Welkom bij de module Elektromagnetische straling en Materie. In deze module leer je veel over materie, en over licht en andere vormen van straling. Bovendien leer je wat deze twee met elkaar te maken hebben, dus welke interacties straling en materie kunnen hebben.
We gaan in de loop van deze module op zoek naar de antwoorden op onder andere de volgende vragen:
• Hoe kunnen we vanaf de aarde de temperatuur van de zon en andere sterren bepalen?
• Hoe weten we uit welke stoffen de zon bestaat?
• Hoe kunnen we de snelheid bepalen van een ster die van ons af beweegt of naar ons toe beweegt?
• Hoe ontstaat licht?
• Hoe kunnen we met een eenvoudig atoommodel van materie het bestaan en de eigenschappen van miljoenen verschillende stoffen verklaren?
In de loop van de geschiedenis is het beeld dat we hebben van materie regelmatig veranderd.
Zo'n 2500 jaar geleden dacht de Griekse wijsgeer Empedocles dat alles was opgebouwd uit vier elementen: aarde, lucht, vuur en water.
Bijna gelijktijdig bedacht Democritus, ook een Griek, dat alles bestaat uit zeer kleine, onveranderlijke deeltjes. Deze deeltjes noemde hij atomen (atomos = ondeelbaar).
Daarmee kwam hij al aardig in de buurt van de ideeën die we vandaag de dag hebben over materie. Toch bleef lange tijd het aarde- lucht-water-vuurmodel dominant. Pas vanaf het einde van de 18e eeuw begon het atoommodel veld te winnen.
1.2
Lang veranderde er vrijwel niets aan de ideeën die we hadden over materie, maar aan het eind van de 19e eeuw richtten de natuurkundigen hun aandacht op een aantal onverklaarbare verschijnselen. Met drie van die verschijnselen zullen we in deze lessenserie nader kennis gaan maken:
• de straling die een gloeiend voorwerp uitzendt
• het foto-elektrisch effect
• de spectra van gassen
Het lukte niet om deze verschijnselen met de bestaande modellen te verklaren.
De grootste denkfout in deze modellen was namelijk dat men er vanuit ging dat alle natuurkundige processen continu (geleidelijk) verlopen. Newton zei ooit: "De natuur maakt geen sprongen!"
En daarin vergiste hij zich!
1.3
Opdracht 1
Deze opdracht voer je in tweetallen uit.
Maak een (PowerPoint) presentatie waarin je een overzicht geeft van de ontwikkeling van de deeltjestheorie.
• Neem als startpunt de theorie van Empedocles (de vier elementen aarde, water, lucht en vuur).
• Eindig met het atoommodel van Bohr.
• Geef aan welke argumenten de geleerden hadden voor hun theorie.
• Laat ook zien welke aanleiding er steeds was om het bestaande atoommodel te verbeteren en een nieuwe versie te ontwikkelen.
Maak gebruik van bronnen op internet, zoals Wikipedia.
Of gebruik deze zoekterm voor Engelstalige websites.
1.4
Opdracht 2
We bekijken een simulatie van het atoommodel dat in 1902 gepubliceerd werd door Joseph John Thomson.
• Klik hier voor de site. Klik op de blauwe downloadknop om de simulatie te openen en kies vervolgens het tabblad 'Plum Pudding Atom', oftewel 'krentenbolmodel'.
• Klik hier voor de site. Je kunt de simulatie starten door
in de simulatie op de rode knop te drukken, (zie figuur hiernaast).
• Opmerking: het atoom in dit model heeft een doorsnede van 10-10 m.
• Beantwoord de volgende vragen:
a
De bewegende deeltjes laten zien wat er zou gebeuren als dit model zou kloppen. Welke deeltjes worden gebruikt om het atoom mee te beschieten?
b
Wat stelt de rode 'wolk' voor in dit model?
c
Wat stellen de blauwe kleine bolletjes voor in dit model?
d
Wat valt op aan de baan van de bewegende deeltjes? Hint: vink het vakje 'show traces' aan.
e
Verklaar de term 'krentenbolmodel'.
Ga er bij je verklaringen vanuit dat er bij de interactie tussen de positief geladen alfadeeltjes en het atoom alleen een elektrische kracht werkt en er dus geen fysieke botsingen van deeltjes plaatsvinden!
In het krentenbolmodel zijn de positieve en de negatieve lading geheel uitgesmeerd over het atoom. Omdat positieve en negatieve ladingen tegen elkaar in werken is de netto lading overal nul.
f
Verwacht je, uitgaande van de bovenstaande kennis, dat de alfadeeltjes zullen afbuigen? Waarom wel, waarom niet?
De elektrische kracht tussen twee geladen deeltjes bereken je met de formule:
De betekenis van de symbolen in deze formule:
Fel = elektrische kracht (N)
f = een constante met de waarde 8,99*109 Nm2C-2
q1 = de elektrische lading van deeltje 1 (C)
q2 = de elektrische lading van deeltje 2 (C)
r = de afstand tussen de twee deeltjes (m)
g
Bereken hoeveel keer de kracht groter is als de geladen deeltjes zich op een afstand van 10-14 m van elkaar bevinden, vergeleken met deeltjes die 10-10 uit elkaar zitten.
1.5
Al snel bleek dat het atoommodel van Thomson niet werkte. De resultaten van de experimenten kwamen niet overeen met de voorspellingen op grond van Thomson's model.
Rond 1911 kwam Ernest Rutherford, geboren in Nieuw-Zeeland, met een verbeterd model. Daarbij kwamen de resultaten van de experimenten wel overeen met de voorspellingen.
Opdracht 3
We gaan het model van Rutherford bestuderen aan de hand van een simulatie. Start de simulatie door hier te klikken en vervolgens op de afbeelding onder 'Rutherford Scattering' te klikken. Kies daarna voor het tabblad 'Rutherford Atom'.
In het Rutherfordmodel zit de lading geconcentreerd in een piepkleine kern (10-14m). Dit in tegenstelling tot het Thomsonmodel waar de lading over het gehele atoom verdeeld is (10-10m).
a
Verklaar waarom sommige bewegende deeltjes nauwelijks van richting veranderen en andere deeltjes juist heel sterk van richting veranderen.
b
Welke eigenschappen van het atoom kun je op basis van het experiment zoals dat in de simulatie te zien is achterhalen?
c
Noem twee belangrijke verschillen tussen het model van Thomson en het model van Rutherford.
d
Varieer de energie van de deeltjes. Wat voor verschil zie je in afbuiging van de alfadeeltjes tussen een grotere en een kleinere energie? Geef hier een verklaring voor.
e
Varieer het aantal protonen in de kern. Wat voor verschil zie je in de afbuiging van de alfadeeltjes? Geef hiervoor een verklaring.Tip: wat is de lading van een alfadeeltje?
f
Varieer het aantal neutronen in de kern. Wat voor verschil zie je in de afbuiging? Geef hiervoor een verklaring.
1.6
Hoewel het atoommodel van Rutherford al een flinke verbetering was, konden er nog steeds veel verschijnselen niet mee worden verklaard.
In de volgende les zullen we met zo'n verschijnsel gaan kennismaken.
Wil je meer weten over een onderwerp uit deze les? Kies dan uit de onderstaande links:
Sterren staan onvoorstelbaar ver van ons vandaan. Toch kunnen sterrenkundigen je vertellen dat de temperatuur van de ster Bellatrix zo'n 21.500 K is.
