De 17^e eeuwse wetenschapper Christiaan Huygens kwam tot de conclusie dat licht zich gedraagt als een golfverschijnsel (vergelijkbaar met de golven op een wateroppervlak).

Volgens Newton bestond licht uit zeer kleine deeltjes die zich met grote snelheid verplaatsen.
James Maxwell toonde in de 19^e eeuw aan dat licht verklaard kan worden als een elektromagnetische golfbeweging. De golf verplaatst zich (in een ruimte zonder lucht: vacuüm) met een snelheid van 299.792 km/s. (= c).

Elke kleur licht heeft zijn eigen golflengte.

Historisch wordt vooral het feit dat bij licht interferentie kan optreden, gezien als beslissend om licht te zien als golfverschijnsel.

Licht werd dus gezien als een golfverschijnsel maar ook als een verzameling bewegende deeltjes.
Licht kan elektronen losmaken uit een stuk metaal, het zogenaamde foto-elektrisch effect. Voor ieder metaal is er een minimum frequentie waaronder het effect niet meer optreedt, zelfs niet bij een zeer sterke lichtbron. Dit verschijnsel, dat goed met het deeltjesmodel van licht is te verklaren, is weer niet goed te verklaren volgens het golfmodel.

Albert Einstein en Max Planck probeerden in de 20^ste eeuw beide ‘licht-modellen’ te combineren. Waarom?
Omdat dus sommige lichtverschijnselen verklaard konden worden met alleen de golf theorie en andere weer met alleen de deeltjes-theorie.
De basis werd gelegd voor de zogenaamde quantumtheorie of quantum-mechanica.

Als licht op materie ‘botst’ (weerkaatst), kan absorptie of verstrooiing het gevolg zijn.
Bij absorptie wordt stralingsenergie omgezet in warmte: het materiaal wordt warmer. De moleculen waaruit de materie is opgebouwd gaan meer bewegen. Het blijkt echter dat elk stof alleen straling kan absorberen van bepaalde golflengten die karakteristiek zijn voor die stof. Zo absorbeert een rode stof vooral het blauwe licht uit opvallend (wit) licht. Het ongeabsorbeerde rode licht weerkaatst van de stof naar ons oog.

Hoe kan dat?

Materie is opgebouwd uit identieke moleculen, een molecuul bestaat uit atomen.
Het atoom is zo klein, dat ongeveer 100 miljoen atomen een lengte van een centimeter zouden opleveren. Hoe gering de massa van het atoom is blijkt uit het volgende: Pas ongeveer drie miljard biljoen van de zwaarste bekende atomen wegen samengenomen een gram. De protonen trillen met een frequentie van ongeveer honderd triljoen maal per seconde.

Het elektron, de bouwsteen van 'het omhulsel' van een atoom is 1836 maal zo licht als het proton. Het beweegt zich met een snelheid van zo'n 2000 km per seconde om de atoomkern.

Na de ontdekking van deze elementaire deeltjes (omstreeks 1932) dacht men nagenoeg alle bouwstenen van de materie gevonden te hebben. Echter, thans zijn al zo'n 200 deeltjes geïdentificeerd (met namen als nietsen, neutrino's, nullitrons, pionen, quarks, muonen, etc.)!

Een atoomkern en de daaromheen bewegende elektronen worden bij elkaar gehouden door een elektromagnetische wisselwerking. In 1935 werd voorspeld dat om de protonen en neutronen bij elkaar te kunnen houden, in een atoomkern een bepaald elementair deeltje tussen de protonen en de neutronen heen en weer moet vliegen. Dit deeltje werd in 1947 geïdentificeerd als een pi-meson of ook wel pion genoemd. Het snelt binnen een seconde 5x10¹⁷ maal tussen de protonen en neutronen heen en weer.

Alle eigenschappen van moleculen zijn een gevolg van de bewegingen van de kernen en de elektronen onder invloed van de elektrische krachten die ze op elkaar uitoefenen. Deze bewegingen zijn beschreven in de quantummechanica. Kansverdelingen spelen hierbij een essentiële rol. Het leidt ertoe dat veel eigenschappen van de kleine deeltjes 'gequantiseerd' zijn.

