Onderzoekstechnieken erfgoedlabo’s –
natuurwetenschappen
Enkele basisbegrippen:
Transversale golf: golffront, voortplantingsrichting, uitwijking loodrecht hierop, golflengte…
Periode = tijd nodig om exact één golflengte op te schuiven (= omgekeerde frequentie)
Voortplantingssnelheid 𝒗 = 𝝀*f
Voortplantingssnelheid v = golflengte 𝝀 /periode T
Snelheid is afstand per tijdseenheid
Frequentie = hoeveel van die golven passeren op een bepaalde plaats per seconde, bv: 5 golven per
seconde = 5 Hz
5 golven per seconde = 1 golf per 0.2 sec, periode T = 0,2 s
Dualiteitsbeginsel (De Broglie): EM-straling kan op twee manieren benaderen
1. golf
2. deeltje (foton)
één foton = één discrete golf
Elk deeltje heeft één bepaalde vaste energie die kan gemeten worden
Wit zichtbaar licht is een vorm van EM-straling dus bv: we steken licht aan dan produceert deze bron
continu golflengtes of fotonen
Het EM-spectrum:
Hierop staan de verschillende soorten straling. Wij focussen op x-stralen, UV, VIS en IR.
1
,Elke straling heeft overeenkomstige frequentie (Hz of 1/s), wat is het verband tussen frequentie en
golflengte?
EM golven verplaatsen zich even snel in een vacuüm, deze snelheid noemen we c de
lichtvoortplantingssnelheid
𝒗 = 𝝀*f = c = 3,00 * 108 m/s
In een ander materiaal (niet vacuüm) zal het zich minder snel verplaatsen dan in een vacuüm.
Hoe kleiner de golflengte, hoe hoger de frequentie en hoe hoger de energie.
Hoe wordt EM-straling geproduceerd?
Straling inerageert met moleculen op een schaal van hun ‘beweging’
- Microgolven: Moleculen draaien als geheel rond hun as in willekeurige richting.
- Infrarood: IR-straling (hogere frequentie), gaat inwerken op de vibraties van een molecule =
verandering van atomaire bindingen tussen atomen
- Zichtbaar licht (VIS): interageert op kleinere schaal dan moleculen. Ze doet dit in de schillen
van het atoom. VIS gaat elektronen exciteren door energie toe te voegen, elektronen komen
in aangeslagen toestand. Die werkt enkel in op de buitenste schil van atomen. De elektronen
aan de buitenste schillen hebben een hogere energie.
- UV: interageert ook met elektronen op de schil van een atoom. UV (hogere frequentie dus
meer energie), gaat de elektronen exciteren, waardoor ze in aangeslagen toestand komen,
UV stralen kegelen elektronen uiteindelijk uit hun schil rond de atoom = ionisatie.
- X-stralen: doen hetzelfde als UV maar X-stralen hebben genoeg energie om dit te doen in de
binnenste schillen van een atoom
- Omgekeerde proces van ionisatie kan ook straling veroorzaken: bv. molecule die vibreert
straalt IR uit, molecule waarbij een elektron vervalt van buitenste naar binnenste schil die
straalt een x-straal uit.
Opbouw atoom:
Atoom kalium:
Nucleus met schillen (of orbitalen) rond, elke schil met een bepaald energieniveau dat toeneemt
naar buiten toe. Orbitalen vul je per twee op, beginnende vanuit het laagste energieniveau waardoor
je bij kalium in de derde schil maar 8 elektronen in. De ‘9de’ zit in de 4de schil omdat hier het
energieniveau hoger is en dat dus energetisch gunstiger is om te zitten in het 4s orbitaal.
Wat gebeurt er als we gaan interageren met een EM-straling?
2
,VIS: je gaat elektronsprongen hebben, afhankelijk van de inkomende energie. Wanneer een elektron
naar een hoger energieniveau gaat, noemen we dit de aangeslagen of geëxciteerde toestand. Als de
elektron terugkeert naar oorspronkelijke toestand, dan stuurt het weer EM-straling uit.
UV: hetzelfde principe, alleen is de energie van sommige UV hoog genoeg om elektronen genoeg
energie te geven volledig te verwijderen uit de atoomschillen. Dit gebeurt in de buitenste schillen van
de atoom.
