jump to navigation

ATOMET – NATURENS BYGGEKLOSSER 23. november 2011

Posted by erty56 in Moderne Fysikk.
trackback

Hei igjen!

Idag omhandler artikkelen naturens byggeklosser – eller atomets fysikk. Atomene er naturens byggeklosser. Alt mellom himmel og jord består av atomer, ofte ved at de går sammen og danner molekyler. Ca. 99% av universet består av de enkleste atomene Hydrogen og Helium og ca. 1% består av de andre drøyt hundre atomene. Vi skal ikke betrakte molekyler, men «spalte» atomet i mindre deler for og se hva det består av. Så skal vi gå videre inn i materien og se nærmere på  elementærpartikler. Illustrasjon atomet:

Som vi ser består atomet av elektroner og en atomkjerne som igjen består av nøytroner og protoner. Atomet har en radius r ≈ 10^-10 m. og atomkjernen r ≈ 10^-15 m.


Tabell 1  Atomets bestanddeler

partikkel ladning masse
elektronet (e‾) – e 9,11 x 10^-31 kg.
nøytronet (n) 0 1,67 x 10^-27 kg.
protonet (p) + e 1,67 x 10^-27 kg.

e er den elektriske elementærladningen, med verdi e = 1,60 x 10^-19 C. Atommasseenheten u er definert som 1/12 av massen til karbonisotopen 12C. Man bruker vanligvis verdien u = 1,66 x 10^-27 kg. Som vi ser har protonet og nøytronet omtrent masse lik 1u. Kjernepartiklene(nukleoner) består igjen av kvarker (u og d)

 
Tabell 2 Nukleoners bestanddeler

partikkel ladning
oppkvark(u) + 2/3 e
nedkvark(d) – 1/3 e

Nukleonladningen er konsentrert i tre områder inne i nukleonet. Elektronet og kvarker er uten indre struktur og kalles derfor elementærpartikler. Det finnes 4 grunnleggende krefter i naturen og disse virker innen atomet.


Tabell3  Grunnkrefter

kraft påvirker partikkel holder sammen/virker
sterke kjernekrefter kvarker atomkjernen
svake kjernekrefter leptoner og kvarker radioaktiv nedbryting av visse kjerner
elektromagnetiske krefter elektrisk ladede partikler atomet
gravitasjonskrefter alle partikler alt, bl.a. solsystemer og galakser

Fysikerne jobber med en såkalt enhetlig teori for krefter og partikler. Man søker å forene de 4 kreftene i en «superkraft» og finne naturens minste byggesten – altså en partikkel som bygger opp alle andre partikler. Man har klart å forene 3 av kreftene, men ikke å forene denne kraften igjen med gravitasjonskraften. Søken etter disse ting pågår bl.a. hos CERN.

I grunntilstanden har ethvert atom et visst antall protoner, nøytroner og elektroner. Alltid samme antall elektroner (ladning -e) og antall protoner (ladning +e) slik at atomet er elektrisk nøytralt. Enkelte atomer har et annet antall nøytroner enn i grunntilstanden. Disse kalles isotoper.

Alle atomer er katalogisert i et system som heter periodesystemet. Pr. idag består det av drøyt 100 atomer(grunnstoffer). Det oppdages et nytt nå og da. Gitt X som kjemisk symbol for et grunnstoff:

Z er atomnummeret (tallet er antall elektroner=antall protoner). A = Z + N, der N er antall nøytroner. A er altså antall nukleoner. Periodesystemet:

periodesys


Å fjerne elektroner fra et atom kalles ionisering. Edelgassene helt til høyre i periodesystemet har fullt ytterelektronskall, og de krever derfor større ioniseringsenergi enn grunnstoffer lenger til venstre i periodesystemet. I teorien har atomet et visst antall skall som kan fylles med elektroner. Disse er K, L, M, N, O og P. Maksimalt antall elektroner i disse skallene er henholdsvis 2, 8, 18, 32, 50 og 72.

