De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO-CURSUS.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO-CURSUS."— Transcript van de presentatie:

1 Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO-CURSUS

2 Omschrijving INLEIDING NATUURKUNDE Van Atoom tot Kosmos P.J. Mulders Afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde Faculteit der Exacte Wetenschappen Vrije Universiteit Amsterdam De Boelelaan 1081, 1081 HV Amsterdam In deze cursus passeren elementaire concepten in de natuurkunde de revue. Voorbeelden zijn materie, energie, ruimte, tijd en krachten. Het prachtige aan natuurkunde is dat we deze concepten niet alleen in het dagelijks leven tegenkomen in eenvoudige of ingewikkelde situaties zoals een vallende appel, het klimaat of de energieproblematiek, maar dat het precies dezelfde concepten zijn de bewegingen en krachten tussen de meest elementaire bouwstenen van de materie beheersen of de bewegingen en krachten in de kosmos. Onderwerpen die in vier colleges aan de orde komen zijn 1. Inleiding (afmetingen, energie, krachten) 2. Opbouw van de materie (atomen, nucleonen, quarks en leptonen) 3. Krachten en symmetrieën (gravitatie, elektrozwakke en sterke krachten, antideeltjes) 4. Het ongrijpbare neutrino 5. De geschiedenis van het heelal (de oerknal) 6. Complexiteit HOVO-CURSUS

3 Doel, opbouw, opzet, … Ik wil  u laten delen in mijn fascinatie voor natuur(kunde)  u vertellen hoe de wereld in elkaar zIt  zin van onzin scheiden  uitleggen wat natuurkunde wel kan en wat niet  eenvoudige schattingen maken  verbanden leggen Inclusief  zelf puzzelen, rekenen, redeneren, … Zodat  u een heel andere kijk op de wereld krijgt. HOVO-CURSUS

4 Materiaal Web: Boek(je): Opgaven: via webpagina Oplossingen na inlevering Piet Mulders Van atoom tot kosmos Wie het kleine niet eert … ISBN HOVO-CURSUS

5 Inhoud Inleiding Massa, energie en impuls, krachten Zwaartekracht ; kromming van de ruimte Hoe is materie opgebouwd? Experimenten; materie en antimaterie Krachten in materie! Symmetrie Het ongrijpbare neutrinos De geschiedenis van het heelal De massa in het heelal Tot slot INHOUD

6 Inleiding P.J. Mulders home INLEIDING

7 Het (theoretisch) raamwerk Actie: E t ~ p r ~ ℓ Snelheid: v = dE/dp = p c 2 /E 0 ђ Quantummechanica Relativistische quantummechanica Klassieke mechanica Relativiteitstheorie licht kleinzwaar groot INLEIDING

8 Quiz Hoeveel seconden heeft 1 jaar? 3 x 10 7 s Wat is de snelheid van het licht? km/s = 3 x 10 8 m/s (dus 1 lichtjaar ~ m) Hoe groot is het heelal? 15 miljard lichtjaar ~ 1,5 x m 1 miljard = = duizendste = = INLEIDING

9 Quiz Hoeveel moleculen H 2 0 zitten er in een borrel? N avogadro ~ 6 x Hoe leeg is het heelal? minder dan 1 atoom/m 3 (in schijf van melkweg 5/cm 3 ) Hoeveel atomen bevat het heelal? ca atomen 1 miljard = = duizendste = = P.J. Mulders home INLEIDING

10 Afmetingen NU

11 Afmetingen 5 seconden na de Big Bang home

12 Het mysterie van massa energie, impuls, krachten P.J. Mulders home INLEIDING

13 Basisbegrippen mechanica Ruimte en tijd, verplaatsing en tijdverschil Snelheid = verplaatsing/tijdverschil Versnelling = snelheidsverschil/tijdsverschil Bij een onbelemmerde (vrije) beweging blijven een aantal grootheden onveranderd (behouden) Energie (bij gebrek aan absolute tijd!) Impuls = massa x snelheid (bij gebrek aan een ‘oorsprong’) (*!) Impulsmoment (om een as): afstand tot as x impuls loodrecht hierop (bij gebrek aan voorkeursrichting) Maar dit alleen voor het geheel!

14 Energie en massa E = mc 2 of m = E/c 2 Lichtsnelheid: c = 3 x 10 8 m/s = km/s Massa correspondeert met ontzettend veel energie! Energieverbruik in NL is ongeveer 10 kiloWatt (kW) per inwoner Dat is per jaar 10 4 x 30 x 10 6 x 16 x 10 6 = 5 x Joule (J) Dat correspondeert met een massa van (maar) 55 kg! Massa correspondeert met energie in het stilstaande object INLEIDING

15 Energie en massa Lichtsnelheid: c = 3 x 10 8 m/s = km/s Energie correspondeert met heel weinig massa! Koken van 1 liter water (vanaf 0 o C) kost 420 kiloJoule Dat correspondeert met 0,0046  g! Massa correspondeert met energie in het stilstaande object m = 1, kg E = mc 2 of m = E/c 2 INLEIDING

