Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009

Transcriptie

1 Materie bouwstenen van het heelal FEW 2009 Prof.dr Jo van den Brand 2 september 2009

2 Waar de wereld van gemaakt is De wereld kent een enorme diversiteit van materialen en vormen van materie. Vraag: bestaan er fundamentele bouwstenen? (liefst een klein aantal ) Prof.dr Jo van den Brand,

3 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 Prof.dr Jo van den Brand,

4 Het periodieke systeem Mendeleev (1869) introduceerde het periodieke systeem Prof.dr Jo van den Brand,

5 De structuur van atomen Rutherford (1912) toonde aan dat atomen een centrale kern bevatten m Elektronen draaien rond de kern met precies gedefinieerde energie en slecht gedefinieerde posities Prof.dr Jo van den Brand,

6 Deeltjes fysica Elementair sinds 1897 Elementair sinds 1974 Prof.dr Jo van den Brand,

7 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 elektronneutrino. Prof.dr Jo van den Brand,

8 Kosmische materie Theodore Wulf Jezuit uit Valkenburg 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. Prof.dr Jo van den Brand,

9 Deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) maken een regen van secundaire deeltjes in de atmosfeer Een muon leeft 2.2 msec. Welke afstand kan het dan met de lichtsnelheid bewegend afleggen? (3x10 8 m/s)(2.2 x 10-6 s) = 660 m. Toch bereiken muonen het aardoppervlak! Prof.dr Jo van den Brand,

10 Albert Einstein ( ) Relativiteitstheorie Equivalentie van massa en energie: E = m c² Bewegende klokken lopen langzamer: t = ( > 1 ) Prof.dr Jo van den Brand,

11 Muonen zichtbaar maken met vonkenkamer Prof.dr Jo van den Brand,

12 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 Prof.dr Jo van den Brand,

13 Hoge energie materie In 2008: 14 TeV proton-proton botser Hoogste prioriteit in ons vakgebied CMS ALICE ATLAS LHCb Prof.dr Jo van den Brand,

14 Large Hadron Collider Nikhef Wetenschappelijk programma LHC Prof.dr Jo van den Brand,

15 Drie families: Standaard Model Massa s van deeltjes in MeV; 1 MeV gram Prof.dr Jo van den Brand,

16 Krachten 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 Omega Centauri globular cluster Prof.dr Jo van den Brand,

17 Stervorming Gravitationele krachten in H2 gebieden Protostellaire objecten ontstaan door: Dalende potentiele energie en stijgende kinetische energie Verdichting kern, verhoging temperatuur en druk Prof.dr Jo van den Brand,

18 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 Prof.dr Jo van den Brand,

19 Zwakke Interacties pp cyclus d p u u Prof.dr Jo van den Brand, W d u d n e e

20 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 1 H 4 He + 2γ + 2e + + 2ν Hierbij komt per He kern 26.7 MeV vrij in γ s. Basis gegevens: Straal = 6.96x10 8 m Massa = 1.989x10 30 kg Lichtkracht = 3.85x10 26 W Leeftijd = 4.5x10 9 jr Oppervlakte temperatuur: 5700 K. De Zon is een normale ster van type G2. Prof.dr Jo van den Brand,

21 Een nieuw inzicht: energie = massa 1 liter water 2 liter water Verwarm 1 liter water tot 100 C: bij 0 C Δ E bij = C kcal = 418 kj m = 1,000 kg m = 2,000 kg Δ 0,0046 mg = Δ E / c² Prof.dr Jo van den Brand,

22 Fotosfeer: het zonnespectrum De fotosfeer geeft zeer belangrijke informatie over de chemische samenstelling van de Zon. Prof.dr Jo van den Brand,

23 Kernfusie Lijnen van waterstof in een spectrum Lijnen van helium in een spectrum Lijnen van koolstof in een spectrum Prof.dr Jo van den Brand,

24 Per seconde zet de zon kg waterstof om Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H He + 2e + 2 De massa van de zon neemt per seconde af met kg! + energie Prof.dr Jo van den Brand,

25 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. Prof.dr Jo van den Brand,

26 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. v e ν μ ν τ Prof.dr Jo van den Brand,

27 The way to go. ITER Realiseer kernfusie op aarde 100 miljoen o C 500 MW vermogen Kosten: constructie $ 2.755M bedrijf $ 3.760M (20 jaar) afvoeren $ 335M Prof.dr Jo van den Brand,

28 Nucleosynthese Big Bang en in sterren Prof.dr Jo van den Brand,

29 Nucleosynthese in supernovae Ni synthese 3 x 10 6 km, 300 s 4000 km 32 x 10 6 km, 3 uur Prof.dr Jo van den Brand,

30 Supernova Prof.dr Jo van den Brand,

31 Neutrino fysica Superkamiokande Prof.dr Jo van den Brand,

32 Neutrino fysica Borexino in Gran Sasso Prof.dr Jo van den Brand,

33 Kosmische neutrino s Antares en KM3NET Prof.dr Jo van den Brand,

34 Kosmische neutrino s Amanda en Icecube Prof.dr Jo van den Brand,