Experimentell fysik. Janne Wallenius. Reaktorfysik KTH

Transkript

1 Experimentell fysik Janne Wallenius Reaktorfysik KTH

2 Återkoppling från förra mötet: Många tyckte att det var spännade att lära sig något om 1. Osäkerhetsrelationen 2. Att antipartiklar finns och kan färdas bakåt i tiden 3. Färgkrafter Många tyckte också att det gick för fort och vill veta mer!

3 Vad är en elementarpartikel? Demokritos (c:a 400 f.kr.) hävdade att all materia är uppbygd av odelbara och oförstörbara atomer, som skiljs åt av tomrum. Namnet atom kopplades till de olika elementen i det periodiska systemet på 1800-talet Sedan ( ) fann man att atomen bestod elektroner, protoner och neutroner Elektronerna saknade mätbar storlek Protonerna har storlek ~ m, visade sig bestå av kvarkar Elementarpartikel: Partikel som så vitt vi vet, saknar rumslig utbredning (elektroner & kvarkar)

4 Osäkerhetsrelationen Heisenbergs mikroskop: Låt oss försöka bestämma position och hastighet för en elektron, genom att skicka en foton mot den. E γ = hν = hc λ Om fotonen har en kort våglängd (hög frekvens & hög energi) stör vi elektronen i dess bana. Vi kan bestämma elektronens position noggrant, men inte dess hastighet. Om fotonen har en lång våglängd (låg frekvens) stör den inte elektronens bana, men dess position kan bara bestämmas ungefärligt. p x / 2

5 Hur mäter vi? Hur kan vi växelverka med ett föremål, för att få information om och dra slutsatser om dess egenskaper?

6 Experimentell fysik Vilka egenskaper kan vi mäta? Hur mäter vi egenskaper hos mikroskopiska föremål? Atlas-detektorn CERN (LHC) Schweiz

7 Kan vi röra utan att störa? De egenskaper vi vill mäta kan vara svåra att komma åt. Att mäta innebär nästan alltid att störa föremålet i fråga. Ibland måste man till och med förstöra det Fotografi Neutronradiografi Keramografi

8 Kroppen som mätinstrument Vår kropp har sensorer för att mäta och registrera storheter som Ljud Ljus Tryck Temperatur Svårare att mäta radioaktivitet eller tex polarisation

9 Indirekta mätningar Vi vill ta reda på vad som finns i ett mörkt rum, utan att själva gå in i det, tex för att det är litet, eller för att det befinner sig i jordens centrum Vi har en teori, eller en modell som säger att det kan finnas en apa i rummet

10 Indirekta mätningar Vi skaffar oss en banan och kastar in den i det mörka rummet Ett snällt sätt att störa en eventuell apa

11 Indirekta mätningar Efter ett tag kommer det ut ett bananskal Vi drar slutsatsen att det finns en apa i rummet

12 Indirekta mätningar Årsringarnas tjocklek i träd kan korreleras med temperaturer under tidsrymd när temperaturmätningar genomförts Historiska koldioxidhalter kan mätas i luftbubblor fångade i is

13 Radioaktivitet Järns atomkärnor har lägst energi per nukleon Tyngre kärnor än järn skapas i supernovaexplosioner Energetiskt fördelaktigt att sönderfalla, tex genom att avge en heliumkärna: alfa-sönderfall Kärnor med neutronöverskott tenderar att sönderfalla svagt, då en neutron omvandas till en proton: beta-sönderfall Genomsnittstid till hälften av ett bestämt antal av en kärna har sönderfallit: halveringstid

14 Radioaktivitet i naturen Solsystemet bildades ur ett gasmoln bestående av rester från en supernovaexplosion. De flesta radioaktiva kärnor som fanns i detta gasmoln har nu sönderfallit till mer stabila element Flera viktiga undantag: Kärna t1/2 [år] U x 10 9 K x 10 9 Övning: Hur stor var andelen U-235 i naturligt uran då jorden bildades för 4.5 miljarder år sedan? Hur kan Ra-226 finnas i naturen? U x 10 9 Ra

15 Kalium-40 Kalium-40 utgör 0.1% av naturligt kalium Typisk KTH-student innehåller ~ 40 mg kalium-40 Dessutom: kol-14 Typisk KTH-students radioaktivitet: Bq! Om risken att dö i strålinducerad cancer vore proportionell mot stråldos även för mycket små doser, skulle ~ människor varje år dö av självbestrålning!

16 Naturlig bakgrundsstrålning Naturligt förekommande Ra-226 (från sönderfall av U-238), Th-232, samt kosmisk strålning ger en genomsnittsdos på 1 msv per år. Lokalt kan dosen uppgå till 10 msv per år. Gäller för relativt stora områden med monazitsand i Indien, Brasilien och Kina Radon i bostäder ger i genomsnitt 2 msv/ år extra dos i Sverige, medicinsk strålning 1,4 msv Förhöjda halter av markradon är uppmätta i norra Stockholmsområdet 100 timmars flygresa motsvarar 0.5 msv