Så går vi dypere inn i materien og betrakter elementærpartikler. Det finnes flere hundre partikler av den delelige sorten som f.eks. nøytronet og protonet. De udelelige som f.eks. elektronet og kvarker finnes det langt færre av. Disse kalles elementærpartikler fordi de er uten indre struktur. Fysikerne forsøker å finne en naturens minste byggesten – en partikkel eller hva det måtte være – som bygger opp alt annet. Man kommer gradvis dypere inn i materien bl.a. hos CERN. Man har imidlertid ikke funnet denne – «en slags fundamental elementærpartikkel» – ennå. Naturens minste byggesten må ikke nødvendigvis være en partikkel. Det finnes også andre tilnærminger. La oss si at urstoffet er en såkalt superstreng, som ikke er en partikkel men en bølge. Når bølgen har en frekvens vil vi oppfatte den som elementærpartikkel nr.1, svinger bølgen med en annen frekvens vil vi oppfatte den som elementærpartikkel nr.2 osv. Vi vet jo bl.a. at fotonet er masseløst. Vi vet også at en partikkel som beveger seg, kan beskrives som en bølge. Man må faktisk bruke bølgeegenskaper for å beskrive elektroner og fotoner som beveger seg. Alle objekter i universet har egenskaper som man assosierer med både bølger og med partikler, såkalt bølge-partikkel dualitet. Gitt at antall elementærpartikler er f.eks. 30, skal altså superstrengen ha 30 mulige frekvenser. Illustrasjon:


Det er viktig å anmerke her at dette bare er en ide, og ikke noen sikker viten. En slik superstreng er ikke nødvendigvis naturens minste byggesten.

Mange elementærpartikler har såkalte anti-partikler. Som hovedregel har antipartikler samme masse som partikkelen, men motsatt elektrisk ladning. Anti-partiklene er også elementærpartikler. Elektronets anti-partikkel heter positronet og har samme masse som elektronet men positiv ladning +e. Det finnes forøvrig flere typer kvarker og nøytrinoer og masseløse elementærpartikler som fotonet. Jeg så en liste over elementærpartikler fra 1998. Den inneholdt totalt 23 elementærpartikler, men denne listen er nok utdatert nå.

Man antar at det var en bitteliten overvekt av materie fremfor antimaterie etter det store smellet, og derfor eksisterer både vi og universet idag. Når partikler og anti-partikler møtes annihilerer de hverandre, og blir til ren energi. Omvendt kan pardannelse oppstå ved at to fotoner kolliderer, og det dannes et partikkel-antipartikkel-par. Ved både pardannelse og annihilasjon er energi og bevegelsesmengde bevart.

Her kommer løsning av forrige måneds:

OPPGAVE 3 – ENKEL MULTIPLIKASJON

Hva blir 18 x 365,24 x 9 x 10.000 x 0 x 56 x 7,67 ?

Her er et tall 0. Svaret er derfor 0.


Til slutt en ny mattenøtt:

OPPGAVE 4 – FLY OSLO-BERGEN TUR-RETUR

Et fly flyr fra Oslo til Bergen med farten v1 = 160 km/t, og tilbake igjen med farten v2 = 240 km/t. Hva blir gjennomsnittsfarten tur-retur? (Tips: man benytter v=s/t (fart=strekning/tid) og ender med gjennomsnittsfarten uttrykket ved v1 og v2 )

Hilsen erty56.

Advertisements

Kommentarer»

1. ATOMET – NATURENS BYGGEKLOSSER | Realfagshjørnet - 23. november 2011

[…] ATOMET – NATURENS BYGGEKLOSSER […]

2. potoluaeselmejor.blogspot.com - 1. mai 2013

Admiring the time and effort you put into your blog and in depth
information you provide. It’s great to come across a blog every once in a while that isn’t the same unwanted rehashed information.
Wonderful read! I’ve bookmarked your site and I’m adding your RSS feeds to
my Google account.


Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s

%d bloggers like this: