Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Μεταφορά των σύγχρονων επιστημονικών αντιλήψεων στην εκπαιδευτική διαδικασία « Έννοιες και Μεθοδολογίες της σωματιδιακής φυσικής στην περιγραφή και κατανόηση.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "Μεταφορά των σύγχρονων επιστημονικών αντιλήψεων στην εκπαιδευτική διαδικασία « Έννοιες και Μεθοδολογίες της σωματιδιακής φυσικής στην περιγραφή και κατανόηση."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Μεταφορά των σύγχρονων επιστημονικών αντιλήψεων στην εκπαιδευτική διαδικασία « Έννοιες και Μεθοδολογίες της σωματιδιακής φυσικής στην περιγραφή και κατανόηση της Συγκρότησης και εξέλιξης του Σύμπατος » ΤΙΤΛΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ : Υπότιτλος :

2 Wilhelm-Roentgen ανακάλυψη των ακτίνων Χ, το 1895 Sir Joseph John Thomson το 1897 Ανακάλυψε ότι οι ακτίνες β όπως τις είχε ονόμασει ο Becquerel είναι τα ηλεκτρόνια Thomson Model of the Atom Καθοδικός σωλήνας του Thomson Το 1911 ο Ernest Rutherford ανακαλύπτει ότι το άτομο έχει συμπαγές κέντρο που το ονομάζει πυρήνα. οδηγείται δε στο συμπέρασμα ότι τα σωμάτια α είναι πυρήνες ηλίου.Το 1919 ανακαλύπτει το πρωτόνιο 1908 χημείας

3 Niels Henrik David Bohr To 1913 δίνει την ερμηνεία των φασματικών γραμμών, και παράλληλα ερμηνεύει την σταθερότητα του ατόμου, δανειζόμενος τις ιδέες της κβάντωσης, του Plank δημιουργώντας το νέο πρότυπο για το άτομο Ο Paul.Dirac δεξιά με τον Werner Ηeisenberg, αριστερά Τη δεκαετία του 20 αναπτύσεται η κβαντική μηχανική με τις εργασίες των Heisenberg,Scrodinger, Dirac L.de Broglie κ.λ.Σημαντική στιγμή για τα στοιχειώδη σωμάτια είναι η πρόβλεψη του ποζιτρονίου από τον Dirac

4 O C.D Anderson ανακαλύπτει το ποζιτρόνιο τo 1932 Walter Bothe James Chadwick To 1930 οι Bothe και Becker και αργότερα ο Chadwick πειραματικά ανακαλύπτουν το νετρόνιο και λύνουν το μυστήριο της διαφορετικότητας του πηλίκου μάζας προς φορτίο για τα άτομα 1933 ο Pauli υποθέτει το νετρίνο για να επιλύσει το πρόβλημα διατήρησης της ορμής και της ενέργειας στην αντίδραση : Ιστορική φωτογραφία της τροχιάς του ποζιτρονίου μέσα σε θάλαμο φυσαλίδων. 1945

5 Το 1935 ο Yukawa υπέθεσε για την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων ένα σωμάτιο “μεσάζοντα” που υπολόγισε τη μάζα του ανάμεσα σε 50MeV και 100MeV και επειδή η μάζα αυτή ήταν ανάμεσα στην μάζα του πρωτονίου και του ηλεκτρονίου το ονόμασε μεσόνιο Hideki Yukawa Το 1947 ήρθε η ανακάλυψη των μεσονίων π +, π -,π 0 που επιβεβαιώσαν την πρόβλεψη του Yukawa αφού πρώτα είχαν απορριφθεί τα μιόνια μ +,μ - που είχαν βρεθεί σε πειράματα κοσμικών ακτίνων. Seth Neddermeyer μαζί με τον C.D Anderson ανακάλυψαν τά μιόνια μ +,μ - n p π O Yukawa υπέθεσε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια παρουσιάζουν δύο διαφορετικές τιμές στο ισοτοπικό σπιν και για αυτό έλκονται μεταξύ τους,υπόθεση που είχε διατυπώσει ο Ηeisenberg το Νετρόνιο I z = -1/2 Πρωτόνιο Iz= 1/2

6 O παρακάτω πίνακας σταχυολογεί τις ανακαλύψεις στοιχειωδών σωματιδίων μέχρι το 1964: Στοιχειώδη Σωματίδια που ανακαλύφθηκαν μεταξύ 1964 έως σήμερα : Μετά το Β παγκόσμιο πόλεμο οι εξελίξεις στην ανακάλυψη νέων στοιχειωδών σωματιδίων ήταν ραγδαίες Ο Murray Gell- Mann παράλληλα με τον G. Ζweig προτείνουν τη θεωρία των quarks στις αρχές του

