nog kinetische energie. Als een elektron diep in de put van figuur 13.41 zou zitten, zou het tegelijkertijd een lage energie hebben en een kleine bewegingsruimte. Maar dit kan niet: bij een kleine bewegingsruimte hoort een kleine debrogliegolflengte. h Volgens λ​ = ​ _ m ⋅ v ​​ moet dan m en/of v groot zijn. Omdat de massa van een elektron erg klein is, is v dus groot. Dat betekent dat de kinetische energie groot moet zijn. De totale energie van de quantumtoestand van een elektron gebonden in een waterstofatoom heeft daardoor een minimale waarde. De laagst mogelijke energie is −13,6 eV. Deze energie hoort bij de grondtoestand. Aangeslagen toestanden hebben een hogere energie. De energie van een quantumtoestand blijkt omgekeerd evenredig te zijn met n2. Voor de energieniveaus van het elektron gebonden in een waterstofatoom geldt: 13,6  ​​ ​​ n​  ​​ = − ​ _ E ​n​​  2​ ▪ ▪

En is de energie van quantumtoestand n in eV. n is een positief geheel getal (1, 2, 3, …).

In figuur 13.41 zijn de energieniveaus aangegeven met rode lijnen. Kijk je naar de eerste aangeslagen toestand van het elektron in waterstof, dan zie je dat de energieput daar breder is dan bij de grondtoestand. Het energieniveau van de eerste aangeslagen toestand ligt hierdoor lager dan wanneer de put niet breder was geworden. Naarmate de energieput breder wordt, komen de energieniveaus dichter bij elkaar te liggen. De toestandsfuncties ψ (x) zijn veel ingewikkelder dan bij het deeltje in een ééndimensionale energieput, omdat het waterstofatoom een driedimensionaal systeem is. Wel gelden dezelfde overwegingen om de energieën te vinden. Je kijkt welke staande golven met knopen en buiken er mogelijk zijn. In figuur 13.42 zie je de waarschijnlijkheidsverdelingen van het elektron in het waterstofatoom in de grondtoestand en een aantal aangeslagen toestanden. Horizontaal naast elkaar gelegen figuren hebben dezelfde energie omdat ze bij dezelfde aangeslagen toestand horen. De felheid van de kleur geeft aan hoe groot de kans is om het elektron aan te treffen op een bepaald punt in de buurt van de kern. De knooplijnen zijn zwart en daar is de kans om een elektron aan te treffen nul.

Figuur 13.42

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 149

149

27/10/2023 11:56

De toestand die is aangegeven bij n = 1 heeft geen knooplijnen. Dit is de grondtoestand. Bij n = 2 staan twee quantumtoestanden, die beide dezelfde energie hebben. Bij beide toestanden is er een knooplijn te zien, links in de vorm van een kleine cirkel om het midden, rechts als een rechte horizontale lijn. Bij de toestanden bij n = 3 zijn er twee knooplijnen te zien. In BINAS tabel 23 zie je op de bovenste rij de waarschijnlijkheidsverdeling van het elektron in het waterstofatoom in de grondtoestand en de eerste en tweede aangeslagen toestand, overeenkomend met de eerste kolom van figuur 13.42. Een elektron kan ook loskomen van het waterstofatoom. De energie van het elektron is dan groter dan nul, en kan elke positieve waarde aannemen. In figuur 13.41 is dat weergegeven met een blauw vlak. De getallen in figuur 13.41 ben je al eerder tegengekomen in figuur 12.20 en in BINAS tabel 21A.

Voorbeelden van systemen met opgesloten deeltjes Voor het waterstofatoom is de beschrijving van het energieschema van het elektron relatief eenvoudig. Grotere atomen hebben meerdere elektronen, waardoor de beschrijving erg ingewikkeld is. Als atomen bij elkaar komen, kunnen ze moleculen vormen door hun buitenste elektronen te delen. De waarschijnlijkheidsverdeling van de elektronen bepaalt de structuur van de gevormde moleculen. In een molecuul kunnen de opgesloten atomen trillingen uitvoeren, waardoor een molecuul verschillende energieniveaus heeft. Quantumtheorie is dus ook belangrijk voor de scheikunde. Een atoombinding heeft een lengte met ordegrootte 10 −10 m. De laagste energieniveaus liggen dan rond de 10 eV uit elkaar. Zo’n stof zal alleen fotonen van uv-straling absorberen en geen zichtbaar licht. Zie BINAS tabel 19B. Daardoor zijn vaste stoffen opgebouwd uit kleine moleculen vaak wit. Kleur komt doorgaans van grotere moleculen. Sommige kleurstofmoleculen bestaan uit ketens atomen met een aantal dubbele bindingen achter elkaar. De elektronen van de dubbele bindingen kunnen zich daardoor over een veel grotere lengte L verplaatsen dan bij een enkele atoombinding. Door de grotere lengte liggen de energieniveaus van dit soort moleculen dichter bij elkaar, en kunnen ze fotonen van zichtbaar licht absorberen. Door bleekmiddelen en door uv-licht kunnen de moleculen omgezet worden in kleinere moleculen. Hierdoor verdwijnt de kleur: de stof ‘verschiet’ van kleur.

