De geschiedenis van de materie ( essay )

Van de prehistorie tot de 20ste eeuw    

Voorwoord

 

Dit essay heb ik geschreven omdat ik toch niets beters te doen had. Toch heb ik geprobeerd om een zo uitgebreid mogelijk beeld te scheppen over het onderwerp van deze scriptie, de geschiedenis van het onderzoek naar materie.

De nadruk ligt op de personen die gedachten hebben gehad over materie. Vaak wordt verteld hoe zij aan hun ontdekkingen zijn gekomen. In de bijlage staat een alfabetische lijst van alle besproken personen.

Voor de duidelijkheid staan er een aantal wiskundige formules in dit verhaal. Deze worden uitgebreid besproken zodat ik verwacht dat ze goed te begrijpen zijn.

 

Veel leesplezier!

 

Bas van den Brink

 

1        Inhoudsopgave

Voorwoord.

1       Inhoudsopgave.

2       Inleiding.

3       De prehistorie.

3.1        Inleiding.

3.2        De steentijd.

3.3        Metalen.

4       de oude Grieken.

4.1        inleiding.

4.2        Atomen.

4.3        Vier elementen.

5       de middeleeuwen.

5.1        Inleiding.

5.2        Alchemie.

6       van de middeleeuwen tot de 20ste eeuw.

6.1        Inleiding.

6.2        De atoomtheorie in ere hersteld.

6.3        Ontdekking van de radioactiviteit .

Het elektron.

7       De 20ste eeuw.

Inleiding.

7.1        Fotonen.

7.2        Massa- energie eqivalentie.

Atoomtheorieën.

7.3        Kwantummechanica.

7.4        Materie bij lage temperatuur .

7.5        Het Periodiek systeem der elementen.

7.6        kristallen.

7.7        Atoomkernen.

7.8        Het standaardmodel.

7.9        Nanothechnologie.

7.10      Donkere materie.

Bijlage 1. Personenlijst.

Bijlage 2. Het periodiek systeem der elementen.

Literatuur .

2        Inleiding

 

Alles wat we waar kunnen nemen is opgebouwd uit materie. Dat wil zeggen dat alle objecten in het universum, zoals sterren, planeten en wij zelf, bestaan uit materie.

Veel eigenschappen van materie zijn eenvoudig door onze eigen zintuigen waar te nemen. Denk hierbij aan bijvoorbeeld:

  • het soortelijk gewicht;
  • de kleur;
  • de geur;
  • de elasticiteit;
  • de hardheid;
  • de tektstuur;
  • enzovoort.

Gedurende de geschiedenis hebben talloze mensen zich bezig gehoudenmet verklaringen van deze eigenschappen. Ze zien een steen naar beneden vallen en ze vragen zich af waarom. Ze zien dat sommige planten felle kleuren hebben en ze vragen zich af wat kleur nu eigenlijk is. Merken op dat water kouder aanvoelt dan vuur en ze vragen zich af wat warmte is.

Dit verhaal gaat over mensen die zich dat soort dingen afvragen en verklaringen zoeken.

Deel 1 geeft een beknopt overzicht van het gebruik van materialen uit de prehistorie. Het tweede deel gaat in op de visie op materie van de natuurfilosofen uit het oude Griekenland. Deel 3 gaat in op de alchemie van de middeleeuwen. Deel 4 beschrijft de ontdekkingen uit de periode na de middeleeuwen tot de 20ste eeuw. Het laatste en langste deel gaat in op de vele ontdekkingen die in de 20ste eeuw zijn gedaan.

3        De prehistorie

3.1      Inleiding

Al voor de tijd dat Homo Sapiens ten tonele verscheen hebben mensachtigen primitieve stenen werktuigen gemaakt.De oudste gevonden gebruiksvoorwerpen zijn vuistbijlen van circa 2,5 milioen jaar oud. Na verloop van tijd zijn de voorwerpen complexer en diverser geworden. Ook werd er toen gebruik gemaakt van enkele nieuwe materialen zoals been en hout. Ongeveer 10 000 jaar geleden is de mens langzaam over gegaan tot het gebruik van metalen.

3.2      De steentijd

De steentijd wordt meestal onder verdeeld in drie fasen:

De oude steentijd (Paleoliticum) begon 2, 5 miljoen jaar geleden en eindigde na de laatste ijstijd, ongeveer 10 duizend jaar geleden. De eerste bewerkte materialen waren afslagen van harde stenen. Ze vinden hun oorsprong in het westen van Afrika en zijn later over de hele wereld verspreid. Later werden deze afslagen vervangen door vuistbijlen die langzamerhand steeds geavanceerder werden. Ongeveer 35 duizend jaar geleden werden deze vuistbijlen aan stukken hout of bot bevestigd zodat er speren werden gevormd.

De middensteentijd (mesolithicum) begon na de laatste ijstijd. De mensen die in deze periode leefden waren jager-verzamelaars. Zij gebruikten sieraden van bot of stukjes metaal. Sommige culturen waren in staat om verfstoffen te produceren waarmee ze muurschilderingen maakten.

In de nieuwe steentijd (neolithicum)begon de landbouw. Hiervoor waren opslagruimtes nodig zodat het pottenbakken werd uitgevonden. Dit leidde tot een revolutie op het gebied van kennis over diverse keramische materialen.

3.3      Metalen

Rond 5500 v.Chr begon men met het gebruik van koper voor diverse gereedschappen. Koper heeft echter als nadeel dat het nogal zacht is. Daarom werd na 8000 v.Chr. vanuit het Midden-Oosten overgegaan op het veel harderde brons. Er konden nu veel betere landbouwgereedschappen en wapens worden gemaakt. Ook sieraden en kunstvoorwerpen werden aanzienlijk mooier als zij gemaakt waren van brons.

1200 v.Chr. begon vanuit Griekenland de ijzertijd. Omdat ijzer harder, makkelijker te verwerken en duurzamer is dan brons is het veel beter geschikt voor het maken van wapens en gebruiksvoorwerpen.

4        De oude Grieken

4.1      Inleiding

De eerste mensen die zich serieus bezig hielden met de eigenschappen van materie waren de oer filosofen uit het oude Griekenland. Deze flilosofen vertrouwden erg op hun rede. Experimenteel bewijs van hun redenaties was volgens hen niet nodig. Daarom komen veel theoriën uit die tijd nogal vreemd en vergezocht over.

Er waren ruwweg twee stromingen te onderkennen namenlijk de vier-elementenleer en de atoomleer.

4.2      Atomen

Democritus (460 v.Chr. )– 370 v.Chr.) was een Griekse filosoof en astronoom uit Tracië. Hij veronderstelde dat de gehele kosmos is opgebouwd uit oneindig veel oneindig kleine deeltjes. Hij noemde ze atomen van het Griekse woord a tomos wat niet deelbaar betekent. We zullen later zien dat wat we nu atomen noemen wel degenlijk deelbaar zijn. Democritus geloofde dat deze atomen kriskras door de lege ruimte bewegen. Door onderlinge botsingen wordt de fysieke materie zichtbaar.