X-stralen: hebben nog een hogere frequentie en dus energie dan UV, kunnen dit ook doen met de
binnenste elektronen van een atoom.
Hoe meer naar links je gaat in het EM-spectrum, hoe meer de energie toeneemt.
Één foton heeft één discrete energie, je kan dus energie toewijzen aan elke soort straling.
Energie van EM straling (EXAMEN!!):
𝑬 = 𝒉*𝒇 [ J; 1J = 6,24*1018 eV] KENNEN
h = constante van Planck = 6,626.10-34 J.s (moet je niet vanbuiten kennen)
Hoe kleiner de golflengte, hoe hoger de frequentie en hoe hoger de energie.
Maar TOCH zal op sommige momenten de golflengte veranderen en de frequentie niet.
Bovenstaande formule klopt altijd: die frequentie zal altijd overeenkomen met dit soort van straling
en de energie die daar mee berekend wordt. Maar de overeenkomende golflengte, geldt alleen maar
in een vacuüm. Dit is het geval als EM-straling door een medium gaat, dan verandert de frequentie
en de energie niet maar de golflengte wel (zie later).
Een bron zendt een lading aan fotonen uit, de totale energie is dan gelijk aan de som van de energie
van alle fotonen.
Vermogen en intensiteit
Het is gevaarlijker om in een microgolfoven te zitten dan in de zon te lopen, hoe komt dit?
Microgolven hebben een lagere energie dan zonnestralen (VIS) maar de hoeveelheid fotonen is
belangrijk. Bij een microgolf stuurt de oven een enorme hoeveelheid fotonen op een kleine
oppervlakte met een bepaalde energie, van de zon ontvangen we een fractie van de uitgezonden
fotonen. Afstand speelt een rol in die zin dat de stralen zich dan hoe verder hoe meer verspreiden.
Vermogen (power) = hoeveelheid energie die een bron uitzendt per tijdseenheid.
Elk foton geeft een bepaalde energie en de totale energie is de som van de energie van alle fotonen
samen per seconde. = vermogen van bron (J/s of Watt)
Hoe groter het vermogen hoe meer energie de bron uitstuurt. Dus ofwel hoe meer fotonen met
dezelfde energie ofwel hoe minder fotonen met meer energie.
Intensiteit = vermogen / oppervlakte = P/A = I (w/m²)
Bv: Zon produceert in alle richtingen fotonen.
3
, Oppervlakte cirkel: diameter ² x π / 4
r = straal
Iaarde = Pzon / (4 π r²)
Stel dat mars dubbel zo ver ligt, op 2r, wat is dan de intensiteit op mars t.o.v. op aarde?
Imars = Pzon / (4 π 2r²) = Pzon / 4 π 4 r dus twee keer zo ver weg, 4 keer zo weinig fotonen
Wit licht (niet hetzelfde als zichtbaar licht)
Continue golflengtespectrum:
- Eén enkele golflengte: monochromatisch licht (één discrete band in het spectrum dus
golflengte van bv. groen)
- Beperkte bundel golflengtes: pink beam
Hoe krijgen we wit licht? Door fotonen met verschillende energie, met al die bandjes in, een bron die
zichtbaar licht uitstuurt zal van elk van die golflengtebandjes met een bepaalde energie tegelijkertijd
een foton uitsturen. = EM-straling dat bestaat uit een spectrum van bepaalde golflengtes of een
spectrum aan fotonen met een bepaalde energie. Dit is niet per se zichtbaar licht
Wit licht = kan van elke soort EM-straling zijn bv, wit licht van X-stralen d.w.z. dat we alle golflengtes
van onze x-stralen hebben in het spectrum.
Zon = zichtbaar wit licht, hele spectrum binnen het zichtbare bereik
Licht van één golflengte = monochromatisch licht zendt fotonen uit met één bepaalde energie bv:
laser is min of meer monochromatisch.
Pink beam: geselecteerde lichtbundel, = bundel met een dun deel van het spectrum, maakt niet uit
waar.
Ongepolariseerd licht
Trilling loodrecht op voortplantinsrichting
Trillingsrichting van elke golf is willekeurig leidt tot trilling in elke dimensie
Wit zichtbaar licht van de zon heeft het hele het energiebereik van het zichtbare licht en trilt in elke
richting.
