Icon up Overzicht

Het Elektronenhotel

Onderwerp:

Het elektronenhotel 1

Een atoom kun je zien als een hotel. Het heeft verdiepingen. Op elke verdieping kunnen een of meer elektronen zitten. Op de laagste verdieping zitten de meeste en hoe hoger je gaat, hoe minder elektronen je tegenkomt. Er is nog een verschil tussen de verdiepingen: hoe hoger een elektron zit, hoe hoger zijn energie. De verschillen in hoogte tussen de verdiepingen zijn heel belangrijk als je iets met spectroscopie gaat doen.

Soms valt een elektron van een hoge verdieping naar een lagere. Het elektron verliest nu wat van zijn energie. Hoeveel hij verliest hangt af van de hoogte van de verdieping. Hoe verder hij valt, hoe meer energie hij verliest. Dit energieverlies wordt omgezet in een lichtdeeltje. Natuurkundigen noemen zo’n lichtdeeltje een foton.

Het grappige is dat bij elk atoom de verdiepingen op andere hoogtes zitten. Als een elektron naar beneden valt dan zal de energie die het elektron verliest afhangen van het atoom waarin hij zit. Als je iets met spectroscopie doet, kijk je naar de energie van het uitgezonden foton. Je kunt dus precies zeggen van welk soort atoom dat foton is gekomen.

Wanneer geladen deeltjes uit de ruimte de atmosfeer binnendringen op grote hoogte (rond 250km), kunnen ze met hun hoge energie atomen en moleculen exciteren: hierbij worden elektronen in andere banen gebracht. Als het elektron is het hotel weer een verdieping afdaalt wordt een teveel aan energie in de vorm van licht uitgezonden. Dit licht is wat wij zien als poollicht. Klik hier voor een mooie opname van het poollicht.

Het spectum van zichtbaar licht.

Misschien weet je wel dat wit licht eigenlijk een heleboel verschillende kleuren bestaat. Met een prisma kun je het witte licht ‘uit elkaar trekken’ en die verschillende kleuren zien. Je weet ook dat licht uit fotonen bestaat. De energie van het foton bepaalt de kleur van het licht. Wit licht bestaat dus uit een spectrum van fotonen met verschillende energieën. In dat spectrum komen alle kleuren voor die het verloop aangeven van blauw naar rood.

Boven het spectrum van wit licht, onder het spectrum van het licht afkomstig van een natriumlamp.

Naast energie heeft een foton ook een frequentie.

Natuurkundigen kijken met een soort prisma naar het uitgezonden licht van een gas vol atomen. Zo kunnen ze meten welke frequenties de fotonen in het uitgezonden licht hebben. In plaatje één hebben ze naar een natriumlamp gekeken. Je kunt twee oranje lijnen zien. Als je de frequentie van oranje licht weet, dan kun je dit omrekenen naar energie. Je weet nu de verschillen in hoogte tussen de verdiepingen van het natrium atoom.

Zoals je weet zendt een elektron een foton uit als het energie verliest. Dit kun je omkeren: Als een elektron een foton absorbeert wint hij energie. Het elektron heeft precies zoveel energie als het verschil tussen zijn eigen en de verdieping waar hij naar toe wil springen. Door met een foton met deze energie op een atoom te schieten kan een elektron naar boven springen. Dit heet exciteren.

Er bestaan ook hotels voor protonen. De werking van bijvoorbeeld de MRI is daarop gebaseerd. Lees meer daarover in het artikel Medische toepassing: MRI

Het elektronenhotel 2

Om naar beneden te kunnen vallen moet een elektron eerst omhoog. Dit komt doordat verdiepingen vaak helemaal vol zitten en een elektron dus niet zomaar naar beneden kan vallen. Om naar boven te springen heeft een elektron juist extra energie nodig. zoals in deze animatie te zien is.

Gelukkig hebben andere wetenschappers de laser uitgevonden.

Met een laser kun je tot in groot detail de structuur (de verdiepingen) van atomen bepalen. Als natuurkundigen willen weten wat voor samenstelling een gas heeft, dan schieten ze er met een laser op. Alle fotonen van een laserstraal hebben dezelfde frequentie. Zou je met een prisma een laserstraal bekijken dan zie je maar één kleur, één frequentie.

De wetenschappers variëren nu de frequentie van de laser – en dus van de fotonen – en kijken bij welke frequentie fotonen worden geabsorbeerd. Als je nu een grafiek maakt waar je de intensiteit van de uitkomende laserstraal uitzet tegen de frequentie krijg je een spectrum. Als je nu van tevoren weet wat voor soort atoom bij welke frequenties fotonen absorbeert, kun je de samenstelling van het gas bepalen.

Kijk naar de grafiek. Je ziet dat bij een aantal frequenties de intensiteit van de uitgaande straal sterk gedaald is. Bij die frequenties zijn de fotonen dus geabsorbeerd door elektronen in het gas. Deze twee pieken komen precies overeen met de twee oranje lijnen die je zag in het optische spectrum. Je kunt nu precies vaststellen wat de hoogteverschillen van de verdiepingen in het atoom zijn.

Deze techniek die ik hier besproken heb heet spectroscopie en wordt heel vaak gebruikt bij experimenten in de natuurkunde.

In het centrum van de Andromedanevel zit een enorm zwart gat, omgeven door een mysterieus blauw licht. Dat licht komt van een draaiende schijf van jonge, blauwe sterren,. Dat blijkt uit metingen van de spectrograaf aan boord van de Hubble ruimtetelescoop. De resultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal op 20 september 2005.