Exact Periode 5.2

Exact Periode 5.2

Licht

2 1 Wat is licht?

In de figuur hieronder zie je een elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(Zie figuur).

Licht is een elektromagnetische golf. Andere voorbeelden van e.m.- golven zijn radar en röntgenstraling.

Zie Binas tabel 19A en 19B.

Met frequentie (f) wordt bedoeld: het aantal trillingen per seconde.

De eenheid van frequentie is Hertz (Hz).

De frequentie bepaalt de kleur van het licht. (BINAS tabel 19A).

De golflengte  (labda) is de lengte van één golf ( zie figuur hierboven) Formule:





f

c 



 : golflengte (m) c : lichtsnelheid (m·s^-1) f : frequentie (Hz)

4 1.0

De zon staat (gemiddeld) 1,5·10¹¹ m van ons af. Hoe lang is zonlicht onderweg voordat het de aarde bereikt?

1.1

De golflengte van blauw licht in vacuüm is 490 nm.

Bereken de frequentie.

1.2

Licht met een frequentie van 3,8·10¹⁴ Hz kunnen we nog zien.

a. Bereken de golflengte

b. Kunnen we licht met een iets hogere frequentie ook zien?

2 Fotonen

Licht is gekwantiseerd. Licht bestaat uit fotonen. Je mag een foton opvatten als een soort golfpakketje. De energie van een foton is te berekenen met:

f h E_foton 

Hierin is:

Efoton de energie van het foton in J

h de constante van Planck : 6,63·10^-34 Js (BINAS tabel 7) f de frequentie van het foton

De golflengte λ van het foton is te berekenen met

f

 c

 . (c: lichtsnelheid)

6 2.1

Een foton heeft een frequentie van 3,8·10¹⁴ Hz Bereken de energie van het foton.

2.2

De energie van een foton is 3,55·10^-19 J.

a. Bereken de frequentie b. bereken de golflengte

c. welke “kleur” heeft het foton?

3 Wat is een spectrum?

Licht bestaat vaak uit een mengsel van kleuren (dus van verschillende golflengten).

Bij een spectrum worden de verschillende kleuren naast elkaar geprojecteerd.

Hoe maak je een spectrum?

Er zijn twee manieren om een spectrum te maken.

1. Met een prisma: verschillende golflengten hebben ook een verschillende brekingsindex. De stralen komen dus met een verschillende hoek uit het prisma.

2. Met een tralie:

Als licht op een CD-tje valt zie je een spectrum. Het CD-tje werkt als een tralie.

Een tralie bestaat uit een glaasje met zeer veel evenwijdige krasjes (bijv 600 per mm).

Het licht dat op het tralie valt gaat door de openingen tussen de krasjes.

Daar vindt buiging plaats. De gebogen lichtstralen interfereren.

Interferentie is: het versterken en verzwakken van de golven.

In bepaalde richtingen wordt rood versterkt, in andere violet, enz.

8 4 Het continu spectrum

Fotonen wordt uitgezonden door gloeiende voorwerpen. (gloeidraad, gloeiende koolstofdeeltjes in een kaarsvlam).

Er ontstaat “wit”licht als de temperatuur hoog genoeg is.

Als van dit licht een spectrum wordt gemaakt zie je alle kleuren continu in elkaar overlopen.

Continu betekent: doorlopend, zonder onderbrekingen.

Zie Binas: 20-1 4.1

Noem een lichtbron waarvan het spectrum continu is

4.2

Is het spectrum van de zon continu? Geef toelichting.

4.3

Zijn de onderstaande stellingen waar?

I. Bij interferentie worden golven altijd versterkt. waar/ niet waar II. Een prisma werkt met buiging van licht. waar/ niet waar III. In een prisma wordt blauw sterker gebroken dan rood waar/ niet waar

5 De gasontladingslamp.

In een gasontladingslamp (zie figuur hieronder) bevindt zich een gas (bijvoorbeeld Neon) of een damp (bijv natrium of kwik).

Door de lamp stromen elektronen van de min-elektrode naar de plus-elektrode.

De elektronen bewegen steeds sneller.