De Atheense denker en leermeester Epicurus (341 v.Chr). – 270 v.Chr.) had een aparte interpretatie van de atoomleer. Volgens hem bestaat niet alleen de tastbare werkelijkheid uit atomen, maar ook het licht, de geest en de goden. De tastbare wereld is grof van atoomstructuur terwijl de geest juist een hele fijne stuctuur heeft. Omdat de goden het allerhoogst staan hebben zij vanzelfsprekend de fijnste atoomstructuur.

4.3      Vier elementen

Een totaal andere visie op hun omringende wereld hadden de aanhangers van de vier elementenleer. Zij geloofden niet dat de wereld uit ondeelbare partikels bestond. Als je bijvoorbeeld een steen door midden klieft, blijven er twee stukken van diezelfde steen over. De tegenstanders van de atoomleer geloofden dat je zo oneindig lang door kon gaan. Materie is volgens hen dus continue.

Empedocles (492 v.Chr.) – 432 v.Chr.) was een filosoof, afkomstig uit Sicilië. Hij bedacht dat de hele wereld is opgebouwd uit de bekende vier elementen, aarde, water, vuur en lucht. Empedocles veronderstelde dat al deze elementen manifistaties zijn van een oerstof. De vluchtige elementen vuur en lucht ontsnappen aan deze stof door haat terwijl de niet vluchtige elementen aarde en water bijeen blijven door liefde. Later is deze theorie verder uitgewerkt door de belangrijke Aristoteles (384 v.Chr). – 322 v.Chr.) uit Macedonië. Hij kende de volgende eigenschappen toe aan deze elementen:

Water: koud en nat

Lucht: koud en droog

Vuur: warm en droog

Aarde: warm en nat

De elementen kunnen in elkaar worden omgezet. Er mag echter maar één eigenschap varieren. Bij het verbranden van een stuk hout bijvoorbeeld wordt aarde (warm en nat) omgezet in vuur (warm en droog). Hiernaa wordt vuur weer omgezet in lucht (koud en droog).

5        De middeleeuwen

5.1      Inleiding

Door interne conflicten en overheersing door de Romeinen ging het machtige Griekse rijk ten onder. Omdat Rome geen grote denkers heeft voortgebracht kwamen er in die tijd nauwelijks nieuwe ideeën over materie naar voren. De theorieën van Aristoteles werden algemeen beschouwd als juist. Omdat zijn manier van denken goed verenigbaar was met die van de katholieke kerk, werden ook in de Middeleeuwen de theoriën van Aristoteles als waar aangenomen. Het duurde tot de verlichting voordat de vier elementenleer werd ontkracht.

5.2      Alchemie

In de alchemie zijn twee stromingen te onderscheiden: de spirituele en de praktische alchemie. De laatste is gebaseerd op diverse laberatoriumexperimenten die beschreven zijn met een symbolentaal die vol staat met metaforen. Dit is bewust gedaan zodat slechts een klein aantal ingewijden kon slagen in het Magnum opus van de alchemie, het creëren van de steen der wijzen.

Om dit doel te bereiken combineerden Arabische en Europese alchemisten de vier elementen van Arestoteles met religie en filosofie. Ze vinden hun oorsprong bij theologen en wetenschappers in Alexandrië. Alchemisten zoals Roger Bacon (1214 – 1294) veronderstelden dat elk metaal is opgebouwd uit kwikzilver (gelijkgesteld aan de maan) en zwavel (gelijkgesteld aan Saturnus). Door analyse van de balans tussen deze twee oervormen kon een nieuw metaal ontstaan. Het einddoel was het maken van het meest edele metaal, goud.

Dit goud kon gemaakt worden met behulp van de steen der wijzen. Deze goddelijke vorm van materie was tevens in staat tot genezing van ziekten en het verlengen van levens.

De creatie van de steen der wijzen was een ingewikkeld proces, opgebouwd uit 12 stappen. Deze zijn interpretaties van een tekst op de “tafel van smaragd”.

In de loop van de eeuwen hebben veel mensen geprobeerd om de steen der wijzen te creëren. De Fransman Nicolas Flamel (1340 – 1418) beweerde dat hij de formule bezat om de steen te maken. Ook de beroemde natuurkundige Isaac Newton (1642 – 1727) hield zich veelvuldig bezig met Alchemie. Hij beschouwde dit en zijn bijbelstudie persoonlijk als belangrijker dan zijn natuurkundig werk. Isaac Newton was duidelijk iemand die met één been in de middeleeuwen zat en met het andere been in de moderne tijd.

6        Van de middeleeuwen tot de 20ste eeuw

6.1      Inleiding

Na de middeleeuwen begon vanuit Italië de renaissance. Hierbij werd de Griekse cultuur en haar manier van denken herontdekt. Op die manier werd duidelijk dat er ook nog andere levensbeschouwingen waren dan het katholicisme. Zo werd plaats gemaakt voor nieuwe ideeën over filosofie en wetenschap. Door verlichtingsdenkers zoals Emanuel Kant (1724-1804) ontstond er een meer materialistisch wereldbeeld. Men probeerde niet alleen door filosofische en religieuze redenatie en door begriploos experimenteren tot kennis te komen. In plaats daarvan werden er op basis van hypotheses verschillende experimenten uitgevoerd. De interpretatie van deze experimenten leidde weer tot veel nieuwe inzichten in de aard van materie.

6.2      De atoomtheorie in ere hersteld

De Engelse Robert Boyle (1627 – 1691) was één van de eerste wetenschappers die vond dat alle kennis moest worden opgedaan door middel van experimenten. Hij wordt algemeen gezien als de eerste moderne scheikundige. Hij verwierp de vier elementenleer van Arestoteles. Boyle ontdekte aan de universiteit van Oxford door middel van een gaspomp dat het product van de druk en het volume van een gas in een vat constant is als de temperatuur niet veranderd.Dit betekent dat als de druk in een afgesloten vat twee keer zo groot wordt, dan zal het volume van het gas twee keer zo klein zijn geworden. Robert Boyle concludeerde dat dit alleen mogelijk is als het gas uit minieme deeltjes bestaat. Zo werden de atomen van Democritus weer nieuw leven in geblazen. Boyle geloofde dat de verschillen in materie werden veroorzaakt door de beweging, het aantal en de positie van deze atomen.

Een andere pionier van de atoomtheorie was ook een Engelsman, John Dalton (1766 – 1844). Door vele experimenten met chemische reacties en gasdrukmeting kwam hij tot de volgende zes conclusies:

  1. Alle materie is samengesteld uit kleine, ondeelbare partikels
  2. Alle atomen van een gegeven element bezitten elk hun unieke eigenschappen en eigen massa.
  3. Verschillende chemische elementen bestaan uit verschillende atoomsoorten. Iedere atoomsoort bezit een karakteristieke massa.
  4. Atomen zijn onverwoestbaar en behouden hun identiteit na een scheikundige reactie (dit in tegenstelling tot wat de alchemie beweerde).
  5. Chemische verbindingen worden gevormd door combinatie van atomen van verschillende elementen. Een gegeven verbinding heeft steeds dezelfde verhouding van de atomen van de samenstellende elementen.
  6. Er bestaan 3 types atomen: enkelvoudige, samengestelde en complexe.

Deze ontdekkingen vormen de basis van de scheikunde.

