Elementaire deeltjes. Het heelal bestaat uit ruimte, tijd en deeltjes

Vergelijkbare documenten
De ontwikkeling van het atoommodel

Eindexamen vwo natuurkunde pilot 2013-I

Drie wetten die sterstructuur bepalen. Sterren: structuur en evolutie. Ideale gaswet. Hydrostatisch evenwicht. Stralingstransport

Voor de warmteoverdracht Q van punt A naar punt B geldt de formule:

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

Straal van een witte dwerg = = hydrostatisch evenwicht: = = 2 2. dr r R R 2 dichtheid: ontaardingsdruk: Pe. M = 1 M R ~ km P P R M

formules vwo natuurkunde

Eenparige cirkelbeweging

Examen VWO. wiskunde B (pilot) tijdvak 1 maandag 15 mei uur

Wiskundige Technieken 2 Uitwerkingen Tentamen 26 januari 2015

Eerste ronde - 20ste Vlaamse Fysica Olympiade 1. 20ste Vlaamse Fysica Olympiade. R R R p 1 2 = + = FA. l = ρ water = 1, kg/m 3 ( ϑ = 4 C )

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 21 januari 2005 van 14:00 17:00 uur

Tentamen Natuurkunde I uur uur woensdag 12 januari 2005 Docent Drs.J.B. Vrijdaghs

Afleiding Kepler s eerste wet, op basis van Newton s wetten

Tentamen Electromagnetisme I, 30 juni 2008, uur

Een eenparige cirkelbeweging is een cirkelbeweging, waarbij de grootte van de snelheid niet verandert.

wiskunde B pilot vwo 2017-I

voorgesteld ). Loopt er een magnetisatiestroom binnen de materie, dan stellen we de ruimtestroomdichtheid voor door J r m

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 november 2004 van 14:00 17:00 uur

1. Langere vraag over de theorie

Vraag Antwoord Scores. methode 1 Omdat de luchtweerstand verwaarloosd wordt, geldt: v( t) = gt. ( ) ( ) 2

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 9 januari 2008 van 9:00 12:00 uur

5 Algemene oplossing baanvergelijking, r = ξ/(1 + e cos f)

9. Matrices en vectoren

Relativiteitstheorie van Einstein: Banen van Planeten en Satellieten

1 1 (4052THECHT) 1) (4052THECHT)

WERKOPDRACHT OVER COMPLEXE GETALLEN Dr. Luc Gheysens. z = r(cos θ + isin θ) r = de modulus van z = mod. z θ = het argument van z = arg. z.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 januari 2006 van 14:00 17:00 uur

De Regenboog. Gert Heckman IMAPP, Radboud Universiteit, Nijmegen

Rotatie in 2D. Modeltransformaties. Translatie in 2D. Rotatie van een punt tov rotatiepunt (pivot) over een rotatiehoek:

Stevin vwo Antwoorden hoofdstuk 13 Newton en Coulomb ( ) Pagina 1 van 12

Inhoud 1 ATOOMBOUW. 1.1 Uitbreiding van het atoommodel

1 Proef van Oersted. Elektriciteit deel 2

Inclusie en Exclusie groep 2

Tentamen. Kwantumchemie & Fysica (4051QCHFY-1314FWN) Datum: 10 April Tijd/tijdsduur: 3 uur

Correctievoorschrift Schoolexamen Moderne Natuurkunde

v v I I I 10 P I 316, 10

Stevin vwo deel 3 Uitwerkingen hoofdstuk 1 Newton en Coulomb ( ) Pagina 1 van 14

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 27 november 2003 van 09:00 12:00 uur

Inleiding Astrofysica College 2 15 september Ignas Snellen

Tentamen Quantum Mechanica 2

Q l = 22ste Vlaamse Fysica Olympiade. R s. ρ water = 1, kg/m 3 ( ϑ = 4 C ) Eerste ronde - 22ste Vlaamse Fysica Olympiade 1

Opgave 1 Golven op de bouwplaats ( 20 punten, ) Een staalkabel met lengte L hangt verticaal aan een torenkraan.