Als ze tegen een gas- of dampatoom botsen kan dit atoom in een aangeslagen toestand komen.

Atomen in aangeslagen toestanden zijn zeer labiel.

Na zeer korte tijd valt het atoom terug in de grondtoestand. Hierbij wordt een foton uitgezonden.

Kwikdamp

ca 600V

10 6 Het emissiespectrum (lijnenspectrum)

Een emissiespectrum ontstaat als we atomen van een gas of damp blootstellen aan botsingen van elektronen. Dit gebeurt in een gasonladingsbuis.

Fotonen worden uitgezonden door atomen die terugvallen van een aangeslagen toestand (plaatje links) naar de grondtoestand (plaatje rechts).

Een atoom in de grondtoestand heeft minder energie dan een atoom in een aangeslagen toestand. Het energieoverschot komt vrij in de vorm van em-straling: een foton. Een atoom heeft diverse aangeslagen toestanden. Ieder met een zeer bepaalde energie. En de energie bepaalt de kleur (golflengte).Vandaar dat het spectrum van een gasontladingslamp uit enkele gekleurde strepen bestaat.

Zie Binas: 20- 3 t/m11 en 13

foton

kern

kern

Ieder gekleurde streep komt overeen met een energieovergang.

In het energieschema, hier rechtsonder, wordt geprobeerd dat duidelijk te maken.

Een atoom is in de tweede aangeslagen toestand.

Het terugvallen naar de grondtoestand kan rechtstreeks (lange pijl) of met een tussenstop in de eerste aangeslagen toestand (korte pijltjes).

k e

E2

E1

E0

Lijnenspectrum

violet groen rood

λ

12 6.2

Bereken de energie van de groene lijn in het emissiespectrum van Helium (Binas tabel 20)

6.4

Hiernaast zie je een gedeelte van een energieschema van een atoom.

Hoeveel spectraallijnen verwacht je in het spectrum?.

E2

E1

E0

7 Het absorptiespectrum

Een absorptiespectrum ontstaat als licht van een gloeilamp (met een continu spectrum) door een absorberende stof gaat.

De stof absorbeert bepaalde kleuren (golflengten) van het licht. Op die plaatsen ontstaat in het spectrum een zwarte streep.

Hierbij is het volgende belangrijk:

Atomen absorberen alleen de fotonen met de juiste energie. Dat wil zeggen fotonen die ze zelf zouden uitzenden als ze vanuit een aangeslagen toestand terugvallen in de grondtoestand.

Absorptie speelt dus een belangrijke rol bij het herkennen van stoffen (kwalitatief).

Ook kwantitatief is absorptie belangrijk (AAS)

Hieronder zie je een schema hoe je een absorptiespectrum kan maken.

14 8 Hoe komt een atoom in een aangeslagen toestand?

Er zijn drie manieren om een atoom in een aangeslagen toestand te krijgen.

1. Door het atoom verwarmen (bijvoorbeeld in een gasvlam)

2. Door het atoom te laten botsen met elektronen (in een gasontladingsbuis) 3. Door het atoom licht te laten absorberen.

In alle gevallen valt het atoom terug in de grondtoestand en zendt een foton uit.

9 De elektronvolt (eV).

De energie eenheid joule (J) is niet erg geschikt voor de atomaire schaal.

De energie van een foton kan bij voorbeeld 4,12.10^-19J zijn.

Daarom is de elektronvolt (eV) ingevoerd.

definitie:

1 eV = 1,60·10

J

De energie van foton uit het voorbeeld is 2,58 eV

9.1

Licht met frequentie tussen 400 en 720 THz kunnen wij zien.

Bereken tussen welke energiegrenzen (in eV) zichtbare fotonen zich bevinden.

16 9.2

Hiernaast zie je een gedeelte van een energieschema.

Bereken de frequenties van de fotonen die bij de pijlen horen.

E2=3,3 eV E1=2,4 eV

E0=0 eV

Filters

1. Kleurfilters.

In een spectrofotometer kan een kleurfilter als monochromator zijn opgenomen.

