Het Heelal (deel 1 - de subatomaire wereld )

Het ontstaan,de werking en de evolutie van het heelal is een nog onvolledig vehaal, dat mij blijft boeien en waaraan steeds nieuwe hoofdstukken worden toegevoegd.
Om beter inzicht te krijgen in het ontstaan, de werking en de evolutie van het Heelal ,maken we in deel 1 kennis met de subatomaire wereld .

Het Heelal - index
http://dirkdrubbel.blogspot.be/2012/03/het-heelal-index.html

De subatomaire wereld

• Elementaire deeltjes

- Eigenschappen

Massa
- Een deeltje met een massa in rust gelijk aan nul, beweegt zich met de snelheid van het licht. (γ-foton)
- De massa van een deeltje hangt af van de snelheid waarmee het beweegt
- De massa van elementaire deeltjes wordt doorgaans uitgedrukt als energie

Spin
- De elementaire deeltjes hebben een spin =1/2( electron), een spin=1 ( foton) of spin=0 (proton).
- De spin is een invariabele eigenschap van het elementaire deeltje.
- De spin is een quantummechanische grootheid die niet met de klassieke mechanica kan worden verklaard.
- De spin van elementaire deeltjes ligt aan de basis van het Pauli verbod .

Electrische lading
- Er zijn neutrale elementaire deeljes ( ν - neutrino) en geladen elementaire deeltjes, zowel (+) geladen (positron) als (-) geladen (electron).
- Bewegende geladen electronen vormen de electrische stroom.
- Alle (-) geladen deeltjes hebben dezelfde lading als een electron.
- Een (+) geladen lichaam heeft een tekort aan electronen en een (-) geladen lichaam heeft een overschot aan electronen.
- Geladen deeltjes in beweging creëren een magnetisch veld.
- Geladen deeltjes die versneld of vertraagd worden zenden een electromagnetische straling uit ( fotonen)
- Rond een geladen deeltje heerst een spanningsveld waarbinnen het inwerkt op een ander geladen deeltje.
- De wet van behoud van lading zegt dat een lading niet kan worden vernietigd of uit het niets worden gecreëerd .

- Soorten deeltjes

De deeltjes worden soms ook ingedeeld volgens diverse groepen:
- Bosonen zijn de deeltjes met spin =1 of spin =0 zoals de Vector Bosonen en de Mesonen.
- Hadronen zijn de deeltjes die nucleaire interactie ondervinden zoals de Baryonen en de Mesonen
- Fermionen zijn de deeltjes met spin =1/2 zoals de Baryonen en Leptonen.

Quarks
Quarks zijn elementaire deeltjes die niet geïsoleerd kunnen bestaan, maar steeds gebonden in hadronen.
De quarks hebben lading, spin en kleur (zie tabel)
De ons bekende materie bestaat uit de d en u quark : proton (ddu) en neutron (ddu). Alle andere quarks komen enkel voor in de deeltjesversnellers (LHC e.a.) en de big bang.

Baryonen
Baryonen zijn een groep van zware elementaire deeltjes, die opgebouwd zijn uit Quarks en die enkel kunnen transformeren in een ander Baryon :

Hyperonen : (Ω) Omega ,(Ξ) Xi, (Λ) Lambda, (Σ) Sigma zijn onstabiel en desintegreren snel in nucleonen.
Nucleonen : (n) neutron ; (p) proton vormen de kern van de atomen.Een vrij neutron desintegreert binnen het kwartier in een proton.
- Alle Baryonen hebben een baryonische lading (=+1)
- De andere elementaire deeltjes hebben een baryonische lading (=0)
- De baryonische lading is constant volgens de wet van behoud van baryonische lading

*** Het behoud van de electrische lading (electron) en de baryonische lading vormen de essentie van het heelal. Zonder deze wetmatigheid zouden de protonen en de electronen desintegreren in lichtere deeltjes en zouden er geen atomen of moleculen bestaan ***

Leptonen

Leptonen zijn een groep van lichte elementaire deeltjes, waarvan het electron en de neutrino´s stabiel zijn : (e^-) electron , (µ^- ) muon , (τ) tau ,( ν_e ) electron neutrino,
( ν_µ) muon neutrino, ( ντ) tau neutrino .
- Leptonen hebben een leptonische lading (= +1). Alle andere deeltjes hebben een leptonische lading (=0).
-Bij alle transformaties geldt de wet van behoud van leptonische lading .

Bosonen

Bosonen, ook veldquanta genoemd, brengen de krachten over die de deeltjes op elkaar uitoefenen. (zie verder )

Mesonen : (π⁺) (π⁰) pionen, (K^-) (K⁰) kaonen en de vector - Bosonen (W⁺) (W^-) (Z⁰) zijn opgebouwd uit Quarks

Gluon : (g)

Graviton : (G)

Foton : (γ)

www.en.wikipedia.org/wiki/Quarks

Antideeltjes

Antideeltjes hebben de tegengestelde eigenschappen van hun corresponderende elementaire deeltjes : tegengestelde electrische, baryonische en leptonische ladingen.
Bij botsing met hun deeltjes transformeren ze in γ-stralen (Annihilatie)
*** Een foton en een antifoton zijn identieke deeltjes ***

Kaon decay

Pion decay

Muon decay

ß devay

• Higgs boson

Het Higgs boson is een deeltje dat nog niet werd aangetoond. Het deeltje zou een bepalende rol hebben gespeeld bij de ontdubbeling van de electroweak force in de electromagnetic force met de massaloze foton als overbrenger van de kracht en de weak force met de W & Z bosonen als overbrengers van de kracht.
De ontdubbeling trad op ±10^-12sec na de big bang toen het heelal nog een extreem hoge temperatuur had van ± 10¹⁵K en een energie van ± 100 GeV.
Men neemt het bestaan aan van een Higgs veld, waarbij alle elementaire deeltjes die in het veld komen, inclusief de Higgs bosonen, een massa krijgen.
Het Higgs boson, dat dus het quantum deeltjes is binnen het Higgs veld, zou massa hebben gegeven aan de W&Z bosonen , toen de energie van het universum gedaald was tot ± 100 GeV. Hierbij trad een symmetrie breuk c.q faseovergang op waardoor zoveel energie vrijkwam die leidde tot de inflatory epoch. ( zie blog over Big Bang)

2 quarks zenden W of Z bosonen uit
die binden en een Higgs boson vormen
(nog niet aangetoond!)

2 gluons vervallen in een top/antitop paar
die binden en een Higgs boson vormen
(nog niet aangetoond!)

Deeltjesdetector CMS van de LHC
(mogelijk beeld van Higgs-deeltje na
botsing tussen deeltjes)

http://www.standaard.be/artikel/detail.aspx?artikelid=DMF20111213_188

- Er is momenteel een race aan de gang tussen de onderzoekers van de CERN in Genève met de LHC (Large Hadron Collider) en de onderzoekers van Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia , Illinois met de Tevatron om bij het met hoge snelheid (*) doen botsen van hadronen de Higgs deeltjes aan te tonen.
(*) Tot nu werden protonen met een energie van 7 TeV met elkaar in botsing gebracht. De botsingsenergie wordt nu opgedreven tot 8 TeV. Men hoopt in 2014 het energieniveau op te drijven naar 14 TeV, het maximum haalbare. ( TeV = Teraelectrovolt of 10¹²eV)
Om Higgs deeltjes aan te tonen zou een snelheid van om en bij de lichtsnelheid nodig zijn

www.news.discovery.com/videos/tech-lhc-collides-at-record-speeds.html

LHC

Tevatron

LHC diagram

Tevatron plan

LHC ,Genève

Tevatron, Illinois

CMS detector

http://scilogs.be/starttoknow/index.php?op=ViewArticle&articleId=65&blogId=3

• Electromagnetische straling

- Ontstaan van EM-straling

Electromagnetische straling bestaat uit een stroom vibrerende fotonen die zich, in het luchtledige, voortplanten aan ± 300.000 km/sec .
- Licht is het zichtbare gedeelte van de EM-straling.
- In materie (gas, vloeistof,glas ...) wordt die snelheid iets afgeremd, met als gevolg dat het lichtstraal gebroken wordt bij de overgang van een materie in een ander.
- Elk lichaam zendt fotonen uit van verschillende golflengte .
- Wanneer de temperatuur van de straler stijgt dan verschuift het maximum van de sraling naar een hogere frequentie.( Verplaatsingswet van Wien) m.a.w elke golflengte heeft een maximale intensiteit die afhangt van de temperatuur van de stralingsbron.
- Straling van sterren bevat fotonen met uiteenlopende frequenties d.i het spectrum .
- Rood glas laat enkel het rode licht door, de overige golflengtes worden geabsorbeerd en omgezet in warmte.

c=ν.λ
(c) snelheid (v) frequentie (λ) golflengte
E=h.ν
(E) energie (h) constante van Planck (v) frequentie

Electromagnetische golf

-

- Electronen bezetten bepaalde banen (energieniveau´s) rond de atoomkern.Een invallend foton of botsing tussen atomen kan een electron naar een hogere energieniveau brengen. Om naar een hoger energieniveau te springen (aangeslagen toestand) moet het electron de preciese hoeveelheid energie absorberen die daarvoor nodig is (energiequanta). Het absorptiespectrum van een atoom zal op die golflengten absorptielijnen vertonen,die overeenkomen met de geabsorbeerde energie.

- Wanneer een aangeslagen electron terugkeert naar zijn oude energieniveau wordt een foton uitgezonden met een energie die overeenkomt met het energieverschil tussen de niveau´s.Het emissiespectrum toont emissielijnen op die golflengte die overeenkomt met de het energievershil tussen de niveau´s.

- Elk atoom heeft zijn eigen specifiek spectrum

- De emissielijnen en de absorptielijnen van een welbepaald atoom vallen samen op dezelfde golflengte.

He emissiespectrum

H emissiespectrum

www.regentsprep.org/Regents/physics/phys05/cspectrum/default.htm

- Sterrenspectra

De spectra van sterren verschaffen ons informatie over de rotatiesnelheid, de chemische samenstelling, de dichtheid en de magnetische veldsterkte.

• Quantummechanica

- Quantummechanica beschrijft de interactie tussen materie en energie op atomaire en subatomaire schaal.
- In de quantummechanica bestaat de golf- deeltje dualiteit, waarbij elk fysisch deeltje zowel een deeltjes- als een golf-karakter heeft.
- Subatomaire fysica heeft twee belangrijke kenmerken : quantisering en het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.
- Een electron kan in een atoom slechts bepaalde energieniveau´s bezetten
( = quantisering van het impulsmoment)
- De baan van een electron is een bepaald gebied waarbinnen het electron zich naar alle waarschijnlijkheid bevindt. ( = onzekerheidsprincipe)

ΔxΔp>= h/4π

(Δx) Onzekerheid van plaats (Δp) onzekerheid van impuls (h) constante va Planck

De plaats en de impuls van een deeltje kunnen niet simultaan met zekerheid bepaald worden.

ΔEΔt>= h/4π

(ΔE) Onzekerheid van energie (Δt) onzekerheid van tijd

De hoeveelheid energie van een deeltje wordt onzekerder als de tijdsspanne verkleint.

- De formule van Planck ( E= hv) toont aan dat stralingsenergie uit quanta bestaat.

• Fundamentele Krachten.

- In alle lichamen worden de fundamentele deeltjes door minstens één kracht samengehouden.
- De ruimte waarin de kracht actief is , is het spanningsveld.
- De grootte van het veld wordt bepaald door de kracht.
- De grootte van het veld is niet bepalend voor de sterkte van de kracht.
- Het elementaire deeltje is de krachtbron.
- Electronen zijn de bron van electrische stroom - Mesonen zijn bron van het nucleair veld - Alle deeltjes zijn bron van het gravitatieveld )
- Elk veld bevat energie onder de vorm van veldquanta : π π⁺ π⁰ K^- K⁰ W⁺ W^- Z⁰ γ G g
- Er zijn 4 fundamentele krachten :

- Sterke (Nucleaire) kracht

De Strong Force houdt de protonen en de neutronen samen.

- Electromagnetrische kracht.

De Electromagnetic force houdt de electronen in een baan om de kern en vormt atomen en door de chemische binding moleculen.

- Zwakke kracht.

De Weak force speelt een rol in de ß -desintegratie :
p ---- n + e⁺ + v_e

De ß-desintegratie is heeft plaats bij de fusiereactie in de sterren (Zon) waarbij H⁺ wordt omgezet in H_e

- Gravitatiekracht .

De Gravity werkt in op alle deeltjes (ook fotonen worden door sterke gravitatiekrachten afgebogen). Gravitatiekrachten spelen een rol tijdens de levensduur van sterren. ( zie blog ´´ Supernovae ´´)
Het graviton deeltje (g) werd nog niet aangetoond.

• Energie

- Elk deeltje en antideeltje bevat energie en kan er een gedeelte van afstaan aan een ander deeltje.
- De totale energie van een deeltje : E_t = E₀+E_k-E_b
E_t = totale energie

E₀ = m₀c² ( E₀) Energie in rust ( m₀) massa in rust (c) lichtsnelheid

E_k= 1/2mv² (E_k) Kinetische Energie (v) snelheid v.h. deeltje

E_b = bindingsenergie

- (E_k) kan verkregen worden door botsing, een electrisch veld, een variërend magnetisch veld, gravitatie, radioactieve desintegratie, pulsar, supernova, accretieschijf zwart gat ...

- (E_b) is een klein deel energie dat wordt afgegeven door ( E₀) wanneer het verbinding maakt met een ander deeltje, en hangt af van de kracht die voor de verbinding instaat.

- Een foton is nooit in rust. de energie hang af van de frequentie ( E=hv)

• Materialisatie en Annihilatie

- Materialisatie

Bij een botsing van een foton met een nucleus of een ander deeltje zoals een boson,een baryon of een ander foton, kan een elementair deeltje samen met zijn antideeltje gevormd worden, onder voorwaarde dat de energie van de foton minimaal even groot is als de energie in rust ( E₀=m₀c²) van de gevormde deeltjes.
(1,02 MeV voor electron & positron - 1876 MeV voor proton & antiproton)
Indien de energie groter is , dan wordt de overschot omgezet in E_k (kinetische energie) van de deeltjes.

Pair production
electron - positron

- Annihilatie

Bij botsing van een deeltje met zijn antideeltje vernietigen ze elkaar met vorming van fotonen.

Annihilatie
electron - positron

Bronnen :

De materie (ISBN 90 5157 051 1)
Heelal en Aarde (ISBN 90 366 0082 0)
Reis door het heelal - Sterren (ISBN 90 6182 369 2)
www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/higgs.html#c1
www.en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle
www.en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_forces