1 50

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 150

27/10/2023 11:56

Opgaven 19 Bij een quantumdeeltje in een ééndimensionale energieput hoort een staande golf. In een put met lengte L zijn alleen golven mogelijk waarvan de golflengte voldoet aan L ​ = n ⋅ ​ _12 ​  λ​ met n = 1, 2, 3, … h ​​ met n = 1, 2, 3, … Voor de snelheid v van het quantumdeeltje geldt v​ = n ⋅ ​ _ 2m ⋅ L a Leid deze formule af. Een deeltje dat tussen de wanden van de energieput beweegt, heeft alleen kinetische energie. Voor de energie van een deeltje in een energieput geldt dan: ​h​​  2​  ​  met n = 1, 2, 3, …​ ​​En​  ​​ = ​n​​  2​  ⋅ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ b Leid deze formule af. Het deeltje absorbeert een foton en gaat hierdoor van de grondtoestand naar de tweede aangeslagen toestand. De frequentie van het opgenomen foton is dan gelijk aan ​f = _ ​  h 2 ​​  . m ⋅ ​L​​  ​ c Leid deze formule af. 20 Een elektron is opgesloten in een energieput met lengte L = 3,33∙10 −10 m. Voor de energieën bij dit deeltje in een put geldt En = n2 ∙ 3,39 eV. a Laat dit zien. Bij de overgang van n = 2 naar n = 1 wordt een foton uitgezonden. Het model van een elektron in een put met lengte L = 3,33∙10 −10 geeft dan voor de energie van dit foton dezelfde voorspelling als het model van een waterstofatoom. b Laat dat zien. In een atoomkern zitten geen elektronen, maar protonen en neutronen. De orde van grootte van de straal van een atoomkern is 104 keer zo klein als die van de straal van een atoom. Het proton in een atoomkern kun je beschouwen als een deeltje in een energieput. Door opname van energie kan een kern in een aangeslagen toestand komen. c Bereken de orde van grootte van de energieën die horen bij een overgang van de grondtoestand naar de eerste aangeslagen toestand. 21 Tussen de verschillende energieniveaus van een elektron in het waterstofatoom zijn overgangen mogelijk. In BINAS tabel 21A zijn er daarvan een aantal gegeven. Als het elektron terugvalt, worden fotonen uitgezonden. De lymannreeks bestaat uit de overgangen van aangeslagen toestanden naar de grondtoestand. a Laat zien dat bij die overgangen ultravioletstraling wordt uitgezonden. In BINAS tabel 20A staat het lijnenspectrum van waterstof. Al deze lijnen behoren tot de balmerreeks, waarbij het elektron terugvalt naar de eerste aangeslagen toestand. De zeven lijnen die zijn afgebeeld, horen bij overgangen van de beginwaarde voor n = 3 t/m 9 naar n = 2. b Controleer dat de overgang van n = 10 naar n = 2 geen lijn oplevert die in BINAS tabel 20 hoort. c Leg uit dat een waterstofatoom door overgangen geen röntgenstraling kan uitzenden, maar wel röntgenstraling kan absorberen.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 151

151

27/10/2023 11:56

Deuterium is een isotoop van waterstof met een extra neutron. De ruimte voor de kerndeeltjes in de kern van deuterium is veel kleiner dan de ruimte van het elektron in het deuteriumatoom. d Leg uit of de energie van de grondtoestand van een kerndeeltje van deuterium meer of minder negatief is dan die van het elektron van het deuteriumatoom. 22 Een elektron is opgesloten in een energieput met lengte L = 5,0∙10 −9 m. Volgens het model van een deeltje in een energieput heeft het elektron in de grondtoestand een energie van 15 meV. a Laat dit zien. b Toon aan dat in de grondtoestand de snelheid van het elektron gelijk is aan 7,3∙104 m s−1. Stel dat het elektron, elke keer als het bij een uiteinde komt, een kans van 1 op 1 miljard heeft om erdoor te tunnelen. c Toon aan dat het elektron waarschijnlijk binnen een milliseconde uit de put is. Bereken eerst hoe vaak het elektron in een milliseconde tegen een uiteinde botst. Als het elektron in de eerste aangeslagen toestand komt, tunnelt het elektron nog gemakkelijker naar buiten. Dit kun je op verschillende manieren uitleggen. Een uitleg is dat de snelheid van het elektron in de aangeslagen toestand groter is en dat het elektron dus vaker tegen de uiteinden botst. d Leg uit waardoor de snelheid van het elektron groter is. Een andere uitleg heeft te maken met de hoogte van de energiebarrière. Stel dat de energiebarrière voor het elektron 15 eV is. e Leg uit waarom de kans om te tunnelen groter is als het elektron in een aangeslagen toestand is. Als de energiebarrière voor het elektron hetzelfde blijft, maar je maakt de ruimte waar het elektron kan bewegen tien keer zo groot, dan is de kans op tunnelen minder groot. f Noem hiervoor een reden. Licht je antwoord toe. 23 In deze opgave vergelijk je de maan die in een baan om de aarde draait met het model van een elektron dat om de kern van een waterstofatoom beweegt. In beide systemen geldt voor de kracht ​F = _ ​ k2 ​​  . ​r​​  ​ In het waterstofatoom geldt k​ = f ⋅ ​e​​  2​​. In het aarde-maansysteem geldt k​ = G ⋅ ​Maarde ​  ​​  ⋅ ​Mmaan ​  ​​​. De kracht F houdt het elektron of de maan in een cirkelbaan. In dit geval kun je afleiden dat voor de snelheid v geldt: _

√

​v = ​ _ ​  m k· r ​ ​​ ▪ ▪ ▪ ▪

a

1 52

v is de snelheid in m s−1. k is gelijk aan een van de twee gegeven formules. m is de massa van het voorwerp in de cirkelbaan in kg. r is de straal van de cirkelbaan in m. Leid de vergelijking voor de snelheid v af.

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 152

27/10/2023 11:56

De gemiddelde afstand tussen elektron en waterstofkern is gelijk aan de 5,29∙10 −11 m. De gemiddelde afstand tussen aarde en maan is 3,84∙108 m. Het quantumgetal n is de verhouding tussen de debrogliegolflengte en de omtrek van de cirkel. Het waterstofatoom bevindt zich in de grondtoestand (n = 1) en de maan in een zeer hoge aangeslagen toestand. b Toon dat aan. E De energieniveaus van beide systemen worden beschreven door En = − _∞2 . n Voor het waterstofatoom geldt E ∞ = 13,6 eV en voor het aarde-maansysteem geldt E ∞ = 5,66∙10165 J. Ondanks de enorme waarde voor E ∞ kan de maan vrijwel elke energiehoeveelheid opnemen of afstaan. c Leg dit uit. 24 Bij radioactief verval van zware 60 atomen ontsnapt een alfadeeltje uit een atoomkern. In figuur 13.43 zie je 40 een grijs oppervlak dat de energiebarrière aangeeft. De randen 20 vormen de grafiek van de potentiële energie die het alfadeeltje moet 0 overwinnen om een zwaar atoom te 0 6 8 2 4 10 verlaten. In BINAS tabel 25 zie je dat energiebarrière 20 de energie van alfadeeltjes tussen de 4 en 10 MeV ligt. Die is dus veel te r klein om de energiebarrière te Figuur 13.43 overwinnen. Maar dankzij het tunneleffect komt het deeltje toch ‘door’ de barrière heen. d _ d h 1 _ _ De kans op tunnelen hangt af van ( ) met d_1 = 0,0552 ⋅ _ . 2 2 √2m ⋅ ΔE ▪ d is de horizontale afstand van de energiebarrière in m. ▪ d_1 is de halveringsdikte in m. 2 ▪ 0,0552 is een constante zonder eenheid. ▪ h is de constante van Planck in J s. ▪ m is de massa van het tunnelende deeltje in kg. ▪ ∆E is het energietekort in J. Het energietekort is het energieverschil tussen de energie die het deeltje heeft en de energie die nodig is om ‘over’ de barrière te komen. h _ a Laat zien dat _ de eenheid van lengte heeft. √2m ⋅ ΔE b Beredeneer of de kans op tunnelen groter of kleiner is als de massa van het deeltje groter is. Een alfadeeltje van 9 MeV tunnelt minder gemakkelijk door de energiebarrière dan een alfadeeltje van 10 MeV. c Noem hiervoor twee redenen. Licht je antwoord toe. 1 _ 2

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 153

153

27/10/2023 11:56

Microchips, zoals op de foto, maken gebruik van halfgeleider­ materialen. Waarin verschillen halfgeleiders van geleiders en isolatoren? Hoe maken toepassingen gebruik van de speciale eigenschappen van halfgeleiders?

