Op 15 mei 2021 beantwoordt wetenschapster Hannelore Bové, hoogleraar aan de universiteit van Hasselt (België), in de Gelderlander de vraag wat haar eurekamoment was.
a) Wat wordt bedoeld met een eurekamoment? Zoek het zo nodig op.
Over Archimedes, de beroemde Griekse onderzoeker en ingenieur uit de derde eeuw voor het begin van onze jaartelling, gaat het verhaal dat hij, toen hij in bad lag en nadacht over een lastig probleem, ineens de oplossing vond. Hij sprong uit bad en rende naakt de straat op, terwijl hij uitriep ‘eureka, eureka’ (ik heb het gevonden). Een eurekamoment is dus het ogenblik waarop je als in een flits de oplossing ziet van een probleem waar je al lang op broedt.
Archimedes vond dat de opwaartse kracht die een ondergedompeld voorwerp ondervindt gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof. (Wij noemen dit dan ook de Wet van Archimedes.) Daarmee kon hij aantonen dat een goudsmid gefraudeerd had bij het maken van een kroon van ‘goud’ door bijmenging met het lichtere zilver.
Bové vertelt dat ze onderzoek deed naar het effect van roetdeeltjes op longweefsel. Deze deeltjes komen vrij bij alle processen waarbij iets onvolledig verbrandt. Er bestond geen goede techniek om die deeltjes in het lichaam zichtbaar te maken. “Ik was in het laboratorium en eigenlijk per toeval gebruikte ik een speciale laser die heel snel aan- en uitging. Vervolgens gebeurde er iets bijzonders. Die deeltjes zenden licht uit. We zagen ze oplichten als sterren tijdens een donkere nacht.”
b) Waarom zou je niet verwachten dat roetdeeltjes licht uitzenden?
Roet is zwart. De uitdrukking is niet voor niets ‘zo zwart als roet’. Dat wil zeggen dat al het licht dat op een roetdeeltje valt geabsorbeerd wordt; er wordt bijna geen licht gereflecteerd. Een voorwerp dat geen licht uitzendt is zwart.
Hoe is het dan mogelijk dat roetdeeltjes wel licht geven als ze bestraald worden met die laser?
Dat vertelt wetenschapsjournaliste Pauline van Schayck in november 2019 in Science Link, het vakblad voor chemici:
“Om roetdeeltjes in beeld te krijgen, gebruikt Bové een femtoseconde gepulste laser in het nabij-infrarood spectrum van een multiphoton laser-scanning- microscoop. De laser vuurt zeer korte en snelle lichtpulsen af. Doordat de deeltjes zwart en erg heterogeen opgebouwd zijn, absorberen ze meerdere fotonen simultaan en komen zo in een hogere aangeslagen toestand terecht. Bij het uitzenden van licht valt het elektron normaal terug naar de grondtoestand of een lagere energieband. Bij ons fenomeen valt het elektron niet terug naar de grondtoestand, maar naar intraband. Ook onder invloed daarvan gaan roetdeeltjes licht uitzenden met alle golflengtes van het zichtbare spectrum, wit licht dus.”
Pittige informatie! In onderstaande vragen lopen we deze uitleg stapsgewijs na.
c) Zoek in je informatieboek op wat de minimale en maximale frequentie zijn van nabij-infrarood.
Binas tab 19B: minimaal 1014 en maximaal 1015 Hz. (Science Data blz 75: 3 · 1013 en 3 · 1014 Hz.)
d) Hoeveel eV is de energie van een foton met de minimale frequentie?
De energie van het foton is E = hf = 6,63 · 10-34 · 1014 = 6,63 · 10-20 J.
1 eV = 1,602 · 10-19 J. De energie van het foton is dus 0,414 eV.
Het is een beetje slordig geformuleerd om te zeggen dat de roetdeeltjes in aangeslagen toestand komen.
e) Wat is een betere formulering?
(Sommige) atomen in het roetdeeltje komen in aangeslagen toestand.
Als een aangeslagen atoom of molecuul terugvalt naar een lager energieniveau zendt het straling uit. De intraband is een tussenniveau.
f) Wat weet je van de energie van het uitgezonden foton als het atoom of molecuul terugvalt naar de grondtoestand?
Als het terugvalt naar het grondniveau, zendt het weer een foton uit. Omdat het over hetzelfde energieverschil gaat is ook dit een foton in het nabij infrarood. Dat is niet zichtbaar.
g) Wat kun je zeggen over de uitgezonden frequenties als het atoom via de intraband terugvalt?
Als het aangeslagen atoom (eerst) naar de intraband, dus naar een tussenniveau, terugvalt dan is er een kleiner energieverschil. Dus is de frequentie van de uitgezonden straling kleiner. Voor zichtbaar licht zou de frequentie juist hoger moeten zijn (Binas tab 19B).
h) Wat weet je van de energie die een foton moet hebben om tot het zichtbaar deel van het spectrum te horen?
Fotonen in het infrarood hebben te weinig energie om zichtbaar te zijn. Nodig is een groter energieverschil tussen de niveaus.
Van Schayck zegt: “Doordat de deeltjes zwart en heterogeen opgebouwd zijn, absorberen ze meerdere fotonen tegelijk.” Kennelijk gebeurt er iets met atomen en moleculen in het roetdeeltje, waardoor er wel zichtbaar licht wordt uitgezonden.
i) Wat zou het kunnen zijn dat er gebeurt?
Het zou kunnen dat er atomen zijn die meerdere fotonen na elkaar absorberen, waardoor ze stapsgewijs in een veel hoger energieniveau komen dan mogelijk is bij absorptie van één foton. Bij terugval naar de grondtoestand kan de energie van de uitgezonden fotonen dan ook groot genoeg zijn om te vallen in het zichtbaar deel van het spectrum.
j) Maak een schatting hoeveel fotonen een roetatoom daartoe moet absorberen. Maak gebruik van je antwoord op f.
Bij f. is berekend dat de minimale energie van de laserfotonen 0,414 eV is. De energie van fotonen van zichtbaar licht gaat van 1,65 tot 3,26 eV (Binas tab 19A). Er zouden dus minstens vier van deze fotonen na elkaar geabsorbeerd zijn.
