Van atoom tot kosmos Piet Mulders HOVO – cursus februari/maart 2019 p.j.g.mulders@vu.nl

Voorzieningen vrije universiteit Koffie/thee Met pinpas betalen Koffiepunten: begane grond & 8e etage Pinpas contactloos betalen Etage 1, 4, 6 en 12 - koffieautomaat met wat luxere koffie (let op: beker zelf plaatsen) Contant betalen Alleen in het VU Restaurant, Café Doppio Espresso (Campusplein) en de supermarkt Spar (Campusplein) kan contant betaald worden. WC Dames- en herentoiletten: iedere etage Invalidentoiletten: begane grond, etage 1 en 8 Aan docent: invalidentoiletten (op de 1e, 4e, 8ste en 12e etage), pasjes voor de lift bij de gastvrouwen in de centrale hal. Vrije Universiteit/ HOVO Amsterdam/ voorzieningen VU

Wat te doen in geval van nood? Noodsituaties Bekijk de informatie in de collegezaal om op de hoogte te zijn van telefoonnummers en vluchtroutes Bij levensbedreigende situaties kunt u altijd direct 112 bellen In alle andere gevallen is het raadzaam het alarmnummer van de VU te bellen: vanaf een intern toestel: 22222 (5x 2) vanaf een mobiele telefoon: 020 598 2222 Bij ontruimingsmeldingen is het niet toegestaan de lift te gebruiken aan docent: Wijs cursisten erop dat in het verlengde van de A-vleugel ook trappenhuis is, dat is vaak veel rustiger dan de twee trappenhuizen dicht bij de collegezalen Vrije Universiteit/ HOVO Amsterdam/ voorzieningen VU

Omschrijving INLEIDING NATUURKUNDE Van atoom tot kosmos P.J. Mulders In deze cursus komen elementaire concepten die in de natuurkunde een rol spelen aan de orde. 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 die de bewegingen en krachten tussen de meest elementaire bouwstenen van de materie beheersen of de bewegingen en krachten in de kosmos. De veelzijdigheid van de concepten manifesteert zich als we ze inpassen in het juiste raamwerk van de klassieke mechanica, de quantummechanica, de relativiteitstheorie of de combinatie van de laatste twee.   Onderwerpen die in zes colleges aan de orde komen zijn 1. Inleiding (afmetingen, energie, krachten) 2. Quantummechanica, relativiteitstheorie en quantumvelden 3. Opbouw van de materie (atomen, nucleonen, quarks en leptonen) 4. Krachten en symmetrieën (gravitatie, elektrozwakke en sterke krachten) 5. Deeltjes en velden, antideeltjes, spin en massa (majorana's, neutrinos, Higgs veld) 6. De geschiedenis van het heelal (de oerknal) 7. Complexiteit Afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde/Nikhef Faculteit der Exacte Wetenschappen Vrije Universiteit Amsterdam De Boelelaan 1081, 1081 HV Amsterdam email: p.j.g.mulders@vu.nl

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.

Web: http://www.nat.vu.nl/~mulders/lectures.html#HOVO Materiaal Web: http://www.nat.vu.nl/~mulders/lectures.html#HOVO Boek(je)/syllabus: Opgaven: via webpagina Oplossingen: na volgende college Piet Mulders Van atoom tot kosmos Wie het kleine niet eert … ISBN 978-90-812928-0-1

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

Inleiding http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Het (theoretisch) raamwerk Relativistische quantummechanica Snelheid: v Relativiteitstheorie VELDEN licht klein zwaar groot DEELTJES/ OBJECTEN Klassieke mechanica GOLVEN/TOESTANDEN Quantummechanica ђ Actie: Energie x tijd/impuls x afmeting

Quiz 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Hoeveel seconden heeft 1 jaar? 3 x 107 s Wat is de snelheid van het licht? 300 000 km/s = 3 x 108 m/s (dus 1 lichtjaar ~ 1016 m) Hoe groot is het heelal? 15 miljard lichtjaar ~ 1,5 x 1026 m

Hoeveel moleculen H20 zitten er in een borrel? Navogadro ~ 6 x 1023 Quiz 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Hoeveel moleculen H20 zitten er in een borrel? Navogadro ~ 6 x 1023 Hoe leeg is het heelal? minder dan 1 atoom/m3 (in schijf van melkweg 5/cm3) Hoeveel atomen bevat het heelal? ca 1079 atomen http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Afmetingen NU

Afmetingen 5 seconden na de Big Bang home

Het mysterie van massa energie, impuls, krachten http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

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!

Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa correspondeert met energie in het stilstaande object Massa correspondeert met ontzettend veel energie! Energieverbruik in NL is ongeveer 10 kiloWatt (kW) per inwoner Dat is per jaar 104 x 30 x 106 x 16 x 106 = 5 x 1018 Joule (J) Dat correspondeert met een massa van (maar) 55 kg! Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s

Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa correspondeert met energie in het stilstaande object Energie correspondeert met heel weinig massa! Koken van 1 liter water (vanaf 0o C) kost 420 kiloJoule Dat correspondeert met 0,0046 mg! m = 1,000 000 000 0046 kg Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s

Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s 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/c2 Bewegend object Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s

energie, impuls en massa Wat voor een gegeven object de energie en impuls is hangt af van de snelheid van een object en een intrinsieke eigenschap namelijk de rustenergie mc2 (dus massa) Voor licht (m = 0): E = pc v = 180 km/h = 50 m/s m = 1800 kg E/c2 = 1800,000 000 000 025 = 1800 kg + 0,025 mg p/c = 0,3 g 2,25 MJoule

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!