Hoe weten ze dat?
Op een onbewolkte zomerse dag merk je goed hoeveel warmte de zon afgeeft. Waarschijnlijk heb je je weleens afgevraagd wat de temperatuur aan het oppervlak van de zon is. Misschien weet je op die vraag ook het antwoord wel.
Maar heb je je ook wel eens afgevraagd hoe we de temperatuur van de zon te weten zijn gekomen? Er naartoe vliegen en er een thermometer in steken is natuurlijk niet mogelijk.
In deze les leer je hoe we behoorlijk nauwkeurig, gewoon vanaf aarde, de oppervlaktetemperatuur van de zon, andere sterren en elk ander object in het heelal kunnen bepalen.
2.2
Als een voorwerp flink verwarmd wordt, gaat het gloeien. Denk bijvoorbeeld aan een stuk ijzer dat je een tijdje in een vlam houdt, zoals dat in een smederij gebeurt.
Je kunt ook denken aan de hete lava die uit een vulkaan stroomt.
Natuurkundigen zijn er in de vorige eeuw achtergekomen dat er een verband is tussen de temperatuur en de kleur licht die een heet voorwerp uitstraalt.
Dit verband gaan we eerst onderzoeken met behulp van een computersimulatie.
Met de schuifknop rechts van de grafiek regel kun je de temperatuur wijzigen.
Stel de temperatuur in op de temperatuur van de zon.
Hint: bij de x- en de y-as van de grafiek staan zoom- knoppen, die je kunt gebruiken om de grafiek beter te bestuderen.
a
Lees uit de grafiek af bij welke golflengte de grootste intensiteit straling wordt uitgezonden en lees af welke intensiteit deze piek heeft. Tip: met de lineaal kun je de waardes nog nauwkeuriger aflezen.
b
Beschrijf hoe de waarden uit vraag a veranderen als je de temperatuur van laag naar hoog verschuift.
c
Beschrijf hoe de kleur verandert (zie pijl in de figuur hiernaast) als je de temperatuur van laag naar hoog verschuift.
2.4
Max Planck hield zich bezig met het licht dat door gloeiende voorwerpen wordt uitgezonden.
De energie die een voorwerp per m2 per seconde uitzendt, hangt af van de temperatuur van het voorwerp en de aard van het oppervlak. Deze energie wordt uitgezonden in de vorm van straling met verschillende golflengtes.
Voor sommige golflengtes is dat weinig energie en voor andere golflengtes veel meer. De energie die per m2 per seconde in een bepaald golflengtengebiedje wordt uitgezonden, kan worden uitgezet in een grafiek. Die grafiek noemen we de stralingskromme.
Het totale oppervlak onder deze kromme is een maat voor de uitgezonden energie per m2 per seconde, gerekend over alle golflengtes.
Start het programma Excel. Hierin ga je een tabel en een grafiek maken.
a
Varieer de temperatuur en bepaal bij ca. 10 verschillende waarden bij welke golflengte de top van de grafiek ligt en maak daarvan een tabel in Excel.
Gebruik de liniaal en de zoomknoppen om zo nauwkeurig mogelijk te kunnen aflezen.
b
Voeg een derde kolom aan je tabel toe met 1/golflengte.
c
Maak een grafiek van de tabel met kolom 1 op de horizontale as en kolom 3 op de verticale as.
Je grafiek is een rechte lijn als het goed is. Dat betekent dat je kunt uitrekenen wat er in kolom 3 (1/golflengte) staat door kolom 1 (temperatuur) met een zogeheten evenredigheidsconstante te vermenigvuldigen.
d
Bepaal de evenredigheidsconstante van de grafiek die je bij opdracht c gemaakt hebt.
2.6
Zwarte straler
Als je de uitgezonden energie van alle voorwerpen van een bepaalde temperatuur met elkaar vergelijkt, blijkt er een 'kampioen' te bestaan. Deze 'kampioensstraler' zendt niet alleen in totaal per m2 per sec de meeste energie uit, maar ook bij iedere golflengte.
Deze kampioensstraler heeft de naam van zwarte straler gekregen. De figuur hieronder laat de opstelling zien waarmee een stralingskromme experimenteel bepaald wordt.
Opdracht 6
Bekijk het filmpje over zwarte stralers vanaf het begin tot 6:00 minuten.
a
Hoe verandert de vorm van de grafiek als de temperatuur van een heet voorwerp toeneemt?
b
Zet het filmpje stil op 2:20 minuten. Leg uit wat de betekenis is van de figuur rechts naast de grafiek.
c
Waarom kan een heet voorwerp wel rood of blauw van kleur worden, maar niet groen?
2.7
De stralingswet van Wien
Als de temperatuur voldoende hoog is, valt een deel van de straling in het voor het menselijk oog zichtbare gebied. Bij een temperatuur van 2000 K is dit hoofdzakelijk rood licht: de zwarte straler is dan roodgloeiend.
Bij een temperatuur van 6000 K komen alle golflengten van het zichtbare gebied voor. De zwarte straler is dan witheet.
Bij een nog hogere temperatuur begint de blauwe kleur te overheersen.
Voor de golflengte (lambda)max waarbij de meeste energie wordt uitgezonden, geldt:
λmax= golflengte van de top van de stralingskromme (m)
Als we naar de sterren kijken, lijken ze allemaal wit. Maar niets is minder waar. Als we een telescoop gebruiken en ons ontdoen van alle verstoringen die de aardse atmosfeer geeft, zien we dat er vele verschillende kleuren sterren bestaan.
Opdracht 7
Onze zon heeft een oppervlaktetemperatuur van 5,8·103 K.
a
Bereken de golflengte waarbij de meeste energie wordt uitgezonden.
De ster Sirius-B, een witte dwerg, zendt het grootste deel van zijn energie uit bij een golflengte van 91 nm.
b
Bereken de oppervlaktetemperatuur van Sirius-B.
2.9
Opdracht 8
In de figuur hieronder zie je de stralingskromme van de planeet Mercurius. Bij twee golflengten wordt een maximaal vermogen uitgezonden.
a
Bereken de temperaturen die bij deze golflengtes horen.
Een deel van de straling die een planeet uitzendt, bestaat uit het teruggekaatste licht van de zon. Een ander deel uit warmtestraling door het oppervlak van de planeet.
b
Geef aan welk deel van de stralingskromme hoort bij dit teruggekaatste licht. Licht je antwoord toe.
c
Op een heldere nacht is Mercurius goed te zien met het blote oog. Leg uit welke van de twee pieken er voor zorgt dat we Mercurius kunnen zien.
3 Het Foto Elektrisch Effect
De buitenkant van ruimtevaartuigen is van metaal. Als een ruimtevaartuig buiten de dampkring is, raakt de buitenkant van het vaartuig positief geladen door het licht van de zon. Hierdoor kan er een spanning tussen de buitenkant en het inwendige van tientallen volt ontstaan.
Hoe ontstaat die spanning?
Leg een schoon geschuurd plaatje zink (of lood) op het plateau van een elektroscoop. Breng met een gewreven pvc-staaf negatieve lading op de elektroscoop.
Houd een ultraviolet(UV)-lamp ongeveer 0,5 m boven de elektroscoop.
a
Wat gebeurt er met de lading van de elektroscoop? Om meer te weten te komen over dit verschijnsel, kun je onderzoeken wat er met de lading op de elektroscoop gebeurt onder andere omstandigheden.
