fragment Fantastic 4

Transcriptie

1 1

2 In dit fragment uit de science fiction film Fantastic 4 worden astronauten lam gestraald door zogenaamde kosmische straling. Zij komen er goed van af want door die straling muteert hun DNA zodanig dat ze opeens supersterk, superlenig of onzichtbaar worden. Heel mooi, maar in de realiteit is die straling gewoon slecht voor ons. Gelukkig heeft onze Aarde een dampkring. Die zorgt er niet alleen voor dat wij zuurstof kunnen inademen, maar die beschermt ons juist ook tegen die kosmische straling die met extreem hoge energieën rond stuitert in ons Universum! 2

3 Hoe hebben we ontdekt dat de Aarde gebombardeerd wordt door allerlei deeltjes uit de ruimte? Met dit eenvoudige apparaat, een zogenaamde elektroscoop. Door deze stok op te wrijven wordt hij elektrisch geladen. Die lading kan je overbrengen op dit apparaat en als je er maar genoeg lading opbrengt gaan deze twee metalen platen uit elkaar. Dit omdat gelijke elektrische ladingen elkaar (net zo als magneten) afstoten. Nu was er zo n 100 jaar geleden in Zuid Limburg een Jezuïet, Theodor Wulf. Die had veel vrije tijd en keek lang naar zo n opgeladen elektroscoop. Tot zijn verbazing zag hij dat de metalen plaatjes v/d elektroscoop naar elkaar toe kropen! D.w.z. de lading verdween! Rond diezelfde tijd ontdekte madame Curie natuurlijke radioactiviteit. Wulf veronderstelde dat die radioactiviteit verantwoordelijk was voor het ontladen. Indien zo, dan zou het ontladen langzamer moeten gaan als hij zijn experiment ver boven de grond zou herhalen. Dus herhaalde hij zijn experiment bovenop de zojuist gebouwde Eiffeltoren. En het ontladen ging sneller! En dus moest er iets van boven het ontladen veroorzaken! 3

4 Dat van boven noemen we nu Kosmische Straling. Een kosmische straal bestaat uit een atoomkern die met hoge snelheid op onze dampkring knalt. Daar ontstaat een enorme sproeier van secondaire deeltjes genereert die neerregent op Aarde. Die sproeiers kunnen vele vierkante kilometers groot zijn. Deze video is van het mooiste kosmische straling experiment. Op 3000 vierkante kilometer Argentijnse Pampa wordt de inslag van de sproeiers gemeten. De volgorde van geraakte detectoren laat zien waar de sproeier vandaan komt. De omvang van de inslag is een maat voor zijn energie. 4

5 De energieën van een kosmische straal, d.w.z. een enkele atoomkern, kan gigantisch zijn. De hoogst gemeten energie correspondeert met de energie van een door een toptennisser geslagen tennisbal! Maar dan samengebald in één enkele atoomkern i.p.v. verdeeld over de atomen in een tennisbal. Die hoge energieën zijn wel heel zeldzaam: slechts één per vierkante kilometer per jaar! Toch kennen we helaas nog steeds de bronnen van kosmische straling niet. Waarom niet? 5

6 Omdat er in de ruimte tussen ons en de bron van kosmische straling magnetische velden zitten. En net zoals de elektronen in deze buis door een magneetveld afgebogen werden, wordt een kosmische straal ook onderweg afgebogen. Dus als wij denken dat de kosmische straal daar vandaan komt; kan het best zo zijn dat de bron daar staat! Om het effect van magnetische afbuiging te verminderen is het belangrijk te zoeken naar kosmische stralen met enorm hoge energie. Die worden namelijk heel moeilijk afgebogen. 6

7 Zonder nu te weten waar de kosmische straling vandaan komen, kan je er toch al een boel leren. Zo kan je met dit apparaat, een vonkenkamer, een speciaal deeltje gemaakt in de sproeiers zichtbaar maken. De flits die jullie hier zien is het spoor van een zogenaamd muon deeltje! Dit wordt tientallen kilometers hoog in onze dampkring gemaakt en dendert met vrijwel de lichtsnelheid naar beneden! Zonder dat u het weet en merkt gaat er ongeveer iedere seconde zo n muon door uw hand heen! 7

8 Nu hoor ik u denken: Muon, wat is dat nou? Eigenlijk niets anders dan een elektron. Zij is ook elektrisch geladen. Enige verschil is dat zij een stuk zwaarder is dan het elektron. 200 maal zwaarder. Hier de knuffel: ziet er net zo uit als een elektron, maar is zwaarder! Dat zwaarder zijn van het muon heeft een onverwachte gevolg. Terwijl het elektron eigenlijk het eeuwige leven heeft, gaat een muon in een fractie van een seconde kapot! Technisch noemen we dat: het muon vervalt in andere deeltjes, o.a. een elektron! Acadabra voor veel van jullie. Maar het mooie is dat ik hier een opstelling heb waarmee ik kan laten zien hoe kort een muon bestaat! 8

