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