• Houd de UV-lamp 10 cm boven de elektroscoop.
• Houd een plaatje glas tussen de UV-lamp en de elektroscoop.
• Haal het plaatje zink weg en beschijn het plateau weer met UV-licht.
• Leg het plaatje zink weer op de elektroscoop en beschijn het met een gloeilamp die alleen zichtbaar licht uitzendt.
• Varieer de afstand tussen de gloeilamp en het plaatje zink.
b
Welke conclusies kun je uit de proeven trekken? (Welke soort licht heeft invloed en speelt ook de intensiteit van het licht een rol?)
c
Ga na dat je deze verschijnselen kunt verklaren door aan te nemen dat, onder invloed van de UV- licht, elektronen uit het zink ontsnappen.
d
Dit verschijnsel heet het foto- elektrisch effect. Van welke factoren hangt het foto-elektrisch effect af?
In de proef hebben we gezien dat de ontlading onder invloed van UV-licht sneller gaat; maar onder invloed van gewoon licht niet. We nemen aan dat de ontlading gebeurt door uitzending van elektronen.
e
Probeer de verschijnselen te verklaren door aan te nemen dat het opvallende licht een golfverschijnsel is.
3.2
Proef 2 - De 'gevoeligheid' van een fotocel
Een fotocel bestaat uit een vacuüm buis van glas, waarvan de binnenkant gedeeltelijk bedekt is met een dun laagje metaal. Dit metaal is de lichtgevoelige kathode K (figuur rechts).
Vanuit de negatief geladen kathode stromen elektronen naar een metalen lus, de positief geladen anode A. In de figuur hieronder zie je het symbool van de fotocel.
Met de opstelling in de figuur hieronder onderzoek je het foto-elektrisch effect kwantitatief.
Als elektronen uit de kathode naar de anode gaan, loopt in de stroomkring met de fotocel een zeer kleine stroom: de fotostroom (If).
Er is een zeer gevoelige stroommeter (of een meetversterker) nodig om de fotostroom te kunnen meten.
Het kathodemateriaal van sommige fotocellen is slechts 'gevoelig' voor een deel van het zichtbare licht.
De golflengte waarbij het foto-elektrisch effect nog net optreedt, heet de grensgolflengte (Binas, tabel 24). De grensgolflengte van een fotocel bepalen we met de volgende proef.
• Plaats de fotocel in de lichtbundel van een lamp.
• Plaats in de lichtbundel verschillende kleurenfilters (waarvan de golflengte van het doorgelaten licht bekend is).
a
Wat is de grensgolflengte van het kathodemetaal?
b
Stel met behulp van het tabellenboek (Binas, tabel 24) vast van welk metaal de kathode waarschijnlijk is gemaakt.
3.3
De verschijnselen die je hebt waargenomen in de twee proeven hiervoor (dat licht in de vorm van energiepakketjes wordt uitgezonden en dat een elektron door een pakketje met voldoende energie bevrijd moet worden) kun je alleen verklaren als je ervan uit gaat dat licht in de vorm van energiepakketjes (fotonen) wordt uitgezonden.
De hoeveelheid energie van zo'n pakketje met een frequentie f berekenen we met de formule:
Varieer de spanning van -4 tot +8 volt in minimaal 10 stapjes en maak in Excel een tabel waarin je de stroomsterkte uitzet tegen de spanning.
Maak van de tabel een grafiek, waarin je aangeeft bij welke spanning er voor het eerst elektronen de overkant weten te bereiken.
b
Doe hetzelfde voor een golflengte van 250 nm. Wat valt je op?
4.3
Opdracht 13
De grafieken die je hebt gemaakt bij opdracht 12 hebben als het goed is dezelfde vorm als de grafiek hierboven.
Beantwoord van de bovenstaande grafiek de volgende vragen:
a
Hoe groot is de verzadigingsstroom?
b
Hoe groot is de remspanning (dat is de tegenspanning die nodig is om de stroom te stoppen)?
c
Hoe zou de grafiek veranderen als er straling met een kortere golflengte gebruikt zou worden?
4.4
De verklaring voor alle verschijnselen die we zijn tegengekomen in de voorgaande opdrachten is het gevolg van een simpel verband:
Toelichting
Een foton met een energie Ef valt op het kathodemateriaal en kan dan een elektron uit het materiaal wegslaan.
Daar is een bepaalde hoeveelheid energie voor nodig, die we de uittree-energie noemen (Eu). Het lukt dus alleen als de energie van het foton minstens zo groot is als de uittree-energie.
Als de energie van het foton groter is dan de uittree- energie, zal het resterende deel van de fotonenergie meegegeven worden aan het elektron in de vorm van kinetische energie (Ek).
De waarde van de uittree-energie is afhankelijk van de stof waarop het foton terechtkomt. Die waarde kunnen we terugvinden in Binas, tabel 24.
Opdracht 14
Bepaal met de tabel hoeveel energie het kost om een elektron uit kwik los te slaan. Welke golflengte van straling heb je daar minimaal voor nodig?
4.6
Opdracht 15 - Bepaling van de uittree-energie
Een bepaald kathodemateriaal is gevoelig voor al het zichtbare licht.
Hoe groot moet de uittree-energie van dat materiaal dan minimaal of maximaal zijn? Licht je antwoord toe.
4.7
Opdracht 16 - Metingen aan een fotocel
Een fotocel waarvan de kathode is bedekt met een laagje cesium (Cs) is opgenomen in de schakeling van de onderstaande figuur. Op de kathode valt elektromagnetische straling.
a
Voor welke golflengten treedt bij Cs foto-emissie op? Licht je antwoord toe.
Schakeling voor het meten van de fotostroom.
Bij verschillende waarden van UAK wordt de fotostroom gemeten. Deze metingen zijn in grafiek a weergegeven. In grafiek b is een deel van grafiek a vergroot weergegeven.
Grafiek a - het verband tussen de fotostroom en UAK
Grafiek b - een deel van grafiek a
Uit grafiek a blijkt dat, bij het toenemen van de spanning tussen anode en kathode, vanaf een bepaalde waarde van UAK de stroomsterkte niet meer toeneemt.
b
Verklaar dit.
Uit de grafiek blijkt dat bij een kleine negatieve spanning tussen de anode en kathode toch een stroom loopt.
c
Geef hiervoor een verklaring.
d
Bepaal met behulp van de grafiek hoe groot de kinetische energie van de elektronen is bij het verlaten van de kathode.
e
Bereken de grootste frequentie die in de gebruikte elektromagnetische straling aanwezig is.
4.8
Opdracht 17 - Foto-elektrisch effect bij het licht van een gloeilamp
Een gloeilamp is op een te lage spanning aangesloten en zendt daardoor geen wit licht uit, maar oranje-geel licht. De kleinste golflengte van het uitgezonden licht is 500 nm. Een deel van het licht valt op de kathode van een fotocel. Het kathodemateriaal heeft een grensgolflengte van 660 nm.
a
Bereken de uittree-energie van het kathodemateriaal.
b
Bereken de kinetische energie waarmee de elektronen de kathode verlaten.
c
Waarom hoef je hierbij alleen rekening te houden met de kleinste golflengte van het uitgezonden licht?
