Profielwerkstuk over Luminescenties by Bas de Jong

Luminescentie

door Max de Graaf en Bas de Jong

Luminescentie Een verbazingwekkend fenomeen

Max de Graaf en Bas de Jong Klas V6NG Docent: P. Faber 28‐01‐2009

Inhoudsopgave Inleiding ................................................................................................................................................... 5 Bronnenonderzoek ......................................................................................................................... 5 Hoofdvraag ...................................................................................................................................... 5 Deelvragen ...................................................................................................................................... 5 Het nut van dit onderzoek .............................................................................................................. 6 1 ‐ Geschiedenis van het atoom ............................................................................................................. 7 1.1 Atoombouw ...................................................................................................................................... 7 1.2 Kwantummechanica ......................................................................................................................... 8 1.2.1 Elektronenconfiguratie .............................................................................................................. 9 2 ‐ Licht .................................................................................................................................................. 10 2.1 Licht als deeltje ............................................................................................................................... 10 2.1.1 Elementaire deeltjes ................................................................................................................ 10 Lading ............................................................................................................................................ 10 Spin................................................................................................................................................ 10 Massa ............................................................................................................................................ 11 2.1.2 Twee groepen .......................................................................................................................... 11 Bosonen ........................................................................................................................................ 11 Fermionen ..................................................................................................................................... 11 2.2 In een schema ................................................................................................................................. 11 2.3 Licht als golf .................................................................................................................................... 12 2.3.1 Elektromagnetisch veld ............................................................................................................ 12 2.3.2 Licht ook een golf ..................................................................................................................... 12 2.4 Berekeningen maken met licht ....................................................................................................... 13 2.4.1 Elektromagnetisch spectrum ................................................................................................... 13 2.4.2 Lichtkleur .................................................................................................................................. 13 2.4.3 Op de grens van het zichtbare licht ......................................................................................... 14 2.4.4 Verschillende gradaties ultraviolet licht .................................................................................. 16 2.5 Samenvatting .............................................................................................................................. 16 3 ‐ Fluorescentie.................................................................................................................................... 17 3.1 Absorptie ......................................................................................................................................... 17 3.2 Aangeslagen toestand van een elektron ........................................................................................ 18 3.3 Emissie ............................................................................................................................................ 19 3.4 Procesduur ...................................................................................................................................... 19 3.5 Toevoeging van de kwantummechanica ........................................................................................ 20 3.6 Uitzonderingen ............................................................................................................................... 22 4 ‐ Fosforescentie .................................................................................................................................. 23

4.1 Triplet en Singlet ............................................................................................................................. 23 4.2 Samenvatting .................................................................................................................................. 24 5 ‐ Chemoluminescentie ....................................................................................................................... 25 5.1 Reactietypen ................................................................................................................................... 25 5.2 Efficiëntie ........................................................................................................................................ 27 6 ‐ Luminescentie in de praktijk ............................................................................................................ 28 6.1 UV‐lamp .......................................................................................................................................... 28 6.2 Fluoresceïne .................................................................................................................................... 29 6.2.1 Stofeigenschappen ................................................................................................................... 29 6.2.2 NaOH – HCl titratie onder fluoresceïne ................................................................................... 29 Experiment .................................................................................................................................... 29 6.3.2 Samenvatting ........................................................................................................................... 30 6.4 Kinine .............................................................................................................................................. 31 6.4.1 Oorsprong ................................................................................................................................ 31 6.4.2 Kinine als medicijn ................................................................................................................... 31 6.5 Aesculine ......................................................................................................................................... 32 6.6 Fluorescentielamp........................................................................................................................... 33 6.6.1 Het principe .............................................................................................................................. 33 6.6.2 Experimenteren met een fluorescentielamp ........................................................................... 33 6.6.3 Samenvatting ........................................................................................................................... 33 6.7 Glowsticks / Breaklights .................................................................................................................. 34 6.7.1 De bouw van breaklights ......................................................................................................... 34 Chemie van breeklampen ............................................................................................................. 34 6.7.2 Toetsingsonderzoek chemoluminescente kleurstoffen en correctheid van gegevens ........... 35 Invloed van warmte‐energie ......................................................................................................... 36 6.7.3 Samenvatting ........................................................................................................................... 37 6.8 Open dag op Stad en Esch Zuideinde .............................................................................................. 38 6.9 Quantumdots ‐ Lezing chemiekring DSM Zwolle ............................................................................ 39 6.9.1 Theorie ..................................................................................................................................... 39 Fluorescentie ................................................................................................................................. 39 6.9.2 Quantumdots in de praktijk ..................................................................................................... 41 “Fluorescent concentrators” ......................................................................................................... 41 Quantumdots als hulpmiddel voor de chirurg .............................................................................. 42 Mogelijke bezwaren van quantumdots ........................................................................................ 42 6.10 Zinksulfide ..................................................................................................................................... 42 6.10.1 De proefbeschrijving .............................................................................................................. 42 6.10.2 Additioneel literatuuronderzoek ........................................................................................... 42 6.10.3 Samenvatting ......................................................................................................................... 43

7 ‐ Maatschappelijke toepassingen ...................................................................................................... 44 7.1 Medische wereld ............................................................................................................................. 44 7.2 Biochemische analysetechnieken ................................................................................................... 44 7.3 Kankerverwekkende chemicaliën ................................................................................................... 45 7.4 Glow‐in‐the‐dark ............................................................................................................................. 45 Conclusie ............................................................................................................................................... 46 Hoofdvraag .................................................................................................................................... 46 A ‐ Nawoord .......................................................................................................................................... 48 B ‐ Literatuurlijst ................................................................................................................................... 49 B.1 Geraadpleegde boeken ............................................................................................................... 49 B.2 Geraadpleegde encyclopedieën ................................................................................................. 49 B.4 Allerlei ......................................................................................................................................... 49 B.3 Geraadpleegde websites ............................................................................................................ 49 C ‐ Figurenverwijzing ............................................................................................................................. 52 D ‐ Bijlagen ............................................................................................................................................ 53 D.1 Plan van aanpak .............................................................................................................................. 53 D.2 Logboek van Max de Graaf (2e helft)‡ ............................................................................................ 55 D.2 Logboek van Bas de Jong ................................................................................................................ 56 D.3 Uitnodiging CKZ Quantumdots ....................................................................................................... 57 Lezing ................................................................................................................................................ 57

Inleiding Het profielwerkstuk gaat over luminescentie. De aanleiding hiervoor is dat het ons een interessant onderwerp leek, omdat er in de reguliere stof bijna geen aandacht aan besteed wordt. Daarnaast is het een onderwerp waar je niet snel over bent uitgepraat, want er zijn veel gebieden waarin luminescentie de mens kan helpen. Denk hierbij aan geneeskundige toepassingen of bijvoorbeeld toepassingen in de industrie. Nadat we even op internet zochten naar luminescentie, kwamen we al heel snel uit bij een paar interessante toepassingen. De doorslaggevende reden voor ons om voor dit onderwerp te kiezen was het moment waarop we ontdekten waarom de stoffen gingen oplichten onder bepaalde omstandigheden. De uitleg voor dit verschijnsel gaat zo diep, dat het ons een uitdaging leek, om dit te onderzoeken. Dat de materie complex is, bleek naderhand wel. Op sommige punten moest onze PWS begeleider zelfs toegeven, dat hij niet meer wist hoe het precies zat. Ook andere scheikundigen, die we ontmoetten op een lezing, bleken moeite te hebben met de stof die daar werd behandeld. Nu we een startpunt hadden voor ons onderzoek, werd ons al snel duidelijk dat we onderscheid moesten maken tussen de theorie, praktijk en de maatschappelijke toepassingen. Alleen op deze manier kunnen we een duidelijke uitleg geven over het hoe en wat van luminescentie.

Bronnenonderzoek Bij het literatuuronderzoek keken we meestal eerst naar een wetenschappelijke publicatie van een vooraanstaand chemicus of fysicus. Vaak zijn dit boeken van meer dan 1000 pagina’s. Wanneer we documentatie vonden voor ons onderzoek, begonnen we met lezen. Zodra we dit begrepen was het mogelijk om verder te gaan met ons onderzoek. Waren er zaken of termen niet duidelijk, dan zochten we die meestal op in encyclopedieën, zowel online (wikipedia.org) als op CD‐ROM (Encyclopædia Brittanica). De reden hiervoor is dat we in een encyclopedie snel de term kunnen opzoeken die voor ons onbekend is. In de wetenschappelijke publicaties staan deze principes vaak heel ingewikkeld uitgelegd of te nauwkeurig, wat veel tijd kost. Daarnaast gebruikten we voor recente onderzoeken vaak documenten van enkele pagina’s, die te vinden waren op een zoekmachine (Google in ons geval), op de websites van educatieve instellingen in de Verenigde Staten (het zogenaamde .edu domein), of op websites van universiteiten. Tijdens het gehele onderzoek hebben we de volgende hoofd‐ en deelvragen gebruikt om ons onderzoek te volbrengen. Deze staan hieronder vermeld.

Hoofdvraag Waarom lichten bepaalde stoffen op, welke toepassingen zijn ervoor en wat kan het nut hiervan zijn voor de mens?

Deelvragen 1. Wat is de theoretische onderlegging van luminescentie a. Welke chemische verklaring is hiervoor te geven? i. Hoe zit een atoom in elkaar? ii. Wat hebben elektronenconfiguraties hiermee te maken? iii. Wat houd de ‘aangeslagen toestand’ in? iv. Waarom zend het atoom licht uit? b. Welke natuurkundige verklaring is hiervoor te geven? i. Wat is licht? ii. Wat is lichtsterkte? iii. Hoe wordt de kleur van licht bepaald? c. Wat heeft het electromagnetisch spectrum met het onderwerp te maken 2. Welke stoffen in het dagelijks leven hebben luminescente eigenschappen?

a. Kinine b. Aesculine c. Breaklights i. Heeft de pH ook nog invloed op het uitzenden van licht? d. Fluoresceïne e. Zinksulfide f. TL‐lamp g. De UV‐lamp h. Quantumdots (lezing door afgestudeerde van de Universiteit Utrecht) i. Mogelijkheid tot het verhogen van de opbrengst van zonnecellen? ii. Mogelijkheid tot het nauwkeuriger opsporen van tumoren in organismen? iii. Mogelijkheid tot het helpen van een chirurg? i. Welke stoffen zijn nog meer luminescent maar hebben wij om welke redenen niet onderzocht? 3. Hoe maakt de maatschappij gebruik van deze stoffen? Na het vaststellen van deze structuur, zijn we begonnen met het onderzoeken van onze deelvragen. De theorie bleek echter erg droog te zijn, des te meer omdat we in de vijfde klas nog niet zoveel wisten over elektronenconfiguraties, esters en dergelijke termen. Daarom zijn we tegelijkertijd ook begonnen met het onderzoeken van stoffen.

Het nut van dit onderzoek Ten eerste is het natuurlijk extreem ‘gaaf’ om lichtgevende stoffen te onderzoeken en te maken. Maar het onderwerp heeft ons ook een veel beter inzicht gegeven in de basis van natuur‐ en scheikunde. Het onderzoek naar wat licht precies is, bracht ons ook bij de elementaire deeltjes, die in het nieuws waren toen er werd gezocht naar het Higgs‐boson, het boson dat nog niet proefondervindelijk bewezen is. Op deze manier heeft het profielwerkstuk ons geholpen om een stuk meer van de wereld van luminescentie te begrijpen. Max de Graaf & Bas de Jong

1 ‐ Geschiedenis van het atoom Het vroege begin van de zoektocht naar het kleinste deeltje

1.1 Atoombouw Volgens het eerste belangrijke atoommodel, het atoommodel van Dalton, waren atomen kleine bolletjes. Uit deze bolletjes zou een stof zijn opgebouwd. Deze bolletjes waren niet kapot te maken en vormden alles wat Figuur 1 ‐ Het atoom met een geladen kern en zich in het universum bevond. Deze benadering was vrij een wolk elektronen. accuraat voor de tijd waarin deze werd geformuleerd, wat in het begin van de negentiende eeuw was. 1 Na het atoommodel van Dalton kwam het atoommodel van Bohr en daarna het model van Rutherford. Baanbrekend, aangezien hieruit bleek dat de stabiele atomen waren opgebouwd uit deeltjes die niet op zichzelf voorkomen in de natuur. Het atoom zag eruit als een positief geladen kern met daar omheen een wolk cirkelende, negatief geladen bolletjes, elektronen. De kern zou bestaan uit positief geladen bolletjes, protonen genaamd. Om de netto lading nul te maken, zitten er precies evenveel protonen in de kern als dat er aan elektronen om de kern draait. Om de kern stabiel te houden werden hier neutrale neutronen aan toegevoegd. Twee gelijk geladen deeltjes die dichtbij elkaar liggen stoten elkaar immers af, door hier neutronen tussen te plaatsen zou deze afstoting vrijwel teniet gedaan worden. 2 3 Volgens Bohr draaiden de elektronen op vaste afstand van de kern, in verschillende niveaus, met dezelfde snelheid. Hierdoor zou elk niveau een bepaalde energie hebben, namelijk potentiële en kinetische energie. De kinetische energie, die voortkomt uit de beweging van het elektron en de potentiële energie. De potentiële energie wordt bepaald door de afstand van het elektron tot de kern. Hoe verder het elektron van de kern is verwijderd, hoe meer potentiële energie het elektron heeft. De niveaus worden aangegeven met de getallenreeks n: 1, 2, 3, … Bij de formulering van het atoommodel van Bohr werd echter wel één fundamentele wijziging gemaakt, ten opzichte van de oude theorie. De ronddraaiende elektronen, die eruit zagen als geladen bolletjes, werden vervangen door golven die rond de kern cirkelen. Omdat golven een golflengte hebben, die precies moest passen in Figuur 2 ‐ Het Bohr atoom met verschillende één rondje rond het atoom, konden de niveaus verklaard worden. schillen, opgevuld met elektronen. Doordat alle elektronen nu op een constante afstand van de kern draaiden, begon men met het ordenen. Men noemde de niveaus, schillen, met de namen K, L, M, O en P. In één schil kon een beperkt aantal atomen, respectievelijk 2, 8, 18, 32, en 50. Deze getallen komen voort uit de formule 2n².

http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/bohr.html 3 http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_model 2

De elektronen worden in de schillen opgevuld vanaf onderaf, beginnend met de kleinste schil, oplopend naar de grootste. De reden hiervoor is dat de natuur zo veel mogelijk energie wil besparen. De schil met het minste ruimte voor elektronen, de K‐schil, heeft ook de laagste energetische waarde, dus kost het de natuur het minste hoeveelheid aan energie. Deze lage hoeveelheid energie wordt onder andere bepaald door de afstand van de elektronen tot de kern en die is bij de K‐schil het kleinst. 4 Om de energie per niveau te berekenen geldt allereerst dat één omwenteling uit één golflengte moet bestaan: 2 Daarnaast geldt dat de middelpuntzoekende kracht op het elektron gelijk moet zijn aan de coulombkracht. ² ² ² Door de snelheid te halen uit de bovenstaande formule, volgt dat de energie van de energieniveaus wordt beschreven de formule voor kinetische energie in te vullen en hier het product uit de bovenstaande formule van af te trekken: ² ² ² 2 Met deze formule kan de hoeveelheid energie per energieniveau worden berekend. Om de waarde van het tweede niveau te verkrijgen moet men eerst de energie van het eerste niveau met n= 1 berekenen. Daarna moet de energie voor het tweede niveau n=2 daarbij worden opgeteld. Uit de formule volgt tevens dat het energieverschil tussen de niveaus kleiner wordt, naarmate n groter wordt. Dit noemt in de wiskunde ook wel een limiet.

1.2 Kwantummechanica 56 Het samenkomen van de oude kwantumtheorie waar het atoommodel van Bohr op was gebaseerd en de klassieke mechanica leek aanvankelijk goed te gaan. Uit de praktijk bleek echter dat de klassieke mechanica op subatomair niveau niet meer voldeed. Newton’s formules bleken enkel te kloppen voor de afstanden die wij in het dagelijks leven tegenkomen. Er werd een nieuwe theorie opgesteld, welke de oude atoommodellen en de natuurkunde totaal op zijn kop zette, de theorie van de kwantummechanica. De onzekerheidsrelatie van Heisenberg staat centraal in deze theorie. De onzekerheidsrelatie staat voor het feit dat hoe preciezer men de plaats van een deeltje bepaalt, hoe minder men de impuls kan bepalen. Dit geldt voor deeltjes, maar ook voor golven.

Bohr Model, 22 Januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model Uncertainty Principle http://en.wikipedia.org/wiki/Uncertainty_principle 6 Greene, B, The Elegant Universe. (Vintage books,2003, p. 85‐130) 5

Hiernaast staat een kader 7 waarin aannemelijk gemaakt wordt dat de relatie een logische conclusie is. Tevens wordt in de kwantummechanica uitgegaan van een dualiteit van bestaan. Dit houdt in dat “dingen” eigenschappen van een deeltje hebben maar soms ook eigenschappen van een golf. Dit gaat op voor licht, elektronen en een aantal andere subatomaire deeltjes. In de kwantummechanica zijn de energieniveaus gemakkelijker te berekenen: 8 1 1 ∆

Het aannemelijk maken van de onzekerheidsrelatie Men moet zich voorstellen dat er met een supermicroscoop naar een bewegend elektron wordt gekeken. Om de plaats van het elektron te bepalen, of beter gezegd, om het te kunnen zien bewegen, moeten we bijlichten met een lamp. De energie van het licht zal de impuls van het elektron veranderen. Kortom, hoe beter we de plaats van het elektron willen zien, door meer licht te schijnen, hoe minder zeker we kunnen zijn over de impuls van het elektron. Omgekeerd geldt hetzelfde.

