1 / 67

Van atoom tot kosmos

HOVO-CURSUS. Van atoom tot kosmos. Piet Mulders. http://www.nat.vu.nl/~mulders. mulders@few.vu.nl. HOVO-CURSUS. Omschrijving. INLEIDING NATUURKUNDE Van Atoom tot Kosmos

phuc
Download Presentation

Van atoom tot kosmos

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. HOVO-CURSUS Van atoom tot kosmos Piet Mulders http://www.nat.vu.nl/~mulders mulders@few.vu.nl

  2. HOVO-CURSUS Omschrijving INLEIDING NATUURKUNDE Van Atoom tot Kosmos P.J. MuldersAfdeling Natuurkunde en SterrenkundeFaculteit der Exacte WetenschappenVrije Universiteit AmsterdamDe Boelelaan 1081, 1081 HV Amsterdamemail: mulders@few.vu.nl In deze cursus passeren elementaire concepten in de natuurkunde de revue. Voorbeelden zijn materie, energie, ruimte, tijd en krachten. Het prachtige aan natuurkunde is dat we deze concepten niet alleen in het dagelijks leven tegenkomen in eenvoudige of ingewikkelde situaties zoals een vallende appel, het klimaat of de energieproblematiek, maar dat het precies dezelfde concepten zijn de bewegingen en krachten tussen de meest elementaire bouwstenen van de materie beheersen of de bewegingen en krachten in de kosmos. Onderwerpen die in vier colleges aan de orde komen zijn 1. Inleiding (afmetingen, energie, krachten) 2. Opbouw van de materie (atomen, nucleonen, quarks en leptonen) 3. Krachten en symmetrieën (gravitatie, elektrozwakke en sterke krachten, antideeltjes) 4. Het ongrijpbare neutrino 5. De geschiedenis van het heelal (de oerknal) 6. Complexiteit

  3. HOVO-CURSUS Doel, opbouw, opzet, … Ik wil • u laten delen in mijn fascinatie voor natuur(kunde) • u vertellen hoe de wereld in elkaar zIt • zin van onzin scheiden • uitleggen wat natuurkunde wel kan en wat niet • eenvoudige schattingen maken • verbanden leggen Inclusief • zelf puzzelen, rekenen, redeneren, … Zodat • u een heel andere kijk op de wereld krijgt.

  4. HOVO-CURSUS Materiaal • Web: http://www.nat.vu.nl/~mulders/lectures.html#HOVO • Boek(je): • Opgaven: via webpagina • Oplossingen na inlevering Piet Mulders Van atoom tot kosmos Wie het kleine niet eert … ISBN 978-90-812928-1-8

  5. INHOUD Inhoud • Inleiding • Massa, energie en impuls, krachten • Zwaartekracht ; kromming van de ruimte • Hoe is materie opgebouwd? • Experimenten; materie en antimaterie • Krachten in materie! • Symmetrie • Het ongrijpbare neutrinos • De geschiedenis van het heelal • De massa in het heelal • Tot slot

  6. INLEIDING home Inleiding http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  7. INLEIDING licht groot klein zwaar Het (theoretisch) raamwerk Relativistische quantummechanica Relativiteitstheorie Snelheid: v = dE/dp = p c2/E Klassieke mechanica Quantummechanica 0 ђ Actie: E t ~ p r ~ ℓ

  8. INLEIDING 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Quiz • Hoeveel seconden heeft 1 jaar? • 3 x 107 s • Wat is de snelheid van het licht? • 300 000 km/s = 3 x 108 m/s (dus 1 lichtjaar ~ 1016 m) • Hoe groot is het heelal? • 15 miljard lichtjaar ~ 1,5 x 1026 m

  9. INLEIDING home 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Quiz • Hoeveel moleculen H20 zitten er in een borrel? • Navogadro ~ 6 x 1023 • Hoe leeg is het heelal? • minder dan 1 atoom/m3 (in schijf van melkweg 5/cm3) • Hoeveel atomen bevat het heelal? • ca 1079 atomen http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  10. Afmetingen NU

  11. home Afmetingen 5 seconden na de Big Bang

  12. INLEIDING home Het mysterie van massa energie, impuls, krachten http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  13. Basisbegrippen mechanica • Ruimte en tijd, verplaatsing en tijdverschil • Snelheid = verplaatsing/tijdverschil • Versnelling = snelheidsverschil/tijdsverschil Bij een onbelemmerde (vrije) beweging blijven een aantal grootheden onveranderd (behouden) • Energie (bij gebrek aan absolute tijd!) • Impuls = massa x snelheid (bij gebrek aan een ‘oorsprong’) (*!) • Impulsmoment (om een as): afstand tot as x impuls loodrecht hierop (bij gebrek aan voorkeursrichting) Maar dit alleen voor het geheel!

  14. INLEIDING Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa correspondeert met 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 = 300 000 km/s

  15. INLEIDING m = 1,000 000 000 0046 kg Energie en massa E = mc2 of m = E/c2 Massa correspondeert met 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! Lichtsnelheid: c = 3 x 108 m/s = 300 000 km/s

  16. INLEIDING Impuls en massa • Een bewegend object met snelheid 0  v  c heeft een 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 = 300 000 km/s

  17. INLEIDING kracht v = 180 km/h = 50 m/s m = 1800 kg E/c2 = 1800,000 000 000 025 = 1800 kg + 0,025 mg p/c = 0,3 g 2,25 MJoule Energie, impuls en massa • Energie en impuls veranderen als van een object snelheid verandert • Massa verandert niet

  18. INLEIDING Massa: energie en impuls Zonder externe invloed: • Energie en impuls zijn behouden Via krachten • energie kan worden overgedragen (slepen) • impuls kan worden overgedragen (stoten) Totaal van energie en impuls zijn behouden (maar massa niet!) Niets voor niets!

  19. Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H  He + 2 e + 2  + energie Kernfusie Per seconde zet de zon 570 000 000 000 kg waterstof om in helium De massa van de zon neemt per seconde af met 4 300 000 000 kg! Hans Bethe

  20. Energiebalans in atmosfeer

  21. ENERGIE opwekken E = mc2 transporteren massa • 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 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

  22. 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 5 000 000 km2 (Libya, Tsjaad & Algerije)

  23. MASSA home Het mysterie van massa massa, ruimte en tijd http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

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

  25. MASSA GEEN KROMMING POSITIEVE KROMMING NEGATIEVE KROMMING Massa: kromming van ruimte • Zonder kracht: rechtlijnige beweging • Zwaartekracht wordt veroorzaakt 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

  26. MASSA kromming • Kromming van een bol: k = 1/R2 • Bijv voor voetbal: k = 50 /m2 • Bijv voor aarde: k = 2.8 x 10-14 /m2 • Andere methode gaat via hoeken k = a/S(a)

  27. MASSA Pendelen dwars door de Aarde • 2 terra-cruisers • op en neer!

  28. MASSA home ruimte-tijd kromming Vergelijk met ‘bol’: • pR = 42 min = 7.5 x 1011 m of • a = 20 m/s = 0.67 x 10-7 • R = (16 km)/a = 2.4 x 1011 m k = 1/R2 = 1.6 x 10-23/m2 !!! 1 s = 3 x 108 m

  29. Gravitatiegolven: trillingen van ruimte en tijd op aarde (VIRGO in Pisa) in de ruimte (LISA)

  30. MATERIE home Hoe zit de wereld in elkaar? Theorie Experiment Toepassing http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  31. MATERIE home Opbouw van materie http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  32. Materie MATERIE

  33. 0,000 000 000 1 m Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m

  34. Het periodiek systeem

  35. In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met 1 eV = 1,6 x 10-19 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 ELEKTRON ATOOM 10-10 m Materie ENERGIE IN MATERIE

  36. MATERIE MATERIE ELEKTRON ELEKTRON ATOOM 10-10 m ATOOM 10-10 m NEUTRINO ATOOMKERN 10-14 m proton/neutron Materie

  37. Atoomkernen Eiland van stabiliteit

  38. MATERIE Atoomkernen • Isotopen • Radioactiviteit alpha beta gamma Na 15 min. Enrico Fermi

  39. Neutrino’s Leon Lederman

  40. Bouwstenen van de subatomaire wereld

  41. In wereld van kleine (fotosynthese, atomen, moleculen) werken we met 1 eV = 1,6 x 10-19 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 MATERIE ELEKTRON ELEKTRON ATOOM 10-10 m ATOOM 10-10 m NEUTRINO ATOOMKERN 10-14 m proton/neutron Materie • 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) ENERGIE IN MATERIE

  42. MATERIE MATERIE ELEKTRON ELEKTRON ATOOM 10-10 m ATOOM 10-10 m NEUTRINO NEUTRINO ATOOMKERN 10-14 m ATOOMKERN 10-14 m < 0,000 000 000 000 000 001 m NUCLEON proton/neutron 10-15 m NUCLEON proton/neutron 10-15 m QUARK up/down Materie

  43. d d u u u d proton neutron nucleonen home Bouwstenen van materie Massa komt voor circa 98% uit energie ten gevolge van opsluiting!

  44. MATERIE home Hoe weten we dat allemaal? http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  45. Gebruik de grootste microscoop op aarde

  46. MATERIE Detectors at CERN CMS LHCb ATLAS

  47. Antideeltjes

  48. Standaard model • 3 deeltjesfamilies

  49. KRACHTEN home Krachten in materie http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders

  50. KRACHTEN home Krachten in het dagelijks leven • Twee van de vier basiskrachten • Beide gebaseerd op fundamentele principes • Elektromagnetisme • Zwaartekracht

More Related