Download
1 / 34
340 likes | 509 Views
Prof.dr Jo van den Brand jo@nikhef.nl 14 september 2010. Materie – bouwstenen van het heelal. FEW 2010. De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie. Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal…). Waar de wereld van gemaakt is.
E N D
Prof.dr Jo van den Brand jo@nikhef.nl 14 september 2010 Materie – bouwstenen van het heelal FEW 2010
De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie. Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal…) Waar de wereld van gemaakt is
Het concept van elementen In de filosofie van Aristoteles waren er vier elementen Dalton (1808) rangschikte, op gewicht veel van de elementen die we vandaag kennen
Het periodieke systeem Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem
De structuur van atomen Rutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten 10-10m Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities
Deeltjes fysica Elementair sinds 1897 Elementair sinds 1974
Gewone materie • Alle materie: ~100 soorten atomen • De kern heeft 99.9% van de massa • Het elektron is puntvormig. • Protonen en neutronen zijn echter samengestelde deeltjes. • De quarks lijken weer puntvormig • In principe enkel `up’ en `down’ quarks nodig als bouwstenen. • Verder nog het elektron-neutrino.
Theodore Wulf Jezuit uit Valkenburg Kosmische materie • Victor Hess ontdekt `kosmische’ straling. • Nieuwe soorten deeltjes worden gevonden: vooral muonen. • Muon lijkt op elektron • maar dan 200 keer meer massa. • leeft gemiddeld 2.2 ms • en vervalt in een elektron en twee neutrale deeltjes. • De muonen komen van het verval van kortlevende deeltjes, die soms een derde type quark bevatten: het vreemde quark. • Kosmische materie: naast `gewone’ materie ook muon, muon-neutrino en het vreemde quark.
Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer Een muon leeft 2.2 sec. Welke afstand kan het dan met de lichtsnelheid bewegend afleggen? (3x108 m/s)(2.2 x 10-6 s) = 660 m. Toch bereiken muonen het aardoppervlak!
Albert Einstein (1879 – 1955) Relativiteitstheorie • Equivalentie van massa en energie: E = m c² • Bewegende klokken lopen langzamer: t = ( > 1 )
Het muon Ontdekt in kosmische straling door Neddermeyer en Anderson (1936) Lijkt identiek aan het elektron, maar 200 keer zo massief Vervalt binnen 2.2 msec ‘Who ordered that?’ - I I Rabi
CMS ALICE LHCb ATLAS Hoge energie materie • In 2008: 14 TeV proton-proton botser • Hoogste prioriteit in ons vakgebied
Large Hadron Collider Nikhef Wetenschappelijk programma LHC
Drie families: 1897 – 2000 – Standaard Model Massa’s van deeltjes in MeV; 1 MeV 1.81027 gram
Structuren: van protonen to sterrenstelsels Gravitatie: de bekendste kracht Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon Belangrijk in massieve objecten Elektriciteit en magnetisme Veel sterker dan gravitatie! Vormt atomen, moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Nieuwe krachten: Sterke kracht Zwakke kracht Krachten Omega Centauri globular cluster
Stervorming • Gravitationele krachten in H2 gebieden • Protostellaire objecten ontstaan door: • Dalende potentiele energie en stijgende kinetische energie • Verdichting kern, verhoging temperatuur en druk
protosterren • Sterren ontstaan in de omgeving van sterren • Bij voldoende druk, massa, temperatuur en stabiliteit onstaat er kernfusie • Druk = diameter x gravitatieversnelling • Temperatuur is recht evenredig met de druk
De kern: de witte motor • Kernfusies treden in het centrum van de Zon op. Ultieme bron van (bijna) alle energie in het Zonnestelsel. • Voornaamste reactie: de pp-cyclus: 4 1H → 4He + 2γ + 2e+ + 2ν Hierbij komt per He kern 26.7 MeV vrij in γ’s. • Basis gegevens: Straal = 6.96x108 m Massa = 1.989x1030 kg Lichtkracht = 3.85x1026 W Leeftijd = 4.5x109jr Oppervlaktetemperatuur: 5700 K. De Zon is een ‘normale’ ster van type G2.
Een nieuw inzicht: energie = massa 1 liter water bij 0 °C m = 1,000 kg 2 liter water bij 0 °C m = 2,000 kg Verwarm 1 liter water tot 100 °C: Δ E = 100 kcal = 418 kJ Δ m = 0,0046 g = Δ E / c²
Fotosfeer: het zonnespectrum • De fotosfeer geeft zeer belangrijke informatie over de chemische samenstelling van de Zon.
Kernfusie • Lijnen van waterstof in een spectrum • Lijnen van helium in een spectrum • Lijnen van koolstof in een spectrum
Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H He + 2e + 2 + energie Per seconde zet de zon 570 000 000 000 kg waterstof om De massa van de zon neemt per seconde af met 4 300 000 000 kg!
Opbouw van de zon: • Straling van kernfusie wordt in radiatieve kern naar buiten getransporteerd. • Op 1/3 van de rand is dit niet meer de meest effectieve manier van transport. De Zon wordt nu convectief. • Warmte wordt door gasbellen naar buiten getransporteerd.
De Zonneneutrino’s • Bij elke pp-cyclus reactie komen 2 neutrino’s vrij voor elk He-atoom dat ontstaat. • Jarenlang was er het neutrino-probleem: we detecteren veel minder neutrino’s dan er geproduceerd zouden moeten worden: ongeveer 1/3de. • Oplossing kwam door de neutrino-oscillaties: neutrino’s kunnen van ‘kleur’ veranderen. • ve νμντ
The way to go…. ITER Realiseer kernfusie op aarde 100 miljoen oC 500 MW vermogen Kosten: constructie $ 2.755M bedrijf $ 3.760M (20 jaar) afvoeren $ 335M
Nucleosynthese in supernovae 3 x 106 km, 300 s Ni synthese 4000 km 32 x 106 km, 3 uur