∆ energieverschil tussen twee niveaus in joule R = constante van Rydberg 1.09737·107 m‐1 ni = nummer van ondergelegen energieniveau. nh= nummer van hogergelegen energieniveau Met deze informatie, gaan we nogmaals aandacht besteden aan het atoommodel van Bohr. Omdat de mens van orde houdt, stellen we de deeltjeseigenschappen op van subatomaire deeltjes. Doorgaans gebruiken we voor subatomaire deeltjes: Massa Lading Spin Echter, voor elektronen die om een atoom cirkelen, gebruiken we kwantumnummers. Er zijn vier vormen van kwantumnummers, namelijk:

Overzicht kwantumnummers Getallen uit de reeks Hoofdkwantumgetal n 1,2, 3,… Nevenkwantumgetal l 0, 1, 2 Magnetisch kwantumgetal m ‐2, ‐1, 0, 1, 2 Spinkwantumgetal s ‐0,5 of 0,5 Deze getallen zeggen los van elkaar zeer weinig, echter vormen ze in combinatie met elkaar een sleutel die elk elektron in een atoom uniek maakt. Dit was voorheen Figuur 3 ‐ Electronenconfiguratie onmogelijk. Uit deze ordening kan direct een visualisatie gehaald worden, de elektronenconfiguratie.

1.2.1 Elektronenconfiguratie De elektronenconfiguratie is een belangrijk begrip bij het begrijpen van fluorescentie. Omdat alle elektronen op een vaste locatie zijn te plaatsen binnen het atoom, is het mogelijk dit in kaart te brengen met een figuur. Figuur 3 geeft deze manier weer. Elk pijltje stelt een elektron voor, waarvan het elektron naar beneden spin down heeft, een negatieve spin van ‐0,5 en het pijltje omhoog een positieve spin van +0,5. De spin wordt in het volgende hoofdstuk verder uitgelegd.

Uncertainty Explained 23 Januari 2009 http://www.pbs.org/wnet/hawking/strange/html/uncertain.html 8 Rydberg formula, 24 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_formula

2 ‐ Licht Om het verschijnsel luminescentie te verklaren is er meer nodig dan een idee over atoombouw en de chemische achtergrond daarvan. Ook het onderwerp licht uit de natuurkunde speelt een belangrijke rol bij het begrijpen van de processen die zich afspelen bij luminescentie. Eigenlijk wordt het proces van elektromagnetische straling uitgelegd, maar hierbij moet worden aangetekend dat licht een deel van het elektromagnetische spectrum is. Licht bestaat uit drie componenten en we zullen ze allemaal uitleggen, om vervolgens een duidelijk beeld te kunnen geven van licht. Daarna wijdden we uit naar – voor de mens – onzichtbaar licht, en het eigenlijke elektromagnetisch spectrum. Licht kan zich op twee manieren gedragen, als een deeltje en als een golf. Wanneer licht zich als een deeltje gedraagt, noemen we dat een foton. 9 Daar ontstaat echter een probleem. Een deeltje heeft immers massa, maar een golf heeft geen massa. Afhankelijk van de meetopstelling vertoont licht dan ook eigenschappen van een golf, maar kan het ook eigenschappen van een deeltje vertonen. 10

2.1 Licht als deeltje Ten eerste is het nodig dat je weet wat een foton is. Daarvoor moeten we terug naar het basismodel van materie. Daar is uitgelegd dat een molecuul bestaat uit atomen en dat die bestaan uit een kern en een elektronenschil.

2.1.1 Elementaire deeltjes We gaan het model nog verder uitspitten, als er op chemisch niveau al niet veel meer veranderd kan worden. We zijn dan inmiddels aangekomen bij de elementaire deeltjes, deeltjes die niet verder gesplitst kunnen worden. Elementaire deeltjes kunnen drie eigenschappen toebedeeld krijgen: • Lading • Spin • Massa Deze eigenschappen zijn gekwantiseerd, wat wil zeggen dat ze in een basiseenheid zijn uitgedrukt. Een kwantum is een ondeelbare hoeveelheid van een grootheid. De naam komt uit het Latijn, waarin het woord ‘quantum’ ‘Hoeveel?’ betekent. 11

Lading Lading is een natuurkundige grootheid met het symbool Q. De lading geeft aan in hoeverre een deeltje wordt beïnvloed door magnetische en elektrische krachten. Lading kan een positieve of een negatieve waarde hebben. Een eenheid om lading te meten is coulomb (C). In de natuur komt lading alleen voor in een veelvoud van de elementaire lading, welke 1,60217653 × 10‐19 C (coulomb) bedraagt.

Spin Er zijn 2 soorten elementaire deeltjes; fermionen en bosonen. Een elementair deeltje draagt zijn naam afhankelijk van zijn spin. De spin van een elementair deeltje geeft een eigenschap mee aan dat deeltje. Een elementair deeltje draait altijd met een vaste snelheid om zijn eigen as. Men kan spin vergelijken met een ronddraaiende bal. Stel dat men een stip tekent op een tennisbal en deze bal met spin 1 laat draaien. Men zal per volledige 360 graden draaiing van de bal de stip voorbij zien P.G. Hogenbrik, Natuurkunde Overal NG/NT 2 VWO (EPN, Houten, 2000, p.194) 10 Ir. A.P.J. Thijssen, Natuurkunde Samengevat VWO (Thieme‐Meulenhoff, 2006, p.128) 11 Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, Quantum, 2009 9

komen, zoals we zouden verwachten. Echter, als we de spin 0.5 maken, zullen we de stip eens per 720 graden draaiing langs zien komen. Hetzelfde geldt voor spin 2, waarbij de stip eens per 180 graden draaiing te zien is. De spin is een getal, dat altijd positief is. Het kan een geheel getal (getallenverzameling Z) zijn, of een getal uit de verzameling

Massa Massa van een elementair deeltje wordt uitgedrukt in elektronvolt (eV) en bedraagt 1.60217653(14)×10−19 Joule (J).

2.1.2 Twee groepen De elementaire deeltjes zijn in te delen aan de hand van hun spin. Deze kan heeltallig of halftallig zijn. Je kunt de elementaire deeltjes verdelen in bosonen en fermionen. 12

Bosonen Indien de spin een geheel getal Z is (heeltallig), wordt het elementaire deeltje een boson genoemd. Bosonen hebben meestal de eigenschap een kracht met zich mee te dragen, omdat ze de Bose‐ Einsteinstatistiek ‘gehoorzamen’.

Fermionen Indien de spin een getal uit de verzameling vormt (en dus halftallig is), wordt het elementaire deeltje een fermioon genoemd. Deze fermionen zijn nog weer te verdelen in quarks en leptonen. Fermionen ‘gehoorzamen’ de Fermi‐Diracstatistiek en zij hebben massa. Er zijn 12 verschillende fermionen, en omdat deze fermionen een lading hebben, bestaan er ook ‘antideeltjes’ van deze fermionen. Daarnaast kunnen de fermionen worden ingedeeld in 3 families of generaties. Het enige verschil tussen deeltjes in een van de drie generaties is de massa. Lading en spin zijn in per generatie hetzelfde. 13 Kijken we in de Binas, dan vinden we in tabel 26 een spin van 1 voor het elementaire deeltje foton. Natuurkundigen hebben het foton de Griekse letter gamma meegegeven (γ). De naam stamt af van het Griekse woord φως (phoos), wat ‘licht’ betekent.

2.2 In een schema Om het allemaal wat overzichtelijker te maken staat hiernaast een schema waarin duidelijk wordt hoe het systeem van elementaire deeltjes in elkaar zit. In de eerste drie kolommen staan fermionen, in de laatste kolom staan bosonen, die met een blauwe kleur zijn aangegeven. Quarks zijn violet aangegeven, leptonen zijn groen aangegeven, maar hierover wijden we niet verder uit. 12 13

Elementary Particle, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_Particle Atkins, P.W., Physical Chemistry. (W. H. Freeman, 1982, p 449‐470)

2.3 Licht als golf Een foton is het kwantum van het elektromagnetische veld. Dit wil dus zeggen dat een foton het kleinste ‘deeltje’ is in een elektromagnetisch veld, de basiseenheid van het elektromagnetisch veld. Maar doordat het foton tot de groep van bosonen hoort, is het ook een krachtvoerend deeltje, in dit geval van de elektromagnetische kracht. Doordat een foton geen massa heeft, kan het zijn elektromagnetische kracht heel ver vervoeren. Daardoor kunnen effecten op grote afstand optreden (denk aan het licht van de zon dat 150 miljoen kilometer bij ons vandaan is, maar toch binnen 8 minuten de aarde bereikt). Hiermee is een van onze problemen opgelost. Aan het begin van het hoofdstuk schreven we dat er een probleem ontstaat wanneer licht een deeltje is. Volgens ons begrip had een deeltje immers een massa. Maar dankzij de kwantummechanica, hebben we ontdekt dat er ook ‘deeltjes’ zijn, zonder massa, de zogenaamde elementaire deeltjes. Maar hoe kan licht dan tegelijkertijd ook een golf zijn? Het antwoord hiervoor moet gezocht worden in het elektromagnetische veld.

2.3.1 Elektromagnetisch veld Het elektromagnetisch veld bestaat in het gehele universum. Het bestaat uit twee delen. In het platte vlak, het elektrisch veld, loodrecht daarop het magnetisch veld. 14 Het elektrisch veld verkrijgt zijn eigenschappen door niet‐bewegende elektrische lading. Het magnetisch veld daarentegen verkrijgt zijn eigenschappen door stroming van elektrische stroom. Een elektrisch veld kan een magnetisch veld opwekken (een elektromagneet in een MRI‐scanner of een PIN‐pas terminal), maar een magnetisch veld kan ook een elektrisch veld opwekken (denk hierbij bijvoorbeeld aan je dynamo). Ieder deeltje dat zich in het elektromagnetisch veld begeeft, is onderhevig aan de zogenaamde Lorentzkracht. 15 Eerder is uitgelegd waarom een foton tot de groep bosonen behoort. Het is een elementair deeltje dat de drager van een kracht is. Lorentz heeft uitgezocht wat voor kracht er in het elektromagnetisch veld werkt. Het foton is een drager van deze kracht (vandaar dat een foton een boson genoemd mag worden). De Lorentzkracht kan worden toegepast op licht, doordat door proeven is aangetoond dat licht interfereert. Dit kan worden verklaard door te stellen dat licht in twee vlakken golft, het elektrisch veld en het magnetisch veld. Verder is licht een transversale golf 16 , er trillen géén deeltjes! De golven in het elektrische vlak en het magnetische vlak kruisen elkaar telkens in de oorsprong van de golf.

2.3.2 Licht ook een golf Op deze manier hebben we laten zien dat licht ook een golf is. Wanneer we bezig zijn met licht, moet licht soms worden geïnterpreteerd als golf, maar soms als deeltje. Het is belangrijk om dit altijd in het achterhoofd te houden, wanneer je iets probeert te begrijpen van reacties waar licht bij komt kijken.

Electromagnetic Field, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_Field Ir. A.P.J. Thijssen, Natuurkunde Samengevat VWO (Thieme‐Meulenhoff, 2006, p.24) 16 Ir. A.P.J. Thijssen, Natuurkunde Samengevat VWO (Thieme‐Meulenhoff, 2006, p.124) 15

2.4 Berekeningen maken met licht Het is mogelijk om de golflengte van licht te berekenen, doordat het foton naast een deeltje, ook een golf is. De componenten van deze golf zijn: ‐ de richting waarin het foton wordt gepropageerd (uitgezonden) ‐ de golflengte λ (labda) Max Planck heeft hiervoor een formule ontwikkeld: E=h·f Bovenstaande formule brengt de energie van een foton in verband met de frequentie. Hierbij is h de constante van Planck¸een getal dat is gedefinieerd door Max Planck zelf: h = 6,626069·10-34J·s Aangezien de constante h niet veranderd kan worden, hebben E en f een verband met elkaar. Wanneer de golflengte λ korter is (dus f is hoger), dan bevat het foton meer energie. Om de golflengte λ uit te rekenen, gebruik je de formule: · Waarin E de hoeveelheid energie is in Joule per seconde, h de constante van Planck, λ de golflengte in meter, f de frequentie in Hertz, en c de lichtsnelheid. De lichtsnelheid luidt als volgt: c = 299.792.458 Met deze formule kun je berekenen welke frequentie het licht heeft, maar ook wat de golflengte is, en de hoeveelheid energie dat het foton bezit. De hoeveelheid energie wordt in wetenschappelijke grafieken en schema’s echter in elektronvolt gegeven (symbool eV). 1 eV = 1.60217653 ·10−19 J·s Om van de hoeveelheid energie in Joule per seconde om te rekenen naar de hoeveelheid energie in eV.

2.4.1 Elektromagnetisch spectrum 17 In het elektromagnetisch spectrum bevinden zich golven die zich voortplanten met frequenties van 0 Hz tot meer dan 1,0∙1023 Hz. In dit elektromagnetisch spectrum bevinden zich radiogolven, infrarood, het zichtbare licht, ultraviolette straling, röntgenstraling en gammastraling. Uit deze opsomming blijkt wel dat slechts een klein gedeelte van het elektromagnetisch spectrum zichtbaar licht is. In de afbeelding hiernaast is dat ook duidelijk te zien. Na verder onderzoek blijkt dat licht een frequentie heeft van 4,3·1014 Hz tot 7,5·1014 Hz. Dat komt overeen met een golflengte van 380 nm tot 780 nm.

2.4.2 Lichtkleur Een zeer interessante eigenschap van de golflengte is nog niet besproken, namelijk de kleur. Het oog kan verschillende golflengtes onderscheiden, maar niet alle golflengtes uit het elektromagnetisch spectrum. Sommige horen we, andere voelen we

Figuur 4 ‐ Zichtbaar licht beslaat maar een klein deel van het elektromagnetisch spectrum

Ir. A.P.J. Thijssen, Natuurkunde Samengevat VWO (Thieme‐Meulenhoff, 2006, p.135)

misschien, maar er zijn ook golven die we met ons lichaam helemaal niet kunnen waarnemen, denk hierbij aan bijvoorbeeld het FM‐ of AM‐signaal dat radio’s opvangen, of de straling van het mobiele netwerk. 18 De golflengtes die we wel met ons oog kunnen zien liggen tussen de 380 nm en 780 nm (1 nm = 1,0·10-7 m). Golflengte in nm

Figuur 5 – Golflengte in nanometer met daaronder de corresponderende kleur. De letters staan voor violet, blauw, groen, geel (yellow), oranje en rood.

In figuur 5 is te zien welke kleur overeenkomt met welke golflengte. Hoe verder je de grens van 380 nm of 780 nm (in dit figuur 750 nm) nadert, hoe moeilijker het is om nog een naam te geven aan de lichtkleur. Dat komt doordat het langzaam onmogelijk wordt voor het oog om het licht nog op te vangen in de receptoren.

2.4.3 Op de grens van het zichtbare licht Wanneer licht een golflengte van ongeveer 750 nm heeft, wordt het voor ons oog steeds moeilijker om het licht nog te zien. Op een gegeven moment is het zelfs helemaal niet meer zichtbaar, dat komt doordat de straling dan verandert van licht naar zogeheten infrarode straling. Dit is de straling die je op je huid kunt voelen als warmte. Deze straling bevat, hoe gek het ook mag klinken, minder energie dan zichtbaar licht.

Energie van fotonen 4,5

Energie E in eV

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

UV straling

100

200

300

infrarood

400

500

600

700

800

Wanneer licht een golflengte van ongeveer 400 nm heeft, Golflengte λ in nm wordt het voor ons oog steeds moeilijker om het licht nog te Grafiek 1 – Hoeveelheid energie die een foton bezit, afhankelijk van de golflengte. zien. Op een gegeven moment is het zelfs helemaal niet meer zichtbaar! Het ‘licht’ is er echter nog steeds, nu noemen we het echter ultraviolette straling (kortweg UV‐straling of UV‐licht). Wanneer deze straling op je huid valt, worden pigmentcellen geactiveerd en krijg je wat wij noemen een ‘bruin tintje’.

900

Dit ultraviolette licht heeft méér energie dan zichtbaar licht. Dit kun je uitrekenen met de formules die op de vorige pagina zijn weergegeven. We hebben dit ook even uitgerekend met Excel, om te laten zien hoe de energie van het foton zich verhoudt tot de golflengte.

