Spectra & Energieniveaus

In deze video zullen we het hebben over stoffen die licht uitstralen.

Hieronder kun je de video nog eens rustig nalezen:
De verschillende typen licht die een stof uitzendt, wordt het spectrum van de stof genoemd en daar zullen we eerst naar kijken. Daarna kijken we naar twee verschillende soorten spectra: emissie- en absorptie-. Om ten slotte te begrijpen waar deze spectra vandaan komen, zullen we kijken naar de energieniveaus van een stof. Spectrum Maar we beginnen bij het begin: wat is een spectrum nu eigenlijk? Een spectrum geeft weer welke kleuren licht er allemaal door iets worden uitgestraald. Een voorbeeld is ook te vinden in BINAS tabel 19. Het spectrum kan lopen van rood (lange golflengtes) naar blauw (korte golflengte) via alle kleuren van de regenboog. Vaste stoffen, zoals de gloeidraad in een gloeilamp, kunnen ook al deze golflengtes uitzenden, zoals in het bovenste spectrum te zien is. Dit noemen we een continu spectrum. Emissiespectrum Maar gassen hebben geen continu spectrum, als een gas heet wordt, zendt het slechts bepaalde golflengtes licht uit. Dat zie je hier voor waterstof en natrium. Het spectrum van zo'n gas bevat dus alleen een aantal lijnen bij verschillende kleuren en wordt dan ook wel een lijnenspectrum genoemd. Een moeilijk woord voor uitzenden is 'emissie' en het spectrum van licht dat is uitgezonden door hete gassen wordt ook dan wel het emissiespectrum genoemd. Je ziet dat de gassen alleen maar licht uitzendt bij specifieke golflengten. Dit spectrum is voor elke stof anders: waterstof heeft op hele andere plekken lijnen dan natrium. De lijnen in een spectrum zijn karakteristiek voor een stof, ze vormen als het ware een soort vingerafdruk van het gas. Door naar het spectrum van een bepaalde ster te kijken, kunnen we uitvinden wat voor stoffen zich in de ster bevinden. Absorptiespectrum Het omgekeerde kan ook. Als we wit licht met alle golflengtes erin op een hoeveelheid gas schijnen, zal het gas juist licht opnemen bij precies die golflengtes waar het uit zichzelf licht zou uitzenden. De reden daarvoor zullen we zo behandelen, maar als je dan de golflengtes meet die wel door het gas heen komen, zal je een spectrum krijgen met daarin een aantal zwarte lijnen op de plekken waar het gas het licht heeft opgenomen. We zien hier een voorbeeld van het emissiespectrum en het absorptiespectrum van waterstof en ze passen dan ook precies in elkaar. Energieniveaus Maar waarom is dat eigenlijk zo? Waarom worden alleen bepaalde golflengten uitgestraald en geabsorbeerd. Om dat te begrijpen, moeten we kijken naar hoe verschillende atomen opgebouwd zijn: met een positief geladen kern in het midden en negatief geladen elektronen in banen eromheen. Doordat ze een tegengestelde lading hebben, willen de elektronen en kern eigenlijk graag dicht bij elkaar zijn, dus er is energie nodig om het elektron in een verdere baan van de kern te krijgen. Die energie kan komen uit licht dat op het atoom valt: het elektron neemt de energie van het licht op en komt zo in een hogere baan. Zoals altijd bij licht kunnen we de energie berekenen met E = h*f, of als we de energie in termen van de golflengte willen weten: E= hc/?. Nu weten we waarom gassen licht kunnen absorberen, maar waarom doen ze dat alleen bij bepaalde golflengten? Dat is omdat niet alle banen mogelijk zijn. Volgens het atoommodel van Bohr kan een elektron alleen maar op specifieke afstanden van de kern zitten. Als een elektron naar een andere baan wil springen, kan het dus alleen maar vaststaande pakketjes energie opnemen die precies het verschil zijn tussen de verschillende toegestane banen. Het licht dat wordt opgenomen, moet dus ook precies die energie hebben. Omdat de energie wordt bepaald door de golflengte, zorgt dit ervoor dat alleen bepaalde golflengtes worden geabsorbeerd. Het emissiespectrum werkt op dezelfde manier: als een elektron van een verre baan gaat naar een baan valt die dichterbij de kern is, zal er energie vrijkomen in de vorm van licht. Ook dit kunnen alleen specifieke energiepakketjes zijn, namelijk precies die pakketjes die bij de golflengtes in het emissiespectrum horen.