7 Αδρόνια Μεσόνια (Μποζόνια) Βαρυόνια (Φερμιόνια) Λεπτόνια (Φερμιόνια) Σωματίδια ύλης Η μέχρι σήμερα κατάταξη των στοιχειωδών σωματιδίων Φερμιόνια :σωματίδια με ημιακέραιο Spin που ακολουθούν τη στατιστική Fermi-Dirac Μποζόνια:σωματίδια με ακέραιο Spin που ακολουθούν τη στατιστική Bose-Einstein Αδρόνια: σύνθετα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ισχυρά, ηλεκτρομαγνητικά και ασθενώς Λεπτόνια: Μή σύνθετα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενώς και ηλεκτρομαγνητικά

8 ΣύμβολοΜάζα (Mev)ΦορτίοΣπιν e-e- 0,51½ νeνe ~ ½ μ105,7½ νμνμ ~ ½ τ1777½ ντντ ~ ½ Λεπτόνια Αρχικά είχε υποτεθεί ότι τα νετρίνο είχαν μηδενική μάζα σήμερα έχει αποδειχθεί ότι έχουν μάζα ακόμα όμως δεν έχει προσδιοριστεί η τιμή της.

9 Quarks ΣύμβολοQ/eQ/espinΒαρυονικός αριθμός Β Παραδοξότητα S Γοητεία C Ομορφιά B ’ Αλήθεια T u0000 d0000 s000 c0 00 b00+10 t000 Γεύσεις των quarks

10 Υπάρχει μια αριθμητική συμμετρία μεταξύ quarks και λεπτονίων και ίσως δε είναι τυχαίο που όταν ανακάλυπταν ένα quark οι επιστήμονες έψαχναν για ένα νέο λεπτόνιο Τα αδρόνια δομούνται από quarks Έτσι τα κατέταξαν σε τρείς γενεές ανάλογα με το χρόνο ανακάλυψης τους

11 Τα quarks αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με ισχυρές δυνάμεις. Το φορτίο της αλληλεπίδρασης είναι ο κβαντικός αριθμός του χρώματος. Για κάθε γεύση έχουμε τρεις παραλλαγές χρώματος.Μπλε, Πράσινο, Κόκκινο. Για κάθε χρώμα έχουμε και το αντίθετο του αντιμπλέ, αντιπρασινο και αντί κόκκινο. QUARK uRGBuRGB cRGBcRGB tRGBtRGB dRGBdRGB sRGBsRGB bRGBbRGB Τα αδρόνια δεν έχουν χρώμα άρα η σύνθεση των τριών χρωμάτων δίνει το ουδέτερο χρώμα. Αυτός είναι και ο λόγος που τα βαρυόνια είναι ουδέτερα χρώματος Τα μεσόνια είναι ουδέτερα έπειδή τα αντιquarks φέρουν αντιχρώμα

12 Τα σωματίδια που έχουν φορτίο χρώματος δεν μπορούν να βρεθούν απομονωμένα. Γι' αυτό το λόγο, τα κουάρκ που έχουν φορτίο χρώματος είναι περιορισμένα σε ομάδες (τα αδρόνια) με άλλα κουάρκ έτσι ώστε να συγκροτούν ένα χρωματικά ουδέτερο σωματίδιο. Τα quarks σαν φερμιόνια που είναι πρέπει να περιγράφονται από μια αντισυμμετρική κυματοσυνάρτηση. Αυτό γίνεται με την εισαγωγή του χρώματος ώστε η συνολική Ψ=(χώρος)(σπιν) (γεύση)(χρώμα) να μπορεί να περιγράφει φερμιόνια. Τέτοια ήταν π.χ. η περίπτωση του Δ ++ βαρυονίου το οποίο συνθέτεται από τρία up quarks Στην αρχική θεωρία τα quarks δεν ικανοποιούσαν την απαγορευτική αρχή του Pauli το Ω(sss) τουλάχιστον δύο φερμιόνια στην ίδια κατάσταση spin Οι Han και Nambu (1965) πρότειναν έναν νέο κβαντικό αριθμό: το χρώμα

13 Το πάζλ των στοιχειωδών σωματιδίων συμπληρώνουν τα σωματίδια φορείς που ανήκουν στην κατηγορία των μποζονίων Σωματίδιο φορέας ΑλληλεπίδρασηΙσχύςΕμβέλειαΌνομαΜάζα ηρεμίαςΦορτίοΣπιν Ισχυρή1~1fmγλοιόνιο001 ΗλεκτρομαγνητικήΆπειρηφωτόνιο001 Ασθενής ~0,001fmW ±, Ζ 0 81, 91 GeV/c 2 ±e,01 Βαρυτική Άπειρηγκραβιτόνιο002?