18 Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, Electromagnetic spectrum, 2009

Tabel bij de grafiek λ in nm c

λ in m

f in Hz

E in J per s E in eV

200

299.792.458

6,63E-34 2,00E-07 1,4990E+15

9,9322E-19

220

299.792.458

6,63E-34 2,20E-07 1,3627E+15

9,0293E-19

240

299.792.458

6,63E-34 2,40E-07 1,2491E+15

8,2769E-19

260

299.792.458

6,63E-34 2,60E-07 1,1530E+15

7,6402E-19

280

299.792.458

6,63E-34 2,80E-07 1,0707E+15

7,0944E-19

300

299.792.458

6,63E-34 3,00E-07 9,9931E+14

6,6215E-19

315

299.792.458

6,63E-34 3,15E-07 9,5172E+14

6,3062E-19

340

299.792.458

6,63E-34 3,40E-07 8,8174E+14

5,8425E-19

360

299.792.458

6,63E-34 3,60E-07 8,3276E+14

5,5179E-19

380

299.792.458

6,63E-34 3,80E-07 7,8893E+14

5,2275E-19

400

299.792.458

6,63E-34 4,00E-07 7,4948E+14

4,9661E-19

420

299.792.458

6,63E-34 4,20E-07 7,1379E+14

4,7296E-19

440

299.792.458

6,63E-34 4,40E-07 6,8135E+14

4,5146E-19

460

299.792.458

6,63E-34 4,60E-07 6,5172E+14

4,3184E-19

480

299.792.458

6,63E-34 4,80E-07 6,2457E+14

4,1384E-19

500

299.792.458

6,63E-34 5,00E-07 5,9958E+14

3,9729E-19

520

299.792.458

6,63E-34 5,20E-07 5,7652E+14

3,8201E-19

540

299.792.458

6,63E-34 5,40E-07 5,5517E+14

3,6786E-19

560

299.792.458

6,63E-34 5,60E-07 5,3534E+14

3,5472E-19

580

299.792.458

6,63E-34 5,80E-07 5,1688E+14

3,4249E-19

600

299.792.458

6,63E-34 6,00E-07 4,9965E+14

3,3107E-19

620

299.792.458

6,63E-34 6,20E-07 4,8354E+14

3,2039E-19

640

299.792.458

6,63E-34 6,40E-07 4,6843E+14

3,1038E-19

660

299.792.458

6,63E-34 6,60E-07 4,5423E+14

3,0098E-19

680

299.792.458

6,63E-34 6,80E-07 4,4087E+14

2,9212E-19

700

299.792.458

6,63E-34 7,00E-07 4,2827E+14

2,8378E-19

720

299.792.458

6,63E-34 7,20E-07 4,1638E+14

2,7590E-19

740

299.792.458

6,63E-34 7,40E-07 4,0512E+14

2,6844E-19

760

299.792.458

6,63E-34 7,60E-07 3,9446E+14

2,6137E-19

780

299.792.458

6,63E-34 7,80E-07 3,8435E+14

2,5467E-19

800

299.792.458

6,63E-34 8,00E-07 3,7474E+14

2,4831E-19

820

299.792.458

6,63E-34 8,20E-07 3,6560E+14

2,4225E-19

840

299.792.458

6,63E-34 8,40E-07 3,5690E+14

2,3648E-19

6,20 5,64 5,17 4,77 4,43 4,13 3,94 3,65 3,44 3,26 3,10 2,95 2,82 2,70 2,58 2,48 2,38 2,30 2,21 2,14 2,07 2,00 1,94 1,88 1,82 1,77 1,72 1,68 1,63 1,59 1,55 1,51 1,48

860

299.792.458

6,63E-34 8,60E-07 3,4860E+14

2,3098E-19

1,44

Ultraviolet licht heeft dus meer energie dan zichtbaar licht. Dit speelt een cruciale rol bij fluorescentie, dat we in een volgend hoofdstuk gaan bespreken.

2.4.4 Verschillende gradaties ultraviolet licht Er zijn verschillende soorten ultraviolet licht te onderscheiden, drie om precies te zijn. Deze groepen zijn gemaakt aan de hand van de hoeveelheid energie die ultraviolet licht heeft. We geven ze de namen UV‐A, UV‐B en UV‐C. Voor de volledigheid staat ook vacuüm ultraviolet licht nog vermeld. 19 Categorie van λ in nm tot λ in nm Energiegebied uitgedrukt in eV UV-A

Ultraviolet-A (black light)

315

400

3,10 tot

3,94

UV-B

Ultraviolet-B

280

315

3,94 tot

4,43

UV-C

Ultraviolet-C

200

280

4,43 tot

6,20

VUV

Vacuüm ultraviolet licht

200

6,20 tot

124

Alle categorieën ultraviolet licht zitten in het zonlicht dat de aarde bereikt, alleen wordt de meest energierijke categorie UV‐licht gefilterd door de ozonlaag in onze atmosfeer (een ‘laag’ in de atmosfeer met verhoogde O3‐concentratie).

2.5 Samenvatting We hebben gekeken waarom licht een deeltje en een golf is. Hierbij vertoont het licht duaal gedrag, omdat het onmogelijk is om een theorie te ontwikkelen waarbij licht alleen een deeltje is, of alleen een golf. Beide theorieën lopen uiteindelijk ergens vast. Ook is duidelijk geworden dat de lichtkleur afhankelijk is van de golflengte, hoe korter die is, hoe blauwer het licht. Hoe langer deze golflengte is, hoe roder het licht. Licht van een kortere golflengte, bevat meer energie dan licht met een langere golflengte. Daarnaast is er straling die niet meer waar te nemen is met het oog, maar wel dicht bij het zichtbare licht ligt. Dit noemen we ultraviolet licht. Aan de andere kant van het zichtbare spectrum noemt men dit infrarood. Ultraviolet licht is in te delen in drie categorieën, UV‐A, UV‐B en UV‐C.

http://de.wikipedia.org/wiki/Ultraviolettstrahlung#Unterteilung_nach_Wellenl.C3.A4nge

3 ‐ Fluorescentie20 Fluorescentie is een verschijnsel waarbij chemicaliën zelf licht gaan uitzenden wanneer ze zelf worden belicht met UV‐licht in plaats van dat ze licht reflecteren of enkel opwarmen. Op de afbeelding 21 hiernaast is te zien dat het volledige kleurenspectrum aan licht is te verkrijgen als men maar de juiste chemicaliën gebruikt. De vraag is hoe het kan dat chemicaliën licht uitzenden wanneer ze worden belicht door UV‐licht. Figuur 6: Een serie fluorescerende stoffen die het totale zichtbare spectrum aan licht uitzenden.

Om te beginnen moeten we terug naar het atoommodel van Bohr. Het atoom zoals beschreven in dit atoommodel heeft een aantal eigenschappen, één daarvan is het aanslaan van elektronen. De combinatie van energieniveaus en de elektronenconfiguratie maakt het mogelijk dat elektronen naar andere energieniveaus verplaatsen door invloeden van buitenaf.

Zoals eerder uitgelegd hebben energieniveaus in het atoommodel van Bohr een exacte energetische waarde waar elektronen aan moeten voldoen om in het energieniveau te blijven. Wanneer een atoom in rust is, is de hoeveelheid energie in het atoom minimaal en zullen alle elektronen op het laagst mogelijke energieniveau blijven. Dit wordt de grondtoestand genoemd. Door het energieverschil tussen de niveaus aan te vullen met extra energie, kunnen elektronen zich verplaatsen naar een hoger energieniveau. Men moet zich realiseren dat elektronen energie hebben, de niveaus niet.

3.1 Absorptie22 Om elektronen vanuit de grondtoestand naar een hoger niveau te brengen hebben ze extra energie nodig. Deze energie kan worden toegevoegd door energie in de vorm van hoog energetisch licht, ultraviolet licht. ·

· λ

Wanneer een foton een elektron raakt, zal alle energie van het foton omgezet worden in energie die het elektron bezit, kinetische en potentiële energie. Een elektron met weinig kinetische energie trilt zeer minimaal op zijn plaats. Wanneer een elektron meer kinetische energie krijgt zal het elektron harder gaan trillen. Elektronen die ver van de kern verwijderd zijn hebben meer potentiële energie dan elektronen die dicht bij de kern staan. Deze hoeveelheid potentiële energie is dus afhankelijk van de afstand van de kern tot het elektron.

Fluorescence, 10 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence http://www.calvin.edu/academic/chemistry/faculty/muyskensmark/bottles.jpg 22 Rydberg formula, 24 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_formula 21

3.2 A Aangesla agen toe estand v van een elektron Stel dat het energievverschil tusseen twee eneergieniveaus exact ∆ jou ule bedraagtt. De voorwaarde oton minsten ns ∆ voor hett omhoog brrengen van eeen elektron naar het hoggere niveau, is dat het fo joule aan energie heeeft. Deze en nergie wordt berekend doo o r de formule: u ∆

golflenggte ∆ energieverschil tussen twee niveaus R = constantte van Rydbeerg 1.09737·107 m‐1 ni = nummerr van onderggelegen enerrgieniveau. nh= nummerr van hoger ggelegen enerrgieniveau

ok mogelijk d dat een foton meer dan ∆ ∆ joule ene ergie heeft, n namelijk ∆ joule. ∆ is dan Het is oo de energgie die nodigg is om de ho oogte te bereeiken naar het andere niv e veau. Voor d de overige en nergie geldt dat als 0 , dan word dt de energie omgezett in kinetische energie. Als , dan zal h naar de bove enliggende b baan gaan. In n het geval daat de et elektron n energie van het foto on groter is d dan het hooggst mogelijke niveau, wer e rkt het elektrron zich volle edig uit

Figuur 7 –– Een elektron absorbeert een foton en gebruikt de energie vvan het foton o om zich naar ee en hoger energieniveau te brengen.

Figguur 8 – Het ve erval van vibrattionele energie e in stappen to ot een kritiek pu unt (emissie vaan groen licht)

het atoo om. Vanaf ditt punt is het atoom een ion omdat de lading van de kern onggelijk is aan d de som van de laading van dee elektronen. In de resst van deze sscriptie word dt uitgegaan van 0 , tenzij an nders aangeggeven. Wanneeer een elektron zich bevin ndt in een ho oger energie eniveau vergeeleken met d de grondtoesstand, zeggen w we dat het atoom zich beevindt in aan ngeslagen toestand. Vaakk wordt de ggrondtoestan nd aangedu uid met of . De overrige energien niveaus word den vaak aan ngeduid mett of , afhankelijk van het n nummer van n het niveau. h eenmaal heeeft gevestigd in een hogger niveau zaal het met eeen verhoogde e Als het eelektron zich trillingsssnelheid rond ddraaien ron nd de nucleu us, omdat de restenergie k die omgezzet is in kinettische energie.. Deze kinetissche energiee, zoals eerdeer gezegd, w wordt geuit door het trilleen van een elektron. Geduren nde de aangeeslagen toesstand, zal hett elektron kin netische eneergie verliezeen in stapjes zoals aangegeeven in figuur 8? Deze kin netische eneergie wordt o ook wel vibraationele energie genoem md.

3.3 Emissie Dit proces van energgieverlies gaaat door tot eeen kritieke w waarde, de onderste streeep van de “Exited n figuur 8. Dit is het punt waar het eleektron niet langzamer kaan state” in onder terug tte vallen naaar een lager eenergieniveaau. Tijdens het trillen zo terugvalllen, zal het eelektron zelff een foton u uitzenden om mdat er, in plaats vaan een niveaau wordt gesstegen, gedaaald wordt naaar een lagerr niveau w waar energiee bij vrij komtt. Deze energie staat gelijk aan ∆ . D Dit wordt veeroorzaakt d door het verliezen van vib brationele en nergie tijden ns het draaaien en het zoeken van de energetiscch meest gun nstige positiee ten opzichte van de kern. he energie in warmte, heeft het Door de omzetting vvan kinetisch emissieffoton Joulee minder eneergie dan hett absorptie foton. Wanneeer dit niet het geval is, ko omt er energie uit het nie ets bij, maar dat is on nmogelijk.

Figuur 9 ‐ De hoeveelheid energie van 3 naarr 2 is: ∆

Voor de emissie van een foton ggeldt dezelfdee formule alss de eerder ggegeven form mule voor energien niveaus: 1

∆

3.4 P Procesdu uur Het procces absorptiee, aanslaan een emissie heeeft een zeer korte tijdsduur, ongeveer 0.5 tot 20 naanoseconde.. De gemidde elde tijd vanaf heet absorbereen van een fo oton tot het uitzenden vaan een foton veerloopt via dee formule 23 : ·

= aantal moleculen a n in aangeslagen toestand d = aantal m moleculen in n grondtoestand = vervalsfaactor, versch hillend per stof verlopen n tijd in seco onden.

Figuur 10 ‐ De gemiddeld de tijdsduur van de fluoresscentiefase van n een stof.

deze formulee ook geldt vvoor een oplo ossing met zeer veel moleculen, mog l gen en Omdat d worden vervangen d door intensitteit van het u uitgezonden licht. Deze in ntensiteit geeldt enkel waanneer de UV‐laamp is uitgesschakeld. De inten nsiteit bij een n ingeschakeelde UV‐lamp p 24 :

2.3ε

F = fluoresceentie intensitteit in lux ε = molaire aabsorptiecoëfficiënt in m ë m/mol = afgelegd de weg van h het licht in dee oplossing in n m

Fluoresscence 22 janu uari 2009, http p://en.wikipedia.org/wiki/FFluorescence Characcterization of Quinine and Its Determinattion, Donald TT. Sawyer, William R. Heineeman, Janice M M. Beebe, 1984 24

= lichtintensiteit per mol = efficiëntie in fotonen absorptie/ fotonen emissie k = waargenomen aantal fotonen/fotonen emissie

3.5 Toevoeging van de kwantummechanica25 De kwantummechanica stelt dat de kern en de elektronen een preferabele positie ten opzichte van elkaar hebben. Zoals eerder uitgelegd is de grondtoestand een toestand waarin een atoom zo weinig mogelijk energie heeft. Hierdoor gaan de elektronen naar de meest energiegunstige positie. Deze energetische positie wordt niet alleen bepaald door de golflengte van een elektron, zoals in het atoommodel van Bohr. Doordat de kern van een atoom positief is geladen en de elektronen negatief zou volgens het oude model een elektron te allen tijde aangetrokken moeten worden tot de kern en hoe dichter het elektron de kern nadert, hoe groter de aantrekkingskracht. In de kwantummechanica is dit niet het geval. Er is een punt waarop een elektron het hardst wordt aangetrokken door de kern. Dit wordt weergegeven in figuur 11. De x‐as is de afstand van het elektron tot de kern, de y‐as vertegenwoordigt potentiële energie van het elektron. Omdat de kwantummechanica berust op kansrekening, is de kans het grootst dat het elektron zich in de grondtoestand bevindt in het laagste punt van E0. Wanneer een elektron een foton absorbeert, gaat het elektron naar een Figuur 11 ‐ Twee verschillende energieniveaus: Grondtoestand E0 en aangeslagen toestand E1. hoger energieniveau, E1. Zoals aangegeven met de blauwe pijl, komt het elektron niet op de energetisch meest gunstige plaats – het laagste punt van E1. Het elektron komt uit op het punt waar de blauwe pijl de lijn van E1 kruist. De afbeelding laat ook zien dat de energie van het foton precies even lang is als de blauwe pijl. 26 Doordat er een energetisch gunstigere toestand in E1 mogelijk is, zal het elektron in stapjes naar het laagste punt v’= 0 gaan. Tijdens deze stapjes wordt vibrationele energie omgezet in warmte. Wanneer het elektron op het laagste niveau is, bevindt het elektron zich op het eerder besproken kritieke punt. Het kan niet langzamer trillen zonder naar E0 terug te vallen.

25 26

Franck‐Condon principle, 20 november 2007http://en.wikipedia.org/wiki/Franck‐Condon_principle

Atkins, P.W., Physical Chemistry, (W. H. Freeman, 1982, p 449‐470)

Het dal van de potentiële‐energiecurve zoals in figuur 11 is te beschrijven als een paraboolbaan. Deze baan behoort bij de functie: ² V = potentiele energie van elektron k = constante voor de bindingskracht Re = laagste punt van E0 R = coordinaat tenopzichte van Re. De vibrationele energie per niveau is als volgt te beschrijven: 0.5 ·

= vibrationele energie = hoeksnelheid h = constante van Planck V = potentiele energie van elektron

De hoeksnelheid uit de formule voor vibrationele energie, wordt als volgt berekend:

= hoeksnelheid in radialen per seconde µ = Gereduceerde massa k = constante voor de bindingskracht

De formule voor de gereduceerde massa µ luidt als volgt: 1

µ = Gereduceerde massa = massa elektron = massa kern

Omdat de kernmassa vele malen groter is dan de massa van het elektron geldt: Wanneer het elektron terugvalt, zal het zelf een foton uitzenden met de energie die gelijk is aan de groene pijl. Net zoals het elektron dat van E0 naar E1 ging en niet op de energetisch gunstigste plaats terecht kwam, komt het elektron dat nu weer niet. Het elektron zal verder vibrationele energie verliezen en warmte produceren tot het laagste punt van E0. Vanaf dit punt is het atoom weer in de grondtoestand en in staat fluorescentie te vertonen. Kort samengevat in chronologische volgorde wordt nog een keer uitgelegd hoe fluorescentie optreedt. Een foton met genoeg energie komt in botsing met een atoom in grondtoestand. De energie van het foton wordt omgezet in potentiële energie en kinetische energie waardoor een elektron naar een hoger energieniveau verspringt. Na afremming en warmteproductie valt het

elektron terug naar de grondtoestand en zendt hierbij een foton met minder energie uit dan het foton dat op het atoom in grondtoestand viel.

3.6 Uitzonderingen Het foto‐elektrisch effect, beschreven door Einstein, zegt dat het onmogelijk is om een elektron aan te slaan met licht van een lagere energie dan het te overbruggen energieverschil. Dit komt eveneens terug in de uitleg over fluorescentie hierboven. Elektronen moeten in één keer genoeg energie krijgen van een foton om naar een hoger energieniveau te springen. Echter, chemie zou chemie niet zijn zonder uitzonderingen. Uit recent onderzoek16 – helaas is de uitvinder onbekend – is gebleken dat het wel mogelijk is om fluorescentie op te laten treden met licht van lage energie. Als we de energie van een UV‐foton delen door twee – of de golflengte vermenigvuldigen met twee, hebben we een foton die een golflengte heeft van rood licht. Het blijkt dat onder speciale omstandigheden twee rode fotonen groen oplichtende fluorescentie kunnen veroorzaken. Als één rood foton een elektron raakt, krijgt dit elektron extra energie en zal gaan trillen. Dit is niet genoeg om een elektron naar een hoger energieniveau te brengen. Maar wanneer dit foton nog trilt en er valt nóg een rood foton op het elektron, dan is de energie gelijk aan één UV‐foton welke elektronen naar een hogere baan kunnen brengen. Om dit te bewerkstelligen zijn er echter extreme omstandigheden nodig en zelfs dan is de kans dat het verschijnsel optreedt klein. Men heeft een laser met een energie van 1 TW/cm² nodig, ter vergelijking: dit staat gelijk aan 2000 energiestations die 500 MW leveren, of vierhonderdduizend windmolens a 2,5 MW per stuk. Naast deze zeer intense belichting moeten twee fotonen elkaar opvolgen met een tussenpose van maximaal 0,1 femtoseconde, duizend miljoenste van een miljoenste seconde. Dit is tevens de reden waarom een laser met een dermate groot vermogen nodig is voor deze vorm van fluorescentie. Het vermogen zorgt voor een fotonendichtheid die zo groot is, dat de kans aannemelijk wordt dat een elektron binnen een 0,1 femtoseconde twee keer wordt geraakt door een foton. Deze technologie wordt vooral toegepast bij fluorescente beeldvorming. 27

Fluorescent double photon imaging,22 januari 2009 http://www.bris.ac.uk/Depts/Synaptic/info/imaging/imaging_1.htm

4 ‐ Fosfo oresceentie Fosforesscentie is een n zusterverschijnsel van fluorescentie. Ze lijken in n praktijk en theorie sterrk op elkaar, h het enige verrschil is de veerschijningsd duur van de vverschijnseleen. Fluoresceentie duurt e een paar nanosecconden, echtter fosforescentie kan weel tientallen seconden aaanhouden. D Dit wordt het nagloeieen van fosforrescentie gen noemd. In heet bijzijn van n een stabilisator kan dit verschijnsel zelfs met enkkele uren verrlengd wordeen. Het verscchil tussen fluorescentie en fosforesccentie is klein n, maar zeker weel noemensw waardig.