Figuur 13.44

13.5 Elektronen in materialen Valentie-elektronen en atoomresten Een atoom bestaat uit een kern met eromheen elektronen. De buitenste elektronen noem je valentie-elektronen. De kern met de rest van de elektronen noem je een atoomrest . In een vaste stof trillen de atoomresten rond een vaste plaats. Door de elektrische aantrekkingskrachten van de atoomresten kunnen valentie-elektronen een vaste stof moeilijk verlaten. Een model van een stukje vaste stof is een verzameling atoomresten waartussen de valentie-elektronen zijn opgesloten. De afstand tussen de atoomresten ligt in de ordegrootte van 1 nm. De debroglie­ golflengte van een elektron is enkele nanometers. Dat is veel meer dan de afstand van 1 nm tussen de atoomresten. Elektronen zijn dus in staat om van atoomrest naar atoomrest te tunnelen. Een stukje vaste stof is dus als geheel een quantumsysteem met veel elektronen. Atoomresten hebben een veel grotere massa dan elektronen. Daardoor is de debrogliegolflengte van een atoomrest veel kleiner dan 1 nm en hoef je een atoomrest niet als quantumdeeltje te behandelen.

Energiebanden In figuur 13.45 staat een schematische voorstelling van een stukje vaste stof dat bestaat uit een aantal atomen. De stof met lengte L stof is opgedeeld in een groot aantal atoomresten met elk een energieput met lengte L a waarin de valentieelektronen zijn opgesloten.

1 54

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 154

27/10/2023 11:56

L stof

La

La

La

La

La

La

La

La

Figuur 13.45

In de energieput is er een grondtoestand. Bij dit laagste energieniveau E1 hoort een toestandsfunctie ψ1. Omdat de debrogliegolflengte van een valentie-elektron groter is dan de afstand tussen de atoomresten, overlappen de toestandsfuncties elkaar. Daardoor ontstaat uit één energieniveau een band aan energieniveaus voor de stof. Op dezelfde manier ontstaan uit discrete aangeslagen toestanden banden voor de stof. Zie figuur 13.46 voor de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand. discrete energieniveaus

continue energiebanden

energieschema valentie-elektron in vrij atoom

energieschema valentie-elektron in stof

eerste aangeslagen toestand grondtoestand

Figuur 13.46

De oorspronkelijke energieniveaus splitsen zich in banden van heel veel energieniveaus waarvan de energieën onderling maar weinig verschillen. Omdat de energiesprongen zo klein zijn, is binnen zo’n band een bijna continue variatie van energie mogelijk. Tussen de banden bevindt zich een kloof zonder energietoestanden.

Uitsluitingsprincipe, elektronenspin De natuurkundige Pauli ontdekte dat het onmogelijk is dat twee of meer elektronen dezelfde quantumtoestand bezetten. Deze regel heet het uitsluitingsprincipe van Pauli. Omdat het uitsluitingsprincipe zegt dat meer dan één elektron per quantumtoestand onmogelijk is, is het belangrijk om te weten in welke quantumtoestanden het elektron zelf kan zijn. Een elektron heeft een eigenschap die spin wordt genoemd. Het woord spin is afgeleid van het Engelse ‘to spin’ dat ‘draaien’ betekent. De grootheid spin kan maar twee waarden aannemen bij een elektron: spin omhoog en spin omlaag.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 155

155

27/10/2023 11:56

De spin van een elektron zorgt ervoor dat het elektron zich gedraagt als een klein magneetje. Bij spin omhoog zit de noordpool boven, en bij spin omlaag zit de zuidpool boven. Zie figuur 13.47. N

Z

Z

N

Figuur 13.47

Een elektron met spin omhoog is in een andere toestand dan een elektron met spin omlaag. Daardoor kunnen zich in één energieniveau twee elektronen bevinden. Zolang er geen magnetisch veld van buitenaf komt, hebben de elektronen dezelfde energie. Is er wel een magnetisch veld, dan is er een verschil in energie tussen de elektronen met verschillende spin. Is de richting van de spin dezelfde als die van het magnetisch veld, dan is de energie kleiner dan in de toestand met tegenovergestelde spin. Voorbeeld 8 Toestanden vullen met elektronen

Een eenvoudig quantumsysteem heeft drie energieniveaus met energieën van 0,50 eV, 1,0 eV en 2,0 eV. Dit systeem wordt gevuld met elektronen. a Leg uit hoeveel elektronen je maximaal in dit quantumsysteem kwijt kunt. Hoewel vier elektronen minder is dan het maximale aantal bij vraag a, kunnen de vier elektronen niet allemaal spin omhoog hebben in dit quantumsysteem. b Leg dit uit. Het quantumsysteem wordt gevuld met vier elektronen, waarvan één elektron in de grondtoestand, twee elektronen in de eerste aangeslagen toestand, en één elektron in het hoogste energieniveau. c Toon aan dat deze toestand een energie heeft van 4,5 eV. Door absorptie en emissie van fotonen ontstaan toestanden met een andere hoeveelheid energie. Het quantumsysteem krijgt een energie van 5,0 eV. d Leg uit dat dat niet kan door absorptie van een foton met een energie van 0,5 eV. e Leg uit hoe de toestand met een energie van 5,0 eV wel bereikt kan worden. Uitwerking a Per energieniveau kun je maximaal twee elektronen kwijt. In het quantumsysteem passen dus maximaal zes elektronen. b Als je vier elektronen verdeelt over drie niveaus, dan heeft minstens één niveau twee elektronen. Vanwege het uitsluitingsprincipe van Pauli moeten de elektronen op hetzelfde niveau verschillende spins hebben. De spins van de vier elektronen kunnen dus niet allemaal gelijk zijn.

