Moderne fysica



WARMTE

1 cm3 zuurstof van O-graden en 1 atmosferische druk bevat ± 27 triljoen deeltjes. Deeltjes zijn nooit in rust. Gemiddeld 450 m/s. Alle deeltjes botsen gemiddeld 4 miljard keer en legt dan een afstnad vna een 1tienduizendste millimeter af. Onze zenuwen voelen die beweging. Druk is de uitwerking van botsing op wanden druk=1/3 dichtheid x snelheid x snelheid? Warmte veroorzaakt volumevergroting. De beweging is ongeordend, chaotisch. (De brouwnse beweging). De trilling bij vloeistof is groter, maar is maar 35% groter dan bij vast stoffen. Niet alle stoffen kunnen vloeibaar(hout smelt niet, maar verbrand bij 500graden). Maar wat er ook gebuert bij 5000C graden worden alle stoffen gasvormig. Aantrekkingskracht verschilt tussen bouwstenen en dus ook tussen engergie die nodig is om tot gasvorming te komen. Metalen geleiden best warmte. Oorzaak niet alleen trillende atomen, maar ook elektronen. Gassen en vloeistoffen zijn slechte geleiders, maar kunnen goed stromen. Ook transport door straling(licht). Warmte betekent vergroting van energie inhoud van het lichaam en daarmee snellere beweging.


ENERGIE

Wet behoud van energie. In natuur omzetting van energiesoorten:mechanisch, warmte, chemisch, straling, electrisch, energiemassa en kernenergie. Niet omkeerbaar in alle situaties. Er komt altijd een deel warmte bij. Leidt uiteindelijk tot heelal met temperatuur bij absoluut nulpunt (-273K). De warmtedood. De natuur sterft aan verevening, nivellering. Voor verbranding is beweging nodig. De zon is een grote energiegever.


E = mc² Als men een lichaam van 1 gram de snelheid van 293.800 km per seconde wil geven, dan heeft men daarvoor 100 miljoen kilowattuur voor nodig. 1% van de gehele electriciteitesproduktie in 1950. Hierdoor krijgt bijvoorbeeld een kogeltje van 1 gram een massa van 5 gram. 1 gram is gelijkwaardig aan 25 miljoen kilowattuur? Massa is gematerialiseerde energie. Vermogen = watt, Arbeid(energie) = Kilowatt calorie, 1 electrovolt = 38,291 quadriljoenste kilocalorie.


ELECTRICITEIT

Wrijving veroorzaakt splitising van + en - ladingen (kam-haar). Kracht neemt met het kwadraat van de afstanf af. Intramoleculaire kracht bij water gebroken bij 100C wordt gasvormig. Als we kam en haar bekijken. Men borstelt zo te zeggen de electronen van het ene lichaam af (haar) en verzamelt ze op de kam. haar is positief geladen. Er zijn altijd wel weer electronen die door atoom zijn verloren om terug te winnen. Als stroomsterkte 1 amp bedraagt gaan er per seconde 6,24 triljoen electronen door een doorsnede van de draad. Hoe dunner de draad, hoe groter de snelheid. Veel warmte door weerstand electronen. Bij stroom ook magnetisme. Electronen en protonen hebben electrisch veld om zich heen.


Dat immateriele onstoffelijke veld is even werkelijk als de deeltjes zelf. Sommige wetenschappers zien die juist als wezenlijker en zien deeltjes als knopen in het veld, waar het gematerialiseerd is (krachtenveld). Rond circelende electronen zijn magneten. Cirkelstroom versterkt doormiddel van speoelen. Het electron draait om zijn as heeft spin en is dus een klein magneetje. In ijzer veel evenwijdige assen van electronen. Geeft de magnetsche werking. Die wordt door kracht instand gehouden. Eigenschap dat een spoel met ijzerkern een magneet wordt door stroom doorheen te laten en uitgeschakeld kan worden. Heeft vele technische toespaasingen gekregen in bv. de bel, telex, alarm etc. Makkelijke manier voor vrijmaken electronen: verhitting metaal. Wordt gebruikt door electronica. Vonk is plotselinge ontlading + - electronen. Ionen te maken door botsingen onder elkaar en met straling. Als er ergens electronen zeer snel trillem ontstaan in de buurt eldctrische en magnetische velden. Iedere snel trillende lading is een zender. Trillingsfrequenties bepalen geluid. Een radio is dus een apparaat om zeer snelle electrische trillingen voort te brengen, waardoor electromagetische golven ontstaan, die met microfoon versterkt kunnen worden.


STRALING

licht is deel van spectrum straling, waarvan de quanta net de nodige energie hebben, om de kleine enige microns grote zeshoekige lichtgevoelige zenuwcellen, de ongeveer 6,5 miljoen kleurgevoelige kegltjes en de ongeveer 120 miljoen? helderheidsgevoelige staaafjes, die het netvlies aan de binnenkant van het oog, chemisch zodanig te veranderen, dat de hersenen via de gezichtszenuw daaraan beantwoorde prikkels krijgen, dien in ons voorstellingsvermogen, tot een beeld van de buitenwereld versmleten.


De fotonen met de minste energie zijn de, werken niet op moleculen in, maar zorgen wel voor trilling in metaaldraden. Radio vangt er een paar triljoen per seconde op uit zenders.



radiogolven: 0,000.000.0006 - 0,000.000.006 EV midden golf

0,000.000.006 - 0,000.000.1 EV korte golf

0,000.000.1 - 0,000.001 EV ultra kort


Op moleculen kunnen pas de microgolven inwerken:

0,000.001 - 0,001 EV micro golven

1 - 30 EV lichtgolven 3000 - 150.000 EV rontgenstraling


Op de kern van het atoom werken gammastralen: neutronen uit kern

100.0000 - 1.000.000.000.000 EV(f) gammstraling


bij 1,8 TEV (1800 GEV) komen quarks vrij uit protoenen en neutronen

bij 10-19 GEV (triljoen) unificatie van 4 natuurkrachten


De enkele energiequanta van de radiogolven zijn dus zeer klein en daarom onschadelijk. Straling in bepaalde quanta, wanneer straling bepaalde portie heeft wordt hij ingevangen en verbruikt. Het atoom wordt aangeslagen tot hoger energienivo. Atomen schieten echter in geen tijd terug naar hun grondtoestand (toestand met minste energie) onder uitzending van straling. De fotonen met energienivo tussen 1,6 en 3,45 EV zijn zichtbaar.


Er zijn 3 mogelijke fenomenen als licht op een voorwerp valt: Licht kan geabsorbeerd worden. Energie kan in warmte(trilling moleculen) worden omgezet, waardoor enrgie armere straling wordt teruggezonden. Of foton wordt teruggekaasts of het gaat door het voorwerp heen. Foton violet heeft massa van 150.000ste deel van massa electron. Banen van electronen vormen een soort wazige wolk om de kern. Een atoom kan worden beschouwd als een 3-dimensionaal bolvormig golfsysteem een soort golfnevel, waarin zoals bij een snaar alleen maar bepaalde golven mogelijk zijn, die met bepaalde energiewaarden overeenkomen.


Rood kan in de eerste plaats betekenen een kleur van een stof(verf). Ook een bepaalde lichtsoort (foton met bepaalde energiewaarde of een indruk op het netvlies. De natuurlijke kleur van een voorwerp in zonlicht is een mengvorm van die lichtquanta die het niet absorbeert. Bestraalt men blauwe stof met rood licht dan lijkt het zwart, omdat alle licht behalve rood geabsorbeert wordt. Bij verfmengen geel en blauw schijnen groen. Lichtsoorten werken anders blauw en geel lciht lijken samen wit.


De verwijdering van een binnenste electron uit het electronenomhulsel door beschieting met een energierijk electron kan een serie van sprongen met fototnenuitzending teweeg brengen. Het gat trekt daarbij van buiten naar binnen dicht (door aantrekking van de kern). De straling die daarbij vrijkomt is rontgenstraling. Om een electron uit een waterstofatoom tegen de aantrekking van één proton weg te trekken is 13,6 EV nofig, maar bij uranium, aangetrokken door 92 protonen, is 115.600 EV nodig. Niet alleen is de binding groter, maar ook de verschillende energienivo's zijn groter, zodat fotonen die ontstaan energierijker zijn. Bij energierijke quanta (rontgen) kan ook een deel van de energie op een electron worden overgebracht (kinetisch) met uitsraling van geringe quanta foton. Bij de optische spectra kan een atoom altijd hetzelfde foton absorberen dat het emmiteert. Rontgenstraling kan slechts sprong naar binnen maken. Valentie-electron kan naar buitenbaan en binnenbaan. Rontgen alleen van bv L naar K, niet omgekeerd, L-schil is immers volledig bezet.


Bij rontgenstraling van meer dan 1.022.000EV treedt er in de buurt van de kern een verbluffende verschijnsel op: het rontgenquantum verdwijnt en in zijn plaats verschijnen 2 electronen één+ en één - straling wordt materie. Een gewoongewoon negatief electron en positief hebben beide massa van 0,000091085? kwadriljoenste gram. Dit komt overeen met ± 511.000EV. Massa lading niet verloren gegaan. Er kan niet alleen één - electron gevormd worden, maar met positron is totale lading weer 0. meer dan 1.022.000 dan wordt energie omgezet in kinetische enrgie. Veel energierijkere quanta kunnen de kern veranderen. Kan leiden tot aanslag en uitstralen gammastraling of kernverandering.


LICHT

Het buitenste electron is verantwoordelijk voor het licht? Man kan in tabel van spectraallijnen (er zijn er vele tienduizenden) vinden welk neutraal of geioniseerd atoom een bepaalde lijn heeft uitgezonden en daarmee inlichtingen krijgen over verre hemellichamen. 4 soorten aanslag van het atoom: warmte, electrisch, door absorptie fotonen of door een chemische reactie. Buitenste electron kan bij en anslag gelijk weer terugspringen of in etappes. Hierbij telkens verschillende quanta's licht uitzendend. Dit kan dagen weken of zelfs maanden duren bij fosforisatie (werkt vertragend) Foton met grote enrgie kan valentie elctron niet alleen op hoger niveau brengen, maar band met het atoom verbreken = ionisatie.(foto-electrisch effect.


Om waterstofmolecule H² te breken is 4,5 EV nodig. Thermische aanslag voornaanste methode om in de natuur licht te maken. Verschil tussen aanslag fotonen en electronen fotonen zijn gequantificeerd. Ook aanslag bij meer energie? Gassen en dampen zenden onder normale druk bepaalde quanta enrgie uit, terwijl gloeinde vaste en vloeibare stoffen, die toch ook uit atomen zijn samengesteld (gloeidraad lamp) fotnen van praktisch iedere energie uitzenden, zodat hun spectrum doorlopen is. Hoe meer atomen het stralende molecule bevat, des te meer lijnen de banden bevatten. Waarom spectrum moleculen rijk aan lijnen? Omdat de atomen geen rotatie en trillingsquanta kunne utzenden, maar alleen electronensprongen. Het aantal sprongen van baan naar baan is beperkt.


In een molecule zijn vele combinaties mogelijk. Vna de biljoenen moleculen die aan lichtuitzending deelnemen heeft iedere combinatie van de drie energien een bepaalde waarschijnlijkheid volgens statistische regels. Het resultaat is een bandenspectrum. Bij vaste stoffen of gassen onder hoge druk is wisselwerking tussen moleculen groot. De fotonen energieemissie en absorptie gelijk is ligt de zwarte absorptielijn op dezelfde plek als lichte emmissielijn? Het zonnespectrum heeft een aantal zwarte lijnen. OP de weg naar de aarde zijn stoffn natrium, ijzer, waterstof, magnesium en calcium geabsorbeerd. Deze zijn op aarde nite gasvormig, omdat ze bij lage temperatuur op aarde vast zijn en nog minder in lege koude ruimte tussen aarde en de zon. Ze kunnen alleen voorkomen in de atmosfeer van de zon zelf, waar het witte licht doorheen moet.


SPECTRUM

Atoommodellen: In 1897 werd het Griekse idee van ondeelbaar atoom verworpen door Thompson. Hij ontdekte dat het atoom kleine negatief geladen deeltjes uitzenden. Rutherford beschreef een model waarin positieve lading en een een groot deel van de massa zich in een kleine centrale kern bevind waar electronen omhen draaien. Later ontdekte men de neutronen. Bohr stelde dat het elctron alleen in zeer bepaalde banen om de kern cirkeld en dat de spectraallijnen ontstaan ( de donkere in het absorptiespectrum en de gekleurede in het emissiespectrum), wanneer het electron van de ene naar de andere baan springt. Volgens qunatumtheorie niet vast te stellen waar het zich precies bevind. Alleen plaats of de snelheid.


Er zijn momenteel meer dan 100 nieuwe deeltjes bekend. Zij worden gekarakterriseerd door hun massa, hun lading en levensduur. Energie is nodig om arbeid te verrichten. Onder arbeid verstaat men de werking van een kracht over een zekere afstand. Potentiele energie (een meer in een waterkrachtcentrale]9 en kinetische enrgie. Bij beweging moleculen. kernenergie uit splitsing kern van uranium, daarbij komt warmte vrij dat water verhit. De warmte wordt in stoomturbines omgezet.


AGGREGATIETOESTEND GASSEN

alle materie komt voor in 3 toestanden gas, vloeibaar en vast. Sommige zijn in alle toesatnden te zien op aarde zoals water. Alle materie bestaat uit atomen of moleculen die constant in beweging zijn. In gassen overheerst de warmtebeweging. Als een gas wordt samengeperst en de temperatuur constaant gehouden, neemt de druk omgekeerd evenredig met het volume toe. Bij voldeonde hoege druk gaan de meeste gassen in een vloeistof over. Een vloeisto neemt een bepaald volume in, maar stroomt toch. Zij heeft meer vrijheid dan vaste stoffen. In een vloeistof trillen demoleculen met een frequentie van 10-12 per seconde en vewisselen met bijna de zelfde snelheid van plaats.


De gemiddelde afstand tussen moleculen in vloeibare stof is meestal groter dan bij vaste stoffen. Bij verhitting grotere trilling en op een gegeven moment gasvorming. bij afkoeling minder trilling. De moleculen nemen dan ook minder ruimte in (ijs). De kristal vorm van veel vaste stoffen wijst op een regelmatife rangschikking van de atomen. Een vaste stof kan niet veel meer worden smangedrukt, omdat de afstand tussen de moleculen kleiner en de afstotende krachten groter worden. Toevoeging van warmte leidt tot sterke trilling en uiteindelijk tot smelting. 3e wet thermodynamica: het absolute nulpunt: geen beweging moleculen -273 graden C. Is echter onbereikbaar. Trilling van een atoom is maat voor temperatuur. Een calorie is de hoeveelheid warmte die nodig is om 1 gram water 1 graad te doen stijgen. Bij vaste stoffen vindt alleen botsing plaats met de naaste buren: heet geleding. Materialen die slecht geleiden noemen we isolatoren: kurk, glaswol.


Er bestaan verschillende vormen van energie: licht, warmte, chemische, en mechanische. Licht is golf. Frequentie is het aantal trillingen per seconde. Bij geluid zijn verschillende frequenties tonen, bij licht kleutren. Blauw heeft grotere frequentie dan rood. Wanneer stoffen verhit worden gaan ze gloeien, waarbij ze verschillende kleuren vertonen. Kleur ontstaat door gedeeltelijke absorptie van wit licht. Mensne kunnen kleur zien doordat het netvlies3 soorten lichtzintuigen bevat.: rood -groen en blauw. Bij verf onstaat kleur omdat een deel van het witte licht dat op het voorwerp valt, geabsorbeerd wordt en de rest gereflecteerd. Elke primaire kleurstof absorbeert ca 2/3 deel van het zichtbare licht. Bij menging van de drie kleuren onstaat zwarte verf. Witte verf weerkaast juist veel. Infrarood is warmtestraling.


Elk verlicht of lichtgevend voorwerp straalt licht uit. Relativiteit E = mc². De grootheid c² is zo geeldig groot, dat een kleine heoveelheid massa equivalent is met een enrme hoeveelheid energie. In de praktijk: 1 liter water wordt verhit van 20graden tot 100 graden, dan zal de massa toenemen met circa één miljardste gram!!!, maar ook dat kleine hoeveelheid massa omgezet kan worden in een enorme hoeveelheid energie. In een lamp wordt electrische energie omgezet in licht. In een gloeinde staaf gaat warmte over in licvht. De glimworm zet chemische energie om in licht en een fotoelectrische cel (metaal) zet licht om in electriciteit. Plant zet via fotosynthese licht om in chemische enrgie. Electriceit is de beweging van electronen. Naast isolatoren zijn er halfgeleiders ( soort ventiel die in één richting stroom doorlaten), zoals silicium en koperoxyde en supergeleiders, zoals tin en lood bij enkele graden in de buurt van absoluut nulpunt. Electronen kunnen zich dan vrij bewegen.


De straal van een atoom is ca 10.000 X 100.000 zo groot als de straal van de kern. de doorsnede is 0,00000001 cm

Als electronen door een draad vloeien spreken we van een electrische stroom, waarbij de draad de geleider wordt genoemd. Stroom wordt gemeten in ampere. De meest bekende stroombronnen zijn accuus en generatoren, die op erspectievelijk magnetisme en chemische processen gebaseerd zijn. In beide gevallen worden electronen gedwongen in een richting te bewegen door middel van electromotrische of electrische spanning. Deze wordt gementen in volts. Andere dragers zijn ionen, geladen atoomdeeltjes. Als de spannin groter worrt neemt ook de stroom (ampere) toe. Stroom in ketens kan onderbroken worden door een schakelaar. Apparaat bepaald de hoeveelheid stroom door mate van wwestand. Electrische weerstand wordt uitgedrukt in Ohm. Verband tussen spanning = stroom x wwestand.


Drie verschijnselen bij stroom: warmte, magnetisme en chemische werking. (warmte voor elctrische kachels). Het magnetisch effect is groter bij een speol dan bij een rechte draad. Op precies dezelfde waijze wordt stroom opgewekt door generatoren. Hierbij draait een magneet tussen een aantal spoelen. De verkregen stroom is afhankelijk van kracht magneet en het antal omwentelingen van de spoel. Bij een batterij of generator onstaat er aan één ppol een electrich overschot en aan de andere kant een tekort, waardoor electromagnetische kracht ontsaat. Als er een geleider komt is er stroom. Voor het beheersen vsn stroom weerstanden. Stroom in metaaldraad, omdat enige electronen los gebonden zijn en vrij kunne bewegen.


Chemische verbindingen

koolstofatomen hebben het vermogen in grote aantallen aaneen te koppelen, waardoor veel verschillende stoffen kunne ststaan. Veel ingewikkelde organische stoffen uit de natuur zijn opgebouwd uit lange koolstofketens (eiwitten). Slechts 6 van 93 natuurlijke elementen vormen de levende materie: koolstof, stikstof, zuurstof waterstof, zwavel en fosfor. Levende organismen zijn opgebouwd uit zgn. polymeren of reuzemoleculen. Duizenden of miljoenen aaneengeschakelde moleculen. De kolhydraten, eiwitten en vetten bestaan alleen uit koolstof en zuurstof. Een organisme kan beschouwd worden als een reusachtige chemische fabriek.


lichtemmissie in atomen

Electronen draaien in de grondtoestand snel om de kern. Verder af draaien ze langzamenr. In natuurlijke toestand bevat een gas meestal slechts atomen in de grondtoestand. In de regel worden dus slechts die frequenties geabsorbeerd, waarvoor bij de emmissie de grondtoestand begintoestand is. In het geval van waterstof zijn dit de frequenties van de Cymanreeks. Bij 3LI lopen 2 electronen in 1s en de derde in 3s, 3p of 3d baan. Daar wegens het gecompliceerde krachtenveld de enrgie van het derde electron niet alleen van N doch ook van L afhangt, maakt dat het moeilijk de spectra te ontwaren. Reeksen zitten vlak naast elkaar en zijn ook vaag.


Bij het caesiumatoom zijn alle niveaus behalve S dubbel (zie fig 15). Dat wordt veroorzaakt door de spin (asdraaing werkt als een magneet) van het electron, welke geleijkgericht en tegengesteld aan de omloopbeweging kan zijn en leidt tot een energieverschil. Leidt tot dubbele lijnen in het spectrum. Bij alle Alkaliatomen, ook Li, maar daar is splitsing gering en onduidelijk. Bij Na 3p- 3s wel makkelijk waar te nemen. (D1 en D2) de s-banen zijn bolsymetrisch, zodat de spinrichting geen verschil maakt. De meeste spectra zijn thans in grote trekken geanalyseerd, behalve de zwaarste elementen.


Tot nu toe alleen rekening gehouden met de mogelijkheid dat het buitenste electron of een der buitenste in hogere baan terecht komt. Het is ook mogelijk dat de binnenste naar een hogere baan overgaan (altijd weer terug). Daar komt veel meer energie bij vrij. Bijvoorbeeld de ionisatie van 1s kost 3600 EV, terwijl bij 4s slechts 4EV van pas komt. Ook in emmissie kam rontgenstraling worden waargenomen. een overgang van K naar L beduidt het vangen van een vrije electron. De lege plaats wordt opgevuld door L, waardoor plaastkomt in L enz. Ook straling als electron van binnen weg wordt geschoten door een snel electron. Omdat het electron hierbij aan snelheid inboet, wordt deze ook wel rem-straling genoemd. Terwijl de berekening van de enrgielijnen in optisch spectra ingewikkeld is, is de formule bij rontganstraling tamelijk eenvoudig. De Wet van Mosely. Een electron in een 1s-baan is zo dicht bij de kern dat het door andere elelctronen neit wordt beinvloed (zie fig 24). Bij vrerdere schillen zitten de electronen er wel tussen en beinvloeden veranderingen.


BANDSPECTRUM VAN MOLECULEN

Twee-atomige moleculen en evenzo meeratomige vertonen een ander soort spectrum dan de vrije atomen. De atomen in het molecuul voeren t.o.v. elkaar trillingen uit, en roteren bovendien om elkaar heen. Zowel de rotaties als de vibraties zullen de electronentrillingen beinvloeden, waarmee zelf straling ontstaat. Wegens de grote massa (ionen tegenover electronen) dan electronen zijn de freguenties veel lager en de golflengte dus groter ===> infrarood. Bandenspectrum van moleculen is dus zeer ingewikkeld.


Teleac cursus

De ontkoppeling 100.000 jaar na BB was het heelal een fotonenzee, vooral gevuld met straling (sterk) 7 x 10-4EV. Een proton of neutron heeft 9.4 x 10 tot 8 EV. Het grootste deel van het heelal is nu materie. Uit hoge energiebotsingen ontstonden deeltjes als electronem/positronen paar, maar ook andersom. Electron (en positron) hebben een enrgie van 0,51 MeV - gelijk aan fotin van 6 miljard K. Vorming van materie uit straling in eerste seconden na de BB. Daarna daalde de waarde om nog lichtste deeltje elctron te kunnen vormen. Voor de vorming van een proton/a-proton is straling nodig van 11 biljoen K. Na 3 minuten bij temperatuur van 19 to 9 K was kernfusie mogelijk ontstaan van waterstof en helium.