Hoofdstuk 2 Inleidende begrippen uit de kwantumchemie – deel 1Nanotechnologie               2 Chemie                Tom Mo...
Inleiding – What the Bleep!                  Bron: http://www.whatthebleep.comNanotechnologie                             ...
2.1 Het falen van de klassieke fysicaKlassieke fysica = Klassieke mechanica + Elektromagnetisme + Thermodynamica          ...
2.1.1 Het begrip kwantisatieDe energie kan niet meer elke mogelijk waarde in een continuüm aannemen, maar is beperkt totee...
2.1.2 De constante van Planck (h)De constante van Planck (h) is een fundamentele constante in de kwantumchemie en zullenwe...
OefeningWat is de energie van één mol ultraviolet fotonen bij een golflengte van 300 nm?   Oplossing Energie één UV foton ...
2.1.3 De ultraviolet catastrofe                           Het elektromagnetisch spectrumNanotechnologie                   ...
2.1.3 De ultraviolet catastrofeDe figuur toont de afhankelijkheid van de intensiteit van een zwarte straler in functie van...
2.1.4 De Planck distributie      Goede benadering van de realiteit!Nanotechnologie                            2 Chemie   T...
2.1.4 De Planck distributie   Belangrijk is de factor uit de Boltzmann distributie (cfr fysische scheikunde) die   Planck ...
2.1.5 Het foto-elektrisch effectHet foto-elektrisch effect is de emissie van elektronen van een oppervlakte (meestal een m...
2.1.5 Het foto-elektrisch effectDe inkomende elektromagnetische straling is gekwantiseerd! De straling met frequentie ν be...
2.1.5 Het foto-elektrisch effect Geen enkel elektron zal worden geëjecteerd bij beneden een waarde karakteristiek voor een...
Merk op! Bepaling van de constante van Planck           Energie van het foto-elektron                                     ...
Het foto-elektrisch effect - animatie                       Bron – Petrucci et al., General Chemistry, Prentice Hall Inc, ...
The Nobel Prize in Physics 1921                                                                Albert Einstein"for his ser...
2.1.6 Het slit-experiment van Thomas Young                                               Heldere gebieden                 ...
Nanotechnologie   2 Chemie   Tom Mortier                                  18
2.2 Het golfkarakter van de materie  In de kwantumwereld is er geen duidelijk verschil meer tussen een golf en/of een deel...
2.2.1 Het golfkarakter van deeltjes  Berekening van de golflengte van een elektron versneld vanuit rust:                  ...
Nanotechnologie   2 Chemie   Tom Mortier                                  21
Verticaal neervallende druppels                     Foto - Prof. Andrew Davidhazy                    Rochester Institute o...
Bewijsmateriaal voor het bestaan van elektronengolven       M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Confinement of electrons...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Nanochemie - kwantumchemie deel 1

1,127 views

Published on

Deze presentatie wordt gebruikt tijdens het hoorcollege Nanotechnologie zoals dit wordt gedoceerd aan het departement Gezondheidszorg en Technologie van de Katholieke Hogeschool Leuven.

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
1,127
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
18
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Nanochemie - kwantumchemie deel 1