6.3      Ontdekking van de radioactiviteit

De Franse wetenschapper Antoine Becquerel (1852 – 1908) deed onderzoek naar luminescentie. Dit is een verschijnsel waarbij sommige stoffen oplichten nadat er licht op is gevallen. Hij experimenteerde met verschillende materialen waaronder uraniumerts. Tot zijn verbazing zag hij dat het erts ook zonder invallend licht een afdruk gaf op een fotografische plaat.

Het bleek al snel dat ook andere stoffen deze eigenschap hebben. Marie Curie (1867 – 1926) en haar egtenoot Pierre Curie (1859 – 1906) noemden dit verschijnsel radioactiviteit. Zij toonden aan dat de straling uit de kern van atomen kwam en daarmee onafhankelijk van de chemische samenstelling van de stof. Marie Curie ontdekte de zeer radioactieve elementen radium en polonium (de laatste is vernoemd naar het geboorteland van Marie, Polen). Omdat de gevaren van radioactiviteit in die tijd niet bekend waren is het echtpaar jong overleden aan leukemie.

In het hoofdstuk over atoomkernen kom ik nog uitgebreid terug op radioactiviteit.

Het elektron.

De schotse fysicus John Thomson (1865 – 1940) voerde een vernuftig experiment uit. Hij gebruikte een glazen buis waarin hij aan iedere kant een metalen plaatje (elektrode) bevestigde. Hij pompte vervolgens het buisje vacuüm en zette een elektrische spanning op de beide elektroden. Hij voerde langzaam de spanning op. Toen de spanning een bepaalde waarde bereikte begon er een stroom te lopen over het circuit. Bovendien zag Thomson een blauwe lijn tussen de elektroden. Hij concludeerde dat de stroom tussen de elektroden uit minuscule deeltjes bestond. Omdat de blauwe lijn afboog toen er een elektrisch veld over het buisje werd gelegd bleek dat deze deeltjes elektrisch geladen zijn. Thomson noemde deze deeltjes elektronen.

Thomson veronderstelde dat atomen bestaan uit een positief geladen massa waarin één of meerdere elektronen verscholen zitten. Dit wordt wel het krentenbolmodel genoemd. We zullen later zien dat dit geen goede beschrijving is van atomen.

7        De 20ste eeuw

Inleiding.

In het Fin de siécle van de 19de eeuw was de algemene opinie dat de natuurkunde bijna voltooid was. De mechanica werd beschreven door de bewegingswetten van Isaac Newton. Elektromagnetisme werd beschreven door de wetten van James Maxwell (1831 – 1879).Alle materie was opgebouwd uit atomen met daarin één of meer elektronen.

Er waren nog een paar kleine probleempjes om op te lossen en dan waren alle natuurkundigen werkloos. Niets bleek minder waar. Door de verklaring van een aantal experimenten werd de fysica in de eerste helft van de 20ste eeuw volkomen op zijn kop gezet.

Opmerking: vanaf nu hebben alle genoemde personen de Nobelprijs voor natuurkunde gekregen.

7.1      Fotonen

De zwarte straler

Één van de onopgehelderde verklaringen betrof het probleem van de straling uit een zwart lichaam. Een zwart lichaam is een object waarin alle elektromagnetische straling (zoals licht, infrarood, ultraviolet en radiogolven) wordt geabsorbeerd. Als een dergelijk lichaam wordt verwarmd dan zal het straling uitzenden. Hoe heter het object wordt, hoe blauwer de uitgezonden straling zal zijn. Dit is bijvoorbeeld heel goed te zien bij een gasfornuis. Aan de kant van de pit is het gas blauw. Naarmaate het gas verder van de pit komt koelt het gas af en wordt het steeds roder. Er was geen goede wiskundige formule gevonden die dit verschijnsel beschrijft. De oplossing voor dit probleem leverde een ware revolutie op de kijk op de aard van lichtstralen en materie.

De Duitse Max Planck (1858 – 1946) slaagde er in 1899 in om deze gezochte formule te vinden. Het bleek dat er alleen een oplossing voor het probleem was als verondersteld wordt dat elektromagnetische stralen zijn opgebouwd uit miniscule golfpakketjes. Max Planck noemde deze pakketjes lichtquanta. Later werd de naam veranderd in fotonen.

De energie van een foton wordt uitgedrukt met de formule:

E=hf

Hierbij is E de energie en f de frequentie van de straling. h is een constante waarde die tegenwoordig bekend staat als de constante van Planck hoewel Max Planck niet erg blij was met die naam. Het was een bescheiden man. De waarde van h is 6,6×10-34.

Dit betekent dat het getal 33 nullen achter de komma heeft en dan pas het getal 66. Het is dus een ontzettend klein getal.

Het bestaan van fotonen was nogal controversieel. Licht werd algemeen aanvaard als een golfverschijnsel en nu blijkt het zowel deeltje als golf te zijn. Max Planck was zelf ook erg terughoudend over zijn resultaat. Er was dus meer bewijs nodig om het bestaan van fotonen te bewijzen.

Het foto elektrisch effect

Dit bewijs werd geleverd door niemand minder dan Albert Einstein (1879 – 1955). Hij wist het bewijs te leveren door de verklaring van het foto elektrisch effect.

Het foto elektrisch effect is een natuurkundig verschijnsel dat het vrijkomen van elektronen uit een elektrode onder invloed van licht beschrijft. Om dit effect aan te tonen wordt een experiment gebruikt wat erg lijkt op dat van John Thomson. Opnieuw wordt er een glazen buisje met twee elektroden gebruikt. Nu worden de elektronen niet vrijgemaakt door een hoge electrische spanning, maar door licht te laten schijnen op de anode (de negatief geladen elektrode). Er gebeurt echter iets bijzonders. Bij licht met een lage frequentie (dus een lage energie) gebeurt er niets, ongeacht de intensiteit van de lichtbron. Bij een bepaalde frequentie komen er opeens elektronen vrij uit de anode en gaat er een stroom lopen door het buisje. Als het licht deze drempelenergie heeft overschreden is de stroomsterkte wél degelijk afhankelijk van de intensiteit van het licht.

Einstein verklaarde dit door aan te nemen dat de anode een reservoir is van elektronen. Om de elektronen vrij te maken is een bepaalde drempelenergie nodig. Deze energie is de laagste energie die het invallende licht moet hebben om de elektronen te bevrijden uit de anodein formulevorm:

E‑drempel—E‑anode‑=hf

We zien dus dat er een foton van exact de drempelenergie nodig is om een elektron vrij te kunnen maken uit de anode.

7.2      Massa- energie equivalentie

Een andere belangrijke ontdekking van Einstein is de Relativiteitstheorie. Deze theorie beschrijft het gedrag van bewegende lichamen ten opzichte van de snelheid van het licht. Één van de meest obzinbarende uitkomsten van deze theorie is de volgende beroemde formule:

E=mc2

Hierin is E de energie van een lichaam, m de massa van het lichaam en c de lichtsnelheid 300 duizend kilometer/seconde. Volgens deze formule kan materie gezien worden als een vorm van energie. Met andere woorden, massa en energie zijn equivalent. Het is dus mogelijk om materie om te zetten in energie en andersom. Dit gebeurt bij de ontploffing van atoombommen en in kerncentrales. Vanwege de hoge waarde van de lichtsnelheid geeft een geringe afname van de massa een enorme hoeveelheid energie. Tijdens de onploffing van de atoombom op Hiroshima is slechts een spliterwt aan materie verloren gegaan terwijl de energie voldoende was om een stad van de aardbodem te vagen.

