Onze trip start met het dubbelspleetexperiment voor elektronen: hebben kleine ‘deeltjes’ een bepaalde baan zoals de klassieke fysica zegt? Kunnen we verklaren wat we waarnemen door elektronen op te vatten als kleine bolletjes? Kunnen we het twee-spletenexperiment met elektronen vergelijken met dat van zand of licht? Zegt dat ons iets over de aard van licht? Kunnen we de wereld opdelen in deeltjes en golven?

Daarna zullen we kijken naar de emissie- en absorptie lijnen van moleculen, een fenomeen waarvan we ons afvragen of het kan verklaard worden met het klassieke planetaire atoommodel van Rutherford of dat precies daaruit blijkt dat kwantumconcepten belangrijk zijn.

Download hier het eerste leerstation. Om de overige leerstations te bekijken, dien je in te loggen.

We kijken nu naar het twee-spletenexperiment voor licht en stellen ons van daaruit vragen over de aard van licht. Begrijpen wat licht is, zal ons helpen om te begrijpen wat de fundamentele eigenschappen van ‘deeltjes’ in de natuur zijn en of dit dieper inzicht kan helpen om de fenomenen van leerstation 1 te duiden. De basisvraag is de volgende: Kunnen we licht begrijpen als een stroom deeltjes of als een golf? Om deze vraag te beantwoorden gaan we ook te rade bij de geschiedenis van de fysica en welke vragen de verschillende fysici zich daarover gesteld hebben.

Als licht te begrijpen valt al een golf, dan stelt zich de vraag ‘wat trilt er?’ Waaruit bestaan die lichtgolven dan? We zullen een vergelijking maken met mechanische golven zoals geluidsgolven. Maar het begrip ‘veld’ uit de klassieke fysica blijkt ons te helpen om te begrijpen wat licht is opgevat als een klassieke golf. Tenslotte zal dit idee van veld ook blijven in de kwantumtheorie van licht.

Tot hiertoe bestudeerden we de eigenschappen van licht als een klassieke golf, met de klassieke fysica dus. In dit leerstation zullen we de stap zetten naar de kwantumtheorie van licht. Wat zien we als we het dubbelspleetexperiment met licht uitvoeren en vooral: als we de intensiteit van het licht laten dalen? Gedraagt het licht zich dan nog als een golf? Of komen er deeltjes-eigenschappen naar boven? In dit leerstation berekenen we de energie van een kwantum van licht door te steunen op de Planck-Einstein relatie. Langs de andere kant berekenen we de golflengte van een lichtdeeltje (!) door de hypothese van De Broglie toe te passen. Op die manier ontdekken we dat dat de dualiteit golf-deeltje een fundamentele eigenschap van licht én van materie is!

Op dit punt aangekomen van onze trip, hebben we de basiskennis verworven om terug enkele onverklaarbare fenomenen uit leerstation 1 te verklaren. We gaan terug naar de discrete emissielijnen van waterstof en gebruiken nu onze nieuwe inzichten om niet enkel het bestaan van zulke lijnen te verklaren maar ook om hun precieze frequenties te berekenen!

We wensen je veel plezier op deze tour doorheen de fysica van het allerkleinste op grond waarvan elke dag nog grootste toepassingen worden bedacht.

Een digitale camera is mogelijk geworden dankzij het interne foto-elektrisch effect. Het foto-elektrische effect is een kwantumfenomeen waarvan de verklaring teruggaat tot Einstein. De energie-uitwisselingen tussen licht en materie verlopen immers via kwanta en precies dit fenomeen wordt technisch mooi uitgebuit om informatie te verkrijgen en een beeld te vormen.

We starten van de discrete energieniveaus van elektronen in een atoom en onderzoeken wat er gebeurt als vele atomen samengevoegd worden in een ‘rooster’. We ontdekken dat precies deze energieniveaus zo verschuiven dat hiermee de elektrische eigenschappen van geleidbaarheid ontstaan zoals we die kennen. Zo goed als alle elektronische apparaten gebruiken de eigenschap van halfgeleidbaarheid van een aantal chemische elementen zoals Silicium en Germanium. In dit leerstation leer je begrijpen hoe kwantumsprongen in de energieniveaus er precies voor kunnen zorgen dat niet-bewegende schakelaars kunnen gemaakt worden. Deze ‘elektronische’ schakelaars worden ingebouwd op chips die je tegenwoordig zowat overal terug vindt.

Leerstation VIII laat zien hoe deeltjes dankzij hun golfeigenschappen kunnen tunnelen door een energiebarrière ook al hebben ze klassiek gezien niet voldoende energie om over de barrière te geraken. Lichtdeeltjes kunnen zo tunnelen en hetzelfde geldt voor elektronen bv. in schakelaars of in flash en solid state geheugens. Een tot de verbeelding sprekende toepassing is de Scanning Tunneling Microscope (STM) die ‘beelden’ kan maken van atomaire en zelfs subatomaire resolutie.

Er blijken eigenschappen te zijn van stoffen, zoals massa, die stoffen blijkbaar hebben, maar waarvan de oorsprong niet zo duidelijk is. Het mag gek klinken maar de fysica weet niet zo goed waar massa vandaan komt: is da teen intrinsieke eigenschap van stoffen of ‘krijgen’ stoffen massa door ‘bemiddeling’ van een veld? Ook spin blijkt zo een eigenschap te zijn van deeltjes. Het gaat om een kwantum van magnetisch moment, maar het is toch niet zomaar te begrijpen als een klein klassiek ‘magneetje’. Nu precies deze kwantumeigenschappen van spin kunnen ingezet worden in elektronica (er ontstond een heel gebied van zogenaamde ‘spintronics’) maar ook in medische beeldvorming: Magnetic Resonance Imaging (MRI).

De STM werkt vaak enkel maar goed op materialen met een geleidend oppervlak. Maar kunnen we geen microscoop ontwerpen die de microscopische afstotingskracht kan ‘voelen’ van de atomaire lagen? Precies op grond hiervan kan de Atomic Force Microscopy (AFM) een ‘beeld’ vormen. Op die manier kunnen oppervlaktescans gemaakt worden van materialen die niet geleidend zijn. De AFM kan daardoor bijvoorbeeld goed toegepast voor beeldvorming van organische materialen al dan niet afkomstig van levende organismen.

Dit leerstation brengt je eerst naar de wereld van nanodeeltjes en hun vreemde eigenschappen. Nanodeeltjes gedragen zich volgens de wetten van de kwantumfysica. Dit maakt dat ze vele ‘onverwachte’ eigenschappen hebben. Momenteel is er intensief wetenschappelijk onderzoek in dit nanotechnologisch gebied en de industrie ontwikkelt steeds meer nanotechnologie.

Oorspronkelijk leek kwantumfysica niets met de levenswetenschappen te maken te hebben. Echter steeds meer en meer blijkt dat het leven zelf gebruik maakt van kwantumeigenschappen van materie en licht. Deze komen vooral tot uiting op nanoschaal. Er ontstaat momenteel een bio-technologisch onderzoeksgebied op grond van deze kwantumfysica die optreedt in de chemie en biologie van het leven. We bekijken in dit leerstation de bio-brandstofcel van naderbij, als voorbeeld van deze ontwikkeling.