Inleiding Astrofysica College 3 10 oktober Ignas Snellen

De 36 e Internationale Natuurkunde Olympiade Salamanca, -Spanje Theorie-toets dinsdag 5 juli 2005 duur: 5 uur. Lees dit eerst!

(Permitiviteit van vacuüm)

Kwantummechanica HOVO cursus. Jo van den Brand Lecture 4: 13 oktober 2016

Alternatieve evenwichten -Alledaags of niet?-

Het Informatieportaal voor Financiële Veiligheid. De 4 bedreigingen voor je spaargeld vandaag

MAGNEETKOPPEN/SPOELEN & ACCESSOIRES fundamentele principes voor identificatie / codering van de spoelen

Inhoud LEERPLANDOELSTELLINGEN LEERINHOUDEN. De leerlingen kunnen

Ter info. a m/s² a = Δv/Δt Toetsvraag 1. v m/s v = 2πr/T Toetsvraag 4

Inleiding ART. Algemene Relativiteits Theorie

(Permitiviteit van vacuüm)

Voorronde Sterrenkunde Olympiade ANTWOORDEN 15 april 2016

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Inleiding Natuurkunde 3NA20 17 januari 2011, 14:00-17:00 uur

Visualisatie van het Objectgeoriënteerde Paradigma. Arend Rensink Faculteit der Informatica, Universiteit Twente

Hardmetalen stiftfrezen voor ruw gebruik speciaal in gieterijen, werven en in de staalbouw

Stevin vwo deel 2 Uitwerkingen hoofdstuk 9 Versnellen en afbuigen (augustus 2009) Pagina 1 van 11

Uitwerkingen oefenopgaven hoofdstuk 2

De Broglie. N.G. Schultheiss

Tentamen Inleiding Astrofysica

Stevin vwo deel 2 Uitwerkingen hoofdstuk 4 Kromme banen ( ) Pagina 1 van 13

Inleiding Astrofysica

Inleiding Astrofysica Tentamen 2009/2010: antwoorden

JOINT ARCHITECTURAL NETWORK FOR URBAN SYNERGY Betere Buurt Biotoop

17 e eeuw: Licht als golf Licht als deeltje

Stevin vwo deel 2 Uitwerkingen hoofdstuk 10 Atomen ( ) Pagina 1 van 10

De lading van een proton is in absolute waarde gelijk aan de lading van een elektron: e = C

Frequentie = aantal golven per seconde op gegeven plek = v/λ = ν. Golflengte x frequentie = golfsnelheid

Tentamen Inleiding Quantumchemie (MST1171)

3 De wetten van Newton

collectieformules zorgt ervoor

Datastructuren college 9

HOEKCONTACT KOGELLAGERS

Tentamen: Gravitatie en kosmologie

Handleiding leginstructies

Tentamen Quantum Mechanica 2

In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

3 De wetten van Newton

12 Grafen en matrices. bladzijde a. Gemengde opgaven 99

Uitwerkingen bij de opgaven van. De Ster van de dag gaat op en onder

Voor een stad om van te houden. Amsterdam Nieuw-West Dr. H. Colijnstraat kamerappartement op de tiende en elfde verdieping

Tentamen Quantum Mechanica 2

1 Een lichtbron zendt licht uit met een golflengte van 589 nm in vacuüm.

QUANTUM FYSICA 1 3NB50. donderdag 28 oktober uur. Dit tentamen omvat 2 opgaven.

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 3 juli 2014 Tijd: uur Locatie: paviljoen study hub 2 vak c & d

Centraal Bureau voor de Statistiek

Quantum Chemie II 2e/3e jaar

Een nieuw model voor de CBS huishoudensprognose

natuurkunde vwo 2016-II

Beantwoord de vragen bij Verkennen. Denk aan de goniometrische verhoudingen sinus en cosinus!

