Om stof, atomer og partikler. Hans Buhl Steno Museet Aarhus Universitet

Transkript

1 Om stof, atomer og partikler Hans Buhl Steno Museet Aarhus Universitet

2 Hvad består alting af? Thales fra Milet (ca 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

3 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.

4 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

5 Alkymi Alt jordisk stof består af forskellige kombinationer af de samme fire grundelementer Udviklingen af alkymien

6 Alkymi Det måtte det være muligt at nedbryde stof og derefter genopbygge det med en ny elementsammensætning. Derfor måtte det også være muligt at lave guld af uædle materialer De søgte også de vises sten eller livseliksiren, som kunne forlænge livet

7 Guldmageri Den tyske købmand og alkymist Henning Brand (c c.1700) mente at han kunne destillere urin til guld.

8 Guldmageri Det lykkedes (selvfølgelig) aldrig Til gengæld opdagede han omkring 1669 fosfor som et lysende hvidt stof.

9 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

10 Kemien grundlægges Robert Boyle ( ) Britisk filosof, kemiker og fysiker. Havde rod i alkymien Men regnes ofte for den første moderne kemiker. En del af den naturvidenskabelige revolution

11 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.

12 Kemien bliver videnskab Den franske kemiker Antoine Laurent de Lavoisier ( ) turde godt sætte navne på grundstoffer Grundlagde videnskabsfaget kemi

13 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

14 Den første rigtige grundstoftabel Lavoisier: Traité Élémentaire de Chimie (1789) Ikke alle Lavoisiers grundstoffer var i virkeligheden grundstoffer Men tabellen blev umådelig vigtig for kemiens udvikling

15 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.

16 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."

17 Atomer i kemien John Dalton ( ): 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

18 Masser af grundstoffer Den selvlærte engelske kemiker Humphry Davy ( ) opdagede mange nye grundstoffer: Kalium, natrium, magnesium, kalcium, strontium, aluminium og mange flere. Benyttede såkaldt elektrolyse.

19 Masser af grundstoffer

20 Den russiske kemiker Dmitrij Mendelejev ( ) m.fl. opdagede efterhånden at visse grundstoffer lignede hinanden. Orden i systemet

21 Orden i systemet I 1869 fandt Mendelejev på at ordne grundstoffer i et system af perioder. Ordnet efter hhv. egenskaber og atomvægt

22 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

23

24 Dalton: hvert grundstof er sammensat af hver sine type unikke, udelelige enheder Hvad er atomer?

25 Katodestråler I 1869 opdagede den tyske fysiker Johann Hittorf de såkaldte katodestråler. Lys? Partikler? Crookes rør

26 Elektronens opdagelse I 1897 påviste J.J. Thomson, at katodestråler består af negativt ladede partikler. Ca gange lettere end atomer De blev senere kaldt elektroner

27 Thomsons rosinbolleatom Thomson mente, at elektronerne var en del af atomet. Han mente desuden at atomets positive ladning var jævnt fordelt.

28 Hvordan ser atomet ud? Rutherford fik omkring 1910 den ide at undersøge atomets struktur ved at skyde alfapartikler mod en guldfolie

29 Overraskende resultat Hvordan kunne det forklares? Rutherfords forsøg

30 Atomkernens opdagelse Rutherford konkluderede, at atomet har en tung kerne Alfapartiklernes spredning havde givet ny indsigt

31 Indsigt gennem vekselvirkning Vi kan undersøge usynlig ting ved at se på, hvordan de vekselvirker med partikler med kendte egenskaber.

32 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

33 Bohrs skalmodel Bohr mente at atomernes elektroner var i bestemte baner De dannede skaller Oktetreglen Dette kunne forklare mange af grundstoffernes kemiske egenskaber

34 Atommodellens udvikling I Schrödingers kvantemekaniske atom er elektronen beskrevet af en bølgefunktion

35 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?

36 Atomets indre For at undersøge atomkernens struktur nærmere var der brug for bedre prober end alfa-partikler

37 Partikelacceleratorer elektronvolt [ev] 1.5 V Ladede partikler kan accelereres af elektriske felter Jo højere spænding, desto mere energi

38 Cockcroft Walton accelerator 400 kv Blev benyttet til verdens første kunstige grundstofomdannelse

39 Van de Graaff accelerator Van de Graaff, 1929 < 2 MV

40 Detektion af partikler Gasfyldte ionisationsdetektorer F.eks. geigertællere

41 Tågekammer Detektion af partikler

42 Kosmisk stråling I 1912 opdagede Victor Hess stråling fra rummet

43 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 e + e - Pardannelse i boblekammer

44 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 : 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

45 Den partikelfysiske metode For at udforske det allermindste er der to metoder -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

46 Cyclotron For at undgå overslag, byggede Ernest Lawrence i 1932 en accelerator baseret på vekselstrøm og magnetfelter (15 MeV)

47 Cyclotron Højere energi krævede større acceleratorer og dermed større magneter Bigger is better?

48 Synkrotron Fjern magnetfeltet i midten Den første bygget i 1952

49 Proton Synchrotron (PS), CERN GeV 628 m Verdens kraftigste accelerator

50 Hvordan ser man partiklerne? Fix target Boblekammer

51 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)

52 Quark-modellen Gell-Man & Zweig 1964 Q= -1/3 Q= +2/3 S= 0 d u S= -1 s Mesoner består af quark + antiquark p + Baryoner består af 3 quarks p

53 Quark-modellen Bekræftet i 1964 med opdagelsen af Ω - (sss-baryon med strangeness = -3)

54 CERN verdens største mikroskop p p

55 Large Hadron Collider 27 km, superkølede magneter (4 K), 14 TeV

56 Energi i LHC Energien af en proton ved 7 TeV svarer til energien af en flyvende myg! Lagret energi af hele strålen: 500 MJ svarende til 400 t tog med 200 km/t

57 Partikeldetektion

58 ATLAS-detektoren

59

60 Lepton Quark u up d down n e e-neutrino e electron c charm s strange n m m-neutrino m muon t top b bottom n t t-neutrino t tau Neutrinoen den hemmelige partikel II og III familie ekstremt ustabile Opdaget i beta-henfald: Men hvordan holdes partiklerne sammen e i fx protoner og neutroner? e - ν e n c d b Slet ikke så ualmindelig! Sol-flux: / cm 2 / sekund e ν e p + ν e

61 Kræfter overføres af partikler

62 stofpartikel kraftbærer stofpartikel g foton g gluon W W boson Z Z boson Den svage kernekraft (kendt fra b-radioaktivitet: n p + + e - + ν)

63 stofpartikel Lepton Quark u up d down n e e-neutrino e electron c charm s strange n m m-neutrino m muon t top b bottom n t t-neutrino t tau g foton g gluon Higgs Boson? stofpartikel W W boson Z Z boson Kraftoverfører kraftbærer

64 Nu har vi fundet Higgsen % chance for at signalet ikke er tilfældigt

65

66 Fra elementer til elementarpartikler