9 Namelijk deze zwarte balk. Voordat ik uitleg hoe het werkt. Even iets over deeltjesverval. Stel dat deze knikkers zouden kunnen vervallen met bijvoorbeeld een zogenaamde halfwaardetijd van 5 sec. Wat betekent dat? Dat betekent dat als ik nu 16 knikkers in mijn hand heb: * Ik er over 5 seconden nog maar 8 over heb; * En over nog eens 5 seconden nog maar 4; * En weer 5 seconden later nog maar 2; etc. D.w.z. na iedere 5 seconde raak ik de helft kwijt. Vandaar de naam Halfwaardetijd. Nu de zwarte balk. Net zoals door die vonkenkamer schieten hier ook muonen doorheen en net als bij die vonkenkamer geeft dat ook een flitsje in die balk. Wij zien die flitsjes niet, maar aan het einde van de balk zit een lichtdetector die de flitsjes wel ziet. Meestal slechts één flitsje. Soms echter twee flitsjes kort achter elkaar. En dat zijn de leuke. Het eerste flitsje is van het muon dat de balk inkomt en daar dan stopt! Dan zit het daar te zitten. En dan vervalt het muon. Het wegschietende elektron geeft net als het muon ook een flitsje. Twee flitsjes kort achter elkaar dus! De tijd tussen die twee flitsjes is een maat voor hoe lang een muon leeft. Als je dit vaak genoeg meet dan kan je de muon halfwaardetijd afschatten. Iets meer dan 1 miljoenste van een seconde! 9

10 De meeste muonen suizen ongeveer met de lichtsnelheid d.w.z. met een duizelingwekkende 300 duizend km/s naar beneden. Als ze typisch 1 miljoenste van een seconde leven leggen ze dus 1 miljoenste van 300 duizend km oftewel 300 meter af. Wacht eens even: die muonen komen toch van tientallen kilometers hoog in de dampkring? Hoe kan dat nou? Om dat te begrijpen heb je Einstein nodig. Einstein stelde dat de lichtsnelheid voor iedereen hetzelfde is. 300 duizend km/s dus. Stel je voor ik schijn met deze laserpen. Jullie zien het licht er met 300 duizend km/s uitkomen. En als ik heel hard ga lopen: komt het er voor jullie nog steeds uit met 300 duizend km/s! En dus niet met 300 duizend km/s + mijn snelheid. Gek he? Toch werkt de natuur zo. En dit heeft een andere vreemde consequentie! 10

11 Welke? Daarvoor moeten we kijken naar het begrip tijd. Om dat duidelijk te maken introduceer ik een speciale klok. Een klok gebaseerd op een lichtpulsje dat tussen twee spiegels heen en weer ketst. Veronderstel dat deze bal het lichtpulsje is en mijn hand en de grond de spiegels. Dit is dan een tik van deze klok (bal heen en weer). Hoe lang duurt dat in seconden? Nou twee keer de afstand gedeeld door de snelheid van het licht. Heel kort dus. Tikt deze klok voor u nu even snel als hij beweegt? Kijk eens: als ik loop ketst het balletje zo tussen mijn hand en de grond. Is de tijd van de tik voor u nu hetzelfde? We hebben net afgesproken dat de lichtsnelheid niet verandert. Maar het licht pad is voor u nu wel anders. Namelijk twee scheve lijnen. Dus langer dan zo net. En dus tikt een bewegende klok voor u langzamer! Schokkend he? En bij een snel bewegend muon tikt het klokje echt ontzettend langzaam d.w.z. zij leeft vanuit ons gezien veel langer dan een stilstaand muon! Vreemd he? Toch is het echt waar! 11

12 In dit college hebben we geleerd dat het elektron een zwaarder zusje heeft: het muon. En dat het muon instabiel is: zij leeft slechts een paar miljoenste van een seconde. En en-passant heb ik u uitgelegd waarom een bewegende klok achter loopt! En is dit nu allemaal nuttig d.w.z. kan je er wat mee? Nou die muonen die gratis naar beneden komen kan je gebruiken om een soort röntgenfoto te maken. B.v. om te kijken of er nog onbekende schatkamers in een piramide zitten. Echt al gedaan. Of om zeecontainers te scannen. Wordt ook gedaan. O ja en de vraag uit het begin: Is een reis naar Mars gevaarlijk? Het antwoord is ja. En niet alleen omdat je in een raket moet, maar ook omdat je daar ver weg van onze beschermende dampkring fors last kan hebben van kosmische stralen. In ieder geval is je stralingsdosis daar paar honderd keer hoger dan hier op Aarde. In het volgend college ga ik u vertellen over: Antimaterie 12

13 13

14 14