Keerpunten I. Het Atoom Model II. Sub-Atomaire Deeltjes! III. Terug naar de Oorsprong? F. Linde/NIKHEF & UvA Tel. 020-5925134 Email: f.linde@nikhef.nl Keerpunten UvA breed 2003/2004

I. Atoom Model

Franklin (1706-1790) Elektriciteit

Elektroscoop metaalfolie metaal draadje kurk

 + Elektriciteit Barnsteen Wol Coulomb (1736-1806) +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  Barnsteen Wol + en  ladingen in balans +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  + +  +  + + +  +  + +  +  +  + +  + +  + +  +  +  + +  + + +  netto + en  ladingsscheiding  + Afstoting tussen ladingen met hetzelfde teken (++/ ) Aantrekking tussen ladingen met tegengesteld teken (+) Coulomb (1736-1806)

Elektriciteit: (on)balans + en  ladingen  kracht F + F q  veld E   potentiaal V http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/EField/EField.html

Demonstratie: Elektrische veldlijnen

1 A  1 C/s De Coulomb (C) De Ampère (A) (ladingstransport) Bliksem: 30,000 A Waterkoker: 10 A Computer: 1 A Gloeilamp: 0.25 A Levensgevaarlijk: 0.1  0.2 A Eenheid elektrische stroomsterkte De Ampère (A) De Coulomb (C) Eenheid elektrische lading Zenuwpuls: 108 A Sidderaal: 0.07 A

Elektrische stroom Elektriciteit fabriek Fiets dynamo Batterij

Discussie vraag Als je een lichtschakelaar omzet gaat het licht direct aan. Hoe snel bewegen ladingsdragers van stopcontact  lamp? met de lichtsnelheid (300,000,000 m/s; komt zo) ze bewegen helemaal niet met een slakkegangetje (zo rond de 1 meter/uur)

Magnetisme

I I Magnetisme N Z Ampère (1775-1836) N Z tegengestelde richting: afstoting I zelfde richting: aantrekking I Ampère (1775-1836) N Z N Z N Z N Z

Magnetische veldlijnen Demonstratie: Magnetische veldlijnen

Discussie vraag Welke elektrische configuratie geeft een elektrisch veld dat het meest lijkt op het magnetisch veld van een magneet? twee dichtbij elkaar geplaatste gelijke ladingen een enkele positieve (of negatieve) lading zo’n elektrische ladingsconfiguratie bestaat niet twee dichtbij elkaar geplaatste tegengestelde ladingen N Z

Elektro-Magnetisme

Induktie tijdsafhankelijk magnetisch veld:  elektrische stroom Faraday (1791-1867) tijdsafhankelijke elektrische stroom:  elektromotor

Genesis I:3 Maxwell (1873) Licht is een elektro-magnetische golf En God zeide: “Er zij licht; en er was licht.” Maxwell (1873) Maxwell (1831-1909) Geïntegreerde theorische beschrijving Elektriciteit en Magnetisme voorspelt bestaan elektro-magnetische golven. Licht is een elektro-magnetische golf

(exact; definitie v/d meter!) Golf eigenschappen f=v [m/s] [m] [1/s]  golflengte  [m] f frekwentie [1/s] v snelheid V=299792458 m/s  c (exact; definitie v/d meter!)

Spin-off -straling radio magnetron laser 1 102 104 106 108 10+2 Batterij 1793 Gloeilamp 1879 Transistor 1947 Personnal Computer 1975 radio 1901 magnetron 1946 -straling 1896 laser 1954 Spin-off 1 102 104 106 108 10+2 1010 Golflengte (in meters) mobiel 1947-1975 radar 1935 zichtbaar licht Röntgen 1895

Faraday when asked about the use of electricity: “I do not know, but I am sure it will be taxable …………… eventually!” Faraday (1791-1867)

Periodiek Systeem

Heel lang geleden … Empedocles Plato Aristoteles Leucippus Democritus

Alchemie Lood Goud 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Lucht geen elementaire bouwsteen! Priestley muizen en kaarsen “verpesten” lucht lucht? 1754-1826 groene planten “verfrissen” lucht Lucht geen elementaire bouwsteen!

Flogiston geen elementaire bouwsteen! Lavoisier Wet van behoud van massa In chemische reacties blijft de hoeveelheid massa constant vuur? 1743-1794 flogiston = vuurstof Flogiston geen elementaire bouwsteen!

