Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Om stof, atomer og
partikler
Hans Buhl
Steno Museet
Aarhus Universitet
Hvad består alting af?
• Thales fra Milet (ca. 635-546 f.Kr.)
• ”Alt er vand”
• Første eks. på reduktionisme
• Fra mytisk til rationel verdensforståelse
• Videnskabens begyndelse
• Andre filosoffer mente, at luft eller ild måtte være den grundlæggende substans
Ideen om fire elementer
• Ideen om nogle få fundamentale stoffer er ældgammel
• Findes i mange kulturer
• En af de første som formulerede ideen var den græske filosof Empedokles:
• “Alting består af kombinationer af fire grundelementer, ild, luft, vand og jord”.
Er de fire elementer grundstoffer?
• Aristoteles’ periodiske system
• Men allerede i oldtiden kendte man:
– Kobber, guld, sølv, bly, jern, kulstof, tin, svovl, kviksølv, zink, arsen, antimon og bismuth
• Man mente, at disse metaller m.v. var sammensat af de fire elementer
Alkymi
• Alt jordisk stof består af forskellige kombinationer af de samme fire grundelementer
Udviklingen af alkymien
Alkymi
• Derfor måtte det også være muligt at lave guld af uædle materialer
• De søgte også de vises sten eller livseliksiren, som kunne forlænge livet
• Det måtte det være muligt at nedbryde stof og derefter genopbygge det med en ny elementsammensætning.
Guldmageri
• Den tyske købmand og alkymist Henning Brand (c. 1630-c.1700) mente at han kunne destillere urin til guld.
Guldmageri
• Det lykkedes (selvfølgelig) aldrig
• Til gengæld opdagede han omkring 1669 fosfor som et lysende hvidt stof.
Fra alkymi til kemi
• Alkymien var både okkult og mystisk…
• … men i jagten på guld og evigt liv fandt alkymisterne nye stoffer og udviklede nye kemiske metoder
Kemien grundlægges
• Robert Boyle (1627-1691)
• Britisk filosof, kemiker og fysiker.
• Havde rod i alkymien
• Men regnes ofte for den første moderne kemiker.
• En del af den naturviden-skabelige revolution
The Sceptical Chymist (1661)
• Boyle indfører en ny grundstofopfattelse.
• Grundstoffer er primitive og enkle legemer, der kan reagere med hinanden og danne kemiske forbindelser.
• Alt stof er opbygget af atomer
• Turde ikke fastslå noget stof som værende et grundstof.
Kemien bliver videnskab
• Den franske kemiker Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) turde godt sætte navne på grundstoffer
• Grundlagde videnskabsfaget kemi
Loven om elementernes bevarelse
• Lavoisier opdagede at mængden og arten af de kemiske grundstoffer ikke ændres ved en kemisk reaktion.
• Opdagede ikke nye grundstoffer
• Navngav og lavede system i rodet
Den første ”rigtige” grundstoftabel
• Lavoisier: Traité Élémentaire de Chimie (1789)
• Ikke alle Lavoisiers grund-stoffer var i virkeligheden grundstoffer
• Men tabellen blev umådelig vigtig for kemiens udvikling
Lavoirsiers endeligt
• Lavoisier fik mange fjender
• Skatteopkræver m.m.
• Retssag i 1793
• Dommeren: "Republikken har ikke brug for videnskabsmænd; retten må gå sin gang".
• Der blev ikke ført bevis for nogen kriminel handling, men Lavoisier blev alligevel dømt til døden og henrettet kun 51 år gammel.
Lavoirsiers endeligt
• Videnskabsmanden J.L. Lagrange sagde dagen efter:
• "Det tog kun et øjeblik at hugge det hoved af, og de næste hundrede år vil næppe give os et lignende."
Atomer i kemien
• John Dalton (1766-1844): atomer er udelige kugler
• Han opdagede i 1803, hvor mange slags af hvilke atomer, der skulle til for at danne bestemte molekyler
• Derved kunne han udlede den relative vægt af de forskellige grundstoffer
Masser af grundstoffer
• Den selvlærte engelske kemiker Humphry Davy (1778-1829) opdagede mange nye grundstoffer:
• Kalium, natrium, magnesium, kalcium, strontium, aluminium og mange flere.
• Benyttede såkaldt elektrolyse.
Masser af grundstoffer
Orden i systemet
• Den russiske kemiker Dmitrij Mendelejev (1834-1907) m.fl. opdagede efterhånden at visse grundstoffer lignede hinanden.
Orden i systemet
• I 1869 fandt Mendelejev på at ordne grundstoffer i et system af perioder.
• Ordnet efter hhv. egenskaber og atomvægt
Orden i systemet
• For at få systemet til at gå op måtte Mendelejev lave tomme pladser
• Ukendte grundstoffer
• Inden der var gået to år var gallium og germanium opdaget
Hvad er atomer?
• Dalton: hvert grundstof er sammensat af hver sine type unikke, udelelige enheder
Katodestråler
• I 1869 opdagede den tyske fysiker Johann Hittorf de såkaldte katodestråler.
• Lys?
• Partikler?
– Crookes rør
Elektronens opdagelse
• I 1897 påviste J.J. Thomson, at katodestråler består af negativt ladede partikler.
• Ca. 1000 gange lettere end atomer
• De blev senere kaldt elektroner
Thomsons rosinbolleatom
• Thomson mente, at elektronerne var en del af atomet.
• Han mente desuden at atomets positive ladning var jævnt fordelt.
Hvordan ser atomet ud?
• Rutherford fik omkring 1910 den ide at undersøge atomets struktur ved at skyde alfa-partikler mod en guldfolie
Rutherfords forsøg
• Overraskende resultat
• Hvordan kunne det forklares?
