Absorptie en emissie door elektronen

Niels Bohr was een Deens wetenschapper die aan het begin van de 20ste eeuw een verband legde tussen de kleureffecten bij vlamproeven met zouten en de elektronenconfiguratie van een atoom. Bij vlamproeven wordt er warmte door een stof opgenomen of geabsorbeerd en wordt er vervolgens gekleurd licht door de stof uitgezonden of geëmitteerd. Dit verschijnsel kan worden toegeschreven aan de energie-opname en -afgifte van de elektronen van de stof.

• Rutherford versus Bohr
• Vlamproeven
• Absorptie en emissie van straling
• Energieopname door elektronen
• Grondtoestand en aangeslagen toestand van een elektron
• Specifieke energieniveaus
• Absorptie- en emissiebanden
• Absorptie zonder vlam
• Absorptie van zichtbaar licht door gekleurde stoffen
• Absorptiespectrum

Rutherford versus Bohr

De wetenschapper Ernest Rutherford had vóór Bohr reeds ontdekt dat een atoom bestaat uit een kern met daarrond elektronen. De kern bestaat uit protonen en neutronen met een vergelijkbare massa. Protonen dragen een positieve lading en neutronen dragen geen lading. Elektronen dragen een even grote lading als de protonen maar dan met een tegengesteld teken. Elektronen hebben een verwaarloosbare massa in vergelijking met de massa van een proton of een neutron. Een atoom bestaat dus uit een massieve kern welke zo goed als de gehele massa van het atoom inhoudt met daarrond elektronen met een verwaarloosbare massa welke in een grote ijle ruimte rondzweven. Volgens Rutherford waren al deze elektronen volledig vrij om binnen een bepaalde straal tot de kern te bewegen. Bohr ontdekte dankzij de vlamproeven dat er voor de elektronen toch grenzen waren aan deze bewegingsvrijheid. Bohr was de eerste wetenschapper die de elektronen op vaste banen om de atoomkern plaatste, hij noemde deze banen atoomschillen. Hij schreef aan een elektron dus een zekere hoeveelheid energie toe. Elektronen die zich op een schil dicht bij de kern bevinden, hebben weinig energie. Ze worden immers sterk aangetrokken door de positief geladen kern. Elektronen die zich op een schil verder van de kern bevinden, hebben meer energie omdat ze de aantrekkingskracht van de positieve kern minder voelen.

Vlamproeven

Vlamproeven zijn proeven waarbij zouten worden verhit in een vlam. Hierbij zenden deze zouten kleuren uit. Elk zout wordt hierbij gekenmerkt door het uitzenden van een bepaalde kleur of kleuren. Bij vuurwerk zie je hetzelfde effect. Ook hier worden verschillende zouten aangestoken en afgeschoten met de welbekende kleureffecten tot gevolg.

Voorbeelden van zoutverbindingen en hun vlamkleuren

Absorptie en emissie van straling

Energieopname door elektronen

Het uitzenden van een kleur na verhitting kan verklaard worden door de tijdelijke energietoename van een elektron. Een elektron kan warmte-energie opnemen en vervolgens weer afgeven onder de vorm van lichtenergie. Als deze lichtenergie gelegen is binnen het energiegebied van het zichtbaar licht, dan wordt er dus een lichtkleur uitgezonden. Rutherford zou de uitzending van kleuren nog wel hebben kunnen verklaard maar het feit dat elke stof specifieke kleuren uitzendt, is met zijn theorie niet uit te leggen.

Grondtoestand en aangeslagen toestand van een elektron

Elektronen bevinden zich op vaste energieniveaus en kunnen door opname van een bepaalde hoeveelheid energie overgaan naar een hoger energieniveau. Een elektron dat zich op een bepaalde afstand van de kern bevindt, kan zich dus door opname van energie verder van de kern bewegen. Bohr beschreef dit als het overspringen van de oorspronkelijke schil naar een schil verder van de kern gelegen. De energie nodig voor deze overgang is gelijk aan het energieverschil tussen het niveau waarop het elektron oorspronkelijk zat, dit is de grondtoestand, en het niveau waarop hij zit na opname van die energie. Als een elektron op een hoger energieniveau zit dan in de grondtoestand, zeggen we dat het elektron is aangeslagen. Een elektron zal echter steeds naar de grondtoestand willen terugkeren. Hierbij geeft het dezelfde hoeveelheid energie af dan die het had opgenomen. Indien deze energie binnen het gebied van het zichtbaar licht ligt, zal hierbij een lichtkleur worden uitgezonden.

Specifieke energieniveaus

Een atoom bestaat dus uit een massieve kern met daarrond elektronen die zich op bepaalde energieniveaus bevinden. Deze energieniveaus zijn specifiek voor een atoom wat verklaart dat verschillende atomen licht van verschillende energie, verschillende lichtkleuren dus, kunnen uitzenden.

Absorptie- en emissiebanden

Absorptie zonder vlam

Er is er niet per se een vlam nodig om elektronen aan te slagen. Door elektromagnetische stralen, zoals UV-straling of zichtbaar (VIS) licht, met de juiste golflengte en dus energie door een atoom te sturen, kunnen elektronen ook naar een hoger energieniveau worden gebracht. Een atoom zal net die bepaalde hoeveelheid energie opnemen die nodig is om een elektron van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand te brengen, d.i. het energieverschil tussen die twee energieniveaus.

Absorptie van zichtbaar licht door gekleurde stoffen

Wit licht is samengesteld uit alle kleuren van de regenboog. Het omvat dus het ganse continu VIS-spectrum. Indien je door een gekleurde stof wit licht stuurt, dan zal deze stof hier één of meerdere golflengtes uit absorberen. Elke golflengte komt overeen met een bepaalde lichtkleur. Het licht dat de stof is gepasseerd, zal dus een aantal golflengten (lichtkleuren) missen. Dit vormen de absorptiebanden van deze stof. De stof zal deze kleuren uiteindelijk ook weer uitstralen. Dit vormen dan de emissiebanden van deze stof.

Absorptiespectrum

Indien een absorptiespectrum wordt opgenomen met een spectrofotometer krijg je verschillende absorptiepieken. Deze pieken geven aan bij welke golflengte een stof absorptie vertoont. Je verwacht eigenlijk gewoon verticale lijnen daar een overgang binnen een stof slechts 1 golflengte inhoudt. Toch krijg je 'bredere' pieken. De monochromator van een spectrofotometer (Van poly- naar monochromatisch licht met een monochromator) zorgt ervoor dat er een bepaald golflengtegebiedje door een staal wordt gestuurd. Een monochromator is immers niet in staat om slechts 1 golflengte uit een continue bron te isoleren. Indien je het toestel instelt op een bepaalde golflengte zullen er dus ook iets afwijkende golflengten door het staal gaan. Indien een staal dus licht met een golflengte van 530 nm absorbeert, dan zal het ook absorptie vertonen indien het toestel wordt ingesteld op bijvoorbeeld 510 nm omdat er bij deze instelling ook een beetje licht met golflengte 530 nm door het staal wordt gestuurd. Het maximum van de piek ligt wel altijd op de golflengte die werkelijk wordt geabsorbeerd.