Energi Och Materia? - KTH Particle and Astroparticle Physics

particle.kth.se

Energi Och Materia? - KTH Particle and Astroparticle Physics

Energi och Materia?

E = mc 2


Fyra olika krafter?

Partikelfysiker studerar elementarpartiklar, hur de uppför

sig och hur dom växelverkar med varandra.

Antagande: Det finns (minst) fyra olika och fundamentala

krafter

Bakgrund och motivering: Vi kan namnge fyra krafter som

observeras experimentellt

Gravitationskraften

Elektromagnetiska kraften

Svaga kärnkraften

Starka kärnkraften


Krafter som verkar

på olika avstånd

Gravitationskraften

Elektromagnetiska kraften

Svaga kärnkraften

Starka kärnkraften


Krafter som verkar

på olika avstånd


Partiklar och krafter

Den elektromagnetiska, svaga and starka

kraften förmedlas av speciella

elementarpartiklar, ”gauge bosons”:

KRAFT

BOSON REPR.

Electromagnetisk

foton (ljuskvanta)

Svaga kärnkraften W + , W - , Z 0

Starka kärnkraften

gluon (åtta olika)


Partiklar och krafter


Gravitationen

En kraft vars effekt, i första

hand, manifesterar sig mellan

makroskopiska föremål och som

är dominerande i vår vardag:

• Saker och ting faller till marken

om man släpper dem; en lätt

fjäder faller lika fort som ett

tyngre äpple


Gravitationen

Planeter, asteroider och

kometer går i banor

runt solen pga gravitationens

attraktionskraft. I

mikrokosmos och för

elementarpartiklar particles

spelar gravitationen ingen

större roll, det är de tre andra

krafterna som är avgörande.


Den elektromagnetiska kraften

En kraft som verkar mellan föremål med

elektrisk laddning och sam kan verka

attraherande eller repellerande. Kraften är

starkare för större laddningar och för

kortare avstånd.

• Inom kemin är det den elektriska

attraktionen eller repulsionen som

dominerar. Detta gäller för

vattenmolekylen här såväl som för alla

andra mera komplicerade molekyler


Den elektromagnetiska kraften

Elektriska kraftsystem, elektriska

system som radioapparater,

datorer osv är alla beroende av

den elektromagnetriska kraften

för att driva elektriska laddningar

från en plats till en annan.


Den svaga kärnkraften

Är den kraft som svarar för det

radioaktiva sönderfallet. I

vardagslivet hör vi talas om

den i samband med:

• Radioaktivitet från

kärnenergianläggningar och

kärnvapen

• Gamla klockor med självlysande

urtavlor innehåller oftast

radioaktiva ämnen (Radium)

• Rökdetektorer och brandvarnare

inneåller radioaktiva ämnen


Den starka kärnkraften

Den Starka Kärnkraften

svarar för att neutronen och protoner hålls samman och

bildar olika grundämnen. Kraften är uppenbarligen

starkare än den elektromagnetiska kraften eftersom ett

flertal protoner kan hållas samman i kärnor trots den

repellerande kraften mellan lika laddning.

Från vardagslivet kan vi konstatera:

• Protoner finns

• Atomer som är mer komplicerade än väte finns!


Den allmänna

uppfattningen idag är

att kvarkar och

ytterliggare tre

partikel grupper,

nämligen, leptoner,

bosons, och Higgs

boson är

fundamentala och

kan inte delas i något

mindre.

Elementarpartiklar


Elementarpartiklar

och Standardmodellen

• 1970 utvecklade Weinberg,

Glashow och Salam en modell of

för elementarpartiklarna.

Modellen kom att kallas för ”the

standard model of particle

physics”, och har varit till stor

nytta för att förstå

elementarpartiklarnas

egenskaper och krafterna i

universum.

Protonen och

neutronen

består av

kvarkar


Vår vardagsvärld kan vi

beskriva med en kvartett:

Upp kvark elektron

Ner kvark neutrio

Tre familjer med kvarkar

och leptoner

För att förklara astrofysikaliska

fenomen och universums skapelse

behövs en kvartett till:

Charm kvark myon

Särkvark

neutrio

De ovanliga fenomen som skapas i

partikelfysikernas laboratorier kräver

en tredje famil:

Top kvark

myon

Bottom kvark neutrion


”Innestängda kvarkar”

Fysikerna har bara funnit kvarkar och gluoner ”fångade”

innuti baryoner och mesoner. Ingen har funnit några

enskilda kvarkar ”ute i det fria” för sig själva. Teorin

som beskriver kvarkar och gluoner, kallas Quantum

Chromodynamics (eller QCD kort och gott).