4.1 T Triplet en Single et28 Om het verschil tusssen fluoresceentie en fosfo orescentie te e beschrijven n moeten eeerst worden uitgelegd wat het veerschil tussen n singlet en ttriplet is en h het wat het vverschil tusseen beide is. SSinglet en tripleet zijn statusssen waar de spin van een n elektron in n kan verkereen. Zoals bekkend, kan de spin van een elektron +0,,5 en ‐0,5 zijn. In de singlet staat zijn de spingetallen elkaars ttegengesteld de, in figuur 12 2 weergeven n als een pijlttje omhoog een een pijltje e naar bened den. De meeste molecule en hebben een singlet ggrondtoestand, omdat dit vrijwel altiijd minder en nergie kost. In de triplet staat zijn de spins ellkaars evenb beeld, tweem maal een positieve spin bijvoorbeeld. Omdatt volgens een n aantal vastgestelde verrboden de dire ecte transitiee van singlet naar triplet verbod den is, maar d de triplet staaat in sommiige gevalle en wel gunstiiger is, moett een elektron een omwegg nemen. Ditt zal het elekktron moeten n doen door ee erst op de zeelfde wijze alls fluorescen ntie aangesslagen te worden en naarr een hoger energie eniveau te gaaan. In deze aangeslagen n Figuur 1 12 ‐ Het versch hil tussen single et en triplet toestand verliest h het elektron vvibrationele energie toestan nd. en zal weer afzakkeen tot het krritische punt, v’ = 0 zie figu uur 11. het bij fosforrescentie anders dan bij fluorescentie. In plaats vvan afdalen n naar de Vanaf diit punt gaat h grondtoestand en heet uitzenden n van een eleektron, kan e een elektron ook naar een lege triplett gaan. Dit proces heet “inteer‐system cro ossing” en iss door de om mkering van d de elektronsp pin alleen in uitzonderlijke gevall e en energetissch gunstig. N Na de overstteek naar de triplet toesttand zal vibraationele energie weer wordeen omgezet in n warmte tot het kritisch he punt v’’=0 0. Nu is het eelektron in sttaat om durende dit p proces, weer terrug te vallen naar de singglet grondtoestand en zijjn spin om tee keren. Ged wat een miljard maaal een miljard d maal langeer kan duren,, wordt even neens een foton uitgezon nden.

Atkins,, P.W., Physica al Chemistry, (W. H. Freemann, 1982, p 449‐4470)

Om dit in een diagram af te beelden is het mogelijk om de elektronspin door middel van pijltjes aan te geven. In figuur 13 staat niet alleen fosforescentie, ook fluorescentie en verval zonder straling zijn in het diagram aangegeven.

4.2 Samenvatting Samenvattend valt te zeggen dat het verschil tussen fluorescentie en fosforescentie de vorm van energieverwerking is. Men kan dit proces vergelijken door fosforescentie te zien als het opslaan van water in een langzaam lekkend potje. Fluorescentie is in dit geval wateropslag in een zeef. Essentieel bij fosforescentie is het begrip van singlet en triplet status.

Figuur 13 – Een ingewikkeld Jablonski‐diagram. Bij de gekronkelde lijnen wordt er geen foton uitgezonden, wanneer het elektron terugvalt. Bij de rechte lijnen gebeurt dat wel.

5 ‐ Chemoluminescentie Chemoluminescentie is een proces waarbij licht gegenereerd wordt ten gevolge van vrijgekomen energie uit een chemische reactie. Soms is het uitgezonden licht voor ons niet zichtbaar, in de vorm van UV‐licht of infrarood licht, maar in de meeste gevallen bevindt het licht zich binnen het voor ons zichtbare spectrum.

5.1 Reactietypen Chemoluminescentie is op te delen in twee groepen:

Synthetisch gegenereerde chemoluminescentie. Deze reactie komt voor onder door de mens gecreëerde omstandigheden, bijvoorbeeld in een reageerbuis. Biologisch gegenereerde chemoluminescentie. Dit komt onder andere voor bij vuurvliegjes, waarbij een zeer efficiënte reactie plaatsvindt in het achterste deel van het lichaam van de vlieg. Voor beide groepen geldt hetzelfde principe, waarbij stoffen in aangeslagen toestand licht uitzenden. Uit vele onderzoeken blijkt echter dat biologische reacties vaak veel complexer zijn, maar ook veel efficiënter dan de reacties uitgevoerd in laboratoria. 29 30 Er zijn twee basismodellen voor chemoluminescente reacties:

A + B Æ C*+ D

C*Æ C + licht

A + B Æ C* + D C* + K Æ K* + C

(reactie 1) K* Æ K + licht (reactie 2)

Net als bij fluorescentie en fosforescentie, is er energie nodig die een atoom in aangeslagen toestand brengt. Deze wordt in het geval van chemoluminescentie geleverd door veel energie bevattende chemicaliën. De meest gebruikte verbinding is het energierijke peroxide, bestaande uit twee enkelgebonden zuurstof atomen: O – O. Deze binding is instabiel, maar door deze instabiliteit ook zeer reactief. In praktijk wordt waterstofperoxide HO – OH veel gebruikt om de reacties te doen verlopen. Reactie (1) wordt ook wel de luminolreactie genoemd en is de simpelste van de bovenstaande reacties. Zoals de naam al doet vermoeden, is deze reactie vernoemd naar de chemoluminescente reactie tussen luminol en waterstofperoxide, waarbij fel blauw licht wordt geproduceerd. Voor de reactie in zijn algemeen reageren twee stoffen met elkaar, waarvan één meestal zeer veel energie bij zich draagt. Een voorbeeld hiervan is het eerder genoemde waterstofperoxide. Deze twee stoffen reageren tot stof C, welke aangeslagen is door de hoeveelheid vrijgekomen energie. Dit wordt in de vergelijking aangeduid met een sterretje (*). Deze aangeslagen toestand is exact dezelfde toestand als de toestand die atomen aannemen bij fluorescentie. Er zal bij het terugvallen van een aangeslagen molecuul dan ook maar één atoom in het molecuul zijn dat een foton uitzendt. Wanneer een stof meerdere chemoluminescente groepen bevat, is het mogelijk dat er meerdere atomen een foton uitzenden, maar nog steeds per groep één foton. 31

Chemiluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Chemiluminescence Bioluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence 31 Chemiluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Chemiluminescence 30

In het geeval van luminol wordt d de reactie dan als volgt:

Figguur 14 ‐ In de afbeelding wordt weergeven n hoe het stabie ele luminol in b bij zijn van OH‐ in tw wee mogelijke d di‐anionen kan veranderen. EEen van de anio onen wordt doo or waaterstofperoxid de (niet afgebe eeld in de figuu ur) aangeslagen n naar de Triple et staat. Via inttersystem crosssing gaat het ion over in singl o let toestand (S1) en bij het terrugvallen naar auw foton uit. grondtoestand (SS0) zendt het molecuul een bl m

i luminolreacctie veelvuldiig gebruikt bij recherchetteams die moordonderzo oek In praktijk wordt de verrichteen. Luminol heeft namelijk volgens h het reactieschema in figu uur 14 OH‐ no odig om zich te verandeeren in het dii‐anion, echtter is het ookk mogelijk om m ijzer of kop per als vervaangingsprodu uct van ‐ OH te gebruiken. Om mdat ijzer in het heem vaan rode bloe edcellen zit een achterblijfft in kleding, tapijt muren, zelfs n na meermaleen wassen, m maakt dit de lluminolreacttie uiterst geeschikt om en op m bloedvleekken op te ssporen. Het is mogelijk o om bij muren n waar twaalf jaar geledeen bloed op is gekomen, nu nog aaan te tonen d dat daar bloeedvlekken he ebben gezeteen. nstelling tot rreactie (1) is reactie (2) eeen volledig aander type reeactie. Doordat in reactie 2 In tegen tussen A A en B voldoeende energiee opgewekt w wordt, wordt reactieprod duct C in aan ngeslagen to oestand geprodu uceerd. Omdat C* zelf nieet in staat is licht uit te zenden, word dt stof K aan de reactie toegevo oegd. Deze to oegevoegde stof kan de eenergie van d de aangeslaggen toestand d van C* opn nemen en zelf w wel licht uitzeenden wanneer de elektronen binne en het molecuul terugvallen. Deze sto of K bestaat in het algem meen over uitt zeer veel beenzeengroep pen en is zelff fluorescentt. Bij de relaxatie omen als een n A of B bij re eactie van K* zaal een foton worden uitggezonden. Sttof K zal zelf nooit voorko (1) omdat deze zelf tte inert is om m te reageren, echter is h het dus wel m mogelijk om deze stof aaan te slaan en n licht uit te laten zenden n. 32

Chemiluminescencee, 22 januari 2009, http://en n.wikipedia.org/wiki/Chem miluminescencce

5.2 Efficiëntie 33 Omdat een perpetuum mobile onmogelijk is, kunnen we bij reactie (1) en (2) spreken over efficiëntie. Deze efficiëntie bestaat in tegenstelling tot enkel de hoeveelheid opgenomen fotonen en uitgezonden fotonen bij fluorescentie en fosforescentie, uit een stuk meer variabelen, waardoor de efficiëntie van de reactie naar beneden gaat. De efficiëntie, ook wel kwantumopbrengst, van chemoluminescente reactie 1 (ΦCL) is gebaseerd op drie variabelen: • • •

ΦCE De kans dat A en B een aangeslagen reactieproduct C* achterlaten. Deze kans is hooguit in de orde van 10‐3 of kleiner. Wanneer A en B altijd zouden reageren tot C* zou ΦCE = 1 gelden. De kans dat het aangeslagen product C* vervalt naar de grondtoestand en hierbij een ΦF foton uitzendt in plaats van verval in de vorm van warmte. Deze kans is gemiddeld genomen ongeveer 0.1 De kans dat de moleculen, A, B, of C* zich gedragen naar het ideale model en alles ΦR reageert naar het gewenste product en geen bijproducten gevormd worden. Deze kans is in vrijwel alle gevallen bijna 1.

De kwantumopbrengst ΦCL wordt dan:

ΦCL = ΦCE · ΦF · ΦR De kwantumopbrengst van chemoluminescentie wordt bepaald door drie waarden, allen tussen één en nul. Wanneer van reële waarden wordt uitgegaan is een normale kwantumopbrengst voor reactie (1): 10‐3 · 0.1 · 0,95 = 0,000095 een rendement van 0,0095% Net als reactie (1) heeft reactie (2) ook een formule voor de kwantumopbrengst, deze is echter anders opgesteld omdat de reactievorm ongelijk is aan de vorm van reactie (1). In plaats van dat reactieproduct C* zelf een foton uitzendt, draagt het foton energie over aan K wat later een foton zal uitzenden. ΦF (de kans dat er een foton wordt uitgezonden) wordt vervangen door twee kansen. •

De kans dat het overdragen van energie tussen C en K volledig gebeurt. Deze kans is ΦET ongeveer gelijk aan 1 De kans dat de aangeslagen kleurstof K* een foton uitzendt bij verval naar de • ΦF’ grondtoestand. Deze kans is in tegenstelling tot de kans bij ΦF veel groter, namelijk ongeveer 1. Dit komt doordat een kleurstof enkel de functie heeft om fotonen uit te zenden. De kwantumopbrengst voor reactie (2)

ΦCL = ΦCE · ΦR · ΦET · ΦF’ Als de reële kansen voor de kwantumopbrengst ingevuld worden, verkrijgt men: 10‐3 · 0,95 · 0,95 · 0,95 = 0,000857375, een rendement van ongeveer 0,086% Een aanzienlijk hogere waarde dan bij reactie (1).

Chemiluminescence Explained (Lumigen 2002)

6 ‐ Luminescentie in de praktijk Zoals in de inleiding al te lezen was, zijn er ongelofelijk veel toepassingen van luminescentie te vinden in de directe omgeving. Een paar hiervan hebben wij onderzocht en daar gaan we in dit hoofdstuk nader op in. We zullen de volgende stoffen behandelen: kinine, aesculine, fluorescine, diphenyloxalaat (gebruikt in breaklights), zinksulfide en quantumdots. Ook een korte toelichting op de UV‐lamp die we hebben gemaakt.

6.1 UVlamp Veel van de proeven die je kunt doen met luminescentie, zijn niet mogelijk zonder UV‐licht. Vandaar dat wij ook een oplossing moesten vinden, om UV‐licht te verkrijgen. Hiervoor gingen we aanvankelijk naar een van de technisch onderwijs assistenten en wel die van natuurkunde ‘toa Jan’. Hij had voor ons een UV‐lamp die licht uitzend op een frequentie van 365 nm. Er was echter een probleem. Deze lamp was al oud, en mocht niet langer dan tien minuten aanstaan, omdat hij anders te warm werd. Daarom besloten we om zelf een UV‐lamp te maken, bestaande uit LED’s. Deze LED’s zenden licht uit op een frequentie van 395 nm. De frequentie is iets hoger dan de oude lamp, maar alle proefjes bleken er prima mee uit te voeren, beide lampen zenden immers UV‐A licht uit (zie paragraaf 2.4.4). Het principe van de lamp is heel eenvoudig. Er zijn 35 LED’s aangesloten op een voeding van 12V. Elke LED heeft een eigen weerstand van 370 Ω. Het kostte ongeveer tien uur om alles aan elkaar te solderen, inclusief bananenstekkers en krimpkous. De kosten waren ongeveer €3,70. Vervolgens hebben we een plaatje aluminium gekocht, en daarin op regelmatige intervallen een gat geboord met een diameter van 5 cm. Hier passen de LED’s in, mits er een beetje kracht wordt gezet. Daarna hebben Figuur 15 – Zelfgebouwde UV‐lamp we deze aluminiumplaat in een houtblok gezet, waar een gleuf in zit. Op deze manier blijft de UV‐lamp vertikaal staan zonder dat deze hoeft worden vastgehouden.

Schema 1 – Het schema van de UV‐lamp

6.2 Fluoresceïne Fluorescceïne is de eeerste fluoresscente stof w waar wij mee e hebben gew werkt gedureende de onderzo oeksfase. Tevvens was dit de meest brruikbare stof om onze pro oeven mee u uit te voeren o omdat de sto of goed verkrijgbaar wass in zeer zuive ere vorm. In onze onderzzoeken hebben wij gewerkt met een 99,,95% zuiveree stof, goedgekeurd voorr farmaceutissche toepasssingen. Dit werd d ons verstreekt door de lo okale opticieens in kleine strips, bevatttende 100m mg fluoresceïïne. Fluorescceïne wordt ggebruikt in d de medische wereld en de biochemiee, de felgroen ne kleur worrdt ook gebruiktt als kleursto of.

6.2.1 S Stofeigen nschappe en Fluorescceïne wordt ggesynthetiseeerd uit één molecuul ftaaalzuuranhyd dride en tweee moleculen n resorcinol onder een n katalysatorr van zinkchloride.

Figuur 16 6 – De synthese e van fluoresceïïne

engte is Fluorescceïne heeft eeen maximale absorptieggolflengte van 494 nm, dee maximale eemissiegolfle 521 nm,, groen licht. Deze groene kleur is zeeer intens, zellfs in het dagglicht wat uitt een kleine hoeveelheid UV‐licht bestaat. Flu uorescentie treedt enkell op wanneer de stof in eeen oplosmid ddel is ne een bruinrrode vaste sttof. Volgens naslagwerke en en opgelostt. In onopgeloste vorm iss fluoresceïn tabellen nboeken (Wikkipedia.org een CRC Hand dbook, Lide 2 2006) zijn intensiteit en ggolflengte afh hankelijk van zuurrgraad. Wij h hebben dit geetoetst, resu ultaten en uittvoering zijn te vinden op de volgend de bladzijdee 34

6.2.2 N NaOH – H HCl titrattie onderr fluorescceïne Naast dee standaardeeigenschappen van fluorescente stofffen, zijn er o ook bijversch hijnselen die de verschijn ning van cheemicaliën tottaal kan veranderen, een daarvan is vverandering in zuurgraad d. De zuurgraaad wordt aan ngeduid mett de afkortingg pH. Het CR RC Handbookk of Chemistrry and Physiccs (David Lide, 200 06, blz 8‐18) stelt dat fluoresceïne kleeurveranderring vertoontt onder UV‐licht bij wisse elende pH’s. Dee Jong en De Graaf hebbeen hierbij een toetsend o onderzoek uiitgevoerd en n hebben een n titratie in triplo uitgevoerd.

