4. Quantisatie en spectra

Inleiding

In 1967 werd een sonde naar de maan gestuurd. Deze bracht geen maanstenen terug, dat gebeurde pas bij de bemande Apollovluchten. Toch kon worden onderzocht wat de samenstelling van de bodem van de maan is. De Mars Rover gebruikte in 2007 dezelfde techniek voor de marsbodem: een α-straler bestraalt een rots, die zendt vervolgens röntgenstraling uit. Door precies te meten wat de frequenties daarvan zijn, kan ter plaatse worden bepaald welke elementen voorkomen in de rots.

In de module Elektromagnetische straling en materie: Zon en Sterren staat beschreven hoe de samenstelling van een steratmosfeer kan worden bepaald uit de precieze frequenties zichtbaar licht die de ster uitzendt. De spectra van de verschillende atomen vormen een patroon van lijntjes, dat net als een streepjescode bij producten in een winkel, voldoende informatie bevat om stoffen te onderscheiden.

De golfeigenschappen van elektronen zijn hierbij cruciaal. Het blijkt dat er slechts enkele mogelijkheden zijn van staande golven die kunnen bestaan in een kleine ruimte. Dit leidt ertoe dat een elektron binnen een atoom maar een beperkt aantal mogelijke energieën kan hebben. De energie wordt daardoor geabsorbeerd en uitgezonden in afgepaste hoeveelheden, de quanta waar de quantumwereld zijn naam aan dankt, overeenkomend met de lijntjes in de spectra.

In dit hoofdstuk zullen we zien dat ook eigenschappen van vaste stoffen zijn te verklaren uit het gedrag van elektronen die zijn opgesloten in een beperkte ruimte, in combinatie met het bestaan van fotonen. Metalen geleiden elektrische stroom. Isolatoren niet. Halfgeleiders eigenlijk ook niet, maar die kun je geleidend maken door er licht op te schijnen, ze te verwarmen, of door kleine hoeveelheden van andere stoffen toe te voegen. Daardoor kun je hun gedrag manipuleren, dit is de basis van de hele elektronica-industrie.

Het model dat we gaan opstellen voor het gedrag van elektronen is een versimpeling van de werkelijkheid, maar we zullen zien dat een aantal van de waargenomen eigenschappen correct uit het model volgt.