Atoomtheorieën.

Het atoommodel van Rutherford

Één van de grootste experimentatoren van de 20ste eeuw was de Nieuw Zeelandse professor Ernest Rutherford (1871 – 1937). Hij emigreerde naar Cambridge in Engeland waar hij een baanbrekend experiment uitvoerde. Hij plaatste een groot aantal detectoren rondom een dunne goudfolie. Voor het folie plaatste hij een radioactief bronnetje. Hij richtte de radioactieve straling in een rechte bundel op het folie. Hij nam waar dat de meeste straling dwars door het folie ging. Een klein deel van de straling werd naar alle kanten verstrooid. Na een uitvoerige analyse van de resultaten kwam Rutherford tot de volgende conclusie: atomen bestaan uit een zware, zeer kleine en positief geladen kern met daaromheen op relatief grote afstand de veel lichtere, negatief geladen elektronen die in banen rond de kern bewegen. Dit wordt wel het planetenmodel genoemd. In 1919 toonde Rutherford aan dat de positieve lading uit de kern wordt veroorzaakt door een nieuw deeltje, het proton. Een proton heeft dezelfde electrische lading als een elektron maar dan positief. Daarnaast is het proton veel zwaarder.

De Schot James Chadwick (1891 – 1979) ondekte een tweede kerndeeltje, het neutron. Het neutron heeft vrijwel dezelfde massa als het proton (een neutron is een fractie zwaarder) maar heeft geen lading.

Het aantal protonen in de kern geeft nu aan om welk soort (element) het gaat. Een waterstofatoom heeft bijvoorbeeld 1 proton in de kern terwijl koolstof 6 protonen heeft. Uranium heeft er wel 90. Als een bepaald element een verschillend aantal neutronen heeft zeggen we dat dat isotopen van elkaar zijn. In de natuur komen bijvoorbeeld twee isotopen van koolstof voor, één met 6 neutronen en één met 8 neutronen. We spreken dan over koolstof-12 en koolstof-14.

Het atoommodel van Bohr

Het atoommodel van Rutherford was een enorme verbetering ten opzichte van dat van het krentenbolmodel van Thomson, maar toch zat er nog een probleem aan. Als een negatieve, elektrische lading om een positieve lading draait, zullen de ladingen versneld naar elkaar toe bewegen. Hierbij komt elektromagnetische straling vrij. Bij atomen is dit effect echter nooit waargenomen. Het werdt dus tijd voor een nieuw atoommodel.

Dit model werd bedacht door de grote Deense natuurkundige Niels Bohr (1885 – 1962). Hij ondekte dat de elektronen in een atoom niet op een willekeurige baan om de kern draaien zoals het model van Rutherford, maar op bepaalde banen. Deze banen hebben allemaal een vast energieniveau. Elke andere willekeurige baan (energieniveau) is niet toegestaan. Een elektron in een laag energieniveau kan springen naar een hoger niveau als er een foton op het atoom terecht komt met precies dezelfde energie als het verschil tussen beide energieniveaus. De volgende formule beschrijft dit proces:

δE=hf

Hierbij is δE het het verschil in energie tussen twee mogelijke energieniveaus, f de frequentie van het geabsorbeerde foton en h de constante van Planck. Elke soort atoom heeft zijn eigen energieniveaus dus verschillende atomen zullen ook verschillende fotonen absorberen. Dit is een manier om te bepalen welke soort atomen zich in een bepaald materiaal bevinden. Dit wordt spectroscopie genoemd.

Golf-deeltjedualiteit

De vraag is nu waarom de elektronen zo netjes op een vaste baan zitten. Om die vraag te beantwoorden is het belangrijk om een en ander te weten over de eigenschappen van elektronen. Hiertoe ontwikkelde de Franse edelman en wetenschapper Louis De Broglie (1892 – 1987) (spreek uit als Debreuille) een belangrijk experiment.

δ

Stel dat we een smalle lichtbundel nemen en die laten schijnen op een aantal nauwe spleten die vlak naast elkaar zitten (een tralie). De plaats van elke spleet is nu in feite een apart lichtbronnetje. Vanuit deze bronnen wordt het licht naar alle kanten verstrooid. We hebben gezien dat licht gezien kan worden als een golf. Als nu twee pieken van twee golven exact bij elkaar komen zal de lichtsterkte twee keer zo hoog worden. Daarentegen zullen twee golven die precies tegenovergesteld golven elkaar uitdoven. Als we nu een scherm plaatsen op enige afstand van de tralie zien we een karaktristieke stippellijn. Dit verschijnsel wordt interferentie genoemd.

De Broglie ontdekte iets opmerkelijks. Toen hij in plaats van een lichtstraal een bundel elektronen op een zeer dunne tralie liet vallen bleek dat er ook een interferentieverschijnsel optrad. Net als fotonen kunnen elektronen dus ook zowel een deeltje als een golf karakter hebben. Hoe groter de energie van een elektron, hoe kleiner zijn golflengte. De golf-deeltjedualiteit van elektronen geeft nu ook een verklaring van het atoommodel van Bohr. Elektronbanen zijn alleen mogelijk als de golven van de elektronen exact op elkaar aansluiten.

7.3      Kwantummechanica

De Schrödingervergelijking

De Duitse fysicus en rokkenjager Erwin Schrödinger (1887 – 1964) ontwikkelde een formule die het gedrag beschrijft van elektronen en andere geladen deeltjes. De meest eenvoudige vorm van deze formule luidt:

h/2m×d2ξ/dt2+Uξ=wξ

Hierbij is h weer de constante van Planck, m de massa van het deeltje, t de tijd, U de electrische energie en w de totale energie van het deeltje. De d’s zijn differentiaaloperators, maar die mag je vergeten. Het gaat om de ξ (psi). Dit is een wiskundige formule die meestal een golf beschrijft. Psi wordt daarom ook wel de golffunctie genoemd. De Schrödingervergelijking is dus een fundamentelere beschrijving van de golven van de Broglie. Op zich heeft ξ geen fysische betekenis maar ξ2 is een maat voor de kans dat een deeltje zich op een bepaalde plaats in de ruimte bevindt.

Één van de belangrijkste uitkomsten van de vergelijking was dat een elektron in een atoom niet gezien moet worden als een deeltje dat een baan beschrijft, zoals het model van Bohr, maar een soort “wolk” van kansen is. Als het energieniveau van een elektron veranderd, veranderd ook de vorm van deze “kanswolk”.

Een bijzondere uitkomst van de Schrödingervergelijking is superpositie. Dit is een lastig begrip, maar ik ga proberen om het uit te leggen.

Stel dat we een elektron hebben wat zich in twee toestanden kan bevinden. Het kan bijvoorbeeld links- of rechtsom draaien(in de kwantummechanica wordt dit spin genoemd). In de kwantummechanica betekent dit dat het elektron twee golffuncties kan hebben. Voordat er een meting plaatsvindt, heeft het elektron een combinatie van allebei de golffunkties. Tijdens een meting stort de superpositie van de twee golffuncties in elkaar en blijft er slechts één (en dus één draairichting)over. Dit is dan het resultaat van de meting. Vóór de meting is het niet te voorspellen wat de uitkomst van de meting is.