14 Δύναμη μεταξύ φορτίου χρώματος φορέας γλουόνιο εμβέλεια ~1fm Δύναμη μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων φορέας φωτόνιο,εμβέλεια άπειρη Δύναμη μεταξύ μαζών φορέας γραβιτόνιο,εμβέλεια άπειρη Β διάσπαση φορέας Μποζόνια W ± Z 0 εμβέλεια ~0,001fm

15 Το πρόβλημα της εμβέλειας Η εμβέλεια της δύναμης είναι αντιστρόφως ανάλογης της μάζας του φορέα Στην QED που υπήρξε πρότυπο για την θεωρία των κβαντικών αλληλεπιδράσεων τα φωτόνια ως ο φορέας της αλληλεπίδρασης είναι μηδενικής μάζας η εμβέλεια θα είναι άπειρη q1q1 r q2q2 p Sin-Itiro Tomonaga Julian Schwinger Richard P. Feynman Στην QED Τα φωτόνια δεν φέρουν φορτίο άρα δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους Η ισχύς της αλληλεπίδρασης αυξάνει με την αύξηση της ενέργειας 1965

16 Στην QCD αντίθετα το γλουόνιο, ο φορέας της αλληλεπίδρασης φέρει χρώμα άρα αλληλεπιδρά με άλλα quarks. H ισχύς της αλληλεπίδρασης με την την αύξηση της απόστασης μειώνεται για πάρα πολύ μικρές αποστάσεις τα quarks συμπεριφέρονται σχεδόν ελεύθερα (ασυμπτωτική ελευθερία). Frank Wilczek David J. Gross H. David Politzer Richard E. Taylor Jerome I. Friedman Henry W. Kendall Ανελαστική σκέδαση ηλεκτρονίων με πρωτόνια και νετρόνια Η ισχύς της αλληλεπίδρασης καθορίζεται από τη σταθερά σύζευξης g s η ισοδύναμα από την σταθερά η οποία μεταβάλλεται μεταξύ των τιμών α s =1 για μικρές ενέργειες και α s =0 ασυμπτωτικά για πολύ μεγάλες ενέργειες. Το όριο αυτό δείχνει ότι τα quarks συμπεριφέρνονται σαν ελεύθερα σωμάτια σε μεγάλες ενέργειες ή ισοδύναμα σε μικρές αποστάσεις

17 Τα γλουόνια σε αντίθεση με τα φωτόνια μεταφέρουν χρώμα που σημαίνει ότι σε μια ισχυρή αλληλεπίδραση υπάρχει η πιθανότητα αλλαγής χρώματος αλλά και ότι τα γλουόνια θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους Το δυναμικό στις αλληλεπιδράσεις αυτές είναι του τύπου. Για αρκετά μεγάλες αποστάσεις όταν η δυναμική ενέργεια γίνει μεγαλύτερη της ισοδύναμης ενέργειας μάζας ενός ζεύγους quarks 2mc 2 =kr μετατρέπεται σε δύο νέα quark σύμφωνα με το σχήμα Το δυναμικό αλληλεπίδρασης μεταξύ των quarks σα συνάρτηση της απόστασης

18 Η ασθενή αλληλεπίδραση είναι πολύ μικρής εμβέλειας αφού η μάζα των μποζονίων φορέων της είναι περίπου ίση με τη μάζα 100 πρωτονίων 1984 Carlo Rubbia Simon van der Meer Τα W +, W -,Z 0 Παρήχθησαν σε συγκρούσεις δεσμών πρωτονίων με αντιπρωτόνια σε ένα πείραμα που ξεκίνησε το 1981στο CERN Sheldon Lee Glashow Abdus Salam Steven Weinberg 1979 w-w- e n p

19 Μη παρατηρήσιμο μέγεθοςΜετασχηματισμός συμμετρίας Μέγεθος που διατηρείται Απόλυτη Θέση (ομοιογένεια χώρου)Ορμή Απόλυτος χρόνος (ομοιογένεια χρόνου)Ενέργεια Απόλυτη Διεύθυνση στο χώροΣτροφορμή Απόλυτη ταχύτηταΜ/Σχηματισμοί Lorentz γεννήτορες ομάδας Lorentz προσανατολισμός δεξιά ή αριστεράParity Σχετική φάση ανάμεσα σε καταστάσεις με διαφορετικό φορτίο Φορτίο Σχετική φάση ανάμεσα σε καταστάσεις με διαφορετικό βαρυονικό αριθμό Βαρυονικός αριθμός Σχετική φάση ανάμεσα σε καταστάσεις με διαφορετικό λεπτόνιο αριθμό Λεπτονικός αριθμός διαφορά ανάμεσα στο πρωτόνιο και το Νετρόνιο Ισοτοπικό σπίν Πίσω από κάθε νόμο διατήρησης υπάρχει ένα παρατηρήσιμο μέγεθος και ένας συμμετρικός μετασχηματισμός