Tentamen wi2140tnw Differentiaalvergelijkingen september 2004 (1)

Oefenopgaven Elektriciteit

Inclusie en Exclusie groep 1

Exact Periode 5. Dictaat Licht

Een regenboog kan worden verklaard door waterdruppels te beschouwen als bolvormig

Multiplicatieve functies

Verstrooiing aan potentialen

Exact Periode 5 Niveau 3. Dictaat Licht

Transcriptie:

Inleiding astofysica 3 Inleiding Astofysica Paul van de Wef Steewacht Leiden Elementaie deeltjes Het heelal bestaat uit uimte, tijd en deeltjes uimte en tijd woden bescheven doo de algemene elativiteitslee deeltjes woden bescheven doo de kwantumfysica NB: in hun huidige vom zijn kwantumfysica en elativiteit niet met elkaa te veenigen; dit is het gootste pobleem van de huidige fysica Het idee dat mateie uit ondeelbae deeltjes bestaat is oud (de atomoi van Democitos) Wat zijn deze eigenschappen van deze elementaie deeltjes? Kwantumgetallen kwantisatie in het dagelijks leven: bv. geslacht: man of vouw een atoom heeft een massa van ongevee 7 kg een mens bestaat dus uit ongevee 9 atomen dus zijn e 9! 3 mogelijke configuaties toch maa geslachten: kwantisatie andee bekende voobeelden: chemische vebindingen: bv. H O, CO maa nooit bv H π O peiodiek systeem: slechts 9 natuulijke elementen elementaie deeltjes: slechts bepekt aantal veschillende deeltjes: alle eigenschappen (massa, lading, ) van deze deeltjes gekwantiseed specta van elementen Inleiding astofysica Inleiding astofysica 3 ysica van elementaie deeltjes Wat is e elementai aan elementaie deeltjes? elementaie deeltjes van dezelfde soot (bv. electonen) zijn identiek, d.w.z. niet ondescheidbaa Elementaie deeltjes en hun eigenschappen woden bescheven doo de kwantumfysica: deeltjes bescheven als golven: dualiteit van golfkaakte en deeltjeskaakte gevolg van het golfkaakte: kwantisatie onzekeheid Dualiteit golven-deeltjes: licht Newton: beschouwde licht als een deeltjes veschijnsel Poef van Young (8): intefeentie van licht doo een dubbele spleet licht gedaagt zich als een golfveschijnsel Dualiteit golven-deeltjes: licht Wetten van Maxwell: licht is een electomagnetische golf lichtsnelheid c Einstein (9): foto-electisch effect licht gedaagt zich als een deeltjesveschijnsel Licht met fequentie bestaat uitdeeltjes met enegie Eh, zg. fotonen. h 6.6 34 J s is de constante van Planck Inleiding astofysica 4 Inleiding astofysica 5 Inleiding astofysica 6 Staling