  1. 1. Hoofdstuk 2 Inleidende begrippen uit de kwantumchemie – deel 1Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 1
  2. 2. Inleiding – What the Bleep! Bron: http://www.whatthebleep.comNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 2
  3. 3. 2.1 Het falen van de klassieke fysicaKlassieke fysica = Klassieke mechanica + Elektromagnetisme + Thermodynamica Voor macroscopische objecten met een snelheid die veel lager ligt dan de snelheid van het lichtKlassieke fysica faalt in het beschrijven van experimentele observaties die te maken hebbenmet fenomenen op atomaire schaal: - de ultraviolet catastrofe - het foto-elektrisch effect De oplossing was dat energie gekwantiseerd moest zijn en heeft geleid tot het concept dat materie en straling kan beschreven door het deeltje-golf dualiteitsprincipe! KwantumchemieNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 3
  4. 4. 2.1.1 Het begrip kwantisatieDe energie kan niet meer elke mogelijk waarde in een continuüm aannemen, maar is beperkt toteen reeks afzonderlijke discrete waarden. Kwantisatie Discrete waarden = kwanta die afhankelijk zijn van grensvoorwaardenNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 4
  5. 5. 2.1.2 De constante van Planck (h)De constante van Planck (h) is een fundamentele constante in de kwantumchemie en zullenwe vaak tegenkomen.De constante beschrijft de proportionaliteit tussen de energie E van een foton met defrequentie ν van de bijbehorende elektromagnetische straling. met h = de constante van Planck c = lichtsnelheid in vacuüm ν = frequentie λ = golflengteNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 5
  6. 6. OefeningWat is de energie van één mol ultraviolet fotonen bij een golflengte van 300 nm? Oplossing Energie één UV foton Eén mol UV fotonenOpmerking! Dit is een hogere energie-inhoud dan de energie van veel chemische bindingen enverklaart dat UV-straling moleculen in materialen en biologische cellen kan beschadigen! Bron: http://earthobservatory.nasa.govNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 6
  7. 7. 2.1.3 De ultraviolet catastrofe Het elektromagnetisch spectrumNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 7
  8. 8. 2.1.3 De ultraviolet catastrofeDe figuur toont de afhankelijkheid van de intensiteit van een zwarte straler in functie van de golflengte voortwee verschillende temperaturen. De intensiteit verhoogt van rechts naar links als de golflengte afneemt. Alsde golflengte nog meer afneemt, bereikt de intensiteit een maximum en zal het daarna tot nul worden herleid.De klassieke fysica voorspelde echter dat de intensiteit oneindig zou toenemen bij korte golflengten wat mende ultraviolet catastrofe noemt. Klassieke fysica Raleigh-JeansEnergie varieert niet continu, maarneemt discrete waarden in. Energie isgekwantiseerd De vergelijking van PlanckNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 8
  9. 9. 2.1.4 De Planck distributie Goede benadering van de realiteit!Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 9
  10. 10. 2.1.4 De Planck distributie Belangrijk is de factor uit de Boltzmann distributie (cfr fysische scheikunde) die Planck invoerde: De factor zal naar nul gaan wanneer ν/T in de exponent zal toenemen (bij lage golflengten = X-stralen en γ-stralen ) →Planck distributie gaat naar nul De Rayleigh-Jeans relatie uit de vergelijking van Planck Bij lange golflengten is Reeks van Taylor:Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 10
  11. 11. 2.1.5 Het foto-elektrisch effectHet foto-elektrisch effect is de emissie van elektronen van een oppervlakte (meestal een metaal) wanneerdeze oppervlakte wordt bestraald met ultraviolet licht. Drie belangrijke observaties:1. er worden geen elektronen geëjecteerd zolang de inkomende stralen een frequentie hebben onder een waarde karakteristiek voor een bepaald metaal (treshold frequentie)2. wanneer de karakteristieke waarde is bereikt, zullen de geëjecteerde elektronen een kinetische energie bereiken die proportioneel is met de inkomende stralen3. de kinetische energie van de geëjecteerde elektronen hangt niet af van de intensiteit van de inkomende straling. Allen het aantal geëjecteerde elektronen is afhankelijk van de intensiteit. Deze observaties kunnen niet worden verklaard door middel van een klassieke interpretatie van elektromagnetische golven!Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 11
  12. 12. 2.1.5 Het foto-elektrisch effectDe inkomende elektromagnetische straling is gekwantiseerd! De straling met frequentie ν bestaat uitenergiepakketjes E = hν.De energie van de straling is enkel afhankelijk van de waarde van ν. De intensiteit van de straling bij dezefrequentie verhogen, verhoogt het aantal quanta (n = E/hν), maar verandert de energie van elk afzonderlijkkwantum niet! De quanta van de elektromagnetische straling worden fotonen genoemd. Elk metaal heeft een karakteristieke energiebarrière voor de ejectie van een elektron (werkfunctie ϕ). Enkel straling met een energiekwantum hoger dan ϕ zal foto-elektronen vrijmaken. Boven deze treshold frequentie zal de kinetische energie van de foto-elektronen lineair stijgen met het energieverschil tussen de inkomende fotonen en de werkfunctieNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 12
  13. 13. 2.1.5 Het foto-elektrisch effect Geen enkel elektron zal worden geëjecteerd bij beneden een waarde karakteristiek voor een metaal (treshold energie). Boven deze waarde zal de kinetische energie van de foto-elektronen lineair variëren met de frequentie van de inkomende straling.Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 13
  14. 14. Merk op! Bepaling van de constante van Planck Energie van het foto-elektron Helling = h x-as intercept = treshold frequentie Frequentie (ν) y-as intercept = ΦNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 14
  15. 15. Het foto-elektrisch effect - animatie Bron – Petrucci et al., General Chemistry, Prentice Hall Inc, 2002Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 15
  16. 16. The Nobel Prize in Physics 1921 Albert Einstein"for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" http://nobelprize.org/Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 16
  17. 17. 2.1.6 Het slit-experiment van Thomas Young Heldere gebieden (constructieve interferentie) Lichtbron Donkere gebieden (destructieve interferentie)Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 17
  18. 18. Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 18
  19. 19. 2.2 Het golfkarakter van de materie In de kwantumwereld is er geen duidelijk verschil meer tussen een golf en/of een deeltje. Een elektron heeft een “dubbele natuur”. Het is zowel een golf als een deeltje Davisson-Germer experiment. De verstrooiing van een elektronenbundel door een nickelkristal vertoont dezelfde karakteristieken als een diffractie- experiment waarbij golven constructief en destructief interfereren in verschillende richtingenDe kwantitatieve link tussen de golflengte van een deeltje en het impulsmoment p is de de BroglievergelijkingNanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 19
  20. 20. 2.2.1 Het golfkarakter van deeltjes Berekening van de golflengte van een elektron versneld vanuit rust: Lading van het elektron Bereken zelf de golflengte van een macroscopisch object van 0,100 kg en 10 ms-1Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 20
  21. 21. Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 21
  22. 22. Verticaal neervallende druppels Foto - Prof. Andrew Davidhazy Rochester Institute of Technology Animatie http://www.rit.edu/Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 22
  23. 23. Bewijsmateriaal voor het bestaan van elektronengolven M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science 262, 218-220 (1993).Nanotechnologie 2 Chemie Tom Mortier 23

×