20 Για κάθε αναλλοίωτη ποσότητα αντιστοιχεί ένας τελεστής στροφής Που μετατίθεται με τη Hamiltonian του συστήματος. Θεωρίες Βαθμίδας: Περιγραφή της αλληλεπίδρασης ως διαδικασία “στροφής” σε κατάλληλο μαθηματικό χώρο Herman Weyl Αν ο μετασχηματισμός είναι ίδιος για όλα τα σημεία του χώρου (ολική στροφή) τότε έχουμε ολικό μετασχηματισμό βαθμίδας Αν ο μετασχηματισμός δεν είναι ίδιος για όλα τα σημεία του χώρου (τοπική στροφή) αλλά θέλουμε να έχουμε μια διατηρήσημη ποσότητα τότε έχουμε ολικό μετασχηματισμό βαθμίδας και την εισαγωγή ενός δυναμικού αλληλεπίδρασης

21 Η QED απαιτεί ένα μετασχηματισμό φάσης του τύπου που αποτελεί μοναδιαία αβελιανή ομάδα U(1) Για τις ασθενείς δυνάμεις απαιτείται ένας μετασχηματισμό φάσης του τύπου Με τους μη μεταθετικούς πίνακες Pauli που αποτελούν μια μη αβελιανή μοναδιαία ομάδα U(2) Για τις ηλεκτρασθενείς δυνάμεις θα έχουμε την συμμετρία U(1)XU(2) H δε QCD που περιγράφει τις ισχυρές αλληλεπιδρασεις μεταξύ των τριών χρωμάτων των quarks χρησιμοποιεί την συμμετρία U(3) Από την ένωση των τριών αυτών συμμετριών προκύπτει η συμμετρία SU(3) X SU(2) X U(1) που επιτρέπει την ανάμειξη τριών κουάρκ και την ανάμειξη δύο λεπτονίων χωρίς όμως να αναμειγνύει λεπτόνια και quark Η θεωρία που προκύπτει είναι το STANDARD MODEL

22 Αν ασκηθεί δύναμη πέρα από κάποιο όριο η ράβδος θα λυγίσει προς τυχαία διεύθυνση σπάζοντας τη συμμετρία γύρω από των άξονα z. Σε όλες τις περιπτώσεις αυθόρμητου σπασίματος συμμετρίας έχουμε κάποια χαρακτηριστικά α) Υπάρχει μια κρίσιμη τιμή μιας ποσότητας με καθοριστικό ρόλο. β) αν ξεπεραστεί η κρίσιμη τιμή η αρχική συμμετρία σπάζει γ) Η Επιλογή της νέας ισορροπίας γίνεται με τυχαίο τρόπο ώστε να έχουμε αυτόματο σπάσιμο της αρχικής συμμετρίας Aυτό γίνεται παρουσία των σωματιδίων Ηiggs.Ενώ δηλαδή το ηλεκτρικό πεδίο παρουσιάζει ελάχιστο στο κενό, απουσία ηλεκτρικών φορτίων άρα απουσία πεδίου ηλεκτρικού, τα σωμάτια παρουσιάζουν ελάχιστο παρουσία τους, δηλαδή παρουσία του πεδίου τους. Παρουσία των σωματιδίων Higgs σπάει η συμμετρία του πεδίου.

23 Οι τρεις άμαζοι φορείς των ηλεκτροασθενών αλληλεπιδράσεων “τρώνε” Τρία μποζόνια Ηiggs και αποκτούν μάζα Τα Φ ±, και το φανταστικό μέρος του Φ Ο Higgs, τρώγονται από τα W ±,Z 0 τα οποία αποκτούν μάζα. Έτσι αποδεικνύεται ότι μπορούμε να ξεκινήσουμε τη θεωρία των ηλεκτρασθενων αλληλεπιδράσεων με άμαζα σωμάτια φορείς, όπου ο ίδιος μηχανισμός δίνει μάζα σε μερικά από αυτά όταν αυτά αλληλεπιδρούν με τα σωμάτια Ηiggs. Yoichiro Nambu Toshihide Maskawa Makoto Kobayashi " for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature " for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics " 2008

24 ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ ΚΑΙ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ Θεωρία της μεγάλης έκρηξης τρεις ισχυρές ενδείξεις : Α) Διαστελλόμενο σύμπαν – νόμος Ηubble Β)Μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου Γ) Ποσότητα He Το 1929 ο Edwin Hubble παρατηρώντας τη μετατόπιση προς το ερυθρό του φωτός που εκπέμπουν απομακρυσμένοι γαλαξίες συνάγει το συμπέρασμα ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται και μάλιστα όσο πιο απομακρυσμένοι τόσο βιαιότερα Η σταθερά του Hubble To σύμπαν λοιπόν Διαστέλλεται