Huvuddragen i teorin är:

• Kvarkar är bärare av

färg

• Anti-kvarkar är

bärare av anti-färg

• Gluoner är bärare av

en färg och en antifärg


”Senaste kvarknytt”


”Senaste kvarknytt”

By Dr David

Whitehouse

BBC News Online

science editor

Physicists

have

discovered a

new class of

subatomic

particle that

will provide

unexpected

insights into

the

fundamental

building

blocks of

matter.

Behold the pentaquark

Theory predicted where the particle

should emerge

The discovery involves quarks -

particles that make up the protons

and neutrons usually found in the

nuclei of atoms.

The new particle is the so-called

pentaquark - five quarks in

formation. Until now, physicists had

only seen quarks packed into twoor

three-quark combinations.

They say the discovery of this new

particle should have far-reaching

consequences for our

understanding of how the Universe

is put together.


”Senaste kvarknytt”

Although not forbidden by the standard model of

particle physics, other configurations of quarks

had not been found until now. The "pentaquark"

particle, with a mass just above 1.5 GeV, was

discovered in the following way. At the SPring-8

facility a laser beam is scattered from a beam of

8-GeV electrons circulating in a synchrotron

racetrack. These scattered photons constitute a

beam of powerful gamma rays which were

scattered from a fixed target consisting of

carbon-12 atoms.


Leptoner

• Leptoner indelas i två

grupper: partiklar som

har elektrisk laddning och

neutrala partiklar, sk

neutrinos.

• Det finns tre familjer av

kvarkar och leptoner och

varje familj består av en

laddad lepton och en

neutrino.


Leptoner

• I den första familjen

hittar vi elektronen (e-)

och elektronens neutrino;

• I den andra familjen

hittar vi myon (μ) och

muon neutrinon; och

• I den tredje familjen

hittar vi tau (τ ) och tau

neutrinon.


Gluoner

• Gluoner är de

elementarpartiklar som svarar

för den starka växelvekan.

• Gluoner är masslösa och har

ingen elektrisk laddning. Dom

tillhör en klass av partiklar

som kallas bosoner, efter

Satyendra Nath Bose (och

Albert Einstein).

• Bosoner, som gluonerna, kallas

”force carriers”.


Gluoner

• Gluonerna och den starka

kraften svarar för att

protoner och neutroner hålls

samman i atomkärnan.

• Exempel på andra ”force

carriers” är fotons, som svarar

för den elektromagnetiska

kraften, och gravitonen, än så

länge en ”teoretisk” partikel

ansvarig för gravitationen.


Mer om Gluoner

• Gluons ansvarar för den starka kraften mellan

kvarkar

• Gluons möjliggör för kvarkarna att kombineras

och bilda hadrons.

• Det finns två klasser av hadroner: baryoner

and mesoner. Baryonerna, inklusivs protoner and

neutroner, består av tre kvarkar, medan

mesoner består av en kvark och en antikvark.


Mer om Gluoner

• Kvarkarna i en baryon eller meson utbyter

gluons hela tiden vilket ”klistrar ihop”

kvarkarna till nya partiklar.

• Kvarkarna i en partikel kan emellertid också

utbyta gluoner med kvarkar i en partkel i

närheten. Denna växelverkan kallas för den

residuella starka kraften och gör att hadroner

attraheras till varandra.


Mer om Gluoner

Gluonerna (g) är bärare av färg mellan

kvarkar (u, d). Här är ett exempel på hur

tre kvarkar ”klistras ihop” och utbyter

färg för att bilda en neutron


Gluoner och Comptonspridning

Comptonspridning är

ett exempel på hur

elektromagnetsik

strålning växelverkar

med materia.

Med hjälp av gluonerna

beskriver vi

spridningen såhär


Teorier, modeller och

experiment

Om någon har en teori, så vill man väl oftast se att

denna teori bekräftas. Då gäller att den kan förutsäga

något och att detta då kan bekräftas genom experiment.