Met deze opstelling wordt het (I,UAK)-diagram hieronder bepaald.
d
Heeft het invloed op het aantal elektronen dat per seconde de kathode verlaat als we er nog een zelfde gloeilamp bij zetten? Zo ja, hoe? Licht je antwoord toe.
e
Heeft de extra gloeilamp invloed op de snelheid van de elektronen die de kathode verlaten? Zo ja, hoe? Licht je antwoord toe.
f
Neem de bovenstaande figuur over en schets hierin de grafiek bij een twee keer zo grote lichtintensiteit.
Ga in de volgende opdrachten weer uit van een enkele gloeilamp. De gloeilamp wordt aangesloten op een hogere spanning en zendt nu wit licht uit met 380 nm als kleinste golflengte.
g
Beantwoord voor deze situatie de vragen d en e.
h
Welk gegeven heb je nodig om ook de grafiek van deze situatie te tekenen?
4.9
Opdracht 18 - Bepaling van de constante van Planck
Een fotocel wordt belicht met verschillende kleuren licht waarvan de frequenties bekend zijn. Bij iedere frequentie wordt de remspanning gemeten.
In de tabel van figuur a staan de gemeten waarden.
Figuur a - Tabel met gemeten waarden.
a
Teken met behulp van deze gegevens het (Urem,f)- diagram.
b
Bepaal de grensfrequentie.
c
Bepaal de uittree-arbeid in J en eV.
5 Verwerkingsles
In de lessen 1 t/m 4 ben je al veel nieuwe stof en een paar nieuwe formules tegengekomen. Ook heb je een flink aantal vragen gemaakt. In deze les werk je in kleine groepjes van 2 of 3 personen samen en voer je de volgende opdracht uit.
Maak gebruik van de aanwezigheid van je leraar als je bij de onderstaande opdracht vastloopt of tips nodig hebt!
Verwerkingsopdracht
Bedenk zelf 3 opgaven die je door je groepsgenoten laat maken: een opgave over de stof van hoofdstuk 2, een opgave over de stof van hoofdstuk 3 en een opgave over de stof van hoofdstuk 4.
Maak zelf de vragen die je van je groepsgenoten krijgt.
Maak gebruik van de aanwezigheid van je leraar als je bij de onderstaande opdracht vastloopt of tips nodig hebt!
Eindopdracht 1 (eerste deel)
Maak een PowerPointpresentatie over de lesstof van les
1 t/m 4 in de vorm van een (uitgebreide) samenvatting.
• Probeer de stof van les 1 over maximaal 2 dia's te verdelen.
• Leg de nadruk op nieuwe begrippen en de betekenis van de formules.
• Zoek geschikte afbeeldingen die de tekst ondersteunen.
• Verzin bij elke les een vraag. Bij les 1 en 3 een uitlegvraag en bij les 2 en 4 een berekening
• Verwerk ook de antwoorden/uitwerkingen van die vragen in je PowerPointpresentatie.
Bewaar deze PowerPointpresentatie goed, want in les 9 ga je hiermee verder!
6 Het atoommodel van Bohr
Een emissienevel is een reusachtig grote, ijle wolk atomair waterstof met in het centrum een jonge ster.
Als een sterrenkundige zijn telescoop richt op een emissienevel, dan is die nevel opvallend rood. De golflengte van dat rode licht is nauwkeurig vastgesteld op 656,281 nm.
Waar komt die kenmerkende rode kleur vandaan?
Meer dan duizend jaar lang veranderde er niets aan onze ideeën over materie. Maar daar kwam in de 19e eeuw verandering in. Er ontstonden nieuwe theorieën.
J. J. Thomson bijvoorbeeld, dacht dat atomen min of meer massieve bolletjes zijn die uit een positief geladen substantie bestaan. In die positieve substantie bevinden zich kleine negatief geladen deeltjes.
Helaas konden deze modellen lang niet alle verschijnselen verklaren die werden waargenomen. Er was dus nog ruimte voor verbetering.
En die verbetering kwam er: in 1913 kwam de Deense natuurkundige Niels Bohr met een nieuw atoommodel.
Dat model bleek zo waardevol te zijn, dat we er tot op de dag van vandaag nog gebruik van maken. Hoewel het model van Bohr niet de perfecte omschrijving van het atoom is, is het wel uitstekend geschikt om de verschijnselen die we in deze module tegenkomen te verklaren.
Daarom gaan we dat model eens nader bekijken.
Voor een nog betere beschrijving van het atoom gebruiken natuurkundigen het zogenaamde 'quantummechanisch model' van het atoom. Dit is echter een stuk ingewikkelder en je hoeft het bij deze module niet te kennen.
6.2
In het atoommodel van Bohr is er sprake van een kleine kern: ongeveer 10-14 m. Deze bestaat uit protonen en neutronen. Elektronen bewegen in vaste banen op relatief grote afstand van deze kern in zogenaamde 'schillen'. De straal van de dichtstbijzijnde schil is meer dan 10-11 m, dus meer dan duizend keer zo groot als de straal van de kern.
Het aantal elektronen dat in een schil zit, is aan een maximum gebonden en is per schil verschillend. Iedere volgende schil kan meer elektronen bevatten dan de vorige.
We halen eerst in drie stappen onze basiskennis op over de bouw van atomen. Beantwoord steeds eerst de vragen voor je naar de volgende stap gaat.
Stap 1
Hieronder zie je het 'Periodiek Systeem der Elementen'. In het periodiek systeem zijn de elementen op een hele slimme manier gerangschikt.
Het element helium heeft dus 2 protonen in de kern. Die worden bij elkaar gehouden door 2 neutronen, die voor een sterke aantrekkende kracht zorgen: de kernkracht.
Daaromheen cirkelen twee elektronen.
We bekijken een iets groter atoom: nummer 4 uit het periodiek systeem, beryllium.
Beryllium heeft 4 protonen in de kern (want het atoomnummer is 4). Die worden bijelkaar gehouden door 5 neutronen.
In de onderstaande afbeelding zien we iets opvallends:
De elektronen cirkelen niet allevier in dezelfde baan, aangezien de binnenste schil slechts 2 elektronen kan bevatten.
6.4
Stap 3
We gaan naar een nog groter atoom. We nemen nu het eerste element uit de vijfde periode van het Periodiek Systeem: rubidium.
De schillen waarin de elektronen zich bevinden, zijn 'genummerd' vanaf K. De nummering loopt voor de grootste atomen door t/m Q:
Aan de bovenstaande afbeelding kun je zien dat de schillen niet per sé vol hoeven te zitten.
6.5
We gaan nog eens naar de schillen kijken. Voor het gemak nemen we het eenvoudigste atoom dat er is: waterstof.
Het elektron van waterstof zit onder normale omstandigheden op de kleinst mogelijke afstand van de kern. De energie van het atoom is dan zo laag mogelijk en we spreken dan van een atoom in de 'grondtoestand'.
Nu kan het weleens gebeuren dat het elektron in een schil terecht komt die wat verder van de kern vandaan ligt. Dat gebeurt niet zomaar. Daar moet een aanleiding voor zijn. Dat kan bijvoorbeeld een botsing zijn met een ander atoom, of doordat er straling op het atoom valt. Kortom: wanneer het energie absorbeert. We spreken dan van een "aangeslagen" toestand van het atoom.
Een atoom in een aangeslagen toestand valt meestal binnen zeer korte tijd naar een lagere aangeslagen toestand en uiteindelijk naar de grondtoestand terug. En als een elektron naar een lagere baan springt gebeurt er iets heel merkwaardigs:
Er ontstaat een gloednieuw deeltje: een foton. De energie van dit foton is exact gelijk aan het verschil tussen de energie van de aangeslagen toestand en de grondtoestand.
