Laser

Lisa stelde deze vraag op 09 januari 2022 om 00:15.

Hallo,
Ik kwam deze vraag tegen in een examen:
Medewerkers van het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) te Bilthoven hebben een installatie gebouwd waarmee zij de hoeveelheid ozon op verschillende hoogten in de atmosfeer kunnen meten. Een belangrijk onderdeel van de installatie is een laser die pulsen ultraviolette straling met één golflengte produceert.
De pulsen die de laser verlaten, worden eerst door een zogenaamde ramancel geleid. Dit is een met waterstof gevulde cilinder. 
Zie figuur 11.
Een deel van de laserstraling brengt waterstofmoleculen in een aangeslagen toestand. Deze moleculen vallen vervolgens via een bepaald tussenniveau terug naar hun oorspronkelijke energieniveau. Hierbij zenden ze ondermeer ultraviolette straling uit met een andere golflengte dan ze van de laser hebben ontvangen.
Een ander deel van de laserstraling passeert de ramancel ongehinderd.
De pulsen die uit de ramancel treden, bevatten straling met twee golflengten in het ultraviolette deel van het spectrum: 308 nm en 353 nm. Eén van deze twee golflengten hoort bij de straling die de laser uitzendt.

3p 22 ■ Leg uit welke van deze twee golflengten hoort bij de straling die de laser uitzendt.

Ik kom hier niet helemaal uit. Ik vond het al gek dat hij terug kan vallen in een tussen energie niveau, want hoe gebeurt dat dan? Valt dan de energie van een foton half uit elkaar? En hoe weet ik of het 308 en 353 nm is? Ik zat namelijk te kijken in de Binas naar de energie levels van waterstof, maar daar werd ik hierbij ook niet heel veel wijzer. 

Reacties

Theo de Klerk op 09 januari 2022 om 00:36
>Ik vond het al gek dat hij terug kan vallen in een tussen energie niveau, want hoe gebeurt dat dan? 

Da's niet zo gek. Je kunt met veel energie ineens op een muurtje springen van  1 m hoog en vervolgens via een trapje eerst naar 70 cm springen en dan terug op de grond.  Zo raak je je zwaarte-energie die je in 1 keer erbij kreeg met de sprong omhoog in twee stappen weer kwijt.
Een elektron in een atoom doet precies hetzelfde. Bij geschikte energie kan het een of meerdere niveau's omhoog springen en later met dezelfde sprong of met tussensprongen weer terug naar het oude (laagst energetische, in de natuurkunde het meest stabiele) niveau.

Dus als ik met 100 eenheden een elektron aansla, dan zullen
  • sommige elektronen weer helemaal terug vallen en die 100 afstaan
  • andere geven eerst (bijv) 40 eenheden af en daarna 60 eenheden.
Dus als er 2 golflengten straling (en dus 2 energie-waarden, E = hf) uit de laser komen, welke sprong komt dan overeen met de hoogste energie waarde (grootste frequentie, kleinste golflengte)?

Een foton "valt niet uit elkaar" - de sprong-energie wordt als een foton uitgestraald of geabsorbeerd.
Lisa op 09 januari 2022 om 01:20
Hallo,

Bedankt voor uw antwoord. Ik begrijp echter nog steeds niet helemaal waarom het overeen moet komen met de hoogste energie waarde. Kunt u dat uitleggen?
Theo de Klerk op 09 januari 2022 om 01:54
Het hoeft niet met de hoogste  energiewaarde overeen te komen. Elke "sprong" is goed, als de geleverde energie precies het verschil tussen 2 niveau's overbrugt.

Dus bijv. bij niveau's van -20 eV, -30 eV,  -50 eV (0 eV wordt hier als "geioniseerd" gezien, dus alle bindingsniveau's zijn dan minder dan 0 eV) is een foton van 20 eV genoeg om een elektron van de -50 eV baan in de -30 eV baan te  krijgen  (-50 + 20 = -30). 

Een foton van 22 eV passeert en wordt niet opgenomen: 22 eV "past" niet. Het is dan ook niet zo dat er 20 eV voor de sprong wordt gebruikt en een foton van 2eV overblijft. Het is alles of niets.

Een foton van 10 eV werkt ook bij het aanslaan van het elektron (van -30 eV naar - 20 eV).  Om te werken moet er wel een elektron in die -30 eV baan zitten. Anders passeert het  foton.

Een foton van 50 eV werkt ook: het elektron wordt dan losgeslagen van de -50 eV baan en het atoom wordt geioniseerd. Als er een elektron in de -30 eV baan zit, dan kan het de 50 eV absorberen. 30 eV is nodig om los van het atoom te komen, de resterende 20 eV wordt gebruikt als kinetische energie van het losgeslagen elektron. Bij sprongen tussen vaste banen geldt dat niet: die "rest" energie kan door een elektron dan niet worden opgenomen als kinetische energie, want dan vliegt het uit zijn baan en alleen een elektron in de gegeven banen geeft een stabiel atoom.

Bij terugkomst kan het zijn dat een elektron dat "ingevangen" wordt door een ion meteen in de -50 eV baan belandt. Dan straalt het een foton  van 50 eV uit. Het elektron kan ook eerst in de -30 eV baan belanden (en straalt foton 30 eV uit) en daarna doorspringen van -30 eV naar - 50 eV (onder uitstraling van een 20 eV foton). 

Alle sprongen omhoog en omlaag tussen niveau's zijn mogelijk. Steeds 1 baan verder of door overslaan van banen.  Hoe groter het energieverschil tussen begin- en eindbaan, hoe groter het foton dat wordt geabsorbeerd (sprong omhoog) of uitgestraald (sprong naar beneden)
Jaap op 09 januari 2022 om 01:57
Dag Lisa,

Het laser-foton waar gaat de vraag over gaat, heeft even veel energie als de twee door een molecuul uitgezonden fotonen samen. Dus een laser-foton heeft meer energie dan een enkel uitgezonden foton. Is je vraag van 01:20 uur hiermee opgelost?

Gegeven: "De pulsen die uit de ramancel treden, bevatten straling met twee golflengten in het
ultraviolette deel van het spectrum". Dat zijn doorgelaten laser-fotonen (die nooit zijn geabsorbeerd door een waterstofmolecuul) en een van de twee soorten uitgezonden fotonen.
De pulsen die uit de ramancel treden, bevatten bovendien de andere soort uitgezonden fotonen. De energie van zo'n foton is gelijk aan het verschil van de "ultraviolette fotonen" van 308 en 353 nm.
Je kunt berekenen dat zo'n foton een energie heeft van 8,23·10–20 J en een golflengte van 2416 nm. Volgens Binas tabel is dit in het infrarode gebied; ze tellen niet mee als ultraviolet.
Zie het centraal examen van 2000, tijdvak 1,
https://nvon.nl/examen/examen-2000-1-vwo-natuurkunde


Groet, Jaap

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Noortje heeft achttien appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Noortje nu over?

Antwoord: (vul een getal in)