Man kan naturligtvis också tänka sig att någon gör ett

experiment som ger ett nytt resultat. Andra kommer

fram till liknande eller relaterade resultat. Man kanske

inte förstår exakt varför, men man börjar göra sig en

modell. När modellen börjar kunna förutsäga saker och

när antalet fria parametrar minskar, är man kanske

framme vid en teori.


Teorier, modeller och

experiment (forts).

Någon lär ha sagt: ”Det är med kvarkar som med

människor, det spelar ingen roll vad dom heter

eller ser ut, det är hur dom uppför sig som

betyder något”.

Experimentella observationer är speciellt

betydelsefulla i mikrokosmos. Om något är

”fundamental”, ”minsta beståndsdel”, etc, hur

kan vi då beskriva det? Vi kan bara beskriva hur

partikeln uppför sig i olika situationer, dvs när

den växelverkar med omgivningen.


Specifikationer 1: Saab 9-5

Modell

Saab 9-5 Sedan Linear 2.0t 150 hk

239900

Kaross och exteriör

Ytterbackspeglar elmanövrerade och

uppvärmda, lackerade i karossens färg

Stålfälgar 6x15" med heltäckande

hjulsidor

Dimljus i spoiler fram

Metallic-lack

Lättmetallfälgar 16" 10-spoke (ALU 38)

Prestanda

2.0t 150hk

5-växlad manuell växellåda


Specifikationer 2: Protonen

Modell av protonen:

Protonen består av två nerkvarkar (d) och

en uppkvark (u)

Data för protonen

Laddning

Vilomassa

Livslängd

Spinn

Radie

Dipolmoment

...

...

1.602 x 10-19 coulomb

1.67 x 10-27 kg

Troligen stabil

½

diameter


Specifikationer 3: Kaonen

Modell av Kaonen K - :

Kaonen består av två kvarkar,

en kvark och en antikvark

Data för Kaonen

Laddning 1.602 x 10-19 coulomb

Vilomassa 493,73 MeV

Livslängd 12,3 ns

Spinn 0

Radie 1 fermi

Dipolmoment

...

...

diameter


Olika typer av strålning

Alla känner väl till att man

fortfarande kallar radioaktiv

strålningen för alfa, beta och gamma

strålning. Detta är att hänföra till

den tid då man inte visste att det var

fråga om Helium-kärnor, elektroner

eller positroner och elektromagnetisk

strålning.


Olika typer av strålning

Fortfarande betecknar vi strålningen

med de tre första bokstäverna i det

grekiska alfabetet: α, β, γ. Röntgenstrålning

heter X-rays på Engelska

och är också elektromagnetisk

strålning. Neuron strålning är kanske

den ”allvarligaste” typen av strålning.


Olika typer av strålning

Fotografisk emulsion svärtas av

radioaktiv strålning.

Det är Silverbromidkornen som joniseras

och som blir ”svarta” vid framkallning


α-strålning

Med α-strålning menar vi Helium-kärnor, dvs en

partikel som består av två protoner och två

neutroner. Detta är en mycket stabil kärna.

Heliumkärnan är tung

och bromsas snabbt upp.

Några cm luft, ett

papper, etc är

tillräckligt för att

stoppa α-partiklar med

energier

(E < 8 MeV), som från

radioaktiva preparat.


β-strålning

Med β-strålning menar vi elektron- eller positronstrålning.

Positroner är elektronernas antipartiklar

och har positiv laddning, annars samma massa,

spinn, etc som eletronen.

Elektroner är mycket lättare

än Heliumkärnor men

bromsas snabbt upp i luft.

De elektrorer som kommer

från radioaktiva preparat

stoppas av ett par glasögon.


γ-strålning

γ-strålning är elektromagnetisk strålning, samma

som ”vanligt ljus” fast mera energirikt. Vanligtvis

har strålningen energier från några keV till flera

MeV. Elektromagnetisk strålning från atomskalet

benämnes Röntgen-strålning (X-rays).

γ-kvanta är masslösa och strålningen växelverkar på tre

olika sätt med materia. Strålning på några MeV

absorberas bäst av tynge ämnen som bly och wolfram.


Neutron strålning

Neutron strålningen är visserligen svår att

detektera. Den kan dock identifieras på flera olika

sätt, vanligast är dock elastisk eller inelastisk

spridning.


Växelverkan

Detektorer bygger på att strålningen, som

bärare av information” växelverkar med materia.

