H16 Kern- en deeltjesprocessen
16.1 Subatomaire deeltjes detecteren
Kernen zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes: subatomaire deeltjes.
Subatomaire deeltjes= Verzamelnaam voor deeltjes die kleiner zijn dan atomen.
- Bijv. Alfa-, bèta-, en gammadeeltjes
Elementair deeltje= Is niet verder opgebouwd uit andere deeltjes (bijv. bèta en gammadeeltjes/ elektron)
Niet elementair deeltje= Is wel opgebouwd uit andere deeltjes (bijv. alfadeeltje/ protonen/ neutronen)
Deeltjes zijn te klein om met een lichtmicroscoop te zien. Door hun wisselwerking met andere deeltjes
(een kracht op uitoefenen/ energie uitwisselen) kunnen we de eigenschappen van de deeltjes achterhalen.
Deeltjes met lading waarnemen:
- Geladen deeltjes kunnen we onderzoeken doordat ze atomen of moleculen ioniseren.
- Het spoor van geladen deeltjes kan worden waargenomen doormiddel van: een bellenvat, een
dradenkamer of een halfgeleiderdetector.
- De kromming van een baan van een geladen deeltje in een magnetisch veld, geeft informatie over
de snelheid, energie of massa.
o Bijv. positron gaat andere kant op dan elektron.
o Snelle en zwaardere deeltjes met een kleine lading buigen minder af.
- Calorimeter= Neemt de energie van het deeltje waar, waarmee de massa berekend wordt.
Antideeltje= Deeltje met dezelfde massa als bijbehorende deeltje, maar een tegenovergestelde lading.
Paarproductie= Een deeltje en zijn antideeltje worden gevormd en vormen samen een paar.
- Bijv. Elektron-positronpaar.
- Ontstaat door wisselwerking van foton met de kern van een atoom.
Deeltjes zonder lading waarnemen:
- Fotonen kunnen worden waargenomen door middel van het foto-elektrisch effect, wanneer ze te
weinig energie hebben om een paarproductie (zoals een elektron-positronpaar) te vormen.
- Ongeladen deeltjes kun je laten botsen op atoomkernen, dan ontstaan er wel geladen deeltjes die
je weer kunt waarnemen.
Moderne methoden:
Dradenkamer: Ruimte gevuld met gas met daarin een groot aantal parallelle draden die tussen twee
geleidende platen zitten. De draden zijn positief geladen en de platen negatief.
Werking: Bij ionisatie komen elektronen uit gas vrij die worden aangetrokken door de draden. Door veel
ionisaties ontstaat een stroompuls die kan worden gemeten en wat de energie was van het eerste deeltje.
Halfgeleiderdetector: Detector bestaat hier uit een vaste stof (de halfgeleider)
Werking: Door een inkomend deeltje wordt een elektron vrijgemaakt. Het aantal elektronen wat door het
inkomende deeltje wordt vrijgemaakt, geeft de energie + positie die het inkomende deeltje had weer.
Voordeel: Er is minder energie nodig voor ionisatie + grotere kans op meting + door meerdere
detectoren kan ook de baan worden bepaald.
Scintillatietellers: Bevat een scintillator die lichtimpulsen uitzendt wanneer een inkomend deeltje
erdoorheen beweegt.
Werking: Doordat deeltjes de scintilator in een aangeslagen toestand brengen, zendt het
lichtimpulsen uit. Wanneer het weer terugvalt naar de grondtoestand, zendt de scintilator fotonen uit met
kenmerkende golflengten. De fotonen zorgen in het foto-elektrisch effect een impuls. Hoe meer energie
het inkomende deeltje heeft, hoe meer fotonen vrijkomen, hoe meer elektrische pulsen ontstaan.
, 16.2 Deeltjesversneller
Deeltjesversnellers worden gebruikt om deeltjes met voldoende energie op elkaar te laten botsen. De
detectoren meten welke deeltjes naar de botsingen vrijkomen.
Het goudfolie-experiment:
Een radioactieve bron zond alfadeeltes uit richting een goudfolie waar grotendeels weerkaatsten en terug
gingen. Conclusie: Het atoom is grotendeels leeg en bestaat uit massieve kernen met een positieve lading.
Kernkracht= Zeer sterek aantrekkende kracht tussen nucleonen (kerndeeltjes).
- Hierdoor blijven neutronen en protonen in een gebonden toestand, bij 10 -15 m van kern.
Verder is er in de kern een coulombkracht: hierdoor worden deeltjes met een lading afgebogen.
Kosmische straling= Alle verschillende soorten deeltje/straling die uit de ruimte afkomstig zijn.
- Primaire kosmische straling is afkomstig van de zon en sterren, bestaat uit deeltjes met een massa
(protonen/ neutronen), fotonen en neutrino’s (ongeladen deeltje met een zeer kleine massa).
o Primaire deeltjes wisselwerken met deeltjes in aardatmosfeer waarbij een shower ontstaat
van secundaire deeltjes.