Experim ment Bij het to oetsend ond derzoek hebb ben wij een sstandaardtitrratie uitgevo oerd met zou utzuur 0,01 M M en natronlo oog 0,01 M. Hierbij hebben wij 1 milligram fluore esceïne 99,95 5% farmaceu utische kwaliteit gebruiktt als indicato or voor de beepaling van h het omslagpu unt.

Gebruikkte opstelling 390nm U UV‐lamp. Bestaande uit UV‐leds op 1 12V, 20mA. 34

Lyde, D D.R., CRC Handbook 86th eedition, (Taylor and Francis Group, 2006, p 8‐18)

Statief met buret (100 ml) gevuld met 100 ml natronloog 0,100M. Dimmer om de opstelling af te schermen van licht buiten het uitgezonden licht van de UV‐lamp. Bekerglas gevuld met 20 ml zoutzuur 0,01M.

Opzet en geplande werkwijze De titratie begint met het noteren van de beginstand van de hoeveelheid natronloog in het buret. Hierna wordt het zoutzuur geneutraliseerd door druppel voor druppel natronloog toe te voegen aan het zoutzuur en dit zodoende te neutraliseren. Volgens het CRC Handbook zou fluoresceïne onder pH 4 geen fluorescerende werking moeten vertonen en kleurloos blijven. Bij een pH‐waarde die hoger dan 4,5 is, zal fluoresceïne felgroen fluoresceren. Als dit punt wordt bereikt, wordt de eindstand opgeschreven en door berekening de pH‐waarde van fluoresceïne berekend. Alvorens de titratie werd uitgevoerd verwachtten wij dat we ongeveer 18 ml natronloog aan 20 ml zoutzuur moesten toevoegen.

Resultaten en waarnemingen Bij de toevoeging van fluoresceïne aan de 20 ml zoutzuur trad er geen kleurverandering op zoals volgens het CRC Handbook had gemoeten. Toch hebben wij de titratie uitgevoerd met een negatief resultaat. Er was geen duidelijk omslagpunt, echter werd wel duidelijk dat de intensiteit van de fluorescentie toenam naarmate de pH‐waarde naar 7 ging. Met deze resultaten werd de toetsing nogmaals uitgevoerd, maar dan met een concentratie vermenigvuldigd met honderd – HCl‐oplossing 1M en NaOH‐oplossing 1M. Bij toevoeging van fluoresceïne aan 20 ml zoutzuur was een sterke vergeling van de oplossing waarneembaar, na toevoeging van ongeveer 15 ml natronloog kwam de kleur van fluoresceïne terug.

6.3.2 Samenvatting Onder de omstandigheden van het uitvoeren van het experiment, is aangetoond dat fluoresceïne een vaag omslagtraject heeft waarbij de kleur van fluoresceïne naar vaag groen in zure omgeving naar felgroen in neutrale en basische omgeving gaat. Er was echter geen mogelijkheid om een perfect donkere ruimte te creëren, waardoor het omslagpunt minder duidelijk werd. Verder nemen wij aan dat de resultaten uit het CRC Handbook wel onder ideale omstandigheden zijn verkregen. Er zal dus waarschijnlijk een onduidelijk omslagpunt liggen tussen pH = 4 en pH = 5.

6.4 K Kinine Een van de eerste sttoffen die wee als zijnde lu uminescent vvonden op in nternet, was kinine. Kinin ne is een nwoordig wo ordt gevonde en in tonic en bitter lemon. Om deze e stof in blauw oplichtende sstof die tegen we een fles TTonic Light ggekocht een hoggere concentratie te krijgen, hebben w in de sup permarkt, dee inhoud in eeen klein bekkerglas gedaaan en deze vervolgeens met een verwarmplaaat ingedamp pt. We gebru uikten hiervo oor bewust TTonic Light, omdat daar geen natuurrlijke suikers inzitten. Waanneer die er w wel in zouden n zitten, zal de inhoud van n het bekergglas karamellliseren als we het proberen in te dampeen. Toen de sstof voldoende was inged dampt, hebben we de inhou ud in een klein bekerglas gedaan en h het naast een nzelfde bekerglaas gevuld, deeze gevuld m met water geh houden, om de beide bekerglaaasjes te verggelijken. Hett verschil in luminescentiie was duideelijk te zien. Waanneer we m met ultravioleet licht van 3 395 nm op he et bekerglas kinine straaldeen, fluoresceeerde de oplo ossing licht m met een golflengte van 45 50 nm.

Figuur 17 – Cincchona bloem

6.4.1 O Oorspron ng Kinine komt van de C Cinchona bo oom, die oorsspronkelijk u uit het Andess gebergte in n Zuid‐Amerika komt. Kinine iss een van de stoffen die d de boom pro oduceert. Sto offen die doo or de boom w worden gem maakt worden Cinchona alkaloïden gen noemd. In dee boom word dt cinchonidiine gesyntheetiseerd naarr kinine.

6.4.2 K Kinine alls mediciijn Afgezien n van de fluo orescerende eigenschap vvan kinine, w was het 300 jjaar lang een n medicijn te egen malaria,, tot de Eerstte Wereldoorlog begon. De reden dat het vervangen werd do oor een ande er medicijn n, is de effecttiviteit van h het medicijn. Die gaat namelijk verlorren wanneerr er niet telke ens nieuwe kinine in hett lichaam kom mt. De parassieten die maalaria in het lichaam versspreiden, wo orden door kin nine alleen geeblokkeerd in de rode bloedcellen. W Wanneer de p parasieten o op een anderre plaats in het licchaam zitten n, worden ze niet gedood d. Hierdoor kkunnen ze zicch weer verm menigvuldige en in het bloed zo odra er geen kinine meerr aanwezig iss. Daarnaaast is kinine kkoortsremmeend. Hoewell ongevaarlijk om in te neemen, kunneen hoge dose es kinine wel bijw werkingen geven.

Figuur 1 18 – Links een b bekerglas gevulld met water, rechts een bekerglas m met kinine erin,, onder UV‐lich ht

Figuurr 19 – Fles tonicc licht ook op o onder UV‐licht

6.5 A Aesculine Naast flu uorescente cchemicaliën in potjes en reageerbuizen, zit de natuur ookk vol met fluoresccente chemiccaliën. Een vaan deze stofffen is aesculin ne, bestanddeel van hars en sap van d de kastanje eboom. Aescculine is een glucoside, ee en glucosem molecuul meet één restgrroep. eid 100 Wij hebben vanwege de matige oplosbaarhe gram takken van een kastanjebo n oom een halff uur t sbaarheid tee verhogen. D Dit gekookt om de oplo resultee erde na filtratie in een zeer donker, m maar sterk flu uorescerendee heldere bruine oplossin ng. Aesculinee het in oplossing onder UV V‐licht wordtt geeft lichtblauw licht wanneer h Aesculine gehoudeen. Een keerzijde aan aessculine is de hydrolyse. A hydrolysseert met eeen halfwaardetijd van onggeveer 4 daggen. Echter iss het moggelijk de vastte deeltjes uiit de oplossin ng te halen d door de oplossin ng vijf minuteen in een cen ntrifuge te laaten draaien op 16.000 toeren p per minuut. Figuur 20 – Een kastanjetak in een po ot water, waarb bij Aesculin ne oplost in hett water.

Figuur 22 – Een erlenme eyer gevuld ntrifugeerde op plossing met gecen Aesculinee.

Figuur 2 21 – Structuurfo ormule van Aessculine

6.6 Fluorescentielamp Een ander voorwerp wat in de maatschappij veelvuldig voorkomt is de zogenaamde fluorescentielamp. Een ander woord hiervoor is tube luminescent. We willen benadrukken dat ‘TL‐ buis’ een onjuiste benaming is voor deze fluorescerende lamp. In de afkorting TL zit namelijk al het woord ‘buis’, zij het in het Engels. Het principe berust op een buis – vaak in de vorm van een lange staaf – die, wanneer er elektriciteit door stroomt, licht gaat uitzenden. Zoals de naam al doet vermoeden, treedt hier ook een vorm van luminescentie op. Het is gemakkelijk te verklaren dat dit fluorescentie moet zijn, immers worden er geen afzonderlijke stoffen bij elkaar gedaan, waarna een onomkeerbare reactie ontstaat (chemoluminescentie). Ook hebben we proefondervindelijk gezien, dat een TL‐lamp niet nagloeit, nadat men de stroomschakelaar omzet. Hierdoor kan fosforescentie ook weggestreept worden uit het lijstje en blijft fluorescentie over.

6.6.1 Het principe Een fluorescentielamp bestaat uit een luchtdichte glazen buis, gevuld met de edelgassen krypton, argon en kwikdamp. Aan beide uiteinden van de buis zitten metalen elektroden, die zijn voorzien van een coating, waardoor elektronen gemakkelijk worden afgegeven aan het gas in de buis. Er gaat stroom door het geïoniseerde Kryptongas en de kwikdamp, waardoor dit ultraviolet licht gaat uitzenden. Dit licht komt echter niet buiten de lamp, omdat het licht tegengehouden wordt dor het glas. Op de binnenkant van de glazen buis wordt daarom een fluorescerend poeder gedaan, meestal zinksilicaat met andere stoffen er doorheen gemixt. Door het ultraviolette licht wordt de stof geëxciteerd, waardoor het een Schema 2 – Elektrisch circuit van een fluorescerende mengsel van de poeders licht uitzendt dat lijkt op wit lamp licht. Door de samenstelling van het poeder op de binnenkant van de buis te veranderen, kan de kleur ook beïnvloed worden.

6.6.2 Experimenteren met een fluorescentielamp We vroegen ons echter af, of er nog speciale voorwaarden zijn, voordat een fluorescentielamp licht gaat uitzenden. Aanvankelijk hebben we geprobeerd om van buitenaf ultraviolet licht op een fluorescentielamp te schijnen en zo fluorescentie te maken. Na proefondervindelijk te hebben ervaren dat er op deze manier niets gebeurde, is de buis, in een plastic zak in de vuilcontainer kapot geslagen, waarna de stukken glas en het poeder in een schaaltje zijn opgevangen. Toen we dit poeder blootstelden aan ultraviolet licht met een golflengte van 395 nm, of 365 nm, gebeurde er beide keren niets. De verklaring hiervoor moet zijn dat het poeder – de exacte samenstelling blijft een geheim van de fabrikant – pas licht gaat uitzenden bij ultraviolet licht met een kleinere golflengte.

6.6.3 Samenvatting Het poeder aan de binnenkant van de buis, licht niet op bij een golflengte van 365 nm of hoger.

Figuur 23 ‐ Fluorescentielampen

6.7 G Glowsticks / Bre eaklightts uminescentie heeft vele toepassingeen, een daarvvan is de breaklight. Een breaklight iss een Chemolu lamp gebaseerd op d de lichtgeven nde werking van chemoluminescentee reacties. D Deze lampen zijn vooral ggeschikt als laangdurig werrkende herkeenningslamp p om bijvoorbeeld een teerrein of een looproute te markerren, maar oo ok voor duikeers om herke end te wordeen, of in het leger om een noodsignaal te geven. Het grote voordeel vaan deze lamp pen is dat ze ter plekke aaan te zetten zijn, meegaan en b bovenal geen n elektriciteitt nodig hebb ben. minstens acht uur m

6.7.1 D De bouw w van brea aklights Omdat b breaklights ggeen elektriciteit nodig hebben, maarr wel ingesch hakeld kunnen worden op eeen gewenstt moment is er een mech hanisme bedacht waarbij chemolumin nescente stofffen gemenggd worden bij het breken n van een breaklight. In figuurr 25 is te zien n dat een breeaklight besttaat uit een p plastic omhu ulsel(1) met daarin eeen glazen bu uis met een ggekleurde vlo oeistof(2) en n buiten de gglazen buis een tran nsparante vlo oeistof(3). Om de lamp liicht te laten geven moet men de lamp breeken. Bij dezze beweging zal het plasttic omhulsel meebuigen en de glazen b buis breken(4 4). Dit heeft als gevolg daat de stoffen n mengen en een chemolu uminescentee reactie leveeren(5). 35

Chemiee van breek klampen 36 Voor de gehele werkking van breaaklights zijn wij een dag naar de oningen geweeest waar eeen vijfdejaarssstudent scheikunde Rijksunivversiteit Gro onderzo oek verricht n naar de chem mische reactie in en optim malisatie van n breaklights. In breakklights zitten drie stoffen: oxaalzuur • Ester van eeen fenol of eeen afgeleide hiervan en o • Waterstofpeeroxide uminescentee kleurstof • Een chemolu

Figuur 24 – EEen breaklight 1) Plastic om mhulsel 2) Gekleurde e vloeistof 3) Transparante vloeistof (e ester) 4) Glazen buiis 5) Reactie tussen kleurstof en ester

n bevat drie chemicaliën. Dit stemt o overeen met reactie (2) o op pagina 25. Hierbij De reacttie hierboven zijn wateerstofperoxide en de estter respectievelijk stoffen n A en B. De chemolumin nescente kleurstof is stof K. O Omdat produ uct C nog onb bekend is staaat de totaalreactie in strructuren op de volgende e pagina.

35 36

Glowsttick, 21 januarri 2009 http:///en.wikipediaa.org/wiki/Glo ow_sticks Cyalum me, 23 januari 2009, http:///en.wikipedia..org/wiki/Cyalume

Figuur 25 –– Oxidatie van ffenyloxalaatestter en watersto ofperoxide. De daaruit gevorm mde stof reageert m met de kleurstoff (dye) en de kleurstof raakt a aangeslagen (err wordt licht uitgezonde en).

In praktiijk wordt de ester van fenol en oxaalzuur vaak ve ervangen doo or waterstoff van het fenol te substitueren voor ch hloor‐ of nitrrogroepen. D Door deze substituties wo ordt de reacttie tussen de e ester en het w waterstofperroxide een sttuk heftiger, maar gaat ook het rendeement van de reactie om mhoog. In deze gevvallen kan dee kwantumopbrengst voor de reactie e tussen de eester en het w waterstofperoxide ‐4 ‐3 3 ΦCE = 10 0 worden verhoogd naa v ar ΦCE = 10 . Ook pH veranderingen en andere toevoeginggen, zoals saalicylzuur verrhogen de licchtopbrengstt. omplexe arom matische verrbindingen, d deze verbind dingen hebbe en een De kleurrstoffen zijn allen zeer co hoge maate van activviteit wanneeer energie wordt toegevo oegd aan de stof. Het is vvan het mole ecuul afhankelijk welke go olflengte licht ze uitzendeen bij het terrugvallen. En nkele stoffen n die worden gebruiktt in breeklam mpen zijn 37 38 : Kleur Stofn naam Blauw 9,10‐‐difenylanthraceen Groen 9,10‐‐bis(fenyleth hylnyl)anthraaceen Geel‐groen o Tetraaceen Yellow 1‐Chloor‐9,10‐biss(fenylethyln nyl)anthraceen Oranje Rubrreen, Rhodam mine 6G Rood Rhod damine B Figuu ur 26 – Structuurformule van Rhodamine B

6.7.2 T Toetsing gsonderzo oek chem molumine escente k kleurstofffen en correctheid va an gegeve ens Om te toetsen of de o informatie u uit de gelezeen lectuur klo opt, hebben wij in lokaal 112 en in M Max zijn thuislaboratorium een onderzoeek uitgevoerd d. Bij dit ond derzoek hebb ben we kruislinkse toevoegingen gedaan om te contro oleren of de reactie tusseen de vloeisttoffen gelijk was. 37

Chemiluminescencee, 22 januari 2009, http://en n.wikipedia.org/wiki/Chem miluminescencce How ligghtsticks workk, 25 januari2009 http://ch hemistry.abou ut.com/od/howthingsworkffaqs/a/howligghtsticks.htm 38

Allereerst hebben wij in de zuurkast bij practicumlokaal 112 een serie breeklampen met uiterste precisie opengewerkt. Wij troffen een transparante, olieachtige vloeistof aan, wat overeenstemt met de eerder gelezen lectuur. Tevens zaten er gekleurde glazen buisjes in de plastic huls. De inhoud van deze glazen buisjes had een fluorescerende werking wanneer deze onder UV‐licht werden gehouden. [plaatjes]. De transparante vloeistof uit een groene breaklight hebben wij (1) genoemd, de gekleurde vloeistof (2), bij de rode breaklight hebben wij de transparante vloeistof (3) en de gekleurde vloeistof (4) genoemd. Wij hebben deze stoffen aan elkaar toegevoegd: (1) + (2) Æ Groen licht (2) + (3) Æ Groen licht (1) + (3) Æ Geen zichtbare reactie (2) + (4) Æ Donker mengsel (2) + (4) Æ Blauw licht (3) + (4) Æ Blauw licht Door deze combinaties in te passen in reactie (2) uit paragraaf 5.1, kunnen we concluderen dat stof (1) en stof (3) hetzelfde zijn, of dit de ester is, is nog onbekend. Tevens is duidelijk dat de gekleurde vloeistoffen, waarvan de lectuur zegt dat het waterstofperoxide en een kleurstof zijn, inderdaad deze stoffen zijn. Om waterstofperoxide aan te tonen, hebben wij 0,2 gram mangaan(II)oxide toegevoegd aan 1 ml gekleurde vloeistof. Mangaan(II) oxide heeft een katalyserende werking op de zuurstofafgifte van waterstofperoxide en zou er gasvorming waargenomen moeten worden. Deze verwachting was correct. Als laatste hebben wij aangetoond dat olieachtige vloeistof (1) en (3) een ester is. Dit hebben wij gedaan door pH controle. Omdat waterstofperoxide en de ester van oxaalzuur en fenol beide neutraal zijn en bij de reactie het zure oxaalzuur vrijkomt, zou de zuurgraad moeten dalen. Dit hebben wij aangetoond door aan buis (1) 0,5 ml 25% waterstofperoxideoplossing toe te voegen. Dit hebben wij twee uur laten reageren, aangenomen was dat de reactie was afgelopen. Hierbij moet vermeld worden dat wij niet zeker zijn van enige opgetreden gasvorming Uit het reactiemengsel is één druppel genomen, deze hebben wij laten reageren met blauw lakmoespapier. Het resultaat was een rode kleuring van het papier, waaruit kunnen wij concluderen dat het zeer waarschijnlijk is dat de olieachtige vloeistof een ester van fenol en oxaalzuur is. Tot nu toe hebben we aangetoond dat: (1) en (3) de ester uit reactie uit figuur 25 is. Tevens hebben we aangetoond dat het correct is dat in buis (2) en buis (4) in ieder geval waterstofperoxide en een kleurstof zitten.