Volgens de quantummechanica kan een molecuul bestaan in een beperkt aantal toestanden, ieder met hun eigen energie. Tussenliggende toestanden bestaan niet. In de laagste energietoestand, de grondtoestand, zijn de moleculen afgekoeld tot een extreem lage temperatuur (circa 273 ºC onder nul). Alle toestanden met hogere energie zijn de zogenaamde aangeslagen of geëxciteerde toestanden. Bij absorptie van licht (of andere elektromagnetische straling) gaat een molecuul over van zijn toestand naar één van zijn aangeslagen toestanden en onttrekt het de benodigde energie aan de straling. Dit kan echter alleen als de fotonen waaruit de straling bestaat precies de energie hebben die met deze overgang correspondeert. Dit is slechts mogelijk bij straling van precies de goede golflengte (of wel licht met de juiste kleur). In dat geval zal een foton geheel kunnen verdwijnen, waarbij zijn energie overgaat naar het molecuul.

Als een atoom of molecuul bij absorptie van een foton in een aangeslagen toestand komt, gaat er een elektron over vanuit de in de grondtoestand bezette niveaus (de zogenaamde Fermi-zee) naar een leeg niveau. Er blijft dan een gat achter. Zodra een elektron met een gat recombineert, komt er weer energie in de vorm van een foton vrij. Uitgaande van dit beeld kunnen we ons een voorstelling maken van de wijze waarop een atoom of molecuul in een aangeslagen elektronentoestand verzeild raakt. Een elektron gaat dan uit een bezet niveau naar één van de onbezette niveaus. De daarvoor benodigde energie ligt voor de bovenste bezette niveaus in het gebied van het zichtbare en ultraviolette licht. De kleur van een chemische verbinding hangt daardoor samen met de elektronenstructuur van het molecuul.

Een ander verschijnsel is emissie.
Bij emissie is eigenlijk het omgekeerde van absorptie. Als een molecuul op één of andere manier in een aangeslagen toestand is terechtgekomen, kan het spontaan terugvallen naar zijn grondtoestand, onder uitzending van een foton. De energie en dus de frequentie van dat foton wordt weer bepaald door het verschil van de betrokken energieniveaus. Dit verschijnsel is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de werking van de gloeilamp. De atomen in de gloeidraad komen in een aangeslagen toestand door botsingen met de elektronen die de elektrische stroom vormen. Als de aangeslagen atomen terugvallen naar hun grondtoestand, zenden ze licht uit.

Bij lichtverstrooiing absorbeert een atoom of molecuul een foton, maar zendt het dat onmiddellijk weer uit. De nieuwe richting van het foton is doorgaans anders dan de oorspronkelijke koers. Ook weerkaatsing is dus een vorm van verstrooiing. De mate van verstrooiing kan variëren met de golflengte van het licht en zal de variatie afhangen van de aard van het verstrooiende deeltje. Zo verstrooit de aardatmosfeer – of eigenlijk de verzameling stofdeeltjes in de atmosfeer – het zonlicht het efficiëntst in het blauw. Deze eigenschap is verantwoordelijk voor de blauwe kleur van de hemel. Bij lichtverstrooiing kan het verstrooide foton een lagere energie of frequentie hebben dan het oorspronkelijke foton. Het energieverschil is achtergebleven in het deeltje. Dat atoom of molecuul heeft een deel van de energie geabsorbeerd en is terechtgekomen op een hoger energieniveau, het is aangeslagen. Fluorescentie is het verschijnsel waarbij sommige stoffen zichtbaar oplichten als men ze bestraalt met voor ons onzichtbaar ultraviolet licht. De fotonen van het zichtbare licht hebben een lagere energie dan de fotonen van ultraviolet licht.

Activiteiten

Ga terug naar de startpagina van techna.nl