Alla material lämpar sig inte som detektorer,

men strålingen växelverkar med materialet i alla

fall.


Växelverkan

För elektromagnetisk strålning gäller att den

växelverkar med materia på tre olika sätt.

Sannolikheten och effektiviteten varierar med

strålningens energi och det absorberande

materialet. De tre sätten är (och approximativt

gäller):

Fotoeffekten Z 5

Parbildning Z 2

Comptonspridning Z


Fotoelektriska effekten

Vid den fotoelektriska

effekten överförs hela

den inommande

fotonens energi (E = hν)

till en elektron.

Registreras sedan

energin hos denna

elektron, ser man

I energispektrum får vi en diskret topp som svarar mot den

elektromangnetiska strålningen energi. Höjden på toppen

är proportionell mot strålningens intensitet.


Compton spridning

Vid Compton spridning

träffar en inkommande

foton en banelektron

och sprids i en vinkel

mellan 0 och 180 grader.

Beroende på denna

vinkel överförs olika

mycket energi och

rörelsemämgdsmoment

till elektronen.

I energispektrum får vi en kontinuerlig fördelning från noll

upp till nära den energi den inkommande fotonen hade.


Parbildning

Om energin hos den

inkommande partikeln

har en energi som är

större än dubbla

elektronens vilomassa,

dvs 1,022 MeV så kan

fotonen absorberas och

ett elektron-positron

par bildas.

Sannolikheten för

parbildning ökar med

ökande gamma-energi.

Positronen är elektronens antipartikel, dvs den är anti-materia

och kan inte ”överleva” i vår värld, den annihileras.


Annihilation

Positroner är elektroners

antipartiklar och kan inte

överleva i vår värld av vanlig

materia. En positron fångas

upp av en elektron och ett

väteliknande system bildas.

Därefter förintas elektronpositonparet

(positroniumet),

varvid två gamma-kvanta om

511 keV sänds ut.

Ett eller båda av de bildade 511 kEV kvanta kan lämna

detektorn, varvid denna energi försvinner från spektrum.


Detektorer, allmännt

Detektorer av olika slag används för att att

detektera olika typer av strålning. Dessutom är det

ibland viktigt att detektera med hög effektivitet,

hög energiupplösning, bara en viss typ av strålning,

energi, etc.

Vi kan skilja ut följande viktiga egenskaper hos

detektorer:

Energidiskriminering och upplösning

• Effektivitet

• Snabbhet


Detektorer, enkla

Den kanske enklaste detektorn för radioaktiv strålning

är elektroskopet . Detektorn gör ingen diskriminering

av strålningstyp eller energi, den mäter bara

intensiteten. Bra som pendosimeter, mm.


Scintillationsdetektorer

Scintillations-detektorer består av en kristall och

en fotomultiplikator. Kristallen är omgiven av en

reflektor (MgO) och ljusblixtarna träffar

fotokatoden (FK). Detektorn mäter både energi

och intensitet, dvs spektra


Scintillationsdetektorer

I fotomultiplikatons katod konverteras ljuset

till elektroner. Dessa accelereras och

multipliceras över dynodstegen (D) och en

puls erhålles vid anoden (A)


Scintillationsdetektorer

Detektorer av scintillerande typ kräver alltså en

fotomultiplikator för att registrera ljusblixtarna och

konvertera och förstärka ljussignalen till en elektrisk

signal. Detektorerna har god effektivitet men sämre

energiupplösning än t.ex. halvledardetektorer.

Log

Intensitet

eller

Antal

pulser

Compton

kanter

fototoppar

Na-22

Kanalnummer, pulshöjd eller energi


Halvledardetektorer

Detektorer av tex halvledartyp används för att mäta

energispektra, dvs antalet partiklar per energiintervall.

Eftersom en del energiövergångar är diskreta erhåller man

spektrallinjer i dessa spektra. Dessa spektra är

karakteristiska för kärnor och deras sönderfall. De kan

sägas fungera som ett fingeravtryck, när det gäller att

identifiera både ämnen och vad som hänt. Exempel är U-137

och dess kärnvapen, olyckan i Tjernobyl, osv. Germanium

används för gamma och kisel för elektroner och Röntgen

strålning


Partikel Acceleratorer

Det finns lineära och cylindriska acceleratorer.

Här visar vi exempel på den senare typen.

More magazines by this user
Similar magazines