1905-2005: Einsteins ideeën zijn jarig

1905-2005: Einsteins ideeën zijn jarig
Actueel Denken en Leven
-21 nov. 2005 -
Het leven van Einstein in uittreksels:
1879: geboren in Ulm
1896: studies aan de Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Vanaf 1902: technisch deskundige aan het “Patentamt” in Bern
1903(-1919): huwelijk met Mileva Maric
1905: WONDERJAAR met 4 sleutelwerken
1917: directeur Kaiser-Wilhelm-Institut
Het leven van Einstein in uittreksels:
1922: ontvangt Nobel-prijs Fysica voor 1921
1929-1933: bezoeken aan België (De Haan) en het Koningshuis
1933: emigratie naar de VS
1939: brief aan President Roosevelt
1952: weigert Presidentschap van Israel
1955: overlijdt in Princeton/VS
WERK I :
Over de beweging van deeltjes in suspensie
in vloeistoffen in rust, zoals vereist door de
moleculair-kinetische theorie der warmte
Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte
Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen
Annalen der Physik, vol. 17, pp. 549-560 (1905)
De Brownse beweging
een kijkje door de
microscoop
⇒
Robert Brown
Brits botanicus (1773-1858)
Wanordelijke beweging van kleine deeltjes zoals stuifmeel
in vloeistoffen … vitaalkracht ??
Brownse beweging volgens Einstein
“diffusieve beweging”
= Dronkenmanswandeling
Afstand t.o.v. vertrekpunt:
Atomen botsen willekeurig
tegen deeltjes
λ = 2 Dt
tijd
diffusiecoëfficiënt
Conclusies:
atomen/moleculen bestaan echt (“mierenbeeld”)
warmte-energie = bewegingsenergie
aantal atomen per mol
Avogadro-getal NA = 6.022.1023
via de
diffusieconstante
grootte/diameter van atomen
D
massa van atomen
Atomen “zien en aanraken” ? → 1990
Scanning Tunneling
Microscopy (STM)
Ijzer op koper (111)
Xenon op nikkel (110)