Het kan echter ook voorkomen dat de tik die het elektron gehad heeft in zijn grondtoestand zo groot was, dat het elektron niet één, maar meerdere schillen is opgeschoven.
In dit geval zijn er meerdere mogelijkheden: het elektron springt in één keer helemaal terug, of het elektron springt in stapjes terug.
Mogelijkheid 1:
Het elektron gaat in één keer terug naar de grondtoestand.
Mogelijkheid 2:
Het elektron gaat in stapjes terug naar de grondtoestand.
In de bovenstaande figuur is te zien dat als een elektron in stapjes terug springt er per stapje een foton ontstaat!
Eén terugvallend elektron kan dus meerdere fotonen laten ontstaan!
6.6
Energieniveaus
We zetten vaak de verschillende energietoestanden van een atoom in een eenvoudig en overzichtelijk energieniveau-schema. Hieronder als voorbeeld een overzicht van enkele energieniveaus van neon.
Met zo'n schema kunnen we eenvoudig achterhalen wat de energie is van de fotonen die (kunnen) ontstaan bij het terugvallen van de elektronen naar de grondtoestand.
Kijk in het schema wat het verschil in energiewaarde is tussen het begin van de pijl en het eind van de pijl.
Met behulp van de formule uit de vorige les kunnen we dan uitrekenen welke frequentie of welke golflengte het gevormde foton heeft.
Bekijk de voorbeeldopgaven om te zien hoe je die formule uit de vorige les toepast bij energieniveaus.
In het energieniveau-schema van het eenmaal geïoniseerde heliumatoom He+ komen o.a. de volgende energieniveau's voor: 0,0 eV, 40,9 eV, 48,4 eV, 51,0 eV, 52,2 eV.
a
Teken het energieniveau-schema met gebruikmaking van bovengenoemde waarden.
b
Hoeveel golflengtes kan het He+-ion volgens dit schema uitzenden? Teken de overgangen in het schema.
c
Bereken de golflengte(s) van de fotonen die in het zichtbare gebied tussen 400 en 800 nm kan of kunnen optreden. Je hoeft alleen rekening te houden met de gegeven energieniveaus.
Opgave 20 - Golflengtes van waterstof
Er valt elektromagnetische straling op een bol met waterstofgas, waarvan de atomen zich in de grondtoestand bevinden. Door straling van 95 nm worden de atomen aangeslagen.
a
Hoe heet straling van 95 nm?
b
In welke toestand bevindt het atoom zich na absorptie van deze straling?
c
Wat gebeurt er in een atoom als het van de grondtoestand naar de vierde aangeslagen toestand overgaat?
d
Waarom kan waterstof in de grondtoestand geen zichtbaar licht absorberen?
Opgave 21 - Het waterstofspectrum
Er valt zichtbaar licht op een bol met waterstofgas waarvan de atomen zich niet uitsluitend in de grondtoestand bevinden. Je ontwerpt van het doorvallende licht een spectrum.
a
Waarom zijn in de praktijk niet alle atomen in de grondtoestand?
b
Bij welke golflengtes treden in het spectrum donkere lijnen op? Licht je antwoord toe.
Peter redeneert: een gas zendt precies die golflengtes uit die het zelf absorbeert. Je kunt dus helemaal geen donkere lijnen zien!
c
Welke fout maakt Peter?
Opgave 22 - Stralingsemissie
Een neon-laser zendt monochromatisch licht uit met een golflengte van 6,3·10-7 m.
a
Wat is monochromatisch licht?
b
Bereken de energie van de fotonen van deze straling in J en eV.
c
Ga door berekening na met welke overgang in de figuur hiernaast deze straling correspondeert.
d
Bereken de grootste golflengte die neongas kan uitzenden. Hoe heet straling van deze golflengte?
Opgave 23 - Emissienevel
Geef antwoord op de startvraag van deze les met behulp van deze en deze website.
7 Emissie en Absorptiespectra
De zon bestaat voor 70% uit waterstof, 28% uit helium, 0,9% uit zuurstof en verder zijn er nog kleine hoeveelheden koolstof, neon, ijzer, stikstof, silicium, aluminium, zwavel en enkele andere elementen aanwezig.
Hoe kunnen we dat op zo'n grote afstand zien?
In les 2 hebben we gezien dat voorwerpen straling uitzenden die afhankelijk is van hun temperatuur. Het gloeidraadje in een gloeilamp bijvoorbeeld zendt alle kleuren van het zichtbare licht uit. Niet elke kleur wordt even intensief uitgezonden, desondanks ziet het spectrum van het gloeidraadje er zo uit:
Stel, we hebben een gas waarvan de atomen zich in de eerste aangeslagen toestand bevinden. Als deze atomen terugvallen naar de grondtoestand kan dat maar op één manier. Er zal dus per atoom maar één foton ontstaan.
Een filmpje zal dit duidelijker maken.
Bekijk het filmpje vanaf 1:23 (het eerste deel van het filmpje behoort niet tot de stof van deze module).
Beantwoord de onderstaande vragen. Als je een antwoord niet weet, bekijk het filmpje dan nog eens, want de antwoorden zijn daarin terug te vinden.
Opdracht 25
a
Tussen t=2:04 en t=2:26 wordt uitgelegd hoe een absorptiespectrum ontstaat. Beschrijf met je eigen woorden in enkele zinnen het ontstaan van een absorptiespectrum.
b
Uit het fragment dat begint op t=2:28 en eindigt op
t = 2:45 kun je zien en horen wat het verband is tussen een absorptiespectrum en een emissiespectrum. Beschrijf met je eigen woorden in enkele zinnen wat het verband is tussen een absorptiespectrum en een emissiespectrum.
Het filmpje toont een aantal overgangen van het waterstofatoom. N=1 stelt de grondtoestand voor, n=2 de eerste aangeslagen toestand, enzovoort.
c
Welke kleur licht onstaat er als een waterstofatoom van de tweede aangeslagen toestand naar de eerste aangeslagen toestand terugvalt?
d
Welke kleur licht onstaat er als een waterstofatoom van de vijfde aangeslagen toestand naar de eerste aangeslagen toestand terugvalt?
e
Waarom zie je niets als het waterstofatoom van een willekeurige aangeslagen toestand naar de grondtoestand terugvalt?
7.2
Het emissiespectrum van waterstof bestaat dus uit slechts enkele kleuren in plaats van een ononderbroken band die alle kleuren van de regenboog bevat. Het emissiespectrum ziet er dus zo uit (ter vergelijking staat het volledige spectrum er onder):
Als er een bundel wit licht door een wolk waterstofgas gaat, zal het waterstofgas enkele kleuren uit het witte licht absorberen. Precies die kleuren die horen bij de eerder besproken energie-overgangen.
Het absorptiespectrum van waterstof (ter vergelijking staat het emissiespectrum van waterstof eronder):
Opdracht 26
a
Zoek met behulp van deze en/of deze webpagina uit welke golflengtes de 7 hierboven getekende absorptielijnen hebben.
b
Teken in een energieniveau-schema welke overgangen horen bij deze golflengtes.
c
Wat is de overeenkomst tussen deze energie- overgangen?
In de artikelen die je hebt gelezen blijkt dat de energieovergangen worden onderverdeeld in zogenaamde 'reeksen'. Er werd bijvoorbeeld gesproken over de 'Paschenreeks'.
d
Wanneer behoort een energie-overgang tot de Paschenreeks?