Dit alles is duidelijk te maken door een beroemd gedachtenexperiment, de zogenaamde Kat van Schrödinger. Hierbij wordt een kat in een kist gestopt. In de kist is voldoende zuurstof en voedsel aanwezig om de kat in leven te houden. In de kist bevindt zich echter ook een capsule met gifgas (Schrödinger was blijkbaar geen kattenliefhebber). Aan deze capsule zit een mechanisme dat op een willekeurig tijdstip de capsule kapot slaat zodat het gas vrij komt en de kat sterft. De vraag is nu: is de kat dood of levend? Volgens de kwantummechanica is er een superpositie van de beide toestanden. Voordat de kist geopend wordt (de meting) is de kat dus zowel dood als levend.

Kwantumelektrodynamica

Een nóg fundamentelere beschrijving van het gedrag van elektronen dan de Schrödingervergelijking was de kwantumelektrodynamica (qed) van de excentrieke maar briljante fysicus en brandkastkraker Richard Feynman (1918 – 1988). Deze theorie houdt in dat de baan van een elektron beschreven wordt door alle mogelijke banen bij elkaar op te tellen. Aangezien elektronen gezien kunnen worden als een golf zullen de meeste banen door middel van interferentie elkaar uitdoven. Alleen de meest waarschijnlijke baan blijft over. Dit is precies de baan die wordt voorspeld door de Schrödingervergelijking. De kwantumelektrodynamica wordt ook wel de padintegraaltheorie van Feynman genoemd.

Antimaterie

De geniale Britse wis- en natuurkundige Paul Dirac (1902 – 1985) slaagde er in om een uitbreiding van de schrödingervergelijking op te stellen die ook voldeed aan de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Deze is te ingewikkeld om hier weer te geven. Uit de vergelijking volgt wel iets bijzonders. Naast de gewone materie (elektronen, neutronen en protonen) bestaat er ook antimaterie. Antimaterie heeft dezelfde eigenschappen als gewone materie maar dan met een tegenovergestelde lading. Een anti-elektron(een positron) is dus positief geladen maar heeft dezelfde massa als een gewoon elektron. Antimaterie komt sporadisch voor in kosmische straling en het kan tegenwoordig relatief eenvoudig geproduceerd worden in deeltjesversnellers. Als een deeltje en een antideeltje bij elkaar komen vernietigen ze elkaar direct. Er blijft dan alleen wat straling over.

De onzekerheidsrelatie van Heisenberg

Bijzonder belangrijk voor de kwantummechanica is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze relatie (genoemd naar zijn ontdekker Werner Heisenberg (1901 – 1976) gaf een totaal nieuwe kijk op de natuurkunde.Om dit uit te leggen zal ik eerst het experiment bespreken dat leidde tot de onzekerheidsrelatie.

Stellen we ons opnieuw een smalle bundel elektronen voor. Deze komt terecht op een plaatje waar een enkele nauwe spleet in zit. Als de bundel de spleet is gepasseerd zal deze uitwaaien. Hoe smaller de spleet wordt, hoe meer de bundel uitwaait. Dit betekent dat een grotere zekerheid in de plaats (een nauwe spleet) een kleinere zekerheid in de richting geeft (een wijdere bundel). Dit geeft de volgende formule:

Δxδp=h/2π

Hierbij is δx de onzekerheid in de plaats, δp de onzekerheid in de impuls en h opnieuw de constante van Planck. De impuls is een natuurkundige grootheid die de hoeveelheid beweging aangeeft. Hij is gedefinieerd als de massa maal de snelheid van een object. Aangezien de impuls een vector is heeft deze grootheid zowel een waarde als een richting. Er is ook een dergelijke relatie tussen de energie en de tijd. We krijgen dan:

δEδt=h/2π

De betekenis van deze vergelijking is dat geen enkele natuurkundige grootheid exact kan worden voorspeld. Hoe meer je van de ene grootheid weet, hoe minder van een andere.

7.4      Materie bij lage temperatuur

Bij zeer lage temperaturen (lager dan -200°C) kunnen er bij sommige stoffen bijzondere dingen gebeuren. De Leidse hoogleraar Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926) was een pionier op dit vakgebied. Hij slaagde er onder andere in om helium vloeibaar te maken. Hiervoor was een temperatuur van -269°C nodig. Met vloeibaar helium bleek iets bijzonders aan de hand. Het kon bij bepaalde omstandigheden superfluïde worden. Dit betekent dat het al zijn viscositeit (stroperigheid) verliest. In een open bak zal het helium dan over de rand kruipen en het kan via het kleinste gaatje ontsnappen.

Een andere belangrijke ontdekking van Kamerlingh Onnes was supergeleiding. Bij het afkoelen van sommige metalen bleken enkelen onder een bepaalde drempelwaarde al hun electrische weerstand te verliezen. In een supergeleidend metaal kunnen enorme electrische stromen worden opgewekt. Dit wordt onder andere gebruikt om enorm sterke electromagneten te maken, zoals gebruikt in MRI-scanners

Een ander vreemd verschijnsel bij materie bij lage temperaturen werd voorspeld door de Indiase wiskundige Satyendra Bose (1894 – 1974). Hij vermoedde dat het mogelijk moest zijn dat materie bij lage temperatuur en hoge druk al zijn inwendige structuur zou verliezen. De losse atomen worden dan vernietigd en er blijft één groot superatoom over. Bose was niet helemaal zeker van zijn zaak en hij legde zijn theorie voor aan Albert Einstein. Hij zag er wel iets in en heeft het verder uitgewerkt. We spreken daarom over het Bose-einsteincondensaat. In laboratoria is een bose-einsteincondensaat tegenwoordig vrij eenvoudig te creëren Toch heeft het, in tegenstelling tot supergeleiding, geen praktisch nut.

7.5      Het Periodiek systeem der elementen

De Russische wetenschapper Dmitri Mendelejev (1834 – 1907) was nogal een warhoofd. Desalniettemin zag hij iets dat andere natuurkundigen niet zagen. Hij merkte namelijk op dat een aantal scheikundige elementen zich min of meer hetzelfde gedragen. De elementen koolstof, silicium, germanium, tin en lood leken bijvoorbeeld sterk op elkaar, net zoals de elementen fluor, chloor, broom en jood. Mendelejev zette alle overeenkomende elementen onder elkaar en van links naar rechts het aantal protonen in de kern. Op die manier ontstond er een tabel van alle scheikundige elementen. Deze staat bekend als het periodiek systeem. Er zijn acht hoofdgroepen en een tussengroep te onderscheiden.

De tabel van het periodiek systeem bestaat ruwweg uit vijf blokken: de alkalimetalen (Natrium, Kalium, aluminium, berilium etc), de overgangsmetalen(ijzer, goud, kwik, nikkel etc), de moleculaire stoffen (Koolstof, zuurstof, stikstof, chloor, silicium, etc), de edelgassen (helium, neon, argon, etc) en de lantaniden.