25 Το 1965 οι Wilson και Penzias ανακαλύπτουν την μικροκυμματική ακτινοβολία υποβάθρου που επιβεβαίωνε το σενάριο της αρχικής έκρηξης Κοσμική ακτινοβολία Η ακτινοβολία αυτή υπάρχει σύμφωνα με τη θεωρία της μεγάλης έκρηξης αφού κάποια στιγμή κατά την ψύξη του σύμπαντος η αλληλεπίδραση της φωτεινής ακτινοβολίας με την ύλη σταματάει.Η φωτεινή αυτή ακτινοβολία συνεχίζει να ψύχεται χωρίς να αλληλεπιδρά με την ύλη παραμένοντας σαν υπόβαθρο στο σύμπαν με μήκος κύμματος στις μέρες μας Που ανήκει στην περιοχή των μικροκυμάτων 1978

26 Έχει υπολογιστεί θεωρητικά ότι αν ισχύει η θεωρία της μεγάλης έκρηξης τότε το ποσοστό του ηλίου που σχηματίζεται τα τρία πρώτα λεπτά θα αποτελούσε το 25% της μάζας του σύμπαντος που είναι και η παρατηρούμενη πειραματικά ποσότητα. Αν το ήλιο προερχόταν μόνο από την πυρηνοσύνθεση στα άστρα των γαλαξιών, η συνολική ποσότητα του ήλιου παραγόμενη από το σύνολο των άστρων θα ήταν ένα άτομο ηλίου ανά εκατό άτομα υδρογόνου (1:100) αντί της παρατηρούμενης αναλογίας που είναι αρκετά μεγαλύτερη, περίπου (10:100).Τα 9 στα δέκα άτομα ηλίου οφείλουν τη γέννηση τους όχι στην παραγωγή των αστέρων αλλά στο big bang ΗeΗe Επιπρόσθετα επιχειρήματα για τη μεγάλη έκρηξη :α) Ηλικία του σύμπαντος β) γιατί η νύχτα είναι σκοτεινή ; Tην ηλικία του σύμπαντος την αντλούμε με τρεις μεθόδους που συγκλίνουν μεταξύ τους μέσα στα πλαίσια του ορίου του σφάλματος α) Η κίνηση των γαλαξιών 12 έως 20 δισεκατομμύρια χρόνια β) Η ηλικία των γηραιότερων αστέρων. 15 δισεκατομμύρια χρόνια γ) Η ηλικία των γηραιότερων ατόμων 12 έως 17 δισεκατομμύρια χρόνια

27

28 Δ) Το πρόβλημα της μη παρατήρησης μαγνητικών μονόπωλων Α) Το πρόβλημα του ορίζοντα, που σχετίζεται με την διαπίστωση ότι το σύμπαν σε μεγάλη κλίμακα δείχνει να είναι ομογενές. Β) Το πρόβλημα της επιπεδότητας του σύμπατος που παραμένει αναπάντητο Γ) Το πρόβλημα των γαλαξιών ή λειότητας του σύμπατος Προβλήματα της θεωρίας του Βig Bang:

29 Το πληθωριστικό σενάριο για τη γένεση του σύμπαντος. Η θεωρία αυτή εστιάζεται τη στιγμή που η συμμετρία των ισχυρών με τις ηλεκτρασθενείς δυνάμεις σπάει όπου το σύμπαν υφίσταται μια έκλυση ενέργειας και η διαστολή του γίνεται με εκθετικό ρυθμό για sec. Το πληθωριστικό σενάριο προβλέπει ότι στην αρχή της ζωής του σύμπαντος υπήρξε μια εκθετική διαστολή του σύμπαντος που πολλαπλασίασε τις διαστάσεις του αντίθετα με το απλό μοντέλο της μεγάλης έκρηξης που προβλέπει μια σχετικά ομαλή αύξηση του σύμπαντος. Με το τέλος του πληθωρισμού, όμως, η θερμότητα που ελευθερώνεται το αναθερμαίνει ξαφνικά. Η διαδικασία αυτή λέγεται επαναθέρμανση RR sect(sec) sec Allan Guth

30 Ο Guth χρησιμοποίησε και τις ιδέες της σωματιδιακής φυσικής ότι στο πολύ νεαρό σύμπαν η ασθενής, η ισχυρή και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελούσαν μέρη μιας μοναδικής και ενιαίας δύναμης. Υπήρχε, δηλαδή, μια συμμετρία που συσχέτιζε την καθεμία δύναμη με την άλλη. Στις Μεγάλες Ενοποιημένες θεωρίες GUT, αυτή η αυθόρμητη διάσπαση της συμμετρίας, όπως λέγεται, επιτυγχάνεται μέσω των επονομαζόμενων πεδίων Higgs, τα οποία είχε προτείνει ο Βρετανός φυσικός Peter Higgs, στην προσπάθεια του να εξηγήσει τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους

31 George F. Smoot John C. Mather 2006 for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation " Τα αποτελέσματα από μετρήσεις των δορυφόρων WMAP και COBE στην περιοχή της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου έδωσε τα πρώτα αποτελέσματα για το κοσμολογικό σενάριο του πληθωριστικού σύμπατος, επιβεβαιώνοντας την ανισοτροπία της ακτινοβολίας στα αρχικά στάδια δημιουργίας του σύμπατος που είχαν σαν αποτέλεσμα την δημιουργία των γαλαξιών Παράλληλα υπολογίζεται με τις μετρήσεις των COBE και WMAP η ηλικία του σύμπατος σε ± 0.12 δισεκατομμύρια χρόνια, 4.56% ± 0.15% Βαρυονική ύλη και 22.8% ± 1.3% σκοτεινή ύλη. Οι περισσότερες ενδειξεις επιβεβαιώνουν το πληθωριστικό σενάριο

32 Κοσμική Ακτινοβολία σύσταση σε σχέση με την ενέργεια Η πρωτεύουσα ιονίζουσα κοσμική ακτινοβολία αποτελείται κατά κύριο λόγω από πρωτόνια κατά 86%, σωματίδια α κατά 11%,ηλεκτρόνια κατά 2% και βαρύτερους πυρήνες κατά 1%. Η πλειοψηφία αυτών των σωματιδίων έχει σχετικιστικές ενέργειες που φτάνουν μέχρι και τα 3*10 20 eV. Για τιμές της ενέργειας κάτω από eV η κατανομή της κοσμικής ακτινοβολίας ακολουθεί τον νόμο Πάνω από αυτό το όριο ο εκθέτης αλλάζει σε -3 περίπου και η ροή γίνεται:. Προέλευση: SEP,ενδογαλαξιακή, εξογαλαξιακή

33 Η πρωτεύουσα κοσμική ακτινοβολία προκαλεί δευτερεύουσα όταν εισέλθει στην ατμόσφαιρα της γης το φαινόμενο αυτό λέγεται καταιονισμός Καταιονισμός σωματιδίων που προέρχονται από την είσοδο μιας κοσμικής ακτίνας υψηλής ενέργειας στην ατμόσφαιρα σε ύψος 20 km περίπου. Η πλέον συνηθισμένη διάσπαση είναι εκείνη του πρωτονίου σε π +, π -, π ο μεσόνια. Και τα μιόνια είναι εξίσου ασταθή:

34 Όπως είναι γνωστό τα νετρίνο υπάρχουν σε τρεις καταστάσεις “γεύσεων”: ηλεκτρονίου, μιονίου και ταυ. Κατά τη διάρκεια της διάδοσης τους μέσα από την ατμόσφαιρα ταλαντώνονται από τη μια κατάσταση στην άλλη. Έτσι κάποιο νετρίνο που δημιουργείται σαν νετρίνο του ηλεκτρονίου σε μια θέση υπάρχει πιθανότητα να ανιχνευθεί σαν νετρίνο του μιονίου είτε σα νετρίνο του ταυ σε μια άλλη θέση και αντίστροφα Το καθιερωμένο πρότυπο αρχικά προέβλεπε μηδενική μάζα για τα νετρίνο. Οι ταλαντώσεις νετρίνων όμως αλλά και άλλα πειραματικά δεδομένα καταδεικνύουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα έστω και απειροελάχιστη. Παίζουν δε ένα σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη του σύμπατος και στα διάφορα κοσμολογικά μοντέλα αφού η μάζα τους συνυπολογίζεται στη σκοτεινή ύλη του σύμπατος. Raymond Davis Masatoshi Koshiba 2002

35 Ανιχνευτές Νετρίνων

36 Στοιχειώδη σωμάτια και αστέρες Η θερμοδυναμική ισορροπία στα αστέρια απαιτεί συνεχή παραγωγή ενέργειας μέσω θερμοπυρηνικών αντιδράσεων μετατροπής των πυρήνων υδρογόνου σε πυρήνες ηλίου. Για την έναρξη αυτής της διαδικασίας απαιτείται να υπερνικηθεί ένα φράγμα δυναμικού που οφείλεται στην ηλεκτροστατική άπωση των πυρήνων του υδρογόνου. Οι υψηλές ταχύτητες που απαιτούνται για τα πρωτόνια ώστε να πλησιάσουν σε απόσταση τέτοια που να επιτρέπει το ελκτικό μέρος της ισχυρής πυρηνικής δύναμης να επικρατήσει επιτυγχάνεται στα αστέρια με την υψηλή κεντρική θερμοκρασία λόγω της βαρυτικής ενέργειας Kατά 86% παραγωγή ηλιακών νετρίνων Kατά 15% παραγωγή ηλιακών νετρίνων Σε υψηλότερες θερμοκρασίες έχουν προταθεί και άλλοι κύκλοι όπως ο κύκλος CNO