Invloed van warmte‐energie We hebben ook uitgetest of warmte de intensiteit van reactie doet beïnvloeden. In een reageerbuis lieten we het fenyloxalaatester en de kleurstof reageren, waarna we er eerst een foto van namen in de open lucht. Vervolgens stopten we het reageerbuisje in een bekerglas heet water. Vrijwel meteen werd de intensiteit van het licht veel hoger. Hier hebben we ook een foto van genomen. Dit is te zien in figuur 28 en 29 op de volgende bladzijde.

Figuur 27 – Reactie tijdens kamertemperatuur (20°C of 293 Figuur 28 – Reactie in een bekerglas heet water (70 °C of 343 K) K)

6.7.3 Samenvatting Uit de resultaten van de proeven kunnen wij concluderen dat er in de plastic huls een ester van oxaalzuur en fenol zit, of een afgeleide van fenol. Daarnaast is aangetoond dat er in de gekleurde glazen buisjes chemoluminescente kleurstof en waterstofperoxide aanwezig zijn. Verder is het mogelijk dat de fabrikant, waar wij geen contact mee konden krijgen, toevoegingen doet om de intensiteit van het licht en de brandduur van de lampen te verhogen. Dit is echter niet proefondervindelijk na te gaan.

6.8 Open dag op Stad en Esch Zuideinde Omdat proefjes met oplichtende stoffen doorgaans veel verbazing opwekken bij mensen, hebben we besloten om op de open dag van Stad en Esch Zuideinde voor aanstaande brugklassers ons profielwerkstuk te presenteren. Dit gebeurde op 27 januari 2008 in het scheikundelokaal. We hielden hierbij een inleidend praatje op het niveau van 12‐jarigen. Daarna lieten we ze een bankbiljet zien onder ultraviolet licht. Vervolgens lieten we de kinderen zelf een kleurstof uit de breaklights mengen met het ester. In figuur 30 en 31 een impressie van de dag. Links het team,

in het midden de verschillende proefopstellingen (waaronder het zoutenpracticum, het apparaat van Hoffman en het verbranden van magnesium). Rechts tenslotte een foto van onze proefopstelling met de kleurstoffen en de ester.

Figuur 29 – Van links naar rechts en van boven naar beneden: Bas, Janine, Max, Suzanne en Lotte.

Figuur 30 – Impressie van de Open Dag op Stad en Esch Zuideinde op 27 januari 2008.

6.9 Quantumdots Lezing chemiekring DSM Zwolle Door de docent Harry van der Gronde, werden wij uitgenodigd om op 25 november 2008 een lezing bij te wonen, die gerelateerd was aan het onderwerp van ons profielwerkstuk. Hier proberen we een kort verslag neer te zetten van de avond. Exact uitleggen wat de afgestudeerde chemicus precies heeft gedaan is voor ons helaas onmogelijk, omdat de stof erg complex was. Eerlijkheid gebiedt te zeggen dat zelfs sommige leden van de chemiekring moeite hadden om alles te begrijpen. De spreker op de avond is Rolf Koole. Hij heeft onderzoek gedaan naar het verschijnsel quantumdots.

Figuur 31 – Rolf Koole

6.9.1 Theorie Een quantumdot heeft een diameter van 2 tot 10 nanometer, dat komt overeen met 20 tot 50 atomen. Wanneer de vorming van quantumdots niet wordt beïnvloed, hebben ze meestal een grootte van 10 tot 50 nm. Een quantumdot bevat tussen de 100 en 100.000 atomen. Een quantumdot is in feite een zeer klein kristal dat bestaat uit een stof. Meestal is dat een kristal van CdSe, CdTe, of CdS. Om de grootte van de quantumdots te beïnvloeden heeft zijn team van wetenschappers de zogenaamde ‘Hot‐ ejecton methode’ ontwikkeld, waarbij de quantumdots van Figuur 32 – Oplichting van quantumdots met verschillende grootte. De quantumdots links een oplossing waarin ze stabiel zijn, ondergedompeld zijn kleiner dan de quantumdots rechts. worden in een hete oplossing, waarbij de quantumdots zich opnieuw vormen. Doordat quantumdots kleine kristallen zijn, vormen ze een net raster wanneer ze naast elkaar liggen. De onderzoekers hadden echter een probleem. De bolletjes vormden in de praktijk geen cirkels, maar sterren, omdat ze vervuild waren met lood‐oleaat. Dit oleaat heeft een afstotende werking op de quantumdots, waardoor ze verder uit elkaar komen te liggen. Zo kwamen ze in de vorm van een ster bij elkaar te liggen, terwijl het de bedoeling was dat alle dots een cirkel vormden. Na enkele experimenten hebben ze de vervuiling uit de reactie weten te halen en behaalde men het gewenste resultaat.

Fluorescentie Het bijzondere aan deze quantumdots is, dat ze alle soorten licht kunnen uitzenden. De kleur van het licht wordt niet bepaald door de samenstelling van de quantumdot, maar door de grootte van de quantumdot. Daarnaast speelt de vorm van het raster waarin de dots liggen, een rol. Hoe groter de quantumdot is, hoe minder energie deze zal uitzenden bij het fluoresceren. Hoe kleiner de quantumdot is, hoe blauwer het licht zal zijn (en dus energierijker). De verklaring hiervoor ligt in de zogenaamde band gap.

Figuur 33 – Quantumdots in alle kleuren van de regenboog. De mogelijkheden zijn eindeloos.

Band gaap Deze band gap is op de volgendee manier uit te leggen. In n een vaste sstof (zoals heet geval is bij quantum mdots) kunneen elektroneen van de ato omen vrij bewegen door de gehele vaste stof, doordat o moleculen dicht bij eelkaar liggen n. Een elekktron wil het liefst zo dich ht mogelijk b bij de kern vaan het atoom m rondcirkeleen. Het liefstt heeft een elekktron zo wein nig mogelijk energie. Van nwege het Pa auliprincipe, mogen er in n een vaste sstof ebben (dus p precies dezelfde energie)). echter ggeen twee eleektronen dezelfde eigenschappen he Daarom cirkelen de elektronen n niet meer in een lijn om d de kern van het atoom h heen, maar zoeken naamde (eneergie)banden n op, naarmaate er meer aatomen in eeen vaste stoff zitten. Dat is in ze zogen feite een n verzamelin ng van elektrronenbanen, die heel dicht bij elkaar liggen. Valentieeband en gelleidingsband d We onderscheiden ttwee soorten n banden. Teen eerste de valentieband, de hoogstt gevulde band (waar d dus elektronen in ronddrraaien) en ten tweede dee geleidingsb band, de laaggste lege energieb energieb band. De valentieband liggt het dichtsst bij de kern van het atoom. Wanneeer een elektron van de vaalentieband (de gevulde band) naar d de geleidingssband (de legge band) kan, spreken we van n geleiding. G Geleiding is h het transportt van elektrissche lading. Dit transportt kan zowel do oor fotonen als door theermische eneergie plaatsviinden! Verschilllende geleid ders In een m metaal overlaappen de valentieband en de geleidin ngsband elkaaar. Er treedtt dus erg gemakkeelijk geleidin ng op. Vandaar dat voor h het vervoere en van stroom m naar je huis, een metaalen draad w wordt gebruikkt. Er bestaan ook halfggeleiders, waaarbij de ban nden een klein stu ukje uit elkaaar liggen. Meet voldoendee energie kan n een elekktron nog weel overspringgen naar de aandere band. Diit is wat er gebeurt in je computer, vandaar dat deze eneergie verbruikt en daarbij heel veel w warmte produceeert. Tenslottte zijn er nogg vaste stoffeen waarin heet gat tussen deze twee banden zo groot is, daat het onmogelijk is voorr een elekktron om oveer te springen, men spreekt dan van een isolaator.

Figuur 34 –– Links de bandgap van metaa al (die is niet aanwezig), in het midden de halfgeleide er en rechts een n uantumdots zijjn vergelijkbaar met isolator. Qu halfgeleide ers.

In de tab bel hierondeer staan enkeele stoffen m met hun bandgap ps, daarnaast uitgerekend welke golfflengte een foton moet hebben om de bandgap te overb bruggen mett zijn energiee. Dit kan worden gedaan n met twee forrmules: ·

(forrmule 1)

of met

(forrmule 2)

Waarbijj k de boltzm mannconstante is k = 1,3380 6505· 10-23 J K-1 In dit geeval hebben we de tweeede formulee gebruikt, om o uit te rekenen welkee golflengte fotonen nodig heebben om een e stof te laaten geleideen. De eerste e formule is nodig bij heet berekenen n van de temperaatuur. 39

http://leexikon.calsky.com/de/txt/b/bo//boltzmannkonsstante.php

Benodigde energie van een foton om de bandgap te overbruggen Chemische stof CdTe (Cadmium Telluride) CdSe (Cadmium Selenide) CdS (Cadmium Sulfide) ZnS (Zink Sulfide) ZnTe (Zink Telluride) Ge (Germanium) † De waarden komen uit 40

eV † λ in nm λ in m 1,49 832 8,32E‐07 1,73 717 7,17E‐07 2,42 512 5,12E‐07 3,6 344 3,44E‐07 2,25 551 5,51E‐07 0,67 1851 1,85E‐06

Merk hierbij op dat Germanium een veel lagere bandgap heeft (maar 0,67 eV), waardoor deze dus veel makkelijker geleid (foton met veel minder is energie benodigd). Dit is te verklaren doordat Germanium geen zout is, maar een metaal. De tabel is niet te gebruiken voor quantumdots, omdat deze in grootte kunnen variëren, waardoor de eV‐waarde van de bandgap significant kan verschillen.

Het bijzondere aan de bandgap bij quantumdots Doordat quantumdots uit relatief weinig atomen bestaan, zijn de valentieband en de geleidingsband nog niet zo dik. Er bestaat nog een duidelijke grens tussen de twee banden. Hoe groter de nanodot is, hoe meer elektronen moeten vechten om een plekje in de valentieband. Daardoor worden de valentie‐ en geleidingsband groter en komen ze dichter bij elkaar te liggen. Op deze manier kan een foton welke op een grote quantumdot valt, een elektron met behulp van minder energie naar de geleidingsband brengen. Daardoor zal de quantumdot ook roder licht uitzenden wanneer het elektron terugspringt naar de valentieband. Rood licht heeft immers minder energie dan blauw licht (1,75 eV tegenover 2,75 eV van het blauwe licht). Er komt ook minder energie vrij wanneer het elektron weer terugvalt in de valentieband.

6.9.2 Quantumdots in de praktijk Na dit erg technische deel ging Rolf Koole ons vertellen wat hij op dit moment voor toepassingen voor de quantumdots heeft onderzocht. Deze toepassingen zijn nog niet verder onderzocht omdat Rolf het onderzoek heeft verlaten en inmiddels bij een gerenommeerd Nederlands elektronicabedrijf werkt.

“Fluorescent concentrators” Een ‘fluorescent concentrator’ is een ingewikkelde Engelse term waarmee eigenlijk een ‘geavanceerde zonnecollector’ bedoeld wordt. Bij een fluorescent concentrator 41 is het de bedoeling dat door middel van fluorescerende kleuren, verwerkt in het glas, licht gevangen blijft in het glas, door gebruik te maken van breking. Hierdoor wordt het licht naar de zijkant van het glas getransporteerd, waar het dan omgezet kan worden in energie. Doordat de fotoelektrische platen nog maar heel klein hoeven te zijn (slechts de dikte van het glas) kan veel geld bespaard worden. Tot voor kort was er echter geen goede methode om het licht naar de zijkant van het glas te transporteren. Wanneer het glas nog teveel licht van een frequentie doorlaat, kan met quantumdots van een bepaalde grootte, precies dat licht worden gefilterd, dat nog niet voldoende werd opgevangen. Hierdoor wordt de efficiëntie van de zonnecollector veel groter.

40 41

Streetman, Ben G. Sanjay Banerjee, Solid State electronic Devices (New Jersey: Prentice Hall, 5th edition, 2000, p. 524) http://www.esqsec.unibe.ch/pub_308.pdf

Quantumdots als hulpmiddel voor de chirurg Doordat quantumdots oplichten wanneer er ultraviolet licht op valt, zou het mogelijk zijn om een tumor te markeren met quantumdots (figuur 35 geeft een impressie), ingekapseld in lichaamseigen cellen, of een andere cel die niet wordt afgestoten door het lichaam 42 . Deze cellen hechten zich dan aan de tumorcellen, waardoor de chirurg met ultraviolet licht heel precies kan zien, of er nog stukken van de tumor in het lichaam zitten, om deze indien nodig, weg te snijden.

Mogelijke bezwaren van quantumdots Doordat men er nog niet achter is, wat er gebeurd wanneer een quantumdot op zichzelf door het lichaam zwerft, durft men het nog niet aan om deze methode ook bij mensen toe te passen. Muizen waarbij quantumdots ingekapseld in lichaamseigencellen Figuur 35 – Oplichtende bloedvaten die zijn gemarkeerd met quantumdots. in vivo werden ingebracht, stierven soms na 5 uur. Men weet niet hoe het lichaam deze quantumdots afbreekt.

6.10 Zinksulfide Het tweede experiment dat op ons programma stond in oktober 2007, was het maken van zinksulfide. Na gelezen te hebben dat zinksulfide de fosforescente mogelijkheden in glow‐in‐the‐dark sterretjes vertegenwoordigt, kregen wij het idee dat het erg gemakkelijk was om dit materiaal te maken.

6.10.1 De proefbeschrijving Om te beginnen, waren wij verplicht om de gewenste reactie op papier op te stellen voordat wij zinksulfide bij technisch onderwijsassistent Wiersema mee konden krijgen. Dit was een simpele neerslag: 2 Na+(aq) + S2‐(aq) + Zn2+(aq)+2 NO3‐(aq) Æ ZnS + 2 Na+ + 2Cl‐ De heer Wiersema keurde deze reactie goed en gaf ons de chemicaliën mee. In de zuurkast bij lokaal 112 voegden wij deze stoffen bij elkaar. Er trad een neerslag op zoals verwacht, enkel het drogen restte ons nog. De reactie is in figuur 36 te zien. Bij het testen van het droge mengsel NaNO3 en ZnS, stuitten wij op een probleem. Er trad totaal geen fluorescentie of fosforescentie op. Onze conclusie op dat moment was dat er iets was fout gegaan. Wat dat was, was echter volstrekt onduidelijk.

6.10.2 Additioneel literatuuronderzoek Na extra literatuuronderzoek bleek dat wij een exotisch element waren vergeten toe te voegen: Europium. Dit element wordt toegevoegd om de fosforescente reactie te laten verlopen. Tevens bleek dat de prijs van dit element boven ons budget lag en de toevoegingsreactie aan het zinksulfide dermate complex was dat het geen mogelijkheid was om te gebruiken. 43 42 43

http://www.mpg.de/english/illustrationsDocumentation/documentation/pressReleases/2004/pressRelease200403121/index.html Zinc sulfide, oktober 2007, http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_sulfide

6.10.3 Samenvatting Samenvattend was dit tweede experiment een mislukking doordat een te complexe reactie voor ons nodig was om het gewenste product te synthetiseren. Een te hoge aanschafprijs van de benodigde chemicaliën en bovenal was een slecht literatuuronderzoek de basis van deze mislukking. Hier zijn we later pas achter gekomen, toen we naar de lezing over Quantumdots gingen, bij de Chemische Kring Zwolle. Zinksulfide is namelijk ook te gebruiken als quantumdot.

Figuur 36 – Neerslagreactie tussen natriumsulfide en zinknitraat, het resultaat van deze neerslag is in de buis links te zien. De linker buis hebben we ingedampt in een petrischaaltje.

7 ‐ Maatschappelijke toepassingen In de maatschappij komen ook veel luminescente stoffen voor, we hebben in dit hoofdstuk enkele van deze toepassingen belicht.

7.1 Medische wereld Fluoresceïne wordt voornamelijk gebruikt door opticiens om littekens en krassen in het hoornvlies zichtbaar te maken. Fluoresceïne blijft zitten in de krassen zendt op die gebieden onder UV‐licht meer licht uit dan op onbeschadigd hoornvlies. Tevens wordt fluoresceïne sinds korte tijd gebruikt bij het operatief verwijderen van hersentumoren. Een patient krijgt fluoresceïnepap te slikken. Vervolgens zal fluoresceïne extra goed zichtbaar zijn op tumorcellen en minder goed in lichaamscellen. Onder een sterke UV‐lamp is een chirurg in staat om hierdoor de tumor van gezond hersenweefsel te onderscheiden en de accuratie van het snijden te vergroten.