  • De alkalimetalen zijn bijzonder reactief en komen daarom vooral voor in zouten, mineralen en keramische materialen. Deze laatste stoffen bestaan uit een combinatie van één of meer metalen en een moleculaire stof, meestal een halogeen (fluor, chloor, broom en jood). Het bekendste voorbeeld is keukenzout, natriumchloride, NaCl).
  • De overgangsmetalen vormen een tussengroep in het periodiek systeem. Overgangsmetalen komen wel vaak als hun zuivere gedaante in de natuur voor. Ze vormen dan een kristalstructuur die zeer goed electrisiteit en warmte kan geleiden. Een kristalstruktuur betekend dat alle atomen netjes op elkaar gestapeld zijn.
  • De moleculaire stoffen kunnen moleculen vormen. Bij een molecuul worden twee of meer atomen aan elkaar gekoppeld . Dit wordt een covalente binding genoemd.Dit houdt in dat twee atomen hun buitenste elektronen uitwisselen. Bekende voorbeelden van moleculen zijn:

Kooldioxide (CO‑2‑), water (H‑2‑O), ammoniak (NH‑3‑) en alcohol (C‑2‑H‑5‑OH).

Hierbij staat C voor koolstof, H voor waterstof, O voor zuurstof en N voor stikstof.

  • De edelgassen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen. Ze komen in de natuur dus alleen voor als gassen bestaande uit losse atomen.
  • De lanthaniden vormen een apart onderdeel van het periodiek systeem. Van de lantaniden komt alleen uranium in de natuur voor. De rest kan slechts gemaakt worden in laberatoria. Alle nieuw ontdekte elementen worden genoemd naar beroemde atoomfysici. Zo bestaan er elementen met de naam einsteinium, bohrium, rutherfordium en curium. Er is ook een element naar een Nederlander genoemd, lorenzium, genoemd naar Hendrik Lorentz.

In bijlage 2 is het periodiek systeem weergegeven.

7.6      Kristallen

Metalen, zouten, keramische materialen en een aantal moleculaire stoffen hebben een kristalstructuur. Dit betekent dat alle atomen op vastgestelde plaatsen op een 3 demensionaal rooster zitten. Het hangt van de chemische eigenschappen van een materiaal af welke structuur het heeft.

Er zijn vier hoofdstructuren te onderscheiden:

  • Bcc (body centred cubic)

Op alle vier de hoekpunten een atoom en één in het midden;

  • Fcc (face centred cubic). Zowel op alle vier de hoekpunten als op alle zijvlakken een atoom;
  • Hcp (hexagonal closed packag). Twee vlakken van zes atomen boven elkaar en één in het midden;
  • Diamantstructuur. Lijkt op fcc maar dan met nog twee atomen op een lichaamsdiagonaal.

De naam diamantstructuur is enigszins misleidend Naast diamant (bestaande uit koolstof) heeft bijvoorbeeld ook silicium een diamantstructuur.

Onder invloed van warmte zal een atoom in een kristal een trilling vertonen. De trillingsenergie van het atoom kan uitgedrukt worden met:

E‑trilling‑=hf

We zien nu dat deze formule sterk overeenkomt met die van het foton. Dergelijke trillingsdeeltjes worden fononen genoemd. Deze fononen zijn geen fysike deeltjes maar een manier om roostertrillingen te beschrijven.

7.7      Atoomkernen

Radioactiviteit

We hebben gezien dat de kern van een atoom bestaat uit positief geladen protonen en neutrale neutronen. Het aantal protonen gaf aan om welk scheikundig element het gaat. Een kern met hetzelfde aantal protonen maar met een verschillend aantal neutronen worden isotopen genoemd.

Een groot aantal van deze isotopen is radioactief. Dit betekent dat een ene isotoop verandert in een andere, lichtere isotoop van een ander element. Tijdens dit verval komt radioactieve straling vrij.

Er worden ruwweg drie soorten radioactieve straling onderscheiden: alpha- beta- en gammastralen. Alphastraling bestaat uit deeltjes die opgebouwd zijn uit twee protonen en twee neutronen (dit zijn heliumkernen). Een bekende alphastraler is polonium-210. Het getal 210 geeft aan hoe veel kerndeeltjes de betreffende isotoop bezit. Polonium 210 bezit 84 protonen en 126 neutronen. Alphastraling is eenvoudig tegen te houden. Het kan zelfs niet door de menselijke opperhuid dringen. Inslikken of inademen van alphastralen is echter zeer gevaarlijk.

Betastraling bestaat uit elektronen en neutrinos die met enorme snelheid uit de kern worden geslingerd (een neutrino is een vrijwel massaloos, ongeladen deeltje wat vrijkomt bij een aantal kernreacties). De oorzaak van deze straling is dat een neutron in een proton veranderd. We hebben gezien dat een neutron iets zwaarder is dan het proton. Volgens de wet van Einstein kan deze energie worden omgezet in massa. Deze massa is exact even groot als die van een elektron. Door middel van de zogenaamde zwakke kernkracht wordt het lectron uit de kern geschoten. Dit proces is wiskundig beschreven door de Nederlanders Gerard ’t hooft (1946) en Martinus Veldman (1931). Het totaal aantal kerndeeltjes verandert dus niet, omdat er nu een proton bij komt verandert wel het soort element. Betastraling heeft een veel groter doordringend vermogen dan alphastraling. Het kan makkelijk doordringen in het lichaam en daar veel schade aanrichten(dit hoeft niet per sé slecht te zijn. Betastraling kan ook gebruikt worden om tumoren te bestrijden). Een voorbeeld van een betastraler is uranium-235. Dit is de isotoop die gebruikt wordt in kerncentrales.

Gammastraling bestaat uit hoog energetische fotonen. Het aantal deeltjes in de kern verandert dus niet, maar de energie van de kern wordt natuurlijk wel lager. Vaak komt gammastraling voor in combinatie van andere soorten radioactive straling. Gammastraling is aleen tegen te houden met een dik blok lood.

Kernsplitsing

De Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi (1901 – 1954) was de eerste die er in slaagde om zware kernen te splijten. Hiertoe bombaardeerde hij uraniumkernen met langzame neutronen. Door deze inslag brak de kern in twee stukken en kwam er energie en twee nieuwe neutronen vrij. Deze nieuwe neutronen kunnen opnieuw twee uraniumkernen splitsen. Op die manier ontstaat er een kettingreactie die net zo lang doorgaat tot elke uraniumkern is gesplitst. In een kerncentrale worden de vrije neutronen voor een deel ingevangen door grafietstaven zodat de reactiesnelheid onder controle blijft.

Quarks

De symphatieke Amerikaanse kernfysicus Murray Gell-mann(1929) voorspelde dat protonen en neutronen geen elementaire deeltjes zijn maar opgebouwd zijn uit nog kleinere deeltjes. Hij noemde deze deeltjes quarks, genoemd naar de dichtregel Three quarks for muster mark. Aangezien quarks altijd in combinaties van drie voorkomen is deze naam goed gekozen. Omdat Gell-mann het gebruik van Griekse letters nogal auderwets vond gaf hij ze Engelse namen. Hij noemde ze respectievelijk Up, Down, Strange, Charm, Top en Bottom. De quarks up, Strange en Top hebben een lading van +2/3 en Down, Charm en Bottom hebben een lading van -1/3. Een proton bestaat uit twee up quarks en één down quark (2/3 + 2/3 – 1/3 = +1). Een neutron bestaat uit één up quark en twee down quarks (?2/3 – 1/3 -1/3 = 0). De andere quarks komen niet voor in de natuur. Combinaties hiervan kunnen alleen gemaakt worden in krachtige deeltjesversnellers zoals de LHC versneller van het Cern in Geneve.