Atomkernens opdagelse
• Rutherford konkluderede, at atomet har en tung kerne
• Alfa-partiklernes spredning havde givet ny indsigt
Vi kan undersøge usynlig ting ved at se på, hvordan de vekselvirker med partikler med kendte egenskaber.
Indsigt gennem vekselvirkning
Rutherfords atommodel
• Rutherford mente, at atomet bestod af en positiv kerne med negative elektroner omkring
• Mini-solsystem???
• Problem: en ”planetmodel” kunne ikke være stabil med den kendte fysik
Bohrs skalmodel
• Bohr mente at atomernes elektroner var i bestemte baner
• De dannede ”skaller”
• Oktetreglen
• Dette kunne forklare mange af grundstoffernes kemiske egenskaber
Atommodellens udvikling
• I Schrödingers kvantemekaniske atom er elektronen beskrevet af en bølgefunktion
Atomkernen, protonen og neutronen
• Nye kollisionsundersøgelser med alfapartikler
• I 1917 opdagede Rutherford protonen
• I 1932 påviste James Chadwick eksistensen af neutroner
• Var dette de fundamentale elementer?
Atomets indre
• For at undersøge atomkernens struktur nærmere var der brug for bedre ”prober” end alfa-partikler
Partikelacceleratorer
1.5 V
elektronVolt [eV]
• Ladede partikler kan accelereres af elektriske felter
• Jo højere spænding, desto mere energi
Cockcroft–Walton accelerator
• 400 kV
• Blev benyttet til verdens første kunstige grundstof-omdannelse
Van de Graaff accelerator
• Van de Graaff, 1929
• < 2 MV
Detektion af partikler
• Gasfyldte ionisationsdetektorer
• F.eks. geigertællere
Detektion af partikler
• Tågekammer
Kosmisk stråling
• I 1912 opdagede Victor Hess stråling fra rummet
Opdagelsen af antistof
• I 1928 forudsagde Dirac teoretisk, at der måtte eksistere positive elektroner
• I 1932 påviste Carl Anderson positroner i den kosmiske stråling ved hjælp af et tågekammer i et magnetisk felt
Pardannelse i boblekammer
e+
e-
Nye eksotiske partikler
• 1937: Muon (μ) – Opførte sig som elektroner, men var meget tungere
• 1947: Pion / pi-meson (p) – Opdaget i spor i fotografisk emulsion.
– Reagerede med atomkerner
– Forudsagt teoretisk i 1935
• 1947: Kaon / K-meson (K) – Meget mærkelig (strange)
– Ca. halvt så tunge som protoner
– Levede relativt længe
– Blev altid dannet parvis
– Kunne bl.a. henfalde til muoner
-at støde en partikel ind i en anden og observere karakteristika ved kollisionen
-at annihilere to partikler og skabe nye fra den energi der er frigjort
For at udforske det allermindste er der to metoder
Den partikelfysiske metode
Cyclotron
• For at undgå overslag, byggede Ernest Lawrence i 1932 en accelerator baseret på vekselstrøm og magnetfelter (15 MeV)
Cyclotron
• Højere energi krævede større acceleratorer og dermed større magneter
• Bigger is better?
Synkrotron
• Fjern magnet-feltet i midten
• Den første bygget i 1952
Proton Synchrotron (PS), CERN
• 1959
• 28GeV
• 628 m
• Verdens kraftigste accelerator
Hvordan ”ser” man partiklerne?
• Fix target
• Boblekammer
The Particle
Zoo I løbet af 1950’erne blev der opdaget over 100 forskellige partikler.
"Young man, if I could remember
the names of these particles,
I would have been a botanist!“
E. Fermi til sin student
L. Lederman (begge Nobelpristagere)
Quark-modellen
• Gell-Man & Zweig 1964
Q= -1/3 Q= +2/3
S= 0 d u
S= -1 s
– Mesoner består af quark + antiquark
– Baryoner består af 3 quarks
p+
p
Bekræftet i 1964 med opdagelsen af Ω- (sss-baryon med strangeness = -3)
Quark-modellen
p
p
CERN
– verdens største mikroskop
• Large Hadron Collider • 27 km, 1.600 superkølede magneter (4 °K), 14 TeV
Energien af en proton ved 7 TeV svarer til energien af en flyvende
myg!
Energi i LHC
Lagret energi af hele strålen: 500 MJ svarende til 400 t tog med 200 km/t
Partikeldetektion
ATLAS-detektoren
t tau
n t t-neutrino
b bottom
t top
m muon
n m m-neutrino
s strange
c charm
e electron
ne e-neutrino
d down
up u
Lep
ton
Quar
k
Men hvordan holdes partiklerne sammen i fx
protoner og neutroner?
Neutrinoen – den hemmelige partikel
Opdaget i beta-henfald:
n νe
p+
e-
Slet ikke så ualmindelig!
Sol-flux: 1011 / cm2 / sekund
II og III familie ekstremt ustabile…
e
νe
d c
b νe
e
Kræfter overføres af partikler
Z Z boson
g gluon
g foton
W W boson
Den svage kernekraft
(kendt fra b-radioaktivitet: n → p+ + e- + ν)
stofpartikel
stofpartikel
kraftbærer
stofpartikel
stofpartikel
kraftbærer
Higgs
Boson?
Higgs
Boson
Kraftoverfører
Z Z boson
W W boson
g gluon
g foton
t tau
n t t-neutrino
b bottom
t top
m muon
n m m-neutrino
s strange
c charm
e electron
ne e-neutrino
d down
up u
Lep
ton
Quar
k
Nu har vi fundet Higgsen
99.9999 % chance for at signalet ikke er tilfældigt
Fra elementer til elementarpartikler