Er valt wit licht door een prisma
Coherente (elastische) verstrooiing
4
natuurwetenschappen
Enkele basisbegrippen:
Transversale golf: golffront, voortplantingsrichting, uitwijking loodrecht hierop, golflengte…
Periode = tijd nodig om exact één golflengte op te schuiven (= omgekeerde frequentie)
Voortplantingssnelheid 𝒗 = 𝝀*f
Voortplantingssnelheid v = golflengte 𝝀 /periode T
Snelheid is afstand per tijdseenheid
Frequentie = hoeveel van die golven passeren op een bepaalde plaats per seconde, bv: 5 golven per
seconde = 5 Hz
5 golven per seconde = 1 golf per 0.2 sec, periode T = 0,2 s
Dualiteitsbeginsel (De Broglie): EM-straling kan op twee manieren benaderen
1. golf
2. deeltje (foton)
één foton = één discrete golf
Elk deeltje heeft één bepaalde vaste energie die kan gemeten worden
Wit zichtbaar licht is een vorm van EM-straling dus bv: we steken licht aan dan produceert deze bron
continu golflengtes of fotonen
Het EM-spectrum:
Hierop staan de verschillende soorten straling. Wij focussen op x-stralen, UV, VIS en IR.
1
,Elke straling heeft overeenkomstige frequentie (Hz of 1/s), wat is het verband tussen frequentie en
golflengte?
EM golven verplaatsen zich even snel in een vacuüm, deze snelheid noemen we c de
lichtvoortplantingssnelheid
𝒗 = 𝝀*f = c = 3,00 * 108 m/s
In een ander materiaal (niet vacuüm) zal het zich minder snel verplaatsen dan in een vacuüm.
Hoe kleiner de golflengte, hoe hoger de frequentie en hoe hoger de energie.
Hoe wordt EM-straling geproduceerd?
Straling inerageert met moleculen op een schaal van hun ‘beweging’
- Microgolven: Moleculen draaien als geheel rond hun as in willekeurige richting.
- Infrarood: IR-straling (hogere frequentie), gaat inwerken op de vibraties van een molecule =
verandering van atomaire bindingen tussen atomen
- Zichtbaar licht (VIS): interageert op kleinere schaal dan moleculen. Ze doet dit in de schillen
van het atoom. VIS gaat elektronen exciteren door energie toe te voegen, elektronen komen
in aangeslagen toestand. Die werkt enkel in op de buitenste schil van atomen. De elektronen
aan de buitenste schillen hebben een hogere energie.
- UV: interageert ook met elektronen op de schil van een atoom. UV (hogere frequentie dus
meer energie), gaat de elektronen exciteren, waardoor ze in aangeslagen toestand komen,
UV stralen kegelen elektronen uiteindelijk uit hun schil rond de atoom = ionisatie.
- X-stralen: doen hetzelfde als UV maar X-stralen hebben genoeg energie om dit te doen in de
binnenste schillen van een atoom
- Omgekeerde proces van ionisatie kan ook straling veroorzaken: bv. molecule die vibreert
straalt IR uit, molecule waarbij een elektron vervalt van buitenste naar binnenste schil die
straalt een x-straal uit.
Opbouw atoom:
Atoom kalium:
Nucleus met schillen (of orbitalen) rond, elke schil met een bepaald energieniveau dat toeneemt
naar buiten toe. Orbitalen vul je per twee op, beginnende vanuit het laagste energieniveau waardoor
je bij kalium in de derde schil maar 8 elektronen in. De ‘9de’ zit in de 4de schil omdat hier het
energieniveau hoger is en dat dus energetisch gunstiger is om te zitten in het 4s orbitaal.
Wat gebeurt er als we gaan interageren met een EM-straling?
2
,VIS: je gaat elektronsprongen hebben, afhankelijk van de inkomende energie. Wanneer een elektron
naar een hoger energieniveau gaat, noemen we dit de aangeslagen of geëxciteerde toestand. Als de
elektron terugkeert naar oorspronkelijke toestand, dan stuurt het weer EM-straling uit.
UV: hetzelfde principe, alleen is de energie van sommige UV hoog genoeg om elektronen genoeg
energie te geven volledig te verwijderen uit de atoomschillen. Dit gebeurt in de buitenste schillen van
de atoom.