7.3
Het patroon van emissielijnen op de vorige pagina is uniek en kenmerkend voor waterstof. Elk element heeft zijn eigen unieke streepjespatroon. Je kunt het vergelijken met een streepjescode, of een vingerafdruk. Die zijn ook uniek.
En het is deze eigenschap die het voor sterrenkundigen mogelijk maakt om vast te stellen wat de samenstelling is van een ster!
• klik op 'Go' en vink de elementen aan die volgens jou in het getoonde sterspectrum aanwezig zijn.
• Controleer je antwoord door op de knop 'Did I get it right?' te klikken.
Opdracht 29
Hieronder zie je het kleurenspectrum van de zon. Er zijn vage absorptielijnen, maar ook hele duidelijke. Bij het spectrum hieronder staan 3 pijltjes. Geef van elke pijltje aan welke stof deze absorptielijn (waarschijnlijk) veroorzaakt. Gebruik tabel 20 van Binas.
Het filmpje hieronder is een samenvatting in minder dan een minuut van de hiervoor besproken spectra.
Opdracht 30
Welke eigenschappen, behalve de samenstelling van een ster, kun je volgens het filmpje nog meer aflezen uit het spectrum?
Opdracht 31
Beantwoord de vraag die aan het begin van deze les gesteld werd.
7.4
Een groot deel van de stof uit deze en de vorige les wordt nog eens uitvoerig, met veel voorbeelden, uitgelegd in een filmpje.
Het filmpje bestaat uit drie delen met een totale lengte van 28 minuten. Deze les bekijken we deel 1, in de volgende les komen deel 2 en 3 aan de orde.
Opdracht 32
Start deel 1 van het filmpje en beantwoord de onderstaande vragen.
Tip: gebruik de pauzetoets om het filmpje stil te zetten als je het antwoord op een vraag gevonden hebt.
Op t = 1:34 begint Rolf Kudritzki iets te vertellen over spectroscopie.
a
Waarom vindt hij dat "het meest fascinerende deel van de moderne sterrenkunde"?
Op t = 3:36 legt Natalie Batalha het atoommodel van Bohr nog eens uit. Ze benadrukt dat het niet meer is dan een model. De voice-over maakt even later een bijzondere vergelijking met de energieniveaus.
b
Waarmee worden de energieniveaus vergeleken en welke eigenschap van de energieniveaus wordt met deze vergelijking benadrukt?
Een elektron kan naar een ander niveau door bijvoorbeeld de energie van een foton te absorberen.
c
Wat gebeurt er volgens Natalie met het foton als het niet precies de juiste energie heeft?
Vanaf t = 7:00 zien en horen we over de manieren waarop een elektron kan terugvallen naar de grondtoestand en over het emissiespectrum dat daardoor ontstaat. Er worden nog twee eigenschappen genoemd die afgeleid kunnen worden uit een emissiespectrum.
d
Welke eigenschappen zijn dat?
Vanaf t = 8:00 wordt verteld dat Kirchhoff de eerste was die ontdekte dat er drie soorten spectra zijn: continu-, emissie- en absorptiespectra.
e
In de uitleg worden ook twee verhelderende synoniemen genoemd, één voor emissie- en één voor absorptiespectrum. Welke?
8 Roodverschuiving
Met een snelheid van meer dan 1 000 000 km per uur raast het Andromedastelsel recht op ons af! Uitwijken is onmogelijk! Maar gelukkig staat het Andromedastelsel (nog) 2,2 miljoen lichtjaar van ons vandaan.
Omdat het Andromedastelsel recht naar ons toe beweegt, zien we geen verplaatsing aan de hemel. Hoe kunnen we dan toch op die grote afstand de snelheid van het Andromedastelsel bepalen?
In deze les zoeken we onder andere naar het antwoord op de bovenstaande vraag.
Opdracht 33
a
Met welke afstand komt 1 lichtjaar overeen?
b
Bereken hoeveel jaar het nog duurt voor Andromeda bij ons is.
We gaan door met het filmpje waarmee we de vorige les een begin hebben gemaakt.
Opdracht 34
Bij deze opdracht bekijk je het filmpje en verzin je zelf minimaal 6 vragen, waarop het filmpje de antwoorden geeft.
Probeer relevante vragen te bedenken, maar wel zodanig dat ze niet zomaar beantwoord kunnen worden zonder het filmpje te bekijken. Zorg ook voor een goede spreiding van de vragen over de diverse onderwerpen.
Tip: gebruik ook bij deze opdracht de pauzetoets.
a
b
Bekijk het filmpje en schrijf je 6 vragen op (of zet ze in een document op je computer). Schrijf ook de antwoorden op (wel op een apart blaadje, of in een apart document!).
Ruil je vragen om met de vragen van een klasgenootje en beantwoord diens vragen met behulp van het filmpje.
8.2
Roodverschuiving
Het laatste deel van het filmpje bevat de stof waar we de rest van de les mee aan de slag gaan.
Bekijk het filmpje en beantwoord daarna de volgende vragen.
Opdracht 35
a
Wat is de overeenkomst tussen het dopplereffect bij geluid en de roodverschuiving bij licht?
b
Hoe kun je aan het absorptiespectrum van een ster zien of deze naar ons toe of van ons af beweegt?
c
Veel objecten in het heelal roteren. Hoe kunnen we deze rotatie uit het absorptiespectrum van de ster afleiden?
d
Het komt vaak voor dat twee sterren om elkaar heen draaien in kleine baantjes. Door de enorme afstand kunnen we die twee sterren niet van elkaar onderscheiden. Maar aan het spectrum kunnen we wel zien dat het om twee sterren gaat en niet om één. Hoe?
Opdracht 36
Met het programmaatje 'Redshift' kun je zien hoe de absorptielijnen van waterstof verschuiven als een object een bepaalde snelheid heeft.
Start het programma door op het bestand hieronder te klikken.
Door met je muis over het spectrum te bewegen, kun je aflezen welke golflengte er onder je muiscursor staat en de rechthoek boven het spectrum geeft de exacte kleur weer die hoort bij die golflengte.
Gebruik Redshift bij het beantwoorden van de onderstaande vragen.
a
Onderzoek de werking van Redshift en probeer een aantal snelheden uit om te zien wat het effect daarvan is op de mate van de verschuiving.
Er zijn 7 absorptielijnen te zien. Deze lijnen behoren allemaal tot de zogenaamde Balmerreeks.
b
Wat is de overeenkomst tussen alle absorptielijnen die tot de Balmerreeks behoren?
De absorptielijnen uit de Balmerreeks hebben allemaal een naam. dat is de letter H, gevolgd door een letter uit het Griekse alfabet. De eerste lijn heet H-alpha, de tweede H-bèta, etc.
c
Maak een tabel van de eerste 7 absorptielijnen van de Balmerreeks van waterstof. De tabel bestaat uit 7 kolommen:
1. De notatie van de spectraallijn: H-α, etc.
2. De uitspraak van de spectraallijn: H-alpha, etc.
3. De kleur
4. De golflengte (in nm)
5. De frequentie (in Hz)
6. De energie (in J)
7. De energie (in eV)
d
• Zorg er voor dat de zoomfactor op 1 staat.
• Geef een waarde op voor de snelheid en druk op enter (of klik op de knop 'golflengteverschuiving').