1 56

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 156

27/10/2023 11:56

c

Een elektron in de grondtoestand heeft een energie van 0,5 eV. Er zijn twee elektronen in de eerste aangeslagen toestand, elk 1,0 eV. Een elektron in de tweede aangeslagen toestand heeft 2,0 V aan energie. De totale energie van de vier elektronen is dus 0,5 + 2 × 1,0 + 2,0 = 4,5 eV. d Door opname van een foton van 0,5 eV moet een elektron van de grondtoestand naar de eerste aangeslagen toestand springen. Maar in de beschreven situatie zitten er al twee elektronen in de eerste aangeslagen toestand. Dit niveau is dus volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli ‘vol’: er kan niet nog een elektron bij. Deze manier is dus onmogelijk. e Bij een energie van 5,0 eV zitten twee elektronen in de grondtoestand van 0,5 eV en twee in de tweede aangeslagen toestand van 2,0 eV. Er moet dus een foton geabsorbeerd worden met een energie van 1,0 eV (zodat een elektron van de eerste aangeslagen toestand naar de tweede gaat), en er moet emissie van een foton van 0,5 eV plaatsvinden (zodat een elektron van de eerste aangeslagen toestand naar de grondtoestand gaat).

Geleiders, halfgeleiders en isolatoren In een vaste stof worden de energieniveaus opgevuld met valentie-elektronen. Bij lage temperatuur is de energie van de stof laag. De eerste twee elektronen bezetten dan het laagste energieniveau. Daarna is dit niveau gevuld, vanwege het uitsluitings­principe van Pauli. De volgende twee elektronen gaan in het op één na laagste niveau. Dan is ook dit niveau vol, en volgt het op twee na laagste niveau, enzovoorts. Bij de laagst mogelijke energie bezetten de elektronen dus een hele reeks aangrenzende energieniveaus. De band van energieniveaus voor de valentieelektronen noem je de valentieband. In de valentieband zijn bij lage temperatuur geen vrije energieniveaus beschikbaar. De elektronen in de valentieband zijn dan niet mobiel. Deze elektronen zitten op vaste plekken, en zorgen voor de bindingen tussen de atoomresten. Boven de valentieband zijn nog wel veel vrije energieniveaus. Deze band van energie­n iveaus wordt de geleidingsband genoemd. Dit is de eerste aangeslagen toestand voor de valentie-elektronen. Als een elektron in de geleidingsband komt, dan kan het vrij bewegen: het is een vrij elektron of geleidingselektron geworden. Geleidingselektronen kunnen zich gemakkelijk verplaatsen, en daarvoor moeten ze energie kunnen opnemen en afstaan bij interactie tussen elektronen onderling. Dat gaat gemakkelijk in de geleidingsband, omdat de energieniveaus dicht bij elkaar liggen.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 157

157

27/10/2023 11:56

energie (eV)

De kloof tussen de valentieband en de geleidingsband heet een band gap. De breedte van de band gap bepaalt of een vaste stof een isolator, een geleider of een halfgeleider is. Zie figuur 13.48. Hoe groter de band gap, des te meer energie is er nodig om een valentie-elektron in de geleidingsband te krijgen.

10 geleidingsband

band gap 0

valentieband isolator

halfgeleider

geleider

Figuur 13.48

Of een stof goed geleidt, hangt af van het aantal elektronen in de geleidingsband. Het geleidingsvermogen neemt toe als een elektron van de valentieband naar de geleidingsband gaat. Het elektron moet daarvoor voldoende energie hebben om over een eventuele band gap te kunnen springen. Bij kamertemperatuur is de gemiddelde kinetische energie van elektronen kleiner dan 0,04 eV. Bij een isolator is de band gap meestal groter dan 5 eV. Dan hebben ook de snelste elektronen te weinig energie om de band gap over te steken. Alleen door heel veel energie toe te voeren gaan elektronen deelnemen aan geleiding. Heeft een materiaal geen of een heel kleine band gap, dan zitten de energieniveaus van de geleidingsband direct boven de valentieband. Er is nauwelijks energie nodig om elektronen in de geleidingsband, en dus in beweging te krijgen. Dergelijke stoffen zijn geleiders. Bij heel goede geleiders, zoals metalen, overlappen de valentieband en de geleidingsband elkaar. Stoffen met een band gap van enkele eV zijn halfgeleiders. In normale omstandigheden geleidt de stof niet zo goed. Maar door toevoer van een kleine hoeveelheid energie kunnen elektronen al over de band gap springen. De stof gaat dan beter geleiden. In BINAS tabel 16C vind je voor een aantal halfgeleiders de energie van hun band gap.

1 58

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 158

27/10/2023 11:56

NTC en LDR Bij een temperatuur hoger dan 0 K zijn in een materiaal de deeltjes in beweging. Door onderlinge botsingen kan kinetische energie worden overgedragen waardoor het ene elektron meer kinetische energie heeft dan het andere. In een halfgeleider kunnen elektronen met die energie over de band gap heen springen. In een halfgeleidermateriaal bij kamertemperatuur is de gemiddelde energie weliswaar niet groot genoeg om een elektron de band gap te laten oversteken, maar omdat er ook deeltjes zijn met (veel) meer energie komen er toch enkele elektronen in de geleidingsband terecht. Met enkele elektronen is het geleidingsvermogen niet heel groot. Verhoog je de temperatuur, dan springen steeds meer elektronen van de valentieband naar de geleidingsband en geleidt het materiaal steeds beter. Dergelijke halfgeleiders zijn NTC-weerstanden. Hoe hoger de temperatuur, des te meer elektronen beschikbaar zijn voor de geleiding, des te kleiner is de weerstand van de NTC. Ook een LDR is gemaakt van halfgeleidermateriaal. De weerstand van een LDR neemt af als er licht op valt. Absorbeert een elektron in de valentieband een foton met voldoende energie, dan kan het naar de geleidingsband springen en deelnemen aan geleiding. Hoe meer fotonen er worden geabsorbeerd, hoe meer elektronen beschikbaar zijn voor geleiding, des te kleiner is de weerstand van de LDR.