Inleiding astofysica 3 Impuls van fotonen Deeltjes als golven De Schödinge vegelijking Als deeltje heeft een foton ook een impuls: h p c Bij botsingen kan dus impuls ovedacht plaatsvinden: h, h/c vestooid foton h, h /c θ inkomend foton φ E e, p e Compton effect: foton daagt impuls ove aan deeltje weggestoten deeltje en veliest zelf impuls en enegie langee golflengte Invese Compton effect: deeltje daagt impuls en enegie ove aan foton kotee golflengte Hypothese van De Boglie: h De elatie is geldig voo p alle deeltjes, niet alleen voo fotonen. expeimentele bevestiging: dubbele spleet expeiment met deeltjes i.p.v. licht blijkt ook intefeentie op te leveen: golfkaakte van deeltjes dagelijks leven: << afmeting vewaaloosbaa atomaie schaal: ~ afmeting belangijk Het golfkaakte van deeltjes wodt bescheven doo de kwantumfysica. De golffunctie ψ wodt bepaald doo de Schödinge vegelijking: ψ ( x, t) + V ( x) ψ ( x, t) Eψ ( x, t) m x met π h V(x) is de potentiële enegie (hie tijdsonafhankelijk) E is de enegie Voobeeld van oplossing voo V(x): bij iedee golffunctie hoot een bepaalde enegie (hie -dimensionaal) k ψ ( x, t ) A sin kx en E A m π p waain k p E A m Inleiding astofysica 7 Inleiding astofysica 8 Inleiding astofysica 9 De golffunctie Electomagnetische golf: enegie (amplitude) Maa omdat licht zich als een deeltje gedaagt moet de enegie ook een maat zijn voo de kans een foton aan te teffen. Bon intepetatie van de golffunctie: de kans om een deeltje aan te teffen in het volume dxdydzdtond (x,y,z,t) is ψ(x,y,z,t) dxdydzdt. ΝΒ: ψ is niet meetbaa en heeft geen eigen fysische betekenis; ψ wel! Deeltje in een potentiaalput oneindig hoge potentiaal wanden Een deeltje zit in een -dimensionale doos met beedte a, d.w.z. de kans om het deeltje buiten de doos te vinden is. Voo de golffunctie geldt dus: ψ, x < ψ, x > a Golffunctie is continu: ψ ( ) ψ ( a) a Oplossing Schödingevegelijking: π ψ ( x) Asin kx met k nπ ψ ( a) k ( n ±, ±,...) a kwantisatie van impuls π p π k p n a x Vom van de golffuncties Omdat de Schödingevegelijking lineai is, is een lineaie combinatie van deze oplossingen (met veschillende impuls!) ook een oplossing (supepositie beginsel). De impuls is dan onzeke. Hoe mee veschillende impulsen (dus hoe minde goed de impuls bepaald is), hoe smalle de golffunctie (dus hoe pecieze de plaats van het deeltje bepaald is). Dit is een manifestatie van het onzekeheidspincipe van Heisenbeg. Inleiding astofysica Inleiding astofysica Inleiding astofysica Staling

Inleiding astofysica 3 Onzekeheidsbeginsel van Heisenbeg Pecieze analyse laat zien dat de minimum waade van het poduct van de onzekeheden in positie en impuls wodt gegeven doo x p h/ evenzo: t E h / onzekeheids beginsel van Heisenbeg Voobeelden: Impuls en positie kunnen niet tegelijk nauwkeuig gemeten woden; als we positie pecies zouden kunnen bepalen, zouden we niets mee ove impuls weten, en andesom. Het duut oneindig lang, om enegie pecies te meten. Beking met electonen: als de spleet smalle (positie nauwkeuige) is, wodt het bekingspatoon bede (impuls minde nauwkeuig), Rotatie In dimensies: kwantisatie van impulsmoment l π ( l,,3,...) π h l p L p l In 3 dimensies: kwantum getallen l en m (ingewikkeld) Spin en het Pauli-pincipe Impulsmoment van een deeltje zelf noemen we spin. Spinis iets subtiels; het gedaagt zich als impulsmoment, maa je moet je NIET voostellen dat een deeltje om zijn eigen as daait! Spin is gekwantiseed (kwantumgetal s); een electonkan maa waade van s hebben:s ½. Alle deeltjes hebben óf heeltallige spin (,,, ): bosonen (bv. foton) óf halftallige spin (/, 3/, 5/, ): femionen (bv. electon, poton, neuton) Pauli-pincipe: twee identieke femionen kunnen zich niet in dezelfde kwantumtoestand bevinden Inleiding astofysica 3 Inleiding astofysica 4 Inleiding astofysica 5 Specta van atomen continuum spectum emissielijn spectum absoptielijn spectum Iede element heeft zijn eigen kaakteistieke emissielijn spectum. Watestof: R H, met n < m n m Rydbeg constante: R H.967758µ m Inleiding astofysica 6 Ruthefod's atoom model Ruthefod s model: electonen bewegen ond de (veel zwaadee) ken met lading Z in een cikelbaan. Ze v m 4πε Coulomb centipetaal Ze m v 8πε Poblemen:. alle enegieën toegestaan waaom lijnen spectum?. electon zal electomagnetische golf uitzenden veliest enegie botst tenslotte met poton onstabiel Ruthefod model is onjuist. Inleiding astofysica 7 Boh s atoom model Impulsmoment van een electon in een atoom is gekwantiseed; daadoo is ook enegie gekwantiseed en zijn slechts bepaalde enegieniveause n mogelijk. De beweging van de electonen in deze gekwantiseede banen is stalingloos. Een electon kan van een baan met lage (negatieve) bindingsenegie E m naa een baan met hogee (negatieve) bindingsenegie E n spingen, onde emissie van een foton. m v n n 4πε e n n Z mee n,,3,... ~.5nm Ze mev 4 4πε Ze Z mee En mev 4πε n 3πε 3.6eV Inleiding astofysica 8 v n Ze + n e - coect emissielijn spectum Staling 3