16 Impuls en massa Een bewegend object met snelheid 0  v  c heeft een impuls (hoeveelheid van beweging) Als v klein is (t.o.v. c): p = mv of p/v = m Exact: p/v = E/c 2 Lichtsnelheid: c = 3 x 10 8 m/s = km/s Bewegend object INLEIDING

17 Energie, impuls en massa Energie en impuls veranderen als van een object snelheid verandert Massa verandert niet v = 180 km/h = 50 m/s m = 1800 kg E/c 2 = 1800, = 1800 kg + 0,025  g p/c = 0,3 g 2,25 MJoule kracht INLEIDING

18 Massa: energie en impuls Zonder externe invloed: Energie en impuls zijn behouden Via krachten energie kan worden overgedragen (slepen) impuls kan worden overgedragen (stoten) Totaal van energie en impuls zijn behouden (maar massa niet!) Niets voor niets! INLEIDING

19 Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H  He + 2 e energie Per seconde zet de zon kg waterstof om in helium De massa van de zon neemt per seconde af met kg! Hans Bethe Kernfusie

20 Energiebalans in atmosfeer

21 E = mc 2 transporteren opslaan misbruiken * De eenheid van energie is de Joule. 1 Watt is 1 Joule per seconde De zon produceert per seconde een gigantische hoeveelheid energie. Daarvan bereikt een deel de aarde, met name als licht, gemiddeld zo’n 175 Watt per m 2 In Nederland verbruiken we per inwoner 10 kiloWatt De basisbehoefte van ons lichaam is 75 Watt, vergelijkbaar met een gloeilamp opwekken gebruiken ENERGIE massa

22  Van zon komt: 1400 W/m 2  middelen over aarde 25%  50% bereikt aardoppervlak  Efficiëntie van foto-elektrische cellen is 10%.  Blijft over ca. 20 W/m 2 Oppervlakte met foto-elektrische cellen is 500 m 2 /persoon oftewel km 2 (Libya, Tsjaad & Algerije) Wereldenergieverbruik (binnenkort): kW = 100 TW = 30 x J/jr 10 kW/persoon

23 Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd P.J. Mulders home MASSA

24 Massa: zwaartekracht rotatiesnelheden in galaxies omloopstijden en afstanden (planeten, dubbelsterren) zwaartekracht versnelling a c bij cirkelbeweging zware massa trage massa = … onafhankelijk van m !! MASSA

25 Massa: kromming van ruimte Zonder kracht: rechtlijnige beweging Zwaartekracht wordt veroorzaakt door massa Massa bepaalt ook mate van respons (equivalentieprincipe) Algemene relativiteitstheorie: Beweging in zwaartekrachtveld is rechtlijnige beweging in een t.g.v massa gekromde ruimte GEEN KROMMINGPOSITIEVE KROMMING NEGATIEVE KROMMING MASSA

26 kromming Kromming van een bol: k = 1/R 2 Bijv voor voetbal: k = 50 /m 2 Bijv voor aarde: k = 2.8 x /m 2 Andere methode gaat via hoeken k =  /S(  ) MASSA

27 Pendelen dwars door de Aarde 2 terra-cruisers op en neer! MASSA

28  R = 42 min = 7.5 x m of  = 20 m/s = 0.67 x R = (16 km)/  = 2.4 x m k = 1/R 2 = 1.6 x /m 2 !!! Vergelijk met ‘bol’: ruimte-tijd kromming home 1 s = 3 x 10 8 m MASSA

29 Gravitatiegolven: trillingen van ruimte en tijd op aarde (VIRGO in Pisa) in de ruimte (LISA)

30 Hoe zit de wereld in elkaar? P.J. Mulders home Theorie Experiment Toepassing MATERIE

31 Opbouw van materie P.J. Mulders home MATERIE

32 Materie MATERIE

33 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM m 0, m

34 Het periodiek systeem

35 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM m In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met 1 eV = 1,6 x J Aantal atomen in macroscopisch sample N avogadro = 6 x Dus heel andere energieschalen N av x 1 eV = 100 kJ (lichaamsverbruik/dag is 8000 kJ) ENERGIE IN MATERIE

36 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM m MATERIE ELEKTRON ATOOM m ATOOMKERN m NEUTRINO proton/neutron

37 Atoomkernen Eiland van stabiliteit

38 Atoomkernen Isotopen Radioactiviteit alpha beta gamma Na 15 min. Enrico Fermi MATERIE

39 Neutrino’s Leon Lederman

40 Bouwstenen van de subatomaire wereld

41 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM m MATERIE ELEKTRON ATOOM m ATOOMKERN m NEUTRINO In wereld van atoomkernen zijn de energieen MeV’s = 10 6 eV’s Dus macroscopisch N av x 1 MeV = 100 GJ (~ totale energieverbruik van een persoon/jaar) In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met 1 eV = 1,6 x J Aantal atomen in macroscopisch sample N avogadro = 6 x Dus heel andere energieschalen N av x 1 eV = 100 kJ (lichaamsverbruik/dag is 8000 kJ) proton/neutron ENERGIE IN MATERIE

42 Materie ELEKTRON MATERIE ATOOM m ATOOMKERN m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron m ELEKTRON MATERIE ATOOM m ATOOMKERN m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron m QUARK up/down < 0, m

43 Bouwstenen van materie d uu proton d ud neutron nucleonen home Massa komt voor circa 98% uit energie ten gevolge van opsluiting!

