MasterLab Energie Het mysterie van massa

Presentatie over: "MasterLab Energie Het mysterie van massa"— Transcript van de presentatie:

1 MasterLab Energie Het mysterie van massa
Piet Mulders

2 ENERGIE E = mc2 opwekken transporteren massa opslaan misbruiken
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 m2 In Nederland verbruiken we per inwoner een kleine 10 kiloWatt De basisbehoefte van ons lichaam is 75 Watt, vergelijkbaar met een gloeilamp opslaan misbruiken gebruiken * De eenheid van energie is de Joule. 1 Watt is 1 Joule per seconde

3 Enkele van de keywords ENERGIE MASSA Jo van den Brand Raoul Frese
Bouwstenen & elementaire deeltjes Krachten, i.h.b. zwakke kracht & kernfusie Antimaterie en het ontbreken daarvan in het heelal Raoul Frese Energiebalans op aarde Problemen en mogelijke oplossingen Zonne-energie via fotosynthese ENERGIE MASSA … WAT ZIJN DE CONCEPTEN HIERBIJ?

4

5 Massa, energie, (impuls)
Basisconcepten: Massa, energie, (impuls) P.J. Mulders

6 Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s
Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa is niets anders dan de 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 = km/s

7 Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s
Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa is niets anders dan de 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, kg Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = km/s

8 Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s
Impuls en energie Een bewegend object met snelheid 0  v  c heeft meer energie maar ook 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 = km/s

9 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 rust-energie mc2 Voor licht (m = 0): E = pc v = 180 km/h = 50 m/s m = 1800 kg E/c2 = 1800, = 1800 kg + 0,025 mg p/c = 0,3 g 2,25 MJoule

10 Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s
Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa is niets anders dan de energie in het stilstaande object Energie van alle bewegende atomen draagt bij aan de massa (d.w.z. rustenergie mc2) van de liter kokend water. m = 1, kg Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = km/s

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

12 Kernfusie Sterren als de zon halen energie uit kernfusie:
4 H  He + 2 e + 2  + energie Kernfusie Per seconde zet de zon kg waterstof om in helium De energie (en impuls) zijn daarbij behouden De massa van de zon neemt per seconde af met kg! Hans Bethe

13 ENERGIE E = mc2 opwekken transporteren massa opslaan misbruiken
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 m2 In Nederland verbruiken we per inwoner 6 kiloWatt De basisbehoefte van ons lichaam is 75 Watt, vergelijkbaar met een gloeilamp opslaan misbruiken gebruiken * De eenheid van energie is de Joule. 1 Watt is 1 Joule per seconde

14 Energiebalans in atmosfeer

15 Wereldenergieverbruik (binnenkort):
10 kW/persoon Wereldenergieverbruik (binnenkort): 1011 kW = 100 TW = 30 x 1020 J/jr Van zon komt: 1400 W/m2 middelen over aarde 25% 50% bereikt aardoppervlak Efficiëntie van foto-elektrische cellen is 10%. Blijft over ca. 20 W/m2 Oppervlakte met foto-elektrische cellen is 500 m2/persoon oftewel km2 (Libya, Tsjaad & Algerije)

16 Van macro naar micro: opbouw van materie
Theorie Experiment Toepassing P.J. Mulders

17 Materie MATERIE

18 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m 0, m

19 Het periodiek systeem

20 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m
ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met 1 eV = 1,6 x J Aantal atomen in macroscopisch sample Navogadro = 6 x 1023 Dus heel andere energieschalen Nav x 1 eV = 100 kJ (lichaamsverbruik/dag is 8000 kJ) Materie proton/neutron In wereld van atoomkernen zijn de energieen MeV’s = 106 eV’s Dus macroscopisch Nav x 1 MeV = 100 GJ (~ totale energieverbruik van een persoon/jaar)

21 Atoomkernen & sterke kracht
Eiland van stabiliteit

22 Atoomkernen & zwakke kracht
Isotopen Radioactiviteit alpha beta gamma Na 15 min. Enrico Fermi

23 Neutrino’s Leon Lederman

24 Bouwstenen van de subatomaire wereld
NUCLEONEN LEPTONEN

25 Materie ELEKTRON MATERIE ATOOM 10-10 m ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO
NUCLEON proton/neutron 10-15 m QUARK up/down ELEKTRON MATERIE ATOOM 10-10 m ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron 10-15 m Materie < 0, m

26 Bouwstenen van materie
QUARKS d u proton d u neutron nucleonen LEPTONEN Massa komt voor circa 98% uit energie ten gevolge van opsluiting door sterke kracht! 20 Ton = 2 x 105 N

27 Massa en ruimte-tijd P.J. Mulders

28 Massa en zwaartekracht
rotatiesnelheden in galaxies zwaartekracht versnelling ac bij cirkelbeweging zware massa trage = omloopstijden en afstanden (planeten, dubbelsterren) … onafhankelijk van m !!

29 Massa: kromming van ruimte
GEEN KROMMING POSITIEVE KROMMING NEGATIEVE KROMMING zonder kracht: rechtlijnige beweging zwaartekracht wordt gevoeld 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

30 voorbeeld: kosmische gravitatielens

31 Massa en energie in het heelal
P.J. Mulders

32 Massa en energie in het heelal  sterren
73% 23% Normale materie: sterren (0.4%)

33 Massa en energie in het heelal  stof
73% 23% Donkere baryonische materie (3.5%) Normale materie: sterren (0.4%)

34

35 Massa en energie in het heelal  donkere massa
73% Koude donkere materie 23% Donkere baryonische materie (3.5%) Normale materie: sterren (0.4%)

36 Een blik diep in het heelal

37 Materie en gas in bullet cluster
Optisch Röntgenstraling

38 Materie en gas in bullet cluster
Optisch Gravitationeel

39 Materie en gas in bullet cluster

40 Sterren (1-2%) Heet gas van geladen deeltjes dat botst en wordt afgeremd (5-15%) Een heleboel donkere materie dat net als de stelsels alleen gravitatie voelt (> 80%) 4700 km/s 720 kpc

41 Massa- en energie-verdeling in heelal
Rotatie van melkwegstelsels Gravitatielenzen Achtergrondstraling

42 Massa en energie komt en gaat
we weten er veel van … … maar het blijft mysterieus LHC Kosmos