- Secundaire kosmische straling zijn botsingsproducten zijn van deze deeltjes in de atmosfeer.
Wij nemen dus deeltjes waar die uit de ruimte afkomstig zijn of vervalproducten van botsingen zijn.
Kosmische straling levert meestal deeltjes met veel energie die we gebruiken voor onderzoek.
Nadeel kosmische straling: ze hebben een lage intensiteit + we hebben er geen controle over.
Muonen= Hebben dezelfde lading als elektronen en wisselwerken op dezelfde manier, maar ze hebben
een grotere massa en onstabiel.
Deeltjesversnellers:
Gebruiken we als we niet willen wachten op kosmische straling. Geladen deeltjes worden dan in een
elektrisch veld versneld waardoor ze een hoge energie hebben en door magnetische velden veranderd hun
richting en botsen ze op elkaar. Er zijn twee soorten versnellers: Lineair en circulair.
Lineaire versneller is makkelijk te bouwen maar de energie van het deeltje wordt beperkt door de lengte.
Circulaire versneller is een ring waardoor de lengte onbeperkt is, de deeltjes gaan steeds sneller, het
verbruikt alleen wel meer energie en geladen deeltjes gaan elektromagnetische straling uitzenden.
bijv. LHC (Large Hadron Collider)= Circulaire versneller van 27 km lang. Protonen worden in
tegengestelde richting versneld en op 4 plaatsen kunnen ze botsen waar detectoren staan
De werking van een detector:
Op de plaats waar de deeltjes botsen meten detectoren wat er in de botsing gebeurt.
Bijv. CMS-detector= Is cilindervormig en bestaat uit verschillende detectoren die elk een andere
soort deeltjes waarnemen.
- Elektromagnetische calorimeter: Meet de energie van fotonen en elektronen.
o Zwaardere deeltjes verliezen hier weinig energie en gaan door naar de hadroncalorimeter.
- Hadroncalorimeter: Meet energie van zwaardere, samengestelde deeltjes (protonen).
- Muonkamers: Hierin wordt de baan van muonen gemeten.
o Alleen muonen en neutrino’s bereiken deze kamers.
Door de sporen en energieën van de deeltjes te bepalen, kun je onderzoeken welke deeltjes tijdens de
botsing zijn ontstaan.
16.1 Subatomaire deeltjes detecteren
Kernen zijn opgebouwd uit nog kleinere deeltjes: subatomaire deeltjes.
Subatomaire deeltjes= Verzamelnaam voor deeltjes die kleiner zijn dan atomen.
- Bijv. Alfa-, bèta-, en gammadeeltjes
Elementair deeltje= Is niet verder opgebouwd uit andere deeltjes (bijv. bèta en gammadeeltjes/ elektron)
Niet elementair deeltje= Is wel opgebouwd uit andere deeltjes (bijv. alfadeeltje/ protonen/ neutronen)
Deeltjes zijn te klein om met een lichtmicroscoop te zien. Door hun wisselwerking met andere deeltjes
(een kracht op uitoefenen/ energie uitwisselen) kunnen we de eigenschappen van de deeltjes achterhalen.
Deeltjes met lading waarnemen:
- Geladen deeltjes kunnen we onderzoeken doordat ze atomen of moleculen ioniseren.
- Het spoor van geladen deeltjes kan worden waargenomen doormiddel van: een bellenvat, een
dradenkamer of een halfgeleiderdetector.
- De kromming van een baan van een geladen deeltje in een magnetisch veld, geeft informatie over
de snelheid, energie of massa.
o Bijv. positron gaat andere kant op dan elektron.
o Snelle en zwaardere deeltjes met een kleine lading buigen minder af.
- Calorimeter= Neemt de energie van het deeltje waar, waarmee de massa berekend wordt.
Antideeltje= Deeltje met dezelfde massa als bijbehorende deeltje, maar een tegenovergestelde lading.
Paarproductie= Een deeltje en zijn antideeltje worden gevormd en vormen samen een paar.
- Bijv. Elektron-positronpaar.
- Ontstaat door wisselwerking van foton met de kern van een atoom.
Deeltjes zonder lading waarnemen:
- Fotonen kunnen worden waargenomen door middel van het foto-elektrisch effect, wanneer ze te
weinig energie hebben om een paarproductie (zoals een elektron-positronpaar) te vormen.
- Ongeladen deeltjes kun je laten botsen op atoomkernen, dan ontstaan er wel geladen deeltjes die
je weer kunt waarnemen.
Moderne methoden:
Dradenkamer: Ruimte gevuld met gas met daarin een groot aantal parallelle draden die tussen twee
geleidende platen zitten. De draden zijn positief geladen en de platen negatief.
Werking: Bij ionisatie komen elektronen uit gas vrij die worden aangetrokken door de draden. Door veel
ionisaties ontstaat een stroompuls die kan worden gemeten en wat de energie was van het eerste deeltje.
Halfgeleiderdetector: Detector bestaat hier uit een vaste stof (de halfgeleider)
Werking: Door een inkomend deeltje wordt een elektron vrijgemaakt. Het aantal elektronen wat door het
inkomende deeltje wordt vrijgemaakt, geeft de energie + positie die het inkomende deeltje had weer.
Voordeel: Er is minder energie nodig voor ionisatie + grotere kans op meting + door meerdere
detectoren kan ook de baan worden bepaald.
Scintillatietellers: Bevat een scintillator die lichtimpulsen uitzendt wanneer een inkomend deeltje
erdoorheen beweegt.
Werking: Doordat deeltjes de scintilator in een aangeslagen toestand brengen, zendt het
lichtimpulsen uit. Wanneer het weer terugvalt naar de grondtoestand, zendt de scintilator fotonen uit met
kenmerkende golflengten. De fotonen zorgen in het foto-elektrisch effect een impuls. Hoe meer energie
het inkomende deeltje heeft, hoe meer fotonen vrijkomen, hoe meer elektrische pulsen ontstaan.
, 16.2 Deeltjesversneller
Deeltjesversnellers worden gebruikt om deeltjes met voldoende energie op elkaar te laten botsen. De
detectoren meten welke deeltjes naar de botsingen vrijkomen.
Het goudfolie-experiment:
Een radioactieve bron zond alfadeeltes uit richting een goudfolie waar grotendeels weerkaatsten en terug
gingen. Conclusie: Het atoom is grotendeels leeg en bestaat uit massieve kernen met een positieve lading.
Kernkracht= Zeer sterek aantrekkende kracht tussen nucleonen (kerndeeltjes).
- Hierdoor blijven neutronen en protonen in een gebonden toestand, bij 10 -15 m van kern.
Verder is er in de kern een coulombkracht: hierdoor worden deeltjes met een lading afgebogen.
Kosmische straling= Alle verschillende soorten deeltje/straling die uit de ruimte afkomstig zijn.
- Primaire kosmische straling is afkomstig van de zon en sterren, bestaat uit deeltjes met een massa
(protonen/ neutronen), fotonen en neutrino’s (ongeladen deeltje met een zeer kleine massa).
o Primaire deeltjes wisselwerken met deeltjes in aardatmosfeer waarbij een shower ontstaat
van secundaire deeltjes.
- Secundaire kosmische straling zijn botsingsproducten zijn van deze deeltjes in de atmosfeer.
Wij nemen dus deeltjes waar die uit de ruimte afkomstig zijn of vervalproducten van botsingen zijn.
Kosmische straling levert meestal deeltjes met veel energie die we gebruiken voor onderzoek.
Nadeel kosmische straling: ze hebben een lage intensiteit + we hebben er geen controle over.
Muonen= Hebben dezelfde lading als elektronen en wisselwerken op dezelfde manier, maar ze hebben
een grotere massa en onstabiel.
Deeltjesversnellers:
Gebruiken we als we niet willen wachten op kosmische straling. Geladen deeltjes worden dan in een
elektrisch veld versneld waardoor ze een hoge energie hebben en door magnetische velden veranderd hun
richting en botsen ze op elkaar. Er zijn twee soorten versnellers: Lineair en circulair.
Lineaire versneller is makkelijk te bouwen maar de energie van het deeltje wordt beperkt door de lengte.
Circulaire versneller is een ring waardoor de lengte onbeperkt is, de deeltjes gaan steeds sneller, het
verbruikt alleen wel meer energie en geladen deeltjes gaan elektromagnetische straling uitzenden.
bijv. LHC (Large Hadron Collider)= Circulaire versneller van 27 km lang. Protonen worden in
tegengestelde richting versneld en op 4 plaatsen kunnen ze botsen waar detectoren staan
De werking van een detector:
Op de plaats waar de deeltjes botsen meten detectoren wat er in de botsing gebeurt.
Bijv. CMS-detector= Is cilindervormig en bestaat uit verschillende detectoren die elk een andere
soort deeltjes waarnemen.
- Elektromagnetische calorimeter: Meet de energie van fotonen en elektronen.
o Zwaardere deeltjes verliezen hier weinig energie en gaan door naar de hadroncalorimeter.
- Hadroncalorimeter: Meet energie van zwaardere, samengestelde deeltjes (protonen).
- Muonkamers: Hierin wordt de baan van muonen gemeten.
o Alleen muonen en neutrino’s bereiken deze kamers.
Door de sporen en energieën van de deeltjes te bepalen, kun je onderzoeken welke deeltjes tijdens de
botsing zijn ontstaan.