Wisselwerkingsdeeltjes

Naast de materiedeeltjes zoals elektronen, neutrinos en quarks bestaan er ook deeltjes die een wisselwerking hebben op deze deeltjes. De voornaamste eigenschap van deze deeltjes is dat ze samen kunnen smelten tot een krachtvelt.

In de natuur komen vier funamentele krachten voor: de zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht.

De zwaartekracht is een relatief zwakke kracht die deeltjes met een massa tot elkaar aantrekt. Deze kracht zorgt ervoor dat objecten naar beneden vallen, de planeten om een baan om de zon draaien en dat het heelal een specifieke structuur heeft. Het bijbehorende deeltje is het graviton. Dit is het enige deeltje dat tot op heden niet ontdekt is. Er zou een deeltjesversneller nodig zijn ter grote van het hele zonnestelsel. . Kosmologen proberen daarom het nu indirect te meten door onderzoek aan zwarte gaten waar de zwaartekracht zo groot is dat de materie voldoende energie krijgt om gravitonen aan te tonen. Dit zijn bijzonder lastige metingen.

De elektromagnetische kracht werk op alle materie die elektrisch geladen is. Het kan zowel een aantrekkende als een afstotende kracht zijn. Twee positief geladen deeltjes stoten elkaar af, net als twee negatief geladen deeltjes. Een positief en een negatief geladen deeltje trekken elkaar aan. De elektromagnetische kracht zorgt er voor dat elektronen in binnen het atoom blijven, dat magneten elkaar aantrekken of afstoten en dat electrische stromen kunnen lopen in een geleider. Ook het feit dat je niet door je hand niet door de tafel zakt als je er op slaat is te danken aan deze kracht. De buitendste elektronen van je tafel stoten de bijtendste elektronen van de hand af. Het bijbehorende wisselwerkingsdeeltje is het foton.

De zwakke kernkracht is de veroorzaker van betastraling. Het is alleen een afstotende kracht maar veel sterker dan de zwaartekracht en de elektromagnetische kracht. Wel is de actieradius veel kleiner, niet veel groter dan de atoomkern. Voor deze kracht zijn drie deeltjes verantwoordelijk: het W+, het W en het Z0 boson.

De sterke kernkracht is veel sterker dan de zwakke kernkracht maar de actieradius is nog kleiner. De sterke kernkracht heeft alleen een aantrekkende werking. De kracht zorgt er voor dat alle kerndeeltjes in de kern blijven. Deze kracht moet wel groot zijn omdat het tegenwicht moet bieden aan de elektromagnetische kracht die de op elkaar gepakte, positief geladen protonen uit elkaar wil scheuren. De bijbehorende wisselwerkingsdeeltjes worden zijn zes zogenaamde gluonen (van het Engelse woord gleu, lijm).

Een buitenbeentje is het Higgs boson, genoemd naar zijn voorspeller Peter Higgs (1929). Dit deeltje manifesteerd zich in het higgs veld. Dit veld draagt zorg voor de traagheid van deeltjes met een massa.

7.8      Het standaardmodel

De deeltjes die in het voorafgaande besproken zijn kunnen bijeengebracht worden onder één enkel wiskundig model. Dit staat bekend als het standaardmodel.Dit standaardmodel manifesteerd zich in twee tabellen, één voor de materiedeeltjes en één voor de wisselwerkingsdeeltjes. Deze tabellen zijn hieronder weergegeven.

Materiedeeltjes (fermionen)

Lebtonen            neutrinos                          quarks

Famillie 1            elektron e          electronneutrino μ‑e‑     Up          Down

Famillie 2            Muon μ              muneutrino ν‑μ‑               Strange Charm

Famillie 3            Tauon τ Tauneutrino ν‑τ‑              Top        Bottom

Wisselwerkingsdeeltjes (bosonen)

Zwaartekracht  Electromagnetische kracht         Zwakke kernkracht        Sterke kernkracht               Higgsveld

Graviton              Foton                                                W, W+ en Z0                      6 Gluonen                          Higgs

 

Hoewel het standaardmodel er behoorlijk gestructureerd uit ziet zijn er toch een aantal problemen mee. De eerste kwestie is de vraag waarom er drie famillies zijn. Waarom niet 1 of juist oneindig veel? In feite had één famillie volstaan. De overige twee zijn eigenlijk zinloos.

Een tweede nog fundamenteler probleem is dat het standaardmodel volledig voldoet aan de wetten van de kwantummechanica maar niet aan die van de zwaartekrachtswet van de algemene relativiteitstheorie. Natuurkundegen zijn al bijna 40 jaar naarstig op zoek naar een overkoepelende theorie die de natuurwetten uit de wereld van het kleine met die van het grote verbind. Deze theorie van alles is de heilige graal van de natuurkunde.

Één van de pogingen om dit te verwezenlijken is de zogenaamde snaartheorie Deze theorie gaat er van uit dat alle elementaire deeltjes bestaan uit minuscule snaartjes en lusjes. De lusjes zijn de materiedeeltjes en de losse snaartjes de wisselwerkingsdeeltjes. De snaartheorie is in principe constistent met zowel de kwantummechanica als de reletiviteitstheorie, maar alleen als de snaartjes in 11 dementies trillen. Er zijn dan drie ruimtelijke dementies en een tijdsdementie die kunnen worden waargenomen terwijl de overige 7 dementies een dusdanig gekromd zijn dat ze niet waar te nemen zijn.

De snaartheorie is in feite slechts een wiskundig model. Er zijn daarom geen experimenten die hem kunnen bevestigen of ontkrachten. Daarnaast is de snaartheorie wiskundig gezien ontzettend complex zodat slechts een handjevol uitverkorenen hem kunnen begrijpen en dan vaak slechts een deel ervan. Zo zal een de ene snaartheoriticus niet begrijpen wat de andere aan het doen is. De snaartheorie is dus niet de ultieme oplossieng voor de vraag van de kwantum-zwaartekracht-teorie.

7.9      Nanotechnologie

In 1959 gaf Richard Feynman een lezing voor de Phisical society getiteld “there is lots of room at the bottom”. Hij betoofde hierin dat atomen gebruikt kunnen worden om geavanceerde structuren te bouwen. In 1986 publiceerde Eric Drexler (1955) zijn boek Engines of creation. Dit was het startschot van een technologie en wetenschap die bekend staat als nanothechnologie. De naam is afkomstig van het Griekse woord nanos wat dwerg betekent. De definitie van nanotechnologie is: ‘alle materie die is opgebouwd uit structuren van tussen de 0,1 en 100 nanometer”. Een nanometer is een miljoenste milliemeter. Er gaan ongeveer 10 atomen in 1 nanometer.Omdat het oppervlak ten obzichte van de inhoud van nanodeeltjes erg groot is hebben ze allerlei bijzondere chemische, optische en elektronische eigenschappen. Er zijn dan ook enorm veel toepassingen van deze structuren. Ze worden toegepast in zonnebrandcrèmes, coatings, (regen)kleding, zonnecellen, computerchips etc. Tegenwoordig probeert men miniscule robotjes te bouwen die in het lichaam medicijnen naar de juiste plek brengen.

