SAMENVATTING NATUURKUNDE HOOFDSTUK 15
§15.1: Licht, golven of deeltjes?
In een interferentiepatroon zijn constructieve (= maximale versterking) en
destructieve interferentie (= uitdoving) van licht zichtbaar. Interferentie is een
specifieke eigenschap van golven. Twee golven kunnen als ze op dezelfde plaats
aanwezig zijn, elkaar verzwakken of versterken. Bij gelijke amplitude geldt dat als
de bergen van de ene golf steeds samenvallen met de dalen van de andere golf,
doven beide golven elkaar uit. Als de bergen van de ene golf samenvallen met de
bergen van de andere golf, versterken ze elkaar maximaal. Bij
het dubbelspleet-experiment van Young valt een bekende
golflengte op twee smalle spleten. Als licht een
deeltjesverschijnsel was, zou je achter de dubbelspleet een
schaduwpatroon waarnemen, dat bestaat uit twee lijnen. Je
meet echter een interferentiepatroon dat bestaat uit meer
dan twee lijnen. Als je de spleten dichter bij elkaar zet, zou
een schaduwpatroon ook dichter bij elkaar komen. In
werkelijkheid liggen de lijnen juist
verder uit elkaar. Dit bewijst dat licht een golfverschijnsel is.
Als je de proef uitvoert met een driedubbele spleet worden
de donkere stukken breder en de lichte strepen helderder.
Hoe meer spleten, hoe duidelijker het interferentiepatroon.
Met een tralie (= doorzichtig plaatje waarop heel dicht naast
elkaar een groot aantal zwarte lijnen en dus ook veel spleten
staan) is het interferentiepatroon het duidelijkst.
Buiging treedt op bij alle golven in twee situaties:
1. Golven buigen als ze door een opening gaan, waarbij die opening kleiner of gelijk
is aan de golflengte. Hoe kleiner de opening, hoe meer buiging.
2. Golven buigen om objecten heen die kleiner zijn dan hun
golflengte.
Een perfect zwart lichaam (= zwarte straler) is een (hypothetisch) voorwerp dat
alle straling absorbeert die erop valt. Voorwerpen die in de natuur voorkomen
absorberen minder. Als je de temperatuur van een zwart lichaam verhoogt, zend
het temperatuurstraling uit. Hoe heter, hoe meer straling. Een heet lichaam zendt
energie discontinu (gequantiseerd) uit en de eenheid van energie is quant. De
constante van Planck wordt beschouwd als een fundamentele
natuurconstante. Het foto-elektrisch effect is een verschijnsel dat bepaalde
straling elektronen vrijmaakt uit een metaal. In metaal maak je onderscheid tussen
elektronen die gebonden zijn aan hun atoom en elektronen die niet gebonden zijn,
maar die door het metaal heen kunnen bewegen (= vrije
elektronen of geleidingselektronen). De energie die minimaal
nodig is om een vrij elektron uit een metaal los te maken, noem je
de uittree-energie. Het kathodemetaal beschijn je met licht
(straling), dat er elektronen uit kan losmaken. Vrijgemaakte
elektronen (= foto-elektronen) bewegen naar de anode,
waardoor er een stroom ontstaat (= fotostroom). Foto-elektronen
komen onmiddellijk vrij nadat straling op het metaal valt. Als je het metaal bestraalt
met infrarood licht, meet je geen enkel foto-elektron, hoe groot je de intensiteit van
de bundel ook maakt.
Als je het metaal bestraalt met ultraviolet licht, meet je wel foto-elektronen, zelfs bij
extreem lage intensiteit. Licht met een grotere frequentie dan de grensfrequentie
veroorzaakt wel een foto-elektrisch effect, licht met een kleinere frequentie niet.
Licht bestaat uit gequantiseerde fotonen, die met de lichtsnelheid gaan. Fotonen
, worden uitgezonden of geabsorbeerd op basis van alles of niets. Een straler kan
alleen een geheel aantal fotonen uitzenden. Een elektron in een metaal kan slechts
één foton absorberen. Als een elektron een foton absorbeert, geeft het
foton zijn volledige energie af aan alleen dat elektron. Hoe groter de
frequentie (en hoe kleiner de golflengte), hoe groter de fotonenergie.
Alleen fotonen die meer energie hebben dan de uittree-energie maken
foto-elektronen vrij. Het compton-effect is als licht botst op elektronen
en gedraagt zich als fotonen die zowel kinetische energie (E = h f = h
c / ) hebben als impuls (p = h / ). Licht gedraagt zich per verschijnsel of als een
golf, of als een deeltje (= golf-deeltjesdualiteit). Dit heet het
complementariteitsbeginsel.
§15.2: Elektronen, golven of deeltjes?
De Broglie beweert dat als licht (golven) deeltjeseigenschappen heeft, dan hebben
elektronen (materiedeeltjes) ook golfeigenschappen.
h h
¿ =
ρ m∙ v
¿ de golflengte van een deeltje∈meter ( m )
−34
h=de constante van Planck =6,62607 ∙10 J s
ρ=de impuls van het deeltje∈newton maal seconde (N s )
m=de massa van het deeltje∈kilogram( kg)
v=de snelheid van het deeltje∈meter per seconde (m/ s)
Versterking en verzwakking van hoeken ontstaan door het interferentiepatroon. De
elektronenbundel die terugkaatst op de bovenste kristallaag interfereert met de
bundel die terugkaatst op de volgende kristallaag. Net als licht blijken elektronen
zich als een golf of als een deeltje te kunnen gedragen. Elektronen vertonen
golfgedrag als een bundel op een opening of op een voorwerp valt dat ongeveer
even groot is als de golflengte van de bundel. Als een entiteit zowel deeltjes- als
golfeigenschappen heeft, spreek je van een quant of een golfpakket. Een
toepassing van de golfeigenschappen van elektronen is de
elektronenmicroscoop. Je kunt daarin elektronen gebruiken die veel kleinere
golflengtes hebben dan licht. Elektromagnetische straling met een golflengte van
10-10 m (= röntgenstraling) heeft zo veel kinetische energie en impuls, dat het een
atoom ioniseert en onmogelijk is om atomen zichtbaar te maken. Elektronen met
een golflente van 10-10 m kaatsten wel terug op atomen.
Het dubbelspleet-experiment kun je uitvoeren met fotonen elektronen, atomen
en moleculen. Met al deze quanta kun je interferentiepatronen creëren. Zelfs als je
quanta één voor één door de opstelling stuurt, blijft er sprake van golfgedrag en
ontstaat een interferentiepatroon. Er wordt pas een nieuw elektron uitgezonden
nadat de vorige gedetecteerd is. Een elektron kan zo onmogelijk met een ander
elektron interfereren. Als je echter zou kunnen meten door welke
spleet ieder quant gaat, ontstaat er deeltjesgedrag en zou het
interferentiepatroon verdwijnen. Stuur je een quanta één voor één door
de dubbele spleet, dan gedragen ze zich als een golf. Deze golf gaat
door beide spleten tegelijk en interfereert met zichzelf. Als je meet
door welke spleet ieder quanta gaat, dwing je deeltjesgedrag af. Het
complementariteitsbeginsel geldt ook voor individuele quanta.
Wanneer golf- of deeltjesgedrag optreedt, hangt met name samen met de
golflengte van de quanta. Bij golfgedrag is sprake bij met name interferentie en
buiging. Bij deeltjesgedrag is sprake van botsen. Interferentie treedt alleen op als
het gaat om dezelfde soort quanta en er moet sprake zijn van (minimaal) twee