Inleiding astofysica 3 Enegie niveaus van watestof gondtoestand: n E 3. 6 ev aangeslagen toestanden: n> 3.6 ev E n n ovegang van n i naa n j E 3.6 ev i j Emissie en absoptie lijnen Ruimtehoeken Enegie kan uit veschillende gebieden op een oppevlak vallen. Hoe kwantificeen we dit? ds dθ In -D geven we een beeik van ichtingen aan met de hoek dθ dθ ds In 3-D geven we een beeik van ichtingen aan met de uimtehoek dω ds dω dω totale cikel: dθ π totale uimte: dω 4π ds eenheid van uimtehoek: steadiaal (s) Inleiding astofysica 9 Inleiding astofysica Inleiding astofysica Intensiteit (monochomatische) intensiteit I ontvangen vemogen pe oppevlakte eenheid pe uimtehoek eenheid pe fequentie eenheid da dω [W m s Hz ] enegie de I dω d dt cosθ da N.B. facto cos θ omdat gepojecteede oppevlak telt. Inleiding astofysica θ I Uitgebeide bon of puntbon? uitgebeide bon: we willen het ontvangen vemogen weten pe uimtehoek flux dichtheid [W m Hz ] puntbon: we willen het totale ontvangen vemogen weten integee ove uimtehoek: flux dichtheid I dω als we niet geïnteesseed zijn in spectale infomatie, kunnen we ove integeen: flux [W m ] Inleiding astofysica 3 d Lichtkacht Een fundamentele gootheid is de totaal uitgestaalde enegie pe seconde: de (bolometische) lichtkacht L [W]. Omdat Watt een beetje klein is, gebuiken we vaak L als eenheid van lichtkacht. bv. bolometische lichtkacht van de zon: L 3.9 6 W L van een typisch melkwegstelsel: L ~ 37 W L heldest bekende object in heelal: L ~ 4 W 4 5 L We kunnen ook de spectale infomatie meenemen en een monochomatische lichtkacht L [W Hz ] definiëen: L L d Inleiding astofysica 4 L d Staling 4

Inleiding astofysica 3 Invese kwadaat wet lux is de hoeveelheid enegie die pe seconde en pe oppevlakte eenheid, op een oppevlak valt. Op afstand D van een isotope bon met lichtkacht L wodt de flux dichtheid: L 4π D Inleiding astofysica 5 Zwatlichaamsstaling Klassieke fysica levet de Rayleigh-Jeans fomule voo de intensiteit van de staling van een pefect zwat object: v kt,rj ( T ) B Blijkt expeimenteel alleen te kloppen bij lage (koude voowepen zenden geen zichtbaa licht uit ): de UV-katastofe klassieke fysica faalt! Oplossing: Enh gekwantiseed (n,,, ) c Inleiding astofysica 6 De Planck functie Kwantumfysica geeft voo de intensiteit van zwatlichaamsstaling de Planck functie: B ( T) c e 3 h h / kt [W m s Hz ] Bij lage vinden we de Rayleigh-Jeans fomule teug: v kt B ( T), voo hv kt c (constante van Planck is vedwenen geen fotonen mee, golfkaakte oveheest) Inleiding astofysica 7 Veschuivingswet van Wien Stefan-Boltmann wet Eigenschappen van steen De golflengte waa B (T) zijn maximum heeft, hangt als volgt van Taf: 6.898 max[nm] T[K] dus hetee objecten zijn blauwe: kleu kleu tempeatuu bv. zon: max 55 nm (geel) T kleu 53 K Planck functie geïntegeed ove fequentie en ove uimtehoek geeft flux van een zwat lichaam: 4 σ T met σ 5.669 Wm K 8 4 dus hoe hete, hoe mee enegie uitgestaald lichtkacht effectieve tempeatuu Ste specta Heet Koel Specta tempeatuu, duk, chemische samenstelling, otatie, magnetisch veld, massavelies, inwendige stuctuu, Kleu tempeatuu, staal Lichtkacht tempeatuu, staal Dubbelsteen massa Vaiabiliteit. Inleiding astofysica 8 Inleiding astofysica 9 Inleiding astofysica 3 Staling 5