Water geen elementaire bouwsteen! Gay-Lussac Geheeltallige verhoudingen In chemische reacties tussen gassen verhouden gasvolumes zich als gehele getallen water? Volume verhouding H2 O2 H2O 2/3 1/3 1778-1850 Water geen elementaire bouwsteen!

Dalton Atomen (1803) H i.p.v. H2 O i.p.v. O2 N i.p.v. N2 1766-1844 - Alle materie bestaat uit atomen - Atomen kunnen niet gemaakt/vernietigd worden - Ieder element kent een eigen type atoom - Alle atomen van een element zijn identiek - Chemische reacties herschikken atoombindingen 1766-1844 massa’s t.o.v. waterstof (1) H i.p.v. H2 O i.p.v. O2 N i.p.v. N2

Avogadro 1 Mol = 22.4 liter + 2  2 +  2 +  2 + 2  2 +  Molekulen/volume eenheid Gelijke gasvolumes hebben evenveel molekulen + 2  2 +  2 1776-1865 +  2 + 2  2 di-atomaire molekulen! H2; H1 +  C N2; N7 O2; O8

500 km dikke laag coca-cola blikjes! # molekulen/gram (Mol) materiaal CuCu2++2e 2H++2eH2 500 km dikke laag coca-cola blikjes! Voorbeeld: 0.36 gram koper verdwenen ½ uur, 0.6 Ampère  1083 Coulomb  1083/(21.61019)  3.41021 Cu atomen/0.36 g e  1.61019 C i.p.v. #/g quote men #/Mol; 1 Mol = 63.5 g koper NA = 6.0221420  1023/Mol

Discussie vragen (1 Mol  22.4 liter) Ceasar’s laatste ademstoot bevatte 5 liter lucht (d.w.z. NA5/22.4 molekulen). Hoeveel van de door Ceasar’s laatst uitgeblazen molekulen denk je dat jij gemiddeld bij iedere inademing (weer 5 liter) naar binnen zuigt? tussen de 0.001 en 1000 veel minder dan 0.001 veel meer dan 1000 Nodig: volume v/d aardatmosfeer: 4(6400)2100 km3  5.21022 liter Dus: (NA5/22.4) molekulen 5.21022 liter   5 liter  10 molekulen

eigenschappen nog te ontdekken elementen! Mendeleev Mendeleev voorspelde eigenschappen nog te ontdekken elementen! 1834-1907

Het Periodiek Systeem Het Periodiek Systeem nummering: kernlading Edelgassen: hadden eerst geen plaats in Mendeleev’s periodiek systeem Chemistry: WebElements Periodic Table

Aarde geen elementaire bouwsteen! Massa verhoudingen v/d elementen op Aarde Water Lucht Aarde Zuurstof Silicium Aluminium Ijzer Calcium Natrium Universum: 73% waterstof 25% helium 2% de rest! Aarde geen elementaire bouwsteen!

I. Electron microscopie realiteit of fictie? Atomen:

II. Scanning tunnel microscopie realiteit of fictie? Atomen:

III. Brownse beweging realiteit of fictie? Atomen:

Atoom Model

Thomson 1897 e/m = 1.761011 C/kg 1856-1940

Millikan qe = 1.60217646  1019 C me = 9.1093819  1031 kg 1900 1868-1953

Principe botsingsexperiment  Je leert iets door bekende deeltjes te verstrooien aan een onbekend object!

Atoom model volgens Thomson Thomson zag een atoom als homogeen positief geladen smurrie met hier en daar een elektron oftewel een aardbei!

Rutherford 1911 1871-1937

tot zijn verbazing sporadisch een onder 180o verstrooid projectiel! Atoom model volgens Rutherford Rutherford zag tot zijn verbazing sporadisch een onder 180o verstrooid projectiel!

Chemistry: WebElements Chadwick 1932 Koolstof-14 Onstabiel: 14C14N halfwaardetijd: 5730 jaar http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/iso.html Chemistry: WebElements Periodic Table 1891-1974

De Elementaire Deeltjes (1932): Elektron, Proton & Neutron 1897 elektron Thomson 1911 kern Rutherford 1911 proton Rutherford 1932 neutron Chadwick

qe Millikan: e van het elektron E E +|qE| mg Kmv+ +Kmv mg |qE| q/(1.61019 C) 2 1 3 mg +|qE| Kmv+ 3 E E 2 onbekenden 2 vergelijkingen qe mg |qE| +Kmv 3