44 Hoe weten we dat allemaal? P.J. Mulders home MATERIE

45 Gebruik de grootste microscoop op aarde

46 ATLAS CMS LHCb Detectors at CERN MATERIE

47 Antideeltjes

48 Standaard model 3 deeltjesfamilies

49 Krachten in materie P.J. Mulders home KRACHTEN

50 Krachten in het dagelijks leven Elektromagnetisme Zwaartekracht Twee van de vier basiskrachten Beide gebaseerd op fundamentele principes home KRACHTEN

51 Standaard model 3 deeltjesfamilies 4 fundamentele krachten sterke kracht quark  nucleon  atoomkern elektromagnetische kracht atoom  molecuul  complexiteit zwakke kracht verval zwaartekracht UNIFICATIE

52 Standaard model 3 deeltjesfamilies 4 fundamentele krachten Bijbehorende krachtdeeltjes Hoeveel families zijn er? botsingswaarschijnlijkheid energie (GeV) home

53 Standaard model 3 deeltjesfamilies 4 fundamentele krachten Bijbehorende krachtdeeltjes Glimp van ‘Higgs deeltje’? … en nog heel veel vragen! Zwarte gaten ?? Ruimte en tijd ? Punten ? Snaren ? Chaos ? Faseovergangen ? Complexiteit hadronen Waarom 3 Families ?? Neutrino’s Massa ? KRACHTEN

54 Hoe werken krachtdeeltjes P.J. Mulders home KRACHTEN

55 Krachtdeeltjes van zwakke kracht Krachtdeeltjes: brengen krachten over creëren een paar (deeltje-antideeltje) annihileren een paar KRACHTEN

56 Bijvoorbeeld: verval van neutron Neutron beta-verval Op niveau van quarks n  p + e  + e d  u + e  + e KRACHTEN

57 Drie soorten neutrinos! Z 0 vervalt in quark paren (behalve top quarks!) lepton paren  e  e ,    ,      neutrino paren Leeftijd is omgekeerd evenredig met vervals- waarschijnlijkheid  met    i botsingswaarschijnlijkheid energie (GeV) KRACHTEN

58 zwakke kracht elektromagne- tische kracht Sterkte van krachten G F ~  /M W 2 sterke kracht

59 Hoe geven de quarks het proton zijn eigenschappen Een eenregelige theorie: QCD Massaloze quarks en gluonen Protonen en neutronen: Basis bouwstenen van atoomkernen, tezamen 99.5 % van de zichtbare massa in het heelal KRACHTEN

60 QED versus QCD Dit betekent een constante kracht T 0 = 1 GeV/fm = 20 Ton Permanente opsluiting van gekleurde quarks KRACHTEN

61 SYMMETRIE P.J. Mulders home SYMMETRIE

62 Spiegelsymmetrie Gespiegelde wereld? Bijvoorbeeld: Tol Gespiegelde wereld bestaat ook Conclusie: onze alledaagse wereld is spiegelsymmetrisch! SYMMETRIE

63 Spiegelsymmetrie Voor een magneet in de spiegelwereld zijn N-pool en Z-pool verwisseld We kunnen dit begrijpen wanneer we realiseren dat een magneet is opgebouwd uit ronddraaiende ladingen van de elektronen in de atomen! (richting van magneetveld via de kurketrekkerregel) SYMMETRIE

64 Gebroken spiegelsymmetrie pion vervalt in spinnende deeltjes Voor neutrino maar een spinrichting! Maar hoe kunnen we dat meten? spin + lading  magneet Alleen   bij N-pool van magneet! linkshandig voor neutrino’s bestaat wel L en geen R spiegelbeelden rechtshandig

65 CP symmetrie Spiegelsymmetrie (P) is gebroken in de wereld van de deeltjes Deeltje-antideeltje symmetrie (C) idem Maar … de combinatie is wel een symmetrie We kunnen nog een stapje verder gaan: CPT-symmetrie bijna ___ K 0 = ds, K 0 = sd zijn net niet even zwaar en vervallen anders SYMMETRIE

66 CPT symmetrie

67 Tijdsomkeer CPT is (zover we nu weten!) wel een perfecte symmetrie van de wereld C en P zijn geschonden, maar CP is een bijna perfecte symmetrie Dus ook tijdsomkeer is een bijna perfecte symmetrie, maar niet helemaal! Daarmee kunnen we in principe het overschot aan materie in het heelal begrijpen (al is dat maar heel klein, 1 : 10 9 ) Aantal baryonen  (ca 0,25 per m 3 ) Maar het aantal fotonen/neutrino’s  (ca 500 per cm 3 ) SYMMETRIE


Download ppt "Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO-CURSUS."

Verwante presentaties


Ads door Google