7.2 Biochemische analysetechnieken Wanneer onderzoekers of medici een chromosomale afwijking verwachten of willen lokaliseren bij patiënten, kunnen zij dit toetsen door ‘fluorescence in situ hybridisation’ – FISH 44 . Deze techniek wordt vooral gebruikt bij onderzoek naar tumoren of het syndroom van Down, deze mensen hebben abnormale allelen in hun chromosomen. Door deze abnormale allelen, zijn er ook abnormale bindingsplaatsen beschikbaar, hier maakt FISH gebruik van. In het geval van tumorcellen, is er een deel van het DNA in chromosomen, dat aanzet tot ongeremde deling. Door deze chromosomen te labelen met een kleurstof, is terug te vinden hoe de deling verloopt en op welke snelheid. Dit wordt gedaan door een fluoresceïne stof aan een stuk DNA te koppelen. Dit DNA wordt geïmplanteerd in de cellen waardoor de functie van de cellen niet verandert, maar het wel terug te vinden is door het aangekoppelde fluoresceïne. Onder een fluorescentiemicroscoop zijn de chromosomen terug te zien, echter zullen de delen waar fluoresceïne groep zitten, oplichten met een groene kleur. Er zijn ook andere koppelingen mogelijk dan fluoresceïne, bijvoorbeeld fluoforen die blauw of rood oplichten zoals in de afbeelding hieronder.

Figuur 38 – Het inbouwen van een fluorescente tracer in het DNA.

Figuur 37 – Afbeelding fluorescentiemicroscoop FISH‐imaging

Fluorescence in situ hybridisation, 21 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/In_situ_hybridization,_fluorescence

7.3 Kankerverwekkende chemicaliën Naast de goede eigenschappen van chemoluminescente chemicaliën, zoals de schoonheid van gekleurd licht, mogelijkheden zoals breaklight en of een medicinale werking, hebben ze ook een schaduwkant. Het is een kenmerk van luminescente stoffen dat ze veelal uit benzeenringen bestaan, zoals de kleurstoffen van de breaklights of radioactief zijn. Radium, wat voor 1950 werd gebruikt als lichtgevende verf op wijzers van horloges is daar een zeer goed voorbeeld van. Deze structuren en radioactiviteit kunnen allemaal hetzelfde gevolg hebben, namelijk kanker. Carcinogene materialen worden in de meeste gevallen zeer voorzichtig behandeld en weggehouden van de open maatschappij. Enkel laboratoria en hoogst uitzonderlijke apparaten mogen radioactieve straling uitzenden. Dit geldt ook voor carcinogene verbindingen zoals benzeen en kwik. De luminescente chemicaliën zijn in de meeste gevallen niet dermate carcinogeen als benzeen. Echter, de kleurstoffen uit de glazen buisjes van de breeklampen staan op de lijst voor mogelijk kankerverwekkende materialen.

7.4 Glowinthedark Een commerciële toepassing van fosforescente stoffen, is de decoratie van kinderkamers met behulp van lichtgevende sterren. Deze sterren kunnen voor een korte tijd bij een lamp worden gehouden, hierdoor worden de sterren opgeladen. Wanneer het licht in de kamer uitgaat, zal de fosforescente stof licht blijven uitzenden, waardoor het lijkt of de sterren gloeien. Zoals eerder vermeld, is de fosforescente stof zinksulfide behandeld met europium. De productie van deze sterren gebeurt onder hoge druk waar de fosforescente stof met plastic wordt gemengd. Door deze stof af te sluiten van lucht, doormiddel van het plastic, zal er geen oxidatie van europium optreden. Er is wel doorgang van licht mogelijk omdat het plastic dun is. Tevens zorgt deze afscherming ervoor dat kinderen geen schadelijke stoffen in kunnen slikken.

Conclusie Na al deze experimenten en het literatuuronderzoek, is het nu mogelijk om een antwoord te geven op de hoofdvraag, die aan het begin van het profielwerkstuk is gesteld. We herhalen de hoofdvraag nog eenmaal.

Hoofdvraag Waarom lichten bepaalde stoffen op, welke toepassingen zijn ervoor en wat kan het nut hiervan zijn voor de mens? Allereerst zullen we de vraag beantwoorden waarom stoffen oplichten. Daarna trekken we conclusies waarmee we het nut voor de mens uitleggen. Op deze manier hopen we duidelijk te maken waarom onderzoek naar deze verschijnselen van belang blijft voor de maatschappij. Nadat bekend werd dat atomen elektronen hadden, werd het mogelijk om te gaan rekenen met deze deeltjes. Zo was het mogelijk om deze deeltjes in verschillende vaste niveaus in te delen. Snel daarna bleek dat het mogelijk was om deze deeltjes met behulp van licht naar een ander niveau te brengen, waarbij het elektron dan een lichtdeeltje absorbeerde. Het was echter lange tijd onduidelijk wat licht precies was. Verschillende wetenschappers hebben geprobeerd om een theorie te bedenken die het natuurkundige verschijnsel ‘licht’ beschrijft. Zo waren er wetenschappers die van mening waren dat licht een deeltje was, maar er waren ook wetenschappers die dachten dat licht een golf was. De wetenschappers afzonderlijk liepen vast naarmate zij de theorie verder ontwikkelden. Pas later werd ontdekt dat licht duaal gedrag vertoont. Met andere woorden, licht vertoont eigenschappen van zowel een golf, als een deeltje. Pas toen kon de theorie ontwikkeld worden die beschrijft hoeveel energie licht kan bevatten en bij welke golflengte. Het was ook toen pas, dat men sprak van een ‘foton’. Pas daarna konden de verschijnselen van luminescerende stoffen worden opgehelderd. Op deze manier werd tevens verklaard hoe licht een elektron in een vaste stof naar een ander niveau kon brengen. De energie die het foton bezit, wordt hiervoor gebruikt. Wanneer het elektron dan weer terugvalt naar zijn oorspronkelijke niveau, zend de stof een foton uit, maar met een andere golflengte. Dit verklaarde echter niet de rare verschijnselen die optreden bij chemoluminescentie, daar komt geen licht bij te pas. Later bleek dat de energie die bij de reactie vrijkomt, gelijk staat aan de energie van de fotonen bij fluorescentie. Deze energie zorgt er eveneens voor dat de elektronen in aangeslagen toestand worden gebracht en bij terugval een foton uitzenden. Gaandeweg kwamen we er achter dat er in de scheikunde drie verschillende vormen van luminescentie bestaan:

Fluorescentie Fosforescentie Chemoluminescentie

Na ons literatuuronderzoek zijn we gaan kijken wat er allemaal mogelijk is om aan proeven te doen als middelbare scholieren. We kwamen al snel uit op enkele leuke toepassingen, die sfeerverhogend kunnen zijn op feesten en in uitgaansgelegenheden. We denken hierbij dan vooral aan fluorescerende stoffen en chemoluminescente reacties. Nadat we een uitnodiging kregen om een lezing bij te wonen, begon luminescentie pas echt te leven. Er blijken veel nuttige toepassingen te zijn voor luminescente stoffen. Zo is het mogelijk geworden

dat chirurgen zeer nauwkeurig operaties kunnen uitvoeren, waarbij weefsel nauwkeuriger kan worden weggesneden. Ook MRI scans kunnen verduidelijkt worden met behulp van fluorescente stoffen. Helaas durft men het nog niet aan om dergelijke technieken ook echt te gaan gebruiken, omdat de effecten van fluorescerende stoffen in het lichaam nog niet bekend zijn. Daarnaast is er een toepassing gevonden voor fluorescente stoffen in zonnepanelen. Deze kunnen een veel hogere efficiëntie behalen door bij het fabricageproces fluorescente stoffen in het glas te verwerken. Ligt hier de toekomst van onze energievoorziening? Er zijn op deze manier vele toepassingen te vinden voor luminescente stoffen. Onderzoek naar deze stoffen moet door blijven gaan omdat er ook tegenwoordig nog regelmatig nieuwe stoffen worden ontdekt met luminescente eigenschappen.

A ‐ Nawoord Bij het maken van dit profielwerkstuk zijn er een aantal mensen, waar onze dank naar uit gaat. Ten eerste de heer Faber die ons heel vrij heeft gelaten in het ontwikkelen van ons onderzoek. Daarnaast was Harry van der Gronde een onmisbare hulp, dankzij hem kwamen we dikwijls interessante onderwerpen tegen die met ons profielwerkstuk te maken hadden. Bovenal bedanken wij hem voor de uitnodiging om mee te gaan naar de Chemische Kring Zwolle. Ook Jos Kistemaker, student aan de faculteit Natuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen, heeft voor ons op zijn vrijdagmiddag tijd uitgetrokken om meer uitleg te geven over breaklights en chemoluminescente stoffen. Daarnaast willen wij Jan Renken en zijn zuurkast bedanken voor de onvermoeide inzet. Telkens vol interesse kwam Jan bij ons kijken, wat we aan het uitspoken waren. Daarnaast had hij zelf ook nog interessant materiaal voor ons onderzoek, te denken valt aan de UV‐lamp en enkele potjes met luminescente stoffen daarin. Maar ook de heer Wiersema mag niet worden vergeten. Wanneer dit nodig was, hielp hij ons bij het verkrijgen van de stoffen voor proefjes. Maar ook waarschuwde hij wanneer er dingen gevaarlijk waren. Binnenkort brengen wij zijn reageerbuisjes terug. De auteurs,

Max de Graaf en Bas de Jong

Figuur 39 – De auteurs

B ‐ Literatuurlijst Hieronder staat de literatuurlijst, eerst sommen we een lijst van boeken op die we gebruikt hebben bij het maken van het werkstuk, daarna volgen encyclopedieën, en tenslotte de websites.

B.1 Geraadpleegde boeken ‐ P.W. Atkins en M. J. Clugston, Physical Chemistry (eerste druk, 1987) ‐ P.W. Atkins, Physical Chemistry, (W. H. Freeman, 1982, p. 449‐470) ‐ P.G. Hogenbrik, Natuurkunde Overal NG/NT 2 VWO, EPN, eerste druk, 2000 p. 194‐204) ‐ D.R. Lyde, CRC Handbook 86th edition, (Taylor and Francis Group, 2006, p. 8‐18) ‐ NVON‐commissie, Binas (Wolters‐Noordhoff, Groningen, 2004, Tabel 26) ‐ Ir. A.P.J. Thijssen, Natuurkunde Samengevat VWO, (Thieme‐Meulenhoff, vierde druk, 2006) ‐ Greene, B, The Elegant Universe. (Vintage books,2003, p. 85‐130) ‐ Donald T. Sawyer, William R. Heineman, Janice M. Beebe, Characterization of Quinine and Its Determination, 1984 ‐ Streetman, Ben G. Sanjay Banerjee, Solid State electronic Devices (New Jersey: Prentice Hall, 5th edition, 2000, p. 524) ‐ Dr. J.R. van der Vecht & Dr. C. Ris, Scheikunde Samengevat VWO, Thieme‐Meulenhoff, derde druk, 2006

B.2 Geraadpleegde encyclopedieën Quantum, Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, 2009 Photon, Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, 2009 Quantum Mechanics, Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, 2009 Quinine, Encyclopædia Britannica, Ultimate Reference Suite, 2009

B.4 Allerlei Dr. Rolf Koole, studeerde fysische chemie aan de Universiteit van Utrecht van 1998 tot 2004 Etiket Schweppes Bitter Lemon Etiket Royal Club Tonic (Light) Veel eigen foto’s Het chemische tekenprogramma van ACD Labs; Chemsketch 11 en 3D Viewer Rolf Koole, 20 januari 2009 - http://www.phys.uu.nl/~koole/ Zie ook gekopieerde bijlagen (onderdeel D.4)

B.3 Geraadpleegde websites ‐ Wavelength calculator, geraadpleegd d.d. 24 januari 2009 http://www.sengpielaudio.com/calculator‐wavelength.htm ‐ Basics of Spectroscopy, geraadpleegd d.d. 23 januari 2009 http://fuse.pha.jhu.edu/~wpb/spectroscopy/basics.html ‐ Electromagnetic Spectrum, geraadpleegd d.d. 22 januari 2009 http://dwb4.unl.edu/calculators/pdf/spectrum.pdf ‐ Wikipedia, Photon, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Photon ‐ Wikipedia, Quantum, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum ‐ Wikipedia, Elementary Particle, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle ‐ Wikipedia, Elementair deeltje, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Elementair_deeltje ‐ Wikipedia, Lepton, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Lepton ‐ Wikipedia, Spin, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_(physics) ‐ Wikipedia, Bose‐Einstein Statistics, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Bose‐Einstein_statistics

‐ Wikipedia, Fermi‐Dirac Statistics, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Fermi‐Dirac_statistics ‐ Wikipedia, Half Integer, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Half‐integer ‐ Wikipedia, Spin in de kwantummechanica, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Spin_(kwantummechanica) ‐ Wikipedia, Impulsmoment, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Impulsmoment ‐ Wikipedia, Ultraviolettstrahlung, geraadpleegd d.d. 26 januari 2009 http://de.wikipedia.org/wiki/Ultraviolettstrahlung#Unterteilung_nach_Wellenl.C3.A4nge ‐ Wikipedia, Boson, geraadpleegd d.d. 21 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Boson ‐ Wikipedia, Elektrische lading, geraadpleegd d.d. 22 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrische_lading ‐ Wikipedia, John Dalton, 18 Januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton ‐ The Bohr Model, 18 Januari 2009, http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/light/bohr.html ‐ Wikipedia, Rutherford model, 17 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_model ‐ Wikipedia, Bohr Model, 22 Januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model ‐ Wikipedia, Uncertainty Principle http://en.wikipedia.org/wiki/Uncertainty_principle ‐ Uncertainty Explained, 23 Januari 2009, http://www.pbs.org/wnet/hawking/strange/html/uncertain.html ‐ Wikipedia, Fluorescence, 10 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence ‐ Fluorescent bottles, http://www.calvin.edu/academic/chemistry/faculty/muyskensmark/bottles.jpg ‐ Wikipedia, Rydberg formula, 24 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_formula ‐ Wikikpedia, Fluorescence 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence ‐ Wikipedia, Franck‐Condon principle, 20 november 2007, http://en.wikipedia.org/wiki/Franck‐Condon_principle ‐ Fluorescent double photon imaging,22 januari 2009 http://www.bris.ac.uk/Depts/Synaptic/info/imaging/imaging_1.htm ‐ Wikipedia, Chemiluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Chemiluminescence ‐ Wikipedia, Bioluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Bioluminescence ‐ Wikipedia, Glowstick, 21 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Glow_sticks ‐ Wikipedia, Cyalume, 23 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Cyalume ‐ Wikipedia, Chemiluminescence, 22 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/Chemiluminescence ‐How lightsticks work, 25 januari2009 http://chemistry.about.com/od/howthingsworkfaqs/a/howlightsticks.htm ‐ Wikipedia, Zinc sulfide, oktober 2007, http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_sulfide ‐Wikipedia Fluorescence in situ hybridisation, 21 januari 2009, http://en.wikipedia.org/wiki/In_situ_hybridization,_fluorescence ‐ Wikipedia, Kinine, geraadpleegd d.d. 23 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Kinine ‐ Wikipedia, Quinine, geraadpleegd d.d. 23 januari 2009 http://en.wikipedia.org/wiki/Quinine ‐ http://www.rain‐tree.com/pics/quinie‐11.jpg ‐ http://www.nottingham.ac.uk/~pczbl/cinch.html ‐ Wikipedia, TL‐buis http://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:TLBuis.PNG

‐ Wikipedia, Fluorescentielamp, 20 januari 2009 http://nl.wikipedia.org/wiki/Fluorescentielamp ‐ http://en.wikipedia.org/wiki/File:QD_mini_rainbow.jpg ‐ http://www.esqsec.unibe.ch/pub_308.pdf ‐ http://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:Isolator‐metaal.svg ‐ Various sized quantum dots, 23 januari 2009, http://www.micronano.ethz.ch/opportunities_and_risks/Image_of_fluorescence_in_various_sized_Cadmium_Selenide_Q uantum_Dots?hires ‐ Fluorescence, 19 januari 2009, http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/fluorescence/fluorhome.html ‐ Fluorescence in situ hybridisation, 24 januari 2009, http://www.bris.ac.uk/Depts/Synaptic/info/imaging/imaging_1.htm ‐ Grafiek: http://www.iss.com/resources/tech1/fig1.jpg ‐ http://www.bris.ac.uk/Depts/Synaptic/info/imaging/figs/fluorescence.gif ‐ Wikipedia Bohr atom, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bohr‐atom‐PAR.svg ‐ Wikipedia, Franck‐condon, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0e/Franck‐Condon‐ diagram.png/485px‐Franck‐Condon‐diagram.png ‐ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/46/Dividing_Cell_Fluorescence.jpg