Hierboven zie je een karakteristiek.

De golflengte die het best wordt doorgelaten heet de analytische lijn: 

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

0 200 400 600 800

18 opgaven.

1. Lees uit de grafiek (rechts) af: T0 0 en bepaal de bandbreedte.

2. Teken hieronder de T- grafiek van een filter waarvan gegeven is:

0 = 500 nm , bandbreedte : 70 nm T0 : 50%

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

0 200 400 600 800

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

0 200 400 600 800

2. Interferentiefilters

Een interferentiefilter bestaat uit doorzichtig materiaal. De dikte (d) van het materiaal bepaalt welke kleur versterkt wordt doorgelaten.

Interferentie betekent immers: golven versterken en verzwakken elkaar afhankelijk van het weglengteverschil.

wit licht één kleur licht

20 oefenopgaven

1. Rechts zie je een zeepvliesraam. Verklaar het “gekleurde” strepenpatroon.

2. Hiernaast zie je een karakteristiek van een kleurfilter.

a. Bepaal T0 , 0 en bepaal de bandbreedte

b. Teken de lijn voor een filter met 0 = 340 nm T0 = 0,4 en bandbreedte 40 nm

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

250 350 450

H3 De polarimeter

3.1 Gepolariseerd licht.

Licht is een elektromagnetische golf. Loodrecht op de voortplantingsrichting van het licht vinden twee soorten trillingen plaats:

elektrische en magnetische.

Bij normaal licht (dus ongepolariseerd) zijn er oneindig veel trillingsrichtingen.

Bij gepolariseerd licht is er slechts één trillingsrichting.

Een polaroidfilter polariseert het licht.

voortplantingsrichting trillingsrichtingen

nn

22 Met twee polaroidfilters achter elkaar kan je licht uitdoven. Je zet dan de doorlaatrichtingen loodrecht op elkaar.

Indien je slechts één filter hebt kan je toch testen of het polariserend werkt.

Je maakt dan gebruik van licht dat is weerkaatst op een niet-metalen oppervlak.

3.2 concentratiebepaling in een polarimeter.

Sommige stoffen zijn optisch actief: Ze draaien de trillingsrichting van gepolariseerd licht.

De hoek  waarover de draaiing plaatsvindt is evenredig met de concentratie van de stof. Dit principe wordt gebruikt in polarimeters.

24

concentratiebepaling in een polarimeter.

Formule :

 

 

 gemeten draaiingshoek c concentratie kg.m^-3 l cuvetlengte (m)

 

voorbeeld: voor D-glucuse geldt:

specifieke draaiing

 

De kleur is oranje ( bekend van straatverlichting) . Binas 20.5

De golflengte van dat licht is 589 nm.

Opdrachten en oefenen. ^{ }

 

1. Wat betekent nm?

2. Schrijf de bovenste formule in de vorm c=

3. Schrijf de bovenste formule in de vorm

 

 

5. Gegeven: specifieke draaiing

 

Een D-glucose oplossing bevindt zich in een polarimeter. Het cuvet is 1,00 dm lang. De golflengte van het licht is 589 nm de temperatuur is 20 °C. De draaiingshoek bedraagt 7,8°. Bereken de concentratie.

6. Een oplossing van 0,118 g·cm^-3 rietsuiker veroorzaakt in een 10,0 cm lang cuvet van een polarimeter een draaiingshoek van 10,5°

(bij 589 nm en 20 °C).

Bereken de specifieke draaiing.

26

Hoe een AAS werkt.

Het licht van een gas-ontladingsbuis schijnt door een vlam en komt in een lichtdetector.

In de vlam wordt een oplossing gezogen.(door de onderdruk in het centrum van de vlam)

 Door de hoge temperatuur van de vlam verdampt de vloeistof en ontstaan atomen.

De atomen van de oplossing absorberen het licht van de gas-ontladingsbuis en raken in een aangeslagen toestand.

 Ze vallen terug in de grondtoestand en zenden een foton uit (in een willekeurige richting)).

Uit de hoeveelheid geabsorbeerd licht kan de concentratie van de oplossing worden berekend.