verdiepen K3.2 Elementaire deeltjes Kern- en deeltjesprocessen
A
18
19
A
Kern- en deeltjesprocessen
K3.3 Deeltjesinteracties VERDIEPEN
ONTDEKKEN
22 W Behoudswetten en symmetriebewerkingen
Lading-massaverhouding van het elektron
Figuur 26 Joseph John Thomson bij de opstelling met zijn kathodestraalbuis.
19 W Lading-massaverhouding van het elektron 20 W Elementaire lading
In 1887 laat Joseph John Thomson zien dat kathodestralen bestaan uit negatief geladen deeltjes: elektronen. Met een door hem ontwikkelde kathodestraalbuis, eigenlijk de eerste deeltjesversneller, is hij in staat de verhouding tussen de lading en de massa van het elektron te bepalen. In opdracht 19 ontdek je hoe Thomson de lading-massaverhouding van het elektron heeft gemeten.
Elementaire lading In 1909 bedenkt Robert Millikan een meetmethode om de lading van het elektron te bepalen door geladen oliedruppeltjes te laten zweven in het elektrisch veld tussen twee tegengesteld geladen platen. In opdracht 20 ontdek je hoe Millikan de lading van het elektron heeft bepaald, en daarmee ook de massa van het elektron kon bepalen.
Standaardmodel
21 W Standaardmodel
De leptonen elektron en elektronneutrino en de u- en d-quark zijn in het standaardmodel de elementaire deeltjes van de eerste generatie. Van al deze deeltjes zijn er vergelijkbare deeltjes van de tweede en derde generatie. In opdracht 21 krijg je een overzicht van het standaardmodel met de drie generaties elementaire deeltjes.
Volgens het standaardmodel is materie opgebouwd uit elementaire deeltjes, onderverdeeld in leptonen en quarks. Bij wisselwerking tussen elementaire deeltjes of tussen elementaire deeltjes en fotonen kunnen (andere) elementaire deeltjes ontstaan, verdwijnen of veranderen. Voorbeelden daarvan zijn de creatie en annihilatie van een elektron en een positron, en radioactief β-verval. Hoe zijn deze interacties te beschrijven en te analyseren met behoudswetten en symmetriebewerkingen? En welke behoudswetten en symmetriebewerkingen zijn dat dan?
PA R AG R A A F V R A AG Hoe zijn interacties tussen elementaire deeltjes onderling en tussen die deeltjes en fotonen te beschrijven en te analyseren met behoudswetten en symmetriebewerkingen?
BEGRIJPEN
Behoudswetten Bij de beschrijving van verval- en kernreacties in de vorm van reactievergelijkingen in hoofdstuk 5 heb je al twee behoudswetten leren kennen: behoud van ladinggetal en behoud van massagetal. Links en rechts van de reactiepijl moet de totale lading van de deeltjes gelijk zijn. Hetzelfde geldt voor het massagetal van de deeltjes. Deze behoudswetten zijn algemeen geldig en gaan dus ook op voor de elementaire deeltjes uit paragraaf K3.2. Voorbeelden van zulke interacties zijn: paarvorming en annihilatie, β−-verval, elektronenvangst en β+-verval.
γ
e⁺
Figuur 27 Bij paarvorming ontstaan een elektron en een positron uit een γ-foton.
e⁻
Paarvorming en annihilatie
tijd t
Uit een γ-foton van voldoende energie kunnen tegelijk een deeltje en zijn antideeltje ontstaan. Dit proces noemen we paarvorming (zie figuur 27). Een voorbeeld is de vorming van een elektron en een positron:
γ→
e-
+
e+
De energie van het foton moet volgens E = m · c2 minstens even groot zijn als de massa van beide deeltjes. Omgekeerd kunnen een deeltje en zijn antideeltje elkaar bij een ontmoeting vernietigen, waarbij de deeltjes worden omgezet in twee fotonen. Dit proces noemen we annihilatie (zie figuur 28). Als voorbeeld de annihilatie van een elektron en een positron:
e- + e+ → 2 γ Na de annihilatie hebben de twee γ-fotonen gelijke energie, en bewegen in precies tegengestelde richtingen. Dit is een gevolg van de wet van behoud van impuls (zie opdracht 22 en hoofdstuk 14). In beide deeltjesinteracties is sprake van behoud van ladinggetal (de totale lading is vóór en ná de interactie gelijk aan 0) en behoud van massagetal (het massagetal van het elektron en het positron is 0 en fotonen hebben geen massa).
e⁻
tijd t
e⁺
γ
γ
Figuur 28 Bij annihilatie ontstaan uit een elektron en een positron twee γ-fotonen, die met gelijke energie in tegengestelde richting gaan.
PET-SCAN De annihilatie van een elektron en een door een β+-straler uitgezonden positron wordt gebruikt voor het maken van een PET-scan (zie hoofdstuk 5).