• Zoek uit met Redshift welke snelheid een object minimaal moet hebben om een verschuiving van het absorptiespectrum te kunnen zien.
• Schrijf je antwoord op.
e
Bepaal met 'Redshift' (nu bij zoomfactor 1000) welke snelheid een voorwerp moet hebben om voor het eerst een verschuiving te kunnen waarnemen. Tip: scroll heen en weer tot je een absorptielijn gevonden hebt.
f
Je kunt positieve en negatieve snelheden invullen. Onderzoek wat een positieve snelheid betekent: een beweging van ons af of juist naar ons toe? Licht je antwoord toe.
g
Zoek uit bij welke snelheid de H-alphalijn 10 nm naar het rood is verschoven. Bij welke snelheid is dat?
h
Hoeveel is dan de H-bèta lijn verschoven?
8.3
Als we weten hoeveel een absorptielijn van een ster verschoven is, kunnen we de snelheid van die ster met de volgende formule uitrekenen:
Als we weten hoeveel een absorptielijn van een ster verschoven is, kunnen we de snelheid van die ster met de volgende formule uitrekenen:
Een sterrenstelsel beweegt van ons af. De H-alphalijn (656 nm) blijkt precies 1,0 nm verschoven te zijn.
a
Is de H-alphalijn naar het rood of naar het blauw verschoven?
b
Bereken de snelheid van dit sterrenstelsel.
Opdracht 38
Het Andromedastelsel beweegt, zoals we aan het begin van deze les al hebben gezien, met een snelheid van 1 000 000 km/u naar ons toe.
a
Zijn de absorptielijnen naar het rode of naar het blauwe deel van het spectrum verschoven?
b
Bereken hoeveel nanometer een absorptielijn in het nog net zichtbare rode deel van het spectrum (780 nm) verschuift.
c
Bereken hoeveel nanometer een absorptielijn in het nog net zichtbare violette deel van het spectrum (380 nm) verschuift.
d
Leg uit wat een nauwkeuriger uitkomst oplevert voor de snelheid: kijken naar de verschuiving van een rode lijn, of kijken naar de verschuiving van een blauwe lijn.
9 Afsluiting
De vragen en opdrachten in deze les gaan over de stof uit de hele module. Je kunt ze beschouwen als een voorbereiding op je toets.
Voor de golflengte op de horizontale as wordt de eenheid Ångström gebruikt.
a
Bepaal met behulp van de grafiek de temperatuur van de ster door de verschuivingswet van Wien toe te passen.
b
Bepaal aan de hand van de H-alphalijn of er sprake is van een waarneembare roodverschuiving.
De vragen en opdrachten in deze les gaan over de stof uit de hele module. Je kunt ze beschouwen als een voorbereiding op je toets.
Opdracht 40
In 1929 ontdekte Edwin Hubble dat er een eenvoudig verband is tussen de snelheid waarmee sterrenstelsels van ons af bewegen en de afstand tot die sterrenstelsels. Hoe groter de snelheid, hoe verder een sterrenstelsel van ons af staat. Het verband tussen die grootheden wordt gegeven door de formule:
Daarin is:
de snelheid (km/s)
de Hubbleconstante (72 km/s/Mpc)
de afstand (Mpc)
De eenheid Mpc (megaparsec) is een eenheid voor afstand die veel in de sterrenkunde wordt gebruikt.
1 Mpc = 3,26 lichtjaar
De grafiek hiernaast is een grafische weergave van het spectrum van een sterrenstelsel (klik hier voor grote weergave). Op de bovenste horizontale as staat de 'rustgolflengte' en op de onderste horizontale as de waargenomen golflengte. Beide assen zijn weer in de eenheid Ångström.
a
Bepaal met behulp van de grafiek de golflengteverschuiving (in nm) van het waargenomen licht.
Op een schoon stukje koper (de kathode) laten we ultraviolet licht met een golflengte van 254 nm vallen. Vervolgens stellen we de spanning zo in dat de snelste elektronen net niet meer de anode bereiken. De spanningsbron staat dan op 0,181 V ingesteld.
b
Bereken de snelheid waarmee dit sterrenstelsel van ons af beweegt.
Opdracht 41
Hieronder zie je een deel van een schakeling afgebeeld, waarin een fotocel is opgenomen.
Op een schoon stukje koper (de kathode) laten we ultraviolet licht met een golflengte van 254 nm vallen. Vervolgens stellen we de spanning zo in dat de snelste elektronen net niet meer de anode bereiken. De spanningsbron staat dan op 0,181 V ingesteld.
a
Neem de tekening over en vul die aan met de spanningsbron. Laat zien aan welke kant de positieve en negatieve polen van de spanningsbron in de beschreven situatie zitten.
b
Bereken de grensfrequentie van koper.
Eindopdracht 1 (tweede deel: vervolg van les 5)
We gaan verder met de PowerPointpresentatie van les 5.
Voeg aan je PowerPointpresentatie van les 5 een samenvatting van de lesstof van les 6 t/m 8 toe.
Hier nogmaals de eisen die aan deze PowerPointpresentatie gesteld worden:
• Probeer de stof van les 1 over maximaal 2 dia's te verdelen.
• Leg de nadruk op nieuwe begrippen en de betekenis van de formules.
• Zoek geschikte afbeeldingen die de tekst ondersteunen.
• Verzin bij elke les een vraag. Bij les 1 en 3 een uitlegvraag en bij les 2 en 4 een berekening.
• Verwerk ook de antwoorden/uitwerkingen van die vragen in je PowerPointpresentatie.
Eindopdracht 2
De lessen 2, 3, 4, 6, 7 en 8 beginnen elk met een vraag. In de loop van de lessen heb je genoeg kennis verzameld om de antwoorden te kunnen geven op deze vragen.
a
• Maak een tekstdocument waarin je al deze vragen overneemt.
• Maak bij elke vraag een korte samenvatting van de stof die je nodig hebt om deze vraag te kunnen beantwoorden.
b
Kies één vraag uit die je uitvoeriger wilt bespreken en maak daar een poster van op A3-formaat. Let daarbij op het volgende:
• Verzin een titel die de aandacht trekt en nieuwsgierigheid opwekt.
• Probeer de uitleg zoveel mogelijk met afbeeldingen te doen.
• Gebruik tekst slechts ter ondersteuning van de afbeeldingen.
9.1 Voorbeeldopgaven
Indeling voorbeeldopgaven
De volgende pagina's bevatten boorbeeldopgaven die behoren bij de diverse lessen uit deze module.
Na elke formule kun je via een knop naar één of meerdere voorbeeldopgaven die bij die formule hoort.
Elke opgave is op dezelfde manier opgebouwd. De opbouw wordt met gekleurde bolletjes aangegeven.
Het is dringend aanbevolen zelf ook altijd volgens deze opbouw je opgave te maken!
Voorbeeldopgave 1
Ga ervan uit dat het 20 graden Celsius is in de ruimte waarin je nu zit.
Bereken de golflengte waarbij de voorwerpen in de ruimte hun meeste ernergie uitzenden.
Uitwerking
Voorbeeldopgave 2
Bereken werlke temperatuur een voorewrp moet hebben om zijn meeste ernergie uit te zenden bij een golflengte van 500nm (groen licht).
Uitwerking
Voorbeeldopgave 3
De energie van een foton is 20eV. Bereken de frequentie van de straling waar het foton toe behoort.