X-stralen: hebben nog een hogere frequentie en dus energie dan UV, kunnen dit ook doen met de
binnenste elektronen van een atoom.
Hoe meer naar links je gaat in het EM-spectrum, hoe meer de energie toeneemt.
Één foton heeft één discrete energie, je kan dus energie toewijzen aan elke soort straling.
Energie van EM straling (EXAMEN!!):
𝑬 = 𝒉*𝒇 [ J; 1J = 6,24*1018 eV] KENNEN
h = constante van Planck = 6,626.10-34 J.s (moet je niet vanbuiten kennen)
Hoe kleiner de golflengte, hoe hoger de frequentie en hoe hoger de energie.
Maar TOCH zal op sommige momenten de golflengte veranderen en de frequentie niet.
Bovenstaande formule klopt altijd: die frequentie zal altijd overeenkomen met dit soort van straling
en de energie die daar mee berekend wordt. Maar de overeenkomende golflengte, geldt alleen maar
in een vacuüm. Dit is het geval als EM-straling door een medium gaat, dan verandert de frequentie
en de energie niet maar de golflengte wel (zie later).
Een bron zendt een lading aan fotonen uit, de totale energie is dan gelijk aan de som van de energie
van alle fotonen.
Vermogen en intensiteit
Het is gevaarlijker om in een microgolfoven te zitten dan in de zon te lopen, hoe komt dit?
Microgolven hebben een lagere energie dan zonnestralen (VIS) maar de hoeveelheid fotonen is
belangrijk. Bij een microgolf stuurt de oven een enorme hoeveelheid fotonen op een kleine
oppervlakte met een bepaalde energie, van de zon ontvangen we een fractie van de uitgezonden
fotonen. Afstand speelt een rol in die zin dat de stralen zich dan hoe verder hoe meer verspreiden.
Vermogen (power) = hoeveelheid energie die een bron uitzendt per tijdseenheid.
Elk foton geeft een bepaalde energie en de totale energie is de som van de energie van alle fotonen
samen per seconde. = vermogen van bron (J/s of Watt)
Hoe groter het vermogen hoe meer energie de bron uitstuurt. Dus ofwel hoe meer fotonen met
dezelfde energie ofwel hoe minder fotonen met meer energie.
Intensiteit = vermogen / oppervlakte = P/A = I (w/m²)
Bv: Zon produceert in alle richtingen fotonen.
3
, Oppervlakte cirkel: diameter ² x π / 4
r = straal
Iaarde = Pzon / (4 π r²)
Stel dat mars dubbel zo ver ligt, op 2r, wat is dan de intensiteit op mars t.o.v. op aarde?
Imars = Pzon / (4 π 2r²) = Pzon / 4 π 4 r dus twee keer zo ver weg, 4 keer zo weinig fotonen
Wit licht (niet hetzelfde als zichtbaar licht)
Continue golflengtespectrum:
- Eén enkele golflengte: monochromatisch licht (één discrete band in het spectrum dus
golflengte van bv. groen)
- Beperkte bundel golflengtes: pink beam
Hoe krijgen we wit licht? Door fotonen met verschillende energie, met al die bandjes in, een bron die
zichtbaar licht uitstuurt zal van elk van die golflengtebandjes met een bepaalde energie tegelijkertijd
een foton uitsturen. = EM-straling dat bestaat uit een spectrum van bepaalde golflengtes of een
spectrum aan fotonen met een bepaalde energie. Dit is niet per se zichtbaar licht
Wit licht = kan van elke soort EM-straling zijn bv, wit licht van X-stralen d.w.z. dat we alle golflengtes
van onze x-stralen hebben in het spectrum.
Zon = zichtbaar wit licht, hele spectrum binnen het zichtbare bereik
Licht van één golflengte = monochromatisch licht zendt fotonen uit met één bepaalde energie bv:
laser is min of meer monochromatisch.
Pink beam: geselecteerde lichtbundel, = bundel met een dun deel van het spectrum, maakt niet uit
waar.
Ongepolariseerd licht
Trilling loodrecht op voortplantinsrichting
Trillingsrichting van elke golf is willekeurig leidt tot trilling in elke dimensie
Wit zichtbaar licht van de zon heeft het hele het energiebereik van het zichtbare licht en trilt in elke
richting.
Er valt wit licht door een prisma
Coherente (elastische) verstrooiing
4
