Leerdoelen
•Je kunt de kenmerken van elektromagnetische straling benoemen.
•Je kunt werken met absorptie- en emissiespectra.
•Je kunt uitleggen hoe je met spectroscopie stoffen kunt meten.
Wat is elektromagnetische straling?
Licht is een vorm van elektromagnetische straling die kan worden gebruikt om stoffen te onderzoeken. Elektromagnetische straling bestaat uit golven. Een golflengte is de afstand tussen twee pieken of twee dalen van zo'n golf. Deze wordt bij spectroscopie vaak uitgedrukt in nanometers (nm), omdat de golflengten erg klein zijn. Alle verschillende golflengten van elektromagnetische straling hebben dezelfde snelheid, namelijk de lichtsnelheid (C) van 3 * 10⁸ meter per seconde.
Wat zijn de kenmerken van elektromagnetische straling?
De eigenschappen van elektromagnetische straling variëren afhankelijk van de golflengte. Er is een directe relatie tussen de golflengte en de energie: hoe kleiner de golflengte, hoe groter de energie van de straling.
Het elektromagnetisch spectrum omvat:
•Radiogolven: Hebben een lange golflengte (honderden meters) en een relatief lage energie.
•Microgolfstraling: Wordt gebruikt in bijvoorbeeld magnetrons.
•Infraroodstraling (IR): Heeft een langere golflengte dan zichtbaar licht en kan bijvoorbeeld met warmtecamera's worden gedetecteerd.
•Zichtbaar licht: Dit is het deel van het spectrum dat wij met onze ogen kunnen waarnemen. Het is wit licht dat door een prisma gescheiden kan worden in een regenboog van kleuren, elk met een eigen golflengte (rood heeft een lange golflengte, blauw een kortere).
•Ultravioletstraling (UV): Heeft een kleinere golflengte en hogere energie dan zichtbaar licht.
•Röntgenstraling (X-ray): Heeft een zeer kleine golflengte en hoge energie.
Hoe bereken je de frequentie en energie van straling?
De relatie tussen golflengte, lichtsnelheid en frequentie (f) (het aantal golven per seconde) wordt beschreven met de volgende formule:
•golflengte (λ) =
Daarnaast is er een verband tussen de energie van een lichtpakketje, een foton, en de frequentie of golflengte. Dit verband wordt gegeven door de constante van Planck (h):
•
•
De constante van Planck (h) is een vast getal dat je kunt vinden in Binas tabel 7. In Binas tabel 19A staan ook golflengtes, frequenties en energieën in joule en elektronvolt.
Wat is een spectrum en hoe werkt spectroscopie?
Een spectrum is een weergave van alle golflengten die straling bevat. Dit ontstaat wanneer licht op een stof valt en er iets van dat licht overblijft. Spectroscopie is de techniek waarbij het effect van licht op stoffen wordt bestudeerd aan de hand van deze spectra.
Stoffen kunnen straling op drie manieren beïnvloeden:
1.Reflecteren: Straling valt op de stof en kaatst direct terug. De kleur die een stof heeft, is de kleur (golflengte) die wordt gereflecteerd; alle andere golflengten worden geabsorbeerd.
2.Absorberen: Straling wordt door de stof opgenomen.
3.Uitzenden (emitteren): Straling wordt vanuit de stof zelf uitgezonden.
Wat is een absorptiespectrum?
Een absorptiespectrum toont welke golflengten door een stof worden opgenomen als functie van de frequentie of golflengte.
Voorbeeld: Magnetron en watermoleculen In een magnetron wordt voedsel verwarmd doordat watermoleculen specifieke infraroodstraling absorberen. De OH-bindingen in watermoleculen trillen als ze straling met een specifieke golflengte opnemen. Deze trillingen worden overgedragen op andere moleculen (zoals zetmeelmoleculen in voedsel), waardoor ze ook gaan trillen. Trillende deeltjes betekenen warmte, en zo wordt het eten warmer.
Wat is een emissiespectrum?
Een emissiespectrum ontstaat wanneer een stof zelf licht uitstraalt. Dit gebeurt wanneer elektronen in atomen energie opnemen en naar een hogere energietoestand springen. Wanneer deze elektronen terugvallen naar een lagere energietoestand, zenden ze de opgenomen energie uit in de vorm van fotonen (lichtdeeltjes) met een specifieke golflengte.
Voorbeeld: Natriumlamp In een natriumlamp worden natriumatomen onder stroom gezet. De elektronen in de natriumatomen worden aangeslagen, wat betekent dat ze naar een hogere energiebaan springen. Wanneer deze elektronen terugvallen van bijvoorbeeld de derde naar de tweede energiebaan (NS3 naar NS2), zenden ze fotonen uit. De energie die vrijkomt bij deze overgang (ΔE) komt precies overeen met de energie van licht met een golflengte van 600 nm. Dit is de gele kleur die kenmerkend is voor natriumlampen.
Hoe weten wetenschappers welke gassen er in de atmosfeer van planeten zijn?
Wetenschappers gebruiken spectroscopie om de samenstelling van de atmosfeer van verre planeten en sterren te bepalen zonder er ooit geweest te zijn. Gassen in de atmosfeer van een planeet absorberen fotonen of lichtdeeltjes die exact passen bij de energiesprongen van hun elektronen of bij de trillingen van hun chemische bindingen (zoals bij watermoleculen in een magnetron).
Wanneer het licht van zo'n planeet of een ster wordt opgevangen en geanalyseerd, toont het spectrum op sommige plekken 'zwarte lijnen'. Deze zwarte lijnen duiden erop dat specifieke golflengten van licht zijn opgenomen door de moleculen in de atmosfeer van de planeet. Het ontbreken van deze golflengten in het spectrum vertelt wetenschappers welke stoffen aanwezig zijn. Bijvoorbeeld, als er een absorptielijn ontbreekt bij 600 nm, duidt dit op de aanwezigheid van natrium dat deze golflengte heeft opgenomen. Elk element en elke molecuul heeft een unieke 'streepjescode' in zijn absorptie- of emissiespectrum, waarmee de stoffen kunnen worden geïdentificeerd.