37 Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο σα συνάρτηση του μαζικού αριθμού του πυρήνα δείχνει ότι από το υδρογόνο μέχρι το σίδηρο θα ευνοούνται οι πυρηνικές συντήξεις και από το ουράνιο μέχρι το σίδηρο οι πυρηνικές διασπάσεις για την παραγωγή ενέργειας Ο Fe είναι ο τελευταίος σωρός τέφρας του αστέρα αλλά και του σύμπατος, με την έννοια ότι όσο θερμό και αν γίνει ένα αστέρι δεν μπορεί να αποδοθεί πυρηνική ενέργεια από το Fe Τα δε βαρύτερα στοιχεία συνεισφέρουν λιγότερο από 2% στη μάζα του σύμπατος, σχηματίζονται δε μέσα στους πυρήνες των αστέρων και διαχέονται στο σύμπαν μετά την κατάρρευση τους με εκρήξεις super nova

38 To διάγραμμα Hertzsprung-Russel κατατάσει τα αστέρια σε κατηγορίες ανάλογα με το μέγεθος τους, τη θερμοκρασία τους και τη λαμπρότητα τους. Στο διάγραμμα αυτό διακρίνονται οι αστέρες που βρίσκονται στην κύρια ακολουθία οι οποίοι έχουν σύσταση σταθερή αποτελείται κυρίως από ήλιο και υδρογόνο καθώς γίνεται η σύντηξη υδρογόνου στο κέντρο τους. Οι αστέρες αυτοί λάμπουν σταθερά βρισκόμενοι σε ισορροπία. Το μέγεθος αυτών των αστέρων κυμαίνεται από 50Μ Ο έως 0,1Μ Ο (Μ Ο είναι το μέγεθος του δικού μας ήλιου) και η επιφανειακή θερμοκρασία τους κυμαίνεται από 2500 Κ έως Κ Τα μεγαλύτερα σε μάζα αστέρια έχουν μικρότερο χρόνο ζωής

39 Ανάλογα με τη μάζα τους λοιπόν τα αστέρια διαγράφουν διαφορετικές πορείες ζωής.Το ενδιάμεσο στάδιο όμως της ζωής τους είναι να γίνουν ερυθροί γίγαντες Κατά το στάδιο αυτό οι αστέρες φεύγουν από την κύρια ακολουθία καθώς έχουν ήδη καταναλωθεί το 10% του υδρογόνου τους σε ήλιο στο εσωτερικό του και έχει σχηματισθεί μια κεντρική περιοχή στο αστέρι που περιέχει ήλιο και το υδρογόνο εξακολουθεί να καίγεται στους εξωτερικούς φλοιούς. Η καύση όμως του ηλίου απαιτεί μεγαλύτερη θερμοκρασία ο πυρήνας αρχίζει να συστέλλεται βαρυτικά θερμαινόμενος ακτινοβολώντας στα στρώματα που καλύπτουν τον πυρήνα διαστελλόμενο κέλυφος συστελλόμενος πυρήνας

40 Τα Πτώματα Γ) Μαύρες οπές Α) Λευκοί νάνοι Όριο Chandrasekhar Φερμιονικό αέριο ηλεκτρονίων σταματάει την βαρυτική κατάρευση Μέγεθος περίπου όσο η γή πυκνότητα της πυκνότητας του ήλιου. Chandrasekhar Β) Αστέρες Νετρονίων Φερμιονικό αέριο νετρονίων σταματάει την βαρυτική κατάρευση, πυκνότητα πολύ μεγαλύτερη από αυτή των λευκών νάνων, πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο-pulsars 1982

41 Διδακτική πρόταση :Κυματικός και σωματιδιακός χαρακτήρας της ύλης Περιεχόμενα Ιστορική εισαγωγή : Αναφορά σε κυματική και σωματιδιακή θεωρία του φωτός των Newton, Huygens Το πείραμα των δύο σχισμών του Thomas Young και γιατί επικράτησε η κυματική Αναφορά σε Plank, Einstein, Louis de Broglie Το πείραμα συμβολής του Υοung με ηλεκτρόνια (υλικά κύματα) Αρχή τη ς απροσδιοριστίας και παρατήρηση Διδακτικοί στόχοι Να αντιληφθούν οι μαθητές τη διττή περιγραφή του φωτός μέσα στην ιστορία Να αντιληθούν ότι η σύγχρονη φυσική ενοποίησε τις δύο ασύμβατες ιστορικά περιγραφές σε αυτό που αποκαλούμε κυμματοσωματιδιακή φύση της ύλης Να αντιληθφούν ότι και το ηλεκτρόνιο μπορεί να θεωρηθεί συμβολή κυμάτων Η διακρισιμότητα ενός σωματιδίου επηρεάζεται από τον παρατηρητή Να εφαρμόζουν τη σχέση Να εφαρμόζουν τη σχέση αβεβαιότητας σε απλά προβλήματα