Zonnecel Een zonnecel is ook gemaakt van halfgeleidermateriaal. In een zonnecel zitten twee typen halfgeleidermaterialen tegen elkaar: een n-type en een p-type. Bij het n-type is de valentieband volledig bezet en ook een paar niveaus van de geleidingsband zijn bezet met elektronen. In het p-type zitten juist wat minder elektronen: er zitten geen elektronen in de geleidingsband en er zijn nog een paar open plekken in de valentieband. Breng je een n-type en p-type bij elkaar, dan steken de elektronen in de geleidings­ band van het n-type over naar de open plekken in de valentieband van het p-type. Zie figuur 13.49a.

band gap

n-type lading 0

a

p-type lading 0

n-type lading +

p-type lading –

b

Figuur 13.49

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 159

159

27/10/2023 11:56

Door de extra elektronen is het p-type nu negatief geladen. Het n-type is positief geladen door het tekort aan elektronen. Zie figuur 13.49b. Wordt in een zonnecel het p-type bestraald met fotonen, dan wordt deze situatie teruggedraaid. Door absorptie van een foton met voldoende energie springt een elektron in het p-type van de valentieband naar de geleidingsband, net als bij een LDR. Het elektron beweegt vervolgens direct naar het n-type, omdat dit positief geladen is door een tekort aan elektronen. De zonnecel werkt dan als een gelijkspanningsbron. Het n-type is de minpool van de spanningsbron, die elektronen met hoge energie uit de geleidingsband levert. Het p-type is de pluspool, die de elektronen weer ontvangt in de valentieband nadat ze hun energie hebben afgestaan in een stroomkring. Zolang er fotonen met voldoende energie worden geabsorbeerd, worden elektronen van de p-kant naar de n-kant gepompt. Voorbeeld 9 Zonnecellen

Zowel een zonnecel als een LDR maken gebruik van halfgeleiders. a Noem een overeenkomst en een verschil tussen een LDR en een zonnecel als deze een foton absorberen. Het rendement van een zonnepaneel is maximaal ongeveer 25%. Dit komt doordat de energie van de fotonen die op de zonnecellen vallen niet altijd nuttig gebruikt kan worden. b Noem twee redenen daarvoor. De meeste zonnecellen zijn van silicium. Maar je kunt ook zonnecellen van germanium maken. Germaniumcellen hebben een veel hoger rendement dan siliciumcellen. c Geef een reden waarom germaniumzonnecellen een veel hoger rendement hebben dan siliciumcellen. Gebruik BINAS tabel 16C bij je uitleg. Uitwerking a Overeenkomst: Elektronen gaan van de valentieband naar de geleidingsband. Verschil: Een zonnecel wordt gebruikt als een spanningsbron; een LDR niet. b Voor de overgang van de valentieband naar de geleidingsband is een minimale hoeveelheid energie nodig. Fotonen met een lagere energie kunnen dus niet worden gebruikt. Fotonen met teveel energie komen hoog in de geleidingsband en vallen terug, waarbij infraroodstraling ontstaat. Die stralingsenergie kan niet nuttig worden gebruikt. c Volgens BINAS tabel 16C heeft silicium een band gap van 1,10 eV, en germanium van 0,72 eV. Omdat fotonen meer energie dan de band gap moeten hebben om elektronen naar de geleidingsband te brengen, kan germanium fotonen vanaf 0,72 eV omzetten in elektriciteit. Het is daarmee effectiever dan silicium dat pas fotonen bij energieën hoger dan 1,10 eV absorbeert. (Helaas is germanium veel duurder dan silicium. Het wordt dan ook alleen gebruikt voor hoogwaardige toepassingen, zoals de ruimtevaart.)

1 60

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 160

27/10/2023 11:56

Opgaven 25 Voor gassen geldt voor de gemiddelde energie van een vrij bewegend deeltje: ​​Egem ​  ​​ = _ ​  32 ​ ​kB​  ​​  ⋅ T​ ▪ k is de constante van Boltzmann in J K−1. B ▪ T is de temperatuur in K. De waarde van kB vind je in BINAS tabel 7. Je kunt deze formule gebruiken voor een vrij bewegend elektron of de atoomkern. In ijzer is de afstand tussen de atomen bij kamertemperatuur ongeveer 0,23 nm. a Toon aan dat de debrogliegolflengte van een vrij bewegend elektron bij kamertemperatuur (293 K) gelijk is aan 6,3 nm. b Toon aan dat de debrogliegolflengte van de kern van ijzer-56 bij kamertemperatuur (293 K) gelijk is aan 20 pm. Voor de beschrijving van het gedrag van de elektronen in ijzer moet je quantumtheorie gebruiken. Het gedrag van de atoomkernen kun je beschrijven met klassieke theorie. c Leg dit uit. 26 Een quantumsysteem heeft drie energieniveaus: een grondtoestand bij 1,5 eV en twee aangeslagen toestanden bij 3,2 eV en 5,6 eV. Dit systeem wordt gevuld met drie elektronen. Als je geen rekening houdt met de spin, kan dat op zeven manieren. a Noteer in tabel 13.2 het aantal elektronen voor de n1 n2 n3 zeven mogelijke bezettingen van de grond­toestand 1 en de twee aangeslagen toestanden. 2 Elektronen veranderen van energieniveau door fotonen te absorberen en even later weer (andere) fotonen uit te 3 zenden. Bij spectraalanalyse van dit quantumsysteem 4 zijn maar drie spectraallijnen te zien. 5 b Leg uit welke fotonenergieën horen bij deze drie 6 spectraallijnen. 7 Het systeem kan ook gevuld worden met drie elektronen die allemaal spin omhoog hebben. Tabel 13.2 c Bereken de energie van deze toestand. 27 Een molecuul in een kleurstof wordt beschreven door het model van een deeltje in een ééndimensionale energieput. De energieniveaus worden gegeven door En = n2 ∙ E1, met het laagste energieniveau van E1 = 0,25 eV. In de energieput zitten acht elektronen. Bij niet al te hoge temperatuur zitten die allemaal in de laagst mogelijke energieniveaus. a Bereken de lengte van de energieput. Je bestraalt de kleurstof met wit licht. b Voer de volgende opdrachten uit: − Bereken de energie van de eerste vijf niveaus. − Leg uit dat deze kleurstof de kleur groen heeft. Als je de kleurstof bestraalt met uv-fotonen van 4,0 eV, zie je een kleur. c Leg uit dat de kleurstof dan de mengkleur van rood en groen heeft. Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 161