Voorbeeldopgave 4
De zon produceert fotonen in vele verschillende golflengten, maar fotonen met een golflengte van 500nm behoren tot de meest voorkomende fotonen die de zon produceert. Bereken de energie (in eV) van deze fotonen.
Eerst f berekenen:
Dan E berekenen:
Tot slot J omrekenen naar eV:
Voorbeeldopgave 5
Een foton valt op een kathode die gemaakt is van zink. Er komt daardoor een elektron vrij met een snelheid van 4,5.106 m/s. Bereken de erergie van het foton (in eV).
Eerst Ek uitrekenen:
Dan Efuitrekenen:
Voorbeeldopgave 6
Eenn foton valt op een kathode die gemaakt is van ijzer. Het foton heeft een golflengte van 200 nm. Bereken welke snelheid het elektron heeft nadat het vrijgekomen is uit de kathode.
Eerst Ef uitrekenen:
Dan Ek uitrekenen:
Tot slot v uitrekenen:
Voorbeeldopgave 7
Hieronder zie je het ernergie-niveau van neon.
Een neonatoom zendt een foton uit met een golflengte van 387 nm.
Bepaal met welke overgang deze golflengte overeen komt.
3,20 = 19,8 - 16,6
Dus van de 3e naar de 1e aangeslagen toestand.
Voorbeeldopgave 8
Bereken de folglengte van het foton dat ontstaat als een waterstofatoom terugvalt van de 4e naar de 3e aangeslagen toestand. Gebruik tabel 21 van Binas.
Voorbeeldopgave 9
Een sterrekundige onderzoekt het spectrum van een ster. Hij constateert dat een absorptielijn die op 587,6 nm thuishoort verschoven is naar 587.9 nm.
Bereken de snelheid van de ster.
Voorbeeldopgave 10
Een sterrenkundige onderzoekt een ster waarvan is vastgesteld dat deze met een snelheid van 22,3 km/s van ons afbeweegt. Een van de absorptielijnen uit de Balmereeks is 0,0289 nm verschoven.
Bepaal met behulp van een berekening en Binas of internet wat de naam van deze lijn is.
Dat is de
Over deze module
Documenten
Docentenhandleidingen en toetsen zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten: zie colofon.
Enkele afbeeldingen en voorbeelden zijn met toestemming overgenomen uit DBKna.
Het arrangement E-klas Straling en materie is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Bètapartners
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2015-05-07 15:37:05
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Dit materiaal is achtereenvolgens ontwikkeld en getest in een SURF-project (2008-2011: e-klassen als voertuig voor aansluiting VO-HO) en een IIO-project (2011-2015: e-klassen&PAL-student). In het SURF project zijn in samenwerking met vakdocenten van VO-scholen, universiteiten en hogescholen e-modules ontwikkeld voor Informatica, Wiskunde D en NLT. In het IIO-project (Innovatie Impuls Onderwijs) zijn in zo’n samenwerking modules ontwikkeld voor de vakken Biologie, Natuurkunde en Scheikunde (bovenbouw havo/vwo). Meer dan 40 scholen waren bij deze ontwikkeling betrokken.
Organisatie en begeleiding van uitvoering en ontwikkeling is gecoördineerd vanuit Bètapartners/Its Academy, een samenwerkingsverband tussen scholen en vervolgopleidingen. Zie ook www.itsacademy.nl
De auteurs hebben bij de ontwikkeling van de module gebruik gemaakt van materiaal van derden en daarvoor toestemming verkregen. Bij het achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, en andere gegevens is de grootst mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz. van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de programmamanager van de Its Academy (zie website).
Gebruiksvoorwaarden: creative commons cc-by sa 3.0
Handleidingen, toetsen en achtergrondmateriaal zijn voor docenten verkrijgbaar via de bètasteunpunten.
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
(Natuurkunde VWO 6) In deze module leer je veel over materie, en over licht en andere vormen van straling. Bovendien leer je wat deze twee met elkaar te maken hebben, dus welke interacties straling en materie kunnen hebben.
Leerniveau
VWO 6;
Leerinhoud en doelen
Materie;
Wisselwerking tussen straling en materie;
Ruimte;
Natuurkunde;
Licht, geluid en straling;
(Natuurkunde VWO 6) In deze module leer je veel over materie, en over licht en andere vormen van straling. Bovendien leer je wat deze twee met elkaar te maken hebben, dus welke interacties straling en materie kunnen hebben.
In de loop van de geschiedenis is het beeld dat we hebben van materie regelmatig veranderd.
Bijna gelijktijdig bedacht Democritus, ook een Griek, dat alles bestaat uit zeer kleine, onveranderlijke deeltjes. Deze deeltjes noemde hij atomen (atomos = ondeelbaar).
• de straling die een gloeiend voorwerp uitzendt
De grootste denkfout in deze modellen was namelijk dat men er vanuit ging dat alle natuurkundige processen continu (geleidelijk) verlopen. Newton zei ooit: "De natuur maakt geen sprongen!"
• Klik 
Opdracht 3 
Natuurkundigen zijn er in de vorige eeuw achtergekomen dat er een verband is tussen de temperatuur en de kleur licht die een heet voorwerp uitstraalt.
Met de schuifknop rechts van de grafiek regel kun je de temperatuur wijzigen.
Stel de temperatuur in op de temperatuur van de zon.
c
Voor sommige golflengtes is dat weinig energie en voor andere golflengtes veel meer. De energie die per m2 per seconde in een bepaald golflengtengebiedje wordt uitgezonden, kan worden uitgezet in een grafiek. Die grafiek noemen we de stralingskromme.
Als de temperatuur voldoende hoog is, valt een deel van de straling in het voor het menselijk oog zichtbare gebied. Bij een temperatuur van 2000 K is dit hoofdzakelijk rood licht: de zwarte straler is dan roodgloeiend.
De zon en sterren 
Een fotocel bestaat uit een vacuüm buis van glas, waarvan de binnenkant gedeeltelijk bedekt is met een dun laagje metaal. Dit metaal is de lichtgevoelige kathode K (figuur rechts).
Waarbij geldt: 
De golflengte van zichtbaar licht ligt ruwweg tussen de 400 en 750 nm.
Aan de dagkant van Mercurius kan de temperatuur oplopen tot 420 °C, terwijl het aan de nachtkant kan afkoelen tot -180 °C.
Met behulp van een computersimulatie zullen we het foto-elektrisch effect nader gaan onderzoeken.
J. J. Thomson bijvoorbeeld, dacht dat atomen min of meer massieve bolletjes zijn die uit een positief geladen substantie bestaan. In die positieve substantie bevinden zich kleine negatief geladen deeltjes.
a
a
a
a
Start het programma door op het bestand hieronder te klikken.
Redshift
= snelheid (m/s)
= golflengte van absorptielijn (m)
= de golflengteverschuiving (m)
= lichtsnelheid (3,00·108 m/s)
a
Opdracht 38
In 1929 ontdekte Edwin Hubble dat er een eenvoudig verband is tussen de snelheid waarmee sterrenstelsels van ons af bewegen en de afstand tot die sterrenstelsels. Hoe groter de snelheid, hoe verder een sterrenstelsel van ons af staat. Het verband tussen die grootheden wordt gegeven door de formule:
de snelheid (km/s)
de Hubbleconstante (72 km/s/Mpc)
de afstand (Mpc)
De grafiek hiernaast is een grafische weergave van het spectrum van een sterrenstelsel (klik 