Een belangrijk hulpmiddel bij het onderzoek naar nanostructuren is de scanning tunneling microscope (stm). Deze is zo naukeurig dat hij losse atomen op een oppervlak kan waarnemen. De werking is gebaseerd op een begrip uit de kwantummechanica, het zogenaamde Tunneleffect. Dit effect betekend dat een deeltje zoals een elektron bij bepaalde omstandigheden door een korte bariere kan dring. Hoe groter de bariere hoe kleiner het aantal deeltjes dat door kan dringen. Als we nu een zeer dunne naald op korte afstand van een oppervlak bewegen Zullen er volgens dit tunneleffect een aantal elektronen naar het naaldje springen en gaat er een miniscuul stroompje lopen. Aangezien het de sterkte van het tunneleffect afhankelijk is van de lengte zal het stroompje bij een dal iets kleiner zijn dan bij een top. Dit Deze variatie wordt versterkt en met behulp van een computer omgezet in een beeld.

Het is mogenlijk om de electrische spanning op het naaldje te verhogen. Als deze spanning groot genoeg is kan hij losse atomen uit het oppervlak trekken. Het atoom blijft nu aan het naaldje plakken en kan dan verplaatst worden. Op die manier kunnen er structuren gemaakt worden op atomair niveau. Een dergelijk apparaat wordt een Atomic force micriscope (atm) genoemd.

  • Op 8 april 2006 verscheen in de Washington Post een artikel met de titel Nanotech Raises Worker-Safety Questions[11], waarin gesteld wordt dat uit in-vitro- en dierexperimenten blijkt dat nanodeeltjes veel giftiger kunnen zijn dan grotere deeltjes uit dezelfde stof. Geklaagd wordt dat de regeringsadviseurs niet weten hoe en wat ze moeten onderzoeken, terwijl in de industrie ongeremd en zonder veiligheidsvoorschriften verder gewerkt wordt. De mate van giftigheid van een nanodeeltje hangt echter sterk af van de grootte en de structuur. De exacte invloed van nanotechnologie op organismen en het milieu is grotendeels onduidelijk.

7.10  Donkere materie

Bij het bestuderen van verre sterrenstelsels hebben astronomen iets opmerkelijks ondekt. Het bleek dat een groot aantal stelsels veel sneller draaiden dan op grond van de massa van de sterren kon worden verwacht. De conclusie was dat deze stelsels een extra onzichtbare hoeveelheid materie hebben.

Omdat deze materie geen licht uit zendt staat het bekend als donkere materie. Na metingen met onder andere de Hubble space telescope is ontdekt dat er vijf maal zo veel donkere materie bestaat als zichtbare. Hoewel er talloze theorieën zijn over de eigenschappen van donkere materie weet niemand wat het is.Het zou kunnen dat de zwaartekrachtstheorie moet worden aangepast maar het zou ook kunnen dat het standaardmodel moet worden uitgebreid met nieuwe deeltjes. Dit wordt een taak voor het Cern in Geneve.

Bijlage 1. Personenlijst

 

Aristoteles: Grieks filosoof. Breidt de vier elementenleer van Empedocles verder uit.

Bacon, Roger: Franse alchemist. Probeert de steen der wijzen te maken.

Bequerel, Antoine: Frans natuurkundige. Ondekt radioactiviteit.

Bohr, Niels. Deens natuurkundige. Ontwikkelt een atoommodel met vaste elektronbanen.

Bose, Satyendra: Indiaas wiskundige. Voorspelt dat meterie bij zeer lage temperatuur zijn inwendige structuur kan verliezen.

Boyle, Robert: Engels scheikundige. Bewijst het bestaan van atomen.

Chatwick, James: Ondekt het neutron.

Curie, Marie: Pools/Frans natuurkundige. Ondekt de elementen Polonium en radium.

Curie, Pierre: Frans natuurkundige. Ondekt dat radioactiviteit afkomstig is uit de atoomkern.

Dalton, John: Engels scheikundige. Ondekt zes belangrijke eigenschappen van atomen.

De Broglie, Louis: Frans natuurkundige. Ondekt de golf-deeltje dualiteit van elektronen.

Democtritus: Grieks filosoof. Verklaart dat alle materie opgebouwd is uit atomen.

Dirac, Paul: Brits natuurkundige, voorspelt het bestaan van antimaterie.

Einstein, Albert: Duits natuurkundige. Bewijst het bestaan van fotonen en verklaard dat massa en energie equivalent met elkaar zijn.

Empedocles: Grieks filosoof, zegt dat materie is opgebouwd uit vier elementen.

Epicurus: Grieks filosoof. Breidt de atoomleer verder uit.

Fermi, Enrico: Italiaans natuurkundige. Bouwt de eerste kerncentrale.

Feynman, Richard: Amerikaans natuurkundige. Ontwikkelt de kwantumelektrodynamica.

Flamel, Nicolas: Frans alchemist. Beweert dat hij de formule van de steen der wijzen bezit.

Gell-mann, Murray: Amerikaans natuurkundige. Voorspelt het bestaan van quarks.

Heisenberg, Werner: Duist natuurkundige. Ontwikkelt de onzekerheidsrelatie.

Higgs, Peter: Engels natuurkundige. Voorspelt het bestaan van een deeltje dat zorgt voor de traagheid van massa.

’t Hooft, Gerard: Nederlands natuurkundige. Ontwikkelt een wiskundige beschrijving van de zwakke kernkracht.

Kamerlingh Onnes, Heike: Nederlands natuurkundige. Ondekt superfluïditeit en supergeleiding.

Kant, Emanuel: Duits filosoof. Belangrijk verlichtingsdenker.

Mendelejev, Dmitri: Russich scheikundige. Ontwikkelt het periodiek systeem der elementen.

Newton, Isaac: Engels alchemist en natuurkundige. Ontwikkelt belangrijke bewegingswetten maar vond alchemie en bijbelstudie belangrijker.

Planck, Max: Duits natuurkundige. Veronderstelt het bestaan van fotonen.

Rutherford, Ernest: Nieuw-zeelands/Engels natuurkundige. Ondekt dat atomen zijn opgebouwd uit een kern met elektronen in banen eromheen en ondekt het proton.

Schrödinger, Erwin: Duits natuurkundige. Ontwikkelt de basisvergelijking van de kwantummechanica.

Thomson, John: Schots natuurkundige. Ondekt het elektron.

Veldman, Martinus: Ontwikkelt een wiskundige beschrijving van de zwakke kernkracht.

Bijlage 2. Het periodiek systeem der elementen

 

 

 

 

 

 

Literatuur

 

Bryson, B. Een kleine geschiedenis van bijna alles. Uitgeverij Atlas 2006

Crump, T. A brief history of science. Robinson 2002

Delfgaauw, B. Beknopte geschiedenis der wijsbegeerte. Het wereldvenster 1963

Gell-Mann, M. The quark and the jaguar. W.H. Freeman and Company 1994

Hawking, S. Het heelal. Bert Bakker 1998

Vegter, J. Natuurkunde. Delta Press BV 1990

Wolde ten, A et al. Nanotechnologie. Veen magazines 2000

www.wikipedia.nl

Zeilinger, A. Toeval!. Veen magazines 2005