161

27/10/2023 11:56

28 In BINAS tabel 67I staat de structuurformule van b-caroteen. Je ziet dat elf dubbele bindingen afgewisseld worden met tien enkelvoudige bindingen. Dit is een voorbeeld van een geconjugeerd systeem. In een geconjugeerd systeem kunnen per dubbele binding twee elektronen ‘vrij’ bewegen tussen het begin en het einde van het systeem. Daardoor zijn alle bindingen een beetje dubbel, zoals bij benzeen. De lengte L van het geconjugeerd systeem van b-caroteen is gelijk aan 2,5 nm. a Maak dit aannemelijk met behulp van gegevens uit BINAS tabel 53. In b-caroteen doen in totaal 22 elektronen mee binnen het systeem. Je kunt een b-caroteenmolecuul beschrijven met een eenvoudig model van een ééndimensionale energieput waarin 22 elektronen opgesloten zijn. De grondtoestand is de toestand waarin die elektronen een zo laag mogelijke energie hebben. Door absorptie van een foton komt het molecuul in de eerste aangeslagen toestand. b Leg uit dat het foton een overgang van n = 11 naar n = 12 veroorzaakt. Voor het energieverschil van deze overgang geldt: ​h​​  2​  ​​ ​Δ E = 23 ⋅ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ ▪ ∆E is het energieverschil in J. ▪ h is de constante van Planck in J s. ▪ m is de massa van het elektron in kg. ▪ L is de lengte van het geconjugeerde systeem in m. c Leid deze formule af. De oranje kleur van wortels komt door de aanwezigheid van b-caroteen. Dit betekent dat b-caroteen licht met een frequentie kleiner dan 6∙1014 Hz niet absorbeert. d Maak dit aannemelijk met behulp van BINAS tabel 19A. Om het elektron van de hoogste bezette n-waarde naar de volgende n-waarde aan te slaan moet het een foton met een frequentie van 6∙1014 Hz absorberen. e Toon met bovenstaande gegevens aan dat de lengte L van het geconjugeerde systeem van b-caroteen overeenkomt met de 2,5 nm die volgt uit BINAS tabel 53. 29 De indeling van materialen in geleiders, halfgeleiders en isolatoren volgt uit de grootte van de band gap. Je kunt de energie van de band gap vergelijken met de energie die al in het materiaal aanwezig is. Bij een temperatuur boven 0 K hebben alle deeltjes in de stof immers bewegingsenergie. Door middel van interacties kunnen ze die energie op elkaar overdragen. De gemiddelde energie van een deeltje is bij kamertemperatuur 35,2 meV. Een geleider heeft een band gap die rond of onder deze energie ligt. Een isolator heeft een band gap van meer dan honderd keer deze energie. a Leg uit dat een materiaal bij kamertemperatuur waarschijnlijk al goed geleidt als de band gap rond of onder de 35 meV ligt. Een LDR bestaat uit halfgeleidermateriaal. Met een LDR kun je bijvoorbeeld een daglichtsensor maken. Dat is een sensor die reageert op een verandering in lichtintensiteit. De band gap van zo’n LDR moet kleiner zijn dan 1,65 eV. b Leg uit wat er gebeurt als de band gap veel groter is dan 1,65 eV.

1 62

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 162

27/10/2023 11:56

Ook een led werkt met halfgeleidermateriaal. Een led geeft licht doordat elektronen de band gap oversteken. Leds zijn er tegenwoordig in alle kleuren. c Leg uit hoe bij een blauwe led blauw licht ontstaat en geef aan hoe groot de band gap ongeveer is. 30 In tabel 13.3 staat voor verschillende materiaal band gap in eV halfgeleiders de band gap weergegeven. CdTe 1,58 Een zonnecel is gemaakt van silicium. Een Ge 0,72 bepaald foton brengt een elektron in de InSb 0,23 geleidingsband van silicium. a Bepaal met behulp van tabel 13.3 wat PbSe 0,27 de golflengte van dit foton maximaal Si 1,10 kan zijn. ZnS 3,60 Een foton met een kortere golflengte zorgt ZnSe 2,70 ervoor dat een elektron hoog in de Tabel 13.3 geleidingsband terechtkomt. Door overgangen binnen de geleidingsband valt het elektron dan weer terug richting de band gap. De energie die bij overgangen in de geleidingsband vrijkomt, gaat verloren aan warmte. Van de meeste fotonen wordt dus niet alle energie omgezet in elektrische energie. Het rendement van één foton is dus afhankelijk van zijn energie. Zie figuur 13.50. b Verklaar de vorm van de grafiek. 1,2

rendement per foton

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0 0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

E (eV) Figuur 13.50

Wit licht bestaat uit fotonen met energieën tussen de 1,65 eV en 3,10 eV. c Schat het rendement van de zonnecel als bij elk van deze fotonenergieën evenveel fotonen op de zonnecel vallen.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 163

163

27/10/2023 11:56

Helaas is het rendement van een zonnecel nog een stuk lager dan geschat bij c. Het rendement van silicium wordt groter als andere halfgeleiders op het silicium worden aangebracht. Deze laagjes zijn zo dun dat fotonen erdoorheen kunnen gaan. In figuur 13.51 staat schematisch een dwarsdoorsnede van een zonnecel getekend, met drie dunne laagjes op het silicium. Ieder laagje is gemaakt van een ander materiaal uit tabel 13.3. d Voer de volgende opdrachten uit: −  Geef in figuur 13.51 in iedere laag aan van welk materiaal uit tabel 13.3 deze laag gemaakt is. − Leg je antwoord uit. zonlicht

silicium Figuur 13.51

Oefenen B Oefen met hoofdstuk 13

1 64

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 164

27/10/2023 11:56

13.6 Afsluiting Samenvatting In de negentiende eeuw toonde Young met een dubbelspleetexperiment aan dat licht golfgedrag vertoont. Twee kenmerken van golfgedrag zijn diffractie en interferentie. Bij diffractie gaat licht niet rechtdoor, maar buigt het om de rand van een spleet of obstakel. De mate van diffractie hangt af van de golflengte en de afmetingen van de spleet of het obstakel. Is de spleet of het obstakel groot ten opzichte van de golflengte, dan treedt nauwelijks diffractie op. Hoe kleiner de afmetingen, des te sterker is de mate van diffractie. Door diffractie via meerdere spleten of een tralie kunnen lichtstralen met elkaar interfereren. Dit is zichtbaar als een afwisseling van lichte en donkere strepen op een scherm. Licht vertoont behalve golfgedrag ook deeltjesgedrag: het bestaat uit fotonen. De verschijnselen die optreden bij het vrijmaken van elektronen uit atomen of materialen en het lijnenspectrum van atomen kunnen verklaard worden door aan te nemen dat een elektron één foton absorbeert. Deeltjesgedrag en golfgedrag komen samen in het dubbelspleetexperiment. Er worden afzonderlijke fotonen waargenomen op het scherm, maar de verdeling van de fotonen vertoont een interferentiepatroon. Probeer je te achterhalen door welke spleet een foton gaat, dan gaat de interferentie verloren. Deeltjes vertonen net als licht zowel golf- als deeltjesgedrag. De golflengte van een deeltje is afhankelijk van de massa en de snelheid van het deeltje. Het gedrag kun je wiskundig beschrijven door een toestandsfunctie ψ (x) aan het deeltje te koppelen. Het kwadraat van de amplitude van deze toestandsfunctie geeft de waarschijnlijkheid om het deeltje op plaats x aan te treffen. Als een bewegend quantumdeeltje opgesloten is in een energieput, voorspelt het golfgedrag van een deeltje dat de kans om het deeltje ergens aan te treffen niet overal even groot is. Er ontstaat een patroon van knopen en buiken. Bij de wanden ontstaan knopen, net als bij een trillende snaar. De toestandsfunctie ψ (x) beschrijft dan een staande golf. De golflengte van deze staande golf hangt af van de lengte L van de energieput en van het aantal knopen. Meer knopen of een kleinere L geeft een kortere golflengte en hogere waarden voor de energieniveaus. Bij de laagst mogelijke energie spreek je van de grondtoestand; aangeslagen toestanden hebben een hogere energie. Ieder energieniveau heeft zijn eigen toestandsfunctie.

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 165

165

27/10/2023 11:56

Door fotonen te absorberen of uit te zenden kunnen de deeltjes naar een hoger of lager energieniveau springen. Daarvoor moet een foton exact de juiste energie, en dus golflengte hebben. Dit verklaart dat spectra van atomen lijnenspectra zijn.

▶

Als de wand van een energieput niet oneindig hoog is, dringt de golf in de wand door en verspreidt zich zo over een groter gebied. Een deeltje kan dankzij dit golfgedrag zelfs door een barrière lekken, het tunneleffect. In vaste stoffen zijn energieniveaus van valentie-elektronen gegroepeerd in banden. Een band kan worden gevuld met elektronen. In een energieniveau kunnen maximaal twee elektronen, die dan een tegenstelde spin hebben. Dit volgt uit het Pauli-uitsluitingsprincipe. De valentieband bestaat uit de energieniveaus die de valentie-elektronen opvullen bij de laagste energie. De geleidingsband bestaat uit de niveaus boven de valentieband. Of een vaste stof goed geleidt hangt af van de band gap tussen de valentie- en de geleidingsband. Vaste stoffen met een middelgrote band gap heten halfgeleiders, en worden toegepast in onder andere NTC’s, LDR’s en zonnecellen. De quantumtheorie is een nauwkeurigere theorie dan de klassieke theorie van Newton. In het dagelijks leven voldoet de klassieke theorie goed. Deze is relatief eenvoudig. Bij de beschrijving van atomen en elektronen en bij heel lage temperaturen is de quantumtheorie onmisbaar.

Gegevens die betrekking hebben op dit hoofdstuk De formules die in dit hoofdstuk zijn besproken staan hier bij elkaar. maxima tralie

​ ⋅ sin (α ) = n ⋅ λ​ d met n = 0, 1, 2, 3, …

debrogliegolflengte

h ​λ = ​ _ m · v ​​

energie deeltje in een ééndimensionale energieput

​h​​  ​  ​​ ​​En​  ​​ = ​n​​  2​  ⋅ ​ _ 8m ⋅ ​L​​  2​ met n = 1, 2, 3, …

energie waterstofatoom

13,6 ​​En​  ​​ = −  ​ _  ​​ (in eV) ​n​​  2​ met n = 1, 2, 3, …

2

De formules vind je in BINAS tabel 35B4, 35E2 en 35E4.

1 66

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 166

27/10/2023 11:56

Opgaven ▶ hulpblad

31 Het is mogelijk om atomen af te remmen met behulp van lasers. Deze techniek wordt gebruikt om extreem lage temperaturen te bereiken. Een foton met een energie van 1,59 eV passeert een atoom van ​​​85​  Rb​​​​. Als het atoom niet beweegt, is de energie van het foton net te klein om het atoom in aangeslagen toestand te brengen. Als het atoom het foton tegemoetkomt met een snelheid van 0,500 m s−1, wordt het atoom wel aangeslagen. Dit komt door de dopplerverschuiving van licht. a Leg uit hoe de dopplerverschuiving verklaart dat het atoom aangeslagen raakt, ondanks het feit dat de energie van het foton eigenlijk te klein is. Korte tijd later valt het atoom terug uit zijn aangeslagen toestand door een foton uit te zenden. Na het uitzenden van het foton heeft het atoom nog een snelheid van 0,495 m s−1. b Toon aan dat het frequentieverschil tussen het geabsorbeerde foton en het uitgezonden foton gelijk is aan 5·105 Hz. Deze techniek wordt gebruikt om een wolk van atomen af te koelen. Daarvoor wordt een wolkje gas vanuit meerdere richtingen met lasers bestraald. De Rb-atomen kunnen niet eindeloos worden afgekoeld. Zelfs als het atoom na absorptie van het foton stilstaat, krijgt het bij het uitzenden van een foton toch weer snelheid. c Leg dit uit. Laserkoeling wordt toegepast om te proberen Rb-atomen in een gezamenlijke quantumtoestand (Bose-Einsteincondensatie) te krijgen. Hierbij wordt de golflengte die bij afzonderlijke atomen hoort zo groot dat de golven van verschillende deeltjes elkaar overlappen. Na het uitzenden van het foton heeft het atoom in ieder geval een debroglie­ golflengte die net zo groot is als de debrogliegolflengte van het uitgezonden foton. d Laat zien dat een Rb-atoom door laserkoeling niet verder kan worden afgeremd dan tot een snelheid van 6,03 mm s−1. 32 In figuur 13.52 zie je het symbool van een led. In een led zitten twee soorten halfgeleidend materiaal tegen elkaar aan. Deze soorten heten n-type en p-type. Is in figuur 13.52 de rechterkant verbonden met de minpool van een spanningsbron, dan staat de led in de doorlaatrichting. Een elektron komt dan eerst in het n-type halfgeleidend materiaal en daarna in het p-type. a Bevindt in figuur 13.52 het n-type halfgeleidend materiaal zich aan de linkerkant of aan de rechterkant van de led? Licht je antwoord toe.

Figuur 13.52

Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 167

167

27/10/2023 11:56

Bij het n-type zijn de energieniveaus van de valentieband helemaal gevuld en er zitten extra elektronen in de geleidingsband. De valentieband en de geleidingsband zijn gescheiden door een band gap van ∆E1 = 2,26 eV. Het p-type heeft juist nog een aantal open plekken in de valentieband. Breng je het n-type en p-type bij elkaar, dan gaan elektronen uit de geleidingsband van het n-type naar de valentieband van het p-type en vullen die op. De rechterfiguur in figuur 13.53 geeft de eindsituatie. ΔE2

band gap = ΔE1

n-type lading 0

p-type lading 0

n-type lading +

p-type lading –

Figuur 13.53

Een led staat in de sperrichting als je het n-type aansluit op de pluspool van een spanningsbron en het p-type op de minpool. b Leg uit waarom in deze richting geen stroom kan lopen. Sluit je het n-type aan op de minpool, dan kunnen wel elektronen oversteken. Die elektronen moeten dan wel voldoende energie hebben. c Voer de volgende opdrachten uit: − Leg uit waarom het elektron voldoende energie moet hebben. − Bepaal de drempelspanning van de led. Als het elektron van het n-type doorstroomt naar het p-type, valt het elektron terug naar de valentieband. Hierbij raakt het elektron energie kwijt onder uitzending van een foton. d Bepaal de kleur van het licht dat de led uitzendt als een elektron van de onderkant van de geleidingsband terugvalt. Een elektron bevindt zich bij binnenkomst in een van de energieniveaus van de geleidingsband. Het energieverschil tussen twee niveaus is ∆E2. Een elektron kan terugvallen naar een van de andere energieniveaus binnen de geleidingsband. Dit heet interne conversie. e Leg uit dat bij interne conversie warmtestraling vrijkomt. Het halfgeleidend materiaal waaruit de led bestaat, heeft bepaalde afmetingen. Daardoor is de ruimte voor de elektronen beperkt. Zijn elektronen in een halfgeleider gebonden aan een atoom, dan is de ruimte nog verder beperkt. De grootte van de energieverschillen ∆E1 en ∆E2 hangt hiermee samen. f Hangt ∆E1 samen met de afmetingen van de led of met de afstanden tussen de afzonderlijke atomen? Licht je antwoord toe. Zelftoets Maak de zelftoetsen

1 68

h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 168

27/10/2023 11:56

Checklist voor begrippen en leerdoelen Hierna vind je een overzicht van de begrippen en leerdoelen per paragraaf. Kruis de leerdoelen aan waarvan jij vindt dat je ze nu beheerst. Bij de leerdoelen die je nog niet helemaal beheerst noteer je de acties die je gaat ondernemen om het leerdoel alsnog te kunnen behalen.

Paragraaf 1 Licht als golf Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: cirkelvormige golf, puntbron, vlakke golf, buiging, interferentie, buiklijn, knooplijn, diffractie, tralie, tralieconstante



het deeltjesmodel voor licht van Newton en het golfmodel voor licht van Huygens beschrijven



uitleggen in welke situaties diffractie optreedt



schetsen hoe het intensiteitspatroon op een scherm achter een enkele spleet eruitziet, afhankelijk van de spleetbreedte ten opzichte van de golflengte



beschrijven dat diffractie ook optreedt bij de inval van golven op een obstakel



uitleggen hoe en onder welke voorwaarden maxima en minima ontstaan bij de inval van golven op een dubbele spleet



schetsen hoe het interferentiepatroon op een scherm achter de dubbele spleet eruitziet



berekeningen maken en redeneren met de formule voor maxima van een tralie: d · sin(α) = n · λ



Paragraaf 2 Fotonen Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: quantum, continu, discreet, waarschijnlijkheids­ verdeling, waarschijnlijkheid, toestandsfunctie (of golffunctie)



uitleggen waardoor een elektron wordt vrijgemaakt uit een metaal, en dat dit effect alleen optreedt als de fotonenergie van het invallende licht groter is dan een minimale waarde



Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 169

169

27/10/2023 11:56

het interferentiepatroon interpreteren als waarschijnlijkheidsverdeling voor de detectie van fotonen



de opbouw van het interferentiepatroon beschrijven bij kleine intensiteit en daarbij benoemen dat fotonen met zichzelf interfereren



het principe toepassen dat informatie over de genomen weg eventuele interferentie voorkomt



Paragraaf 3 Golfgedrag bij elektronen Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: golfdeeltjedualiteit, diffractie aan kristalroosters, debrogliegolflengte, elektronenmicroscoop, quantumtheorie, quantumdeeltje, quantumtoestand, klassieke theorie



de experimenten beschrijven waaruit blijkt dat bewegende deeltjes ook een golfkarakter hebben



uitleggen waardoor met een elektronenmicroscoop een beeld kan worden gemaakt van voorwerpen die met een lichtmicroscoop niet zichtbaar zijn



beschrijven wanneer de quantumtheorie betere uitkomsten oplevert dan de klassieke theorie en wanneer dezelfde uitkomsten



berekeningen maken en redeneren met de formule voor de debrogliegolflengte: ​λ = _ ​ mh⋅ v ​​



Paragraaf 4 Opgesloten quantumdeeltjes Ik kan

1 70

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: (on)eindig diepe energieput, grondtoestand, aangeslagen toestand, energieniveau, quantisatie, barrière, tunneling



bij het model van een deeltje in een ééndimensionale energieput de toestandsfunctie van het deeltje wiskundig gezien vergelijken met een golf in een snaar



h o ofdstu k 1 3

SysNat_6_vwo_2023.indb 170

27/10/2023 11:56

bij het model van een deeltje in een ééndimensionale energieput de toestandsfunctie en de waarschijnlijk­ heids­­verdeling van het deeltje als functie van de plaats schetsen in de grondtoestand en in aangeslagen toestanden



uitleggen hoe bij het model van een deeltje in een ééndimensionale energieput de debrogliegolflengte afhangt van de lengte van de put: L ​ = n ⋅ ​ _12 ​  λ​



hanteren dat bij een eindig diepe ééndimensionale energieput de toestandsfunctie en de bijbehorende waarschijnlijkheidsverdeling exponentieel afnemend doorlopen in de barrière



berekeningen maken en redeneren met de formule voor de energie van een deeltje in een ééndimensionale energieput en de energie van het elektron in een 13,6 ​h​​  2​  ​​ en ​​E​  ​​ = −  ​ _ waterstofatoom: ​​En​  ​​ = ​n​​  2​  ⋅ ​ _  ​​ n ​n​​  2​ 8 m ⋅ ​L​​  2​



Paragraaf 5 Elektronen in materialen Ik kan

Acties

de volgende begrippen beschrijven en toepassen: valentie-elektron, atoomrest, energieband, band gap, uitsluitingsprincipe van Pauli, spin, valentieband, geleidingsband, isolator, geleider, halfgeleider, NTC, LDR, zonnecel



benoemen dat in vaste stoffen de discrete energieniveaus in atomen combineren tot vrijwel continue energiebanden met daartussen eventuele band gaps



het verschil tussen geleiders, halfgeleiders en isolatoren beschrijven met de begrippen valentieband, geleidingsband en band gap



de werking van LDR, NTC en zonnecel beschrijven met de begrippen valentieband, geleidingsband en band gap



Quantumwereld

SysNat_6_vwo_2023.indb 171

171

27/10/2023 11:56

Systematische Natuurkunde

V WO 6

6 VANAF

E X AM EN

M EI 2 0 2 5

vwo 6 Naam Klas

9 789006 373844

SysNat_Leerboek_6vwo_OMSLAG.indd All Pages

31/10/2023 14:59