42 To φως είναι κύμα που διαδίδεται σε ομογενές μέσο κατά μέτωπα (ισοφασικές επιφάνειες). Κάθε σημείο του μετώπου μπορεί να γίνει πηγή νέου κύματος Christian Huygens Ερμηνεία διάθλασης και περίθλασης από την θεωρία του Huygens Ερμηνεία ανάκλασης με τη θεώρηση του Νεύτωνα ότι το φως αποτελείται από ελαστικές σφαίρες

43 Thomas Young Ερμηνεία της συμβολής από τον Young επιβεβαιώνει τον κυματικό χαρακτήρα του φωτός O Louis de Broglie αποδεικνύει ότι το ηλεκτρόνιο αποτελεί ένα στασιμό κύμα όπου τα σωματιδιακά και κυματικά του χαρακτηριστικά (μήκος κύματος και ορμή) συνδέονται με τη σχέση p=h/λ hf υgυg hfhf hf=W+1/2mυ 2 A.Einstein Compton Augustin-Jean Fresnel M. Plank E= hf

44 Αν τώρα το πείραμα των δύο οπών το δοκιμάζαμε με ελαστικές σφαίρες τότε το αποτέλεσμα θα ήταν διαφορετικό: Αντί για εικόνα συμβολής θα είχαμε μια αυξημένη κατανομή σφαιρών γύρω από τις οπές που σημαίνει ότι η πιθανότητα να βρεθούν πολλές σφαίρες γύρω από τις οπές είναι αυξημένη. Η ολική πιθανότητα εύρεσης σφαιρών θα είναι ίση με το άθροισμα των πιθανοτήτων.Αυτό θα ήταν και το αποτέλεσμα αν τα ηλεκτρόνια είχαν μονάχα σωματιδιακό χαρατήρα Το 1961 τα πειράματα συμβολής ηλεκτρονίων του Claus Jönsson απέδειξαν με σαφή τρόπο την κυματική φύση των ηλεκτρονίων με Εικόνες συμβολής. Βέβαια η εικόνα αυτή απαιτούσε μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων για να φανεί πλήρως όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα C. Jönsson

45 , Έστω ότι υπάρχει ένας παρατηρητής στο χώρο μεταξύ των οπών και του πετάσματος ο οποίος προσπαθεί να μετρήσει από ποια οπή ακριβώς περνάει το ηλεκτρόνιο ‘Έστω ότι το ηλεκτρόνιο εισέρχεται από σε μία τις δύο οπές,για την ανίχνευση του οποίου ο ανιχνευτής εκπέμπει ένα φωτόνιο τότε το φωτόνιο σκεδάζεται με το εισερχόμενο ηλεκτρόνιο μεταβάλλοντας την ορμή του ΔyΔy hf pepe pγ pγ φ pe΄pe΄ Δy=d Πράγμα που σημαίνει ότι η αβεβαιότητα της ορμής κατά τον παράλληλο στο πέτασμα άξονα, oφείλεται στην ορμή του φωτονίου που εκπέμπει ο ανιχνευτής για να εντοπίσει το ηλεκτρόνιο με αποτέλεσμα να μεγαλώνει την αβεβαιότητα στη θέση τόσο όσο για να γίνει μεγαλύτερη από τη διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή.

46 Werner Heisenberg ΔxΔpΔxΔp Πριν τη προσπάθεια εντοπισμού το ηλεκτρόνιο έχει μεγάλη αβεβαιότητα στη θέση και μικρή στην ορμή ΔxΔx ΔpΔp ΔxΔx ΔpΔp Κατά την προσπάθεια εντοπισμού οι αβεβαιότητες στη θέση μικρή στην ορμή αντιστρέφονται το γινόμενο τους όμως παραμένει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο

47 1. Υπολογισμός για το φως τη σχέσης de Broglie 2. Ηλεκτρόνιο έχει ταχύτητα 7, m/s τι μήκος κύματος έχει : ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΧΕΣΕΩΝ Συγκρίνεται το παραπάνω μήκος κύματος με αυτό μιας μπάλας ποδοσφαίρου 0,450kgr και υ=10m/s

48 Τέλος


Κατέβασμα ppt "Μεταφορά των σύγχρονων επιστημονικών αντιλήψεων στην εκπαιδευτική διαδικασία « Έννοιες και Μεθοδολογίες της σωματιδιακής φυσικής στην περιγραφή και κατανόηση."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google