C ‐ Figurenverwijzing FIGUUR 1 ‐ HET ATOOM MET EEN GELADEN KERN EN EEN WOLK ELEKTRONEN. BRON: HTTP://BURRO.CWRU.EDU/ACADEMICS/ASTR201/MATTERENERGY/ATOM.JPG ............................................................ 7 FIGUUR 2 ‐ HET BOHR ATOOM MET VERSCHILLENDE SCHILLEN, OPGEVULD MET ELEKTRONEN. .................................................... 7 FIGUUR 3 ‐ ELECTRONENCONFIGURATIE ........................................................................................................................... 9 BRON: JCE.DIVCHED.ORG/JCEDLIB/ ................................................................................................................................ 9 LIVTEXTS/PCHEM/JCE2005P1880_2LTXT/QUANTUMSTATES .......................................................................................... 9 BOOKFOLDER/FIGURE_FILES/B_CONFIGURATION.GIF ......................................................................................................... 9 FIGUUR 4 ‐ ZICHTBAAR LICHT BESLAAT MAAR EEN KLEIN DEEL VAN HET ELEKTROMAGNETISCH SPECTRUM .................................... 13 FIGUUR 5 – GOLFLENGTE IN NANOMETER MET DAARONDER DE CORRESPONDERENDE KLEUR. DE LETTERS STAAN VOOR VIOLET, BLAUW, GROEN, GEEL (YELLOW), ORANJE EN ROOD. ............................................................................................................ 14 GRAFIEK 1 – HOEVEELHEID ENERGIE DIE EEN FOTON BEZIT, AFHANKELIJK VAN DE GOLFLENGTE. ................................................. 14 FIGUUR 6: EEN SERIE FLUORESCERENDE STOFFEN DIE HET TOTALE ZICHTBARE SPECTRUM AAN LICHT UITZENDEN. .......................... 17 FIGUUR 7 – EEN ELEKTRON ABSORBEERT EEN FOTON EN GEBRUIKT DE ENERGIE VAN HET FOTON OM ZICH NAAR EEN HOGER ENERGIENIVEAU TE BRENGEN. HTTP://WWW.EMC.MARICOPA.EDU/FACULTY/FARABEE/BIOBK/EXCITATION.GIF ................. 18 FIGUUR 8 – HET VERVAL VAN VIBRATIONELE ENERGIE IN STAPPEN TOT EEN KRITIEK PUNT (EMISSIE VAN GROEN LICHT) ................... 18 FIGUUR 9 ‐ DE HOEVEELHEID ENERGIE VAN 3 NAAR 2 IS: ∆ ......................................................................... 19 FIGUUR 10 ‐ DE GEMIDDELDE TIJDSDUUR VAN DE FLUORESCENTIEFASE VAN EEN STOF. ............................................................ 19 FIGUUR 11 ‐ TWEE VERSCHILLENDE ENERGIENIVEAUS: GRONDTOESTAND E0 EN AANGESLAGEN TOESTAND E1. ............................. 20 FIGUUR 12 ‐ HET VERSCHIL TUSSEN SINGLET EN TRIPLET TOESTAND. .................................................................................... 23 HTTP://TEACHING.SHU.AC.UK/HWB/CHEMISTRY/TUTORIALS/MOLSPEC/STATES.GIF ............................................................... 23 FIGUUR 13 – EEN INGEWIKKELD JABLONSKI‐DIAGRAM. BIJ DE GEKRONKELDE LIJNEN WORDT ER GEEN FOTON UITGEZONDEN, WANNEER HET ELEKTRON TERUGVALT. BIJ DE RECHTE LIJNEN GEBEURT DAT WEL. ........................................................... 24 FIGUUR 14 ‐ IN DE AFBEELDING WORDT WEERGEVEN HOE HET STABIELE LUMINOL IN BIJ ZIJN VAN OH‐ IN TWEE MOGELIJKE DI‐ ANIONEN KAN VERANDEREN. EEN VAN DE ANIONEN WORDT DOOR WATERSTOFPEROXIDE (NIET AFGEBEELD IN DE FIGUUR) AANGESLAGEN NAAR DE TRIPLET STAAT. VIA INTERSYSTEM CROSSING GAAT HET ION OVER IN SINGLET TOESTAND (S1) EN BIJ HET TERUGVALLEN NAAR GRONDTOESTAND (S0) ZENDT HET MOLECUUL EEN BLAUW FOTON UIT. ............................................ 26 FIGUUR 15 – ZELFGEBOUWDE UV‐LAMP ....................................................................................................................... 28 SCHEMA 1 – HET SCHEMA VAN DE UV‐LAMP .................................................................................................................. 28 FIGUUR 16 – DE SYNTHESE VAN FLUORESCEÏNE ............................................................................................................... 29 BRON ‐ HTTP://UPLOAD.WIKIMEDIA.ORG/WIKIPEDIA/COMMONS/5/5A/ZNCL2_FLUORESCEIN.PNG ......................................... 29 FIGUUR 17 – CINCHONA BLOEM ................................................................................................................................... 31 FIGUUR 18 – LINKS EEN BEKERGLAS GEVULD MET WATER, RECHTS EEN BEKERGLAS MET KININE ERIN, ONDER UV‐LICHT ................. 31 FIGUUR 19 – FLES TONIC LICHT OOK OP ONDER UV‐LICHT ................................................................................................. 31 FIGUUR 20 – EEN KASTANJETAK IN EEN POT WATER, WAARBIJ AESCULINE OPLOST IN HET WATER. ............................................ 32 FIGUUR 21 – STRUCTUURFORMULE VAN AESCULINE ........................................................................................................ 32 BRON ‐HTTP://DE.WIKIPEDIA.ORG/W/INDEX.PHP?TITLE=DATEI:ESCULIN.SVG&FILETIMESTAMP=20070405144937 ................. 32 FIGUUR 22 – EEN ERLENMEYER GEVULD MET GECENTRIFUGEERDE OPLOSSING AESCULINE. ...................................................... 32 SCHEMA 2 – ELEKTRISCH CIRCUIT VAN EEN FLUORESCERENDE LAMP ..................................................................................... 33 FIGUUR 23 ‐ FLUORESCENTIELAMPEN ............................................................................................................................ 33 FIGUUR 24 – EEN BREAKLIGHT 1) PLASTIC OMHULSEL 2) GEKLEURDE VLOEISTOF 3) TRANSPARANTE VLOEISTOF (ESTER) 4) GLAZEN BUIS 5) REACTIE TUSSEN KLEURSTOF EN ESTER ........................................................................................................ 34 FIGUUR 25 – OXIDATIE VAN FENYLOXALAATESTER EN WATERSTOFPEROXIDE. DE DAARUIT GEVORMDE STOF REAGEERT MET DE KLEURSTOF (DYE) EN DE KLEURSTOF RAAKT AANGESLAGEN (ER WORDT LICHT UITGEZONDEN). .......................................... 35 FIGUUR 26 – STRUCTUURFORMULE VAN RHODAMINE B ................................................................................................... 35 FIGUUR 27 – REACTIE TIJDENS KAMERTEMPERATUUR (20°C OF 293 K) ............................................................................... 37 FIGUUR 28 – REACTIE IN EEN BEKERGLAS HEET WATER (70 °C OF 343 K) ............................................................................. 37 FIGUUR 29 – VAN LINKS NAAR RECHTS EN VAN BOVEN NAAR BENEDEN: BAS, JANINE, MAX, SUZANNE, LOTTE ............................. 38 FIGUUR 30 – IMPRESSIE VAN DE OPEN DAG OP STAD EN ESCH ZUIDEINDE OP 27 JANUARI 2008. ............................................. 38 FIGUUR 31 – ROLF KOOLE .......................................................................................................................................... 39 FIGUUR 32 – OPLICHTING VAN QUANTUMDOTS MET VERSCHILLENDE GROOTTE. DE QUANTUMDOTS LINKS ZIJN KLEINER DAN DE QUANTUMDOTS RECHTS. .................................................................................................................................... 39 FIGUUR 33 – QUANTUMDOTS IN ALLE KLEUREN VAN DE REGENBOOG. DE MOGELIJKHEDEN ZIJN EINDELOOS. ............................... 39 FIGUUR 34 – LINKS DE BANDGAP VAN METAAL (DIE IS NIET AANWEZIG), IN HET MIDDEN DE HALFGELEIDER EN RECHTS EEN ISOLATOR. QUANTUMDOTS ZIJN VERGELIJKBAAR MET HALFGELEIDERS. ....................................................................................... 40 U

FIGUUR 35 – OPLICHTENDE BLOEDVATEN DIE ZIJN GEMARKEERD MET QUANTUMDOTS. ........................................................... 42 FIGUUR 36 – NEERSLAGREACTIE TUSSEN NATRIUMSULFIDE EN ZINKNITRAAT, HET RESULTAAT VAN DEZE NEERSLAG IS IN DE BUIS LINKS TE ZIEN. DE LINKER BUIS HEBBEN WE INGEDAMPT IN EEN PETRISCHAALTJE. ................................................................... 43 FIGUUR 37 – AFBEELDING FLUORESCENTIEMICROSCOOP FISH‐IMAGING .............................................................................. 44 FIGUUR 38 – HET INBOUWEN VAN EEN FLUORESCENTE TRACER IN HET DNA. ........................................................................ 44 FIGUUR 39 – DE AUTEURS .......................................................................................................................................... 48

D ‐ Bijlagen In de bijlagen staan het plan van aanpak, de logboeken en eventuele aantekeningen die we hebben gemaakt bij de proeven.

D.1 Plan van aanpak van: Bas de Jong en Max de Graaf Klas: VWO 6............... Profielwerkstuk: Fluorescentie, fosforescentie en chemoluminescentie Onderzoeksplan Hoofdvraag

Hoe is het mogelijk dat sommige stoffen licht geven of ander licht gaan geven? Welke toepassingen hebben deze stoffen in de maatschappij van tegenwoordig?

Deelvragen

1. Wat is de theorie achter deze verschijnselen? 2.Welke stoffen vertonen deze verschijnselen en zijn deze zelf te maken? 3.Waarin kunnen deze stoffen worden beïnvloed gedurende het licht uitzenden? 4. Waar worden deze stoffen in de maatschappij gebruikt? enz.

Evt. Hypothese: Wat verwacht je als uitkomst/resultaat van je onderzoek? Werkwijze Op welke manier ga je onderzoek

Wij verwachten dat er een welonderlegde theorie achter deze verschijnselen schuilt. Tevens denken wij dat de chemicalien zelf moeilijk te maken zijn, maar met enige inspanning wel haalbaar.

Eerst veel literatuuronderzoek, daarna veel experimenteren en proberen syntheses uit te voeren en daarna de uitwerking.

doen? Informatiebronnen

Zie bijlage D van het profielwerkstuk.

Presentatievorm

Beiden evenveel uitleggen. Max iets meer technisch, Bas iets meer maatschappelijk gericht.

Taakverdeling Tijdplan Wat?

Wanneer? Æ Daar geven wij geen antwoord op gezien dat onzin is. Er zullen altijd nieuwe dingen tussen komen en onverwachte problemen en andere dingen zijn wat het maakt dat het totale onzin is al deze weken netjes in te vullen

SLU

Bas & Max

info verzamelen en inlezen in onderwerp

onderzoeksopzet uitwerken

Bas & Max

proeven uitvoeren/

Bas & Max

gegevens ordenen en verwerken

Bas & Max

presentatie voorbereiden

Bas & max

gegevens verzamelen

Wie?

D.2 Logboek van Max de Graaf (2e helft)‡ Uren

Datum

Gedaan

Resultaat

Plaats

19 Jan

Bohr atoommodel + geschiedenis

Tevreden, 2 blz maar rommelig. Moet verbeterd worden

Thuis

20 Jan

Fluorescentie uitgeschreven

Goede basis gemaakt

L 104

20 Jan

Fluorescentie en atoommodel opmaak plus verder afwerken

Eerste deel gefinished

Thuis

21 Jan

Fluorescentie nog een klein stukje uitgebreid, uitzonderingen toegevoegd en aan fosforescentie begonnen.

Zeer effectief gewerkt, L 112 1 a4 per uur.

21 Jan

Fosforescentie geschreven en fouten uit fluorescentie gehaald

Zeer tevreden over de 7 pagina;s tot nu toe.

22 Jan

Chemoluminescentie in zijn totaliteit uiteengezet, hieronder valt ook kwantumopbrengst.

3 pagina’s plain text in Thuis goede structuur.

24 Jan

Breeklampen, aesculine, maatschappelijke toepassingen en formules toegevoegd verder perfectionering is ook gemaakt met betrekking tot opmaak en spellingsfouten

Mijn deel van het profielwerkstuk kan op dit moment qua tekst als af worden beschouwd.

Thuis

25 Jan

Totale opmaak herzien, voetnoten toevoegen, oude logboek zoeken.

Thuis

26 Jan

Alles nogmaals afmaken, spellingscontrole door ouders bijwerken. Opmaak opnieuw doen.

Thuis en school

27 en 28 Januari

Allerlaatste afwerkingen, kopiëren, alles inpassen en afleveren et cetera.

Ik heb zeer veel van mijn tijd niet opgeschreven, een geschatte 30%

Waarschijnlijk heb ik in totaal ongeveer 150 uur aan de scriptie besteed.

Totaal 100 uur Deel 1 + Deel2 :

Thuis

‡ De andere helft van het logboek is bijgevoegd als een serie bijlagen, handgeschreven.

D.2 Logboek van Bas de Jong Datum

Bestede tijd Plaats

Wie

Verrichte werkzaamheden Resultaat Nadenken over onderwerp PWS + introdag Luminiscentie als onderwerp

En singlet zuurstof maken

Troebel

Centrifugeren

Blijft donker maar wel veel licht

21-6-2007 Bas & Max

5 School

21-6-2007 Bas & Max

10-9-2007 Bas & Max

5 School

Singlet zuurstof gemaakt Kastanje uit park gehaald en opgelost in water

12-9-2007 Bas

2 School

Centrifugeren van aesculine

Naar chloor ruikende wc

14-11-2007 Bas & Max

4 School

Indampen van Kinine

Karamelliseert

18-11-2007 Bas & Max

5 School

Neerslagreactie met zinksulfide

Mislukking door slecht onderzoek

21-1-2009 Bas & Max

3 School

Uit elkaar halen van Breaklights

24-1-2008 Bas & Max

5 School

Uit elkaar halen van Breaklights

2 School

Uitelkaarhlenvan tl-buis met Jan Misukking fluorescentie Discussie met zesdejaars Hij heeft ons veel uitgelegd over het student scheikunde proces

2-4-2008 Bas 28-4-2008 Bas

2 RuG

13-11-2007 Bas & Max 9-9-2008 Bas & Max

Opmerking

Tonic Light Voorzichtigheid geboden

Nu voldoende voor Open Dag Interessant, kladblad bewaren! Misschien nog mailen?

5 PWS Dag Zinksulfide laten reageren

Werkt niet

Documentatie zoeken

4 PWS Dag

Opzet schriftelijke deel verzonnen

Uittypen en mailen

6 Zwolle

Informatie over kwantumdots verkregen

Veel vraagtekens in mijn hoofd

20-1-2009 Bas

3 Thuis

Begin van schrijven PWS

Theoretische gedeelte licht 1/3

Stof is lastig

21-1-2009 Bas

4 Thuis

Vervolg schrijven PWS

Theoretische gedeelte licht 2/3

Begint al duidelijker te worden

22-1-2009 Bas

3 Thuis

Vervolg schrijven PWS

Nog wel figuren nakijken

23-1-2009 Bas

11 Thuis

Vervolg schrijven PWS

24-1-2009 Bas

10 Thuis

Schrijven PWS afronden

Theoretische gedeelte licht is af Figuren nagekeken, begin praktische gedeelte; kinine, tl-lamp UV-lamp beschreven, ook inleiding geschreven, quantumdots

Veel makkelijker Quantumdots moeilijk maar duidelijk

PWS Samenvoegen

Alles bij elkaar gegooid

Spellingscontrole niet vergeten!

25-11-2008 Bas & Max

25-1-2009 Bas & Max

Totaal

5 Thuis

D.3 Uitnodiging CKZ Quantumdots Zwolle, 5 november 2008 Geachte leden,

Namens het bestuur van de Chemische Kring Zwolle nodig ik u van harte uit voor de lezing van onze kring op dinsdag 25 november 2008 door Rolf Koole getiteld ‘Fundamentele eigenschappen en toepassingen van lichtgevende nanoknikkers genaamd Quantum Dots.

Lezing Titel

Lichtgevende nanoknikkers genaamd Quantum Dots

Spreker

Dr. Rolf Koole

Plaats

Gebouw DSM Resins, Ceintuurbaan 5, Zwolle

Datum/tijd

Dinsdag 25 november 2008, 19.30 uur

Ook introducés zijn van harte welkom!

Samenvatting “Quantum Dots (QDs) zijn kleine colloïdale halfgeleider nanokristallen met een diameter variërend tussen de 2 en 10 nanometer. Vanwege de zogenaamde quantum confinement effects, kunnen de absorptie en emissie golflengte van QDs over een breed gebied worden afgestemd door eenvoudigweg de grootte van de deeltjes te variëren. De unieke optische en elektronische eigenschappen van QDs zijn veelbelovend voor toepassingen zoals LEDs, lasers, displays, en zonnecellen. In mijn presentatie zal ik eerst ingaan op de meer fundamentele aspecten van deze nanokristallen die ik tijdens mijn promotie-onderzoek ben tegengekomen: the chemische synthese, self-assembly, en optische eigenschappen van PbSe QDs. In het tweede deel van mijn presentatie zal ik twee voorbeelden geven van toepassingen waarin QDs centraal staan. Het eerste voorbeeld is het gebruiken van QDs in zogenaamde “fluorescent concentrators”, wat gebruikt kan worden als lichtvanger voor zonnecellen. In het tweede voorbeeld zal ik laten zien hoe quantum dots gebruikt kunnen worden als basis voor het ontwikkelen van multimodale contrast middelen voor bio-imaging toepassingen. Door middel van het integreren van meerdere functionaliteiten in één nanodeeltje (gebaseerd op QDs en silica), hebben we een contrast middel ontwikkeld die tegelijkertijd detecteerbaar is met fluorescentie microscopie/imaging en MRI, en tevens specifiek kan binden aan bepaalde ziektebeelden (bijvoorbeeld tumoren).” Curriculum Vitae Rolf Koole Rolf Koole studeerde fysische chemie aan de universiteit Utrecht van 1998 tot 2004 met als specialisatie Nanotechnology & Photovoltaics. Vervolgens startte hij zijn promotieonderzoek in de groep van prof. Meijerink wederom aan de universiteit van Utrecht. Afgelopen oktober verdedigde hij zijn proefschrift met als titel: “Synthesis and characterization of semiconductor nanocrystals (quantum dots) and their application as contrast agents for bio-imaging”. Rolf publiceerde 12 wetenschappelijke artikelen en schreef 1 patent. Nadere informatie bij Priscilla Lips, secretaris E-mail: ckz@kncv.nl Chemische Kring Zwolle Secretaris: dr. Priscilla Lips, DSM Resins, Postbus 615, 8000 AP Zwolle, Tel. 038-4569520 (DSM), fax: 038-4569266, E-mail: ckz@kncv.nl Penningmeester: drs. R. Breeveld, giro 55 54 276 t.n.v. Chemische Kring Zwolle te Doesburg