Inleiding astofysica 3 Heldeheid van steen: magnituden Astonomen gebuiken vaak een nogal veemd systeem om de heldeheden van steen uit te dukken: magnituden m m m.5 log Dit is een logaitmische schaal: als m m.5log 5 Dit is een modene manie om de histoische heldeheidsaanduidingen van Hippachos en Ptolemaeus wee te geven. Het is ook een elatieve schaal: één ste (Vega) heeft pe definitie magnitude m bij iedee golflengte Magnituden +3 +5 + +5 + +5 5 5 5 HD Veekijke Siius Volle maan Pluto Blote oog Venus Zon N.B.: lagee (of mee negatieve) magnitude betekent heldede ste! Kleuen In de paktijk meten we fluxen altijd doo een filte, bv. B (~4 nm, blauw) of R (~7 nm, ood); combinatie van magnituden bij veschillende golflengtes geeft dan een kleu (ook wel kleuindex genoemd) B R.5 log B R B R < : ste is blauw (d.w.z. blauwe dan Vega) B R > : ste is ood (d.w.z. ode dan Vega) Voo Vega zijn alle kleuindices. Inleiding astofysica 3 Inleiding astofysica 3 Inleiding astofysica 33 Absolute magnituden De absolute magnitude wodt definieed als de schijnbae magnitude van een object als het op een afstand van pc zou staan. L 4π 4π m m.5log.5log M m 5log pc m M 5log 5 pc m schijnbae magnitude M absolute magnitude m M heet de afstandsmodulus bv. Vega: m M.5 (uit spectum) afstand 8 pc Voobeeld: gegevens van de zon massa 3 kg planeetbanen staal 7 km afstand en meetkunde lichtkacht3.8 6 W afstand en flux op aade oppevlakte tempeatuu 58 K wet van Stefan-Boltzmann equatoiale otatie 5 dagen polaie otatie 33 dagen zonnevlekken oppevlakte samenstelling 7% H, 7% He, % oveige spectum Zonnespectum Heet Koel Absoptielijnen in zonnespectum (aunhofe, 8) Het element Helium (He) wedvoo het eest ontdekt in het zonnespectum Inleiding astofysica 34 Inleiding astofysica 35 Inleiding astofysica 36 Staling 6

Inleiding astofysica 3 Tempeatuen van steen Lichtkacht, tempeatuu en staal Dwegen, euzen, supeeuzen Ste specta Heet Koel Specta: populatie van enegieniveaus en ionizatietoestanden hangt af van dichtheid en tempeatuu excitatietempeatuu Kleu: Planck functie kleutempeatuu Lichtkacht: wet van Stefan-Boltzmann L T 4 effectieve tempeatuu NB: voo een zwate stale: T eff T kleu staal alleen diect meetbaa voo zon en Betelgeuze gemeten (schijnbae) magnitude men absolute magnitude M (uit spectum) afstand D en flux lichtkacht L4πD tempeatuu uit kleu (wet van Wien) wet van Stefan-Boltzmann: flux [W m ]σt 4 lichtkachtl [J/s] 4πR σt 4 bv: een koele (ode) ste met dezelfde lichtkacht als een hete (blauwe) ste moet dus een veel gotee staal hebben: een ode eus Betelgeuze.5 acsec Betelgeuze, een ode supeeus Inleiding astofysica 37 Inleiding astofysica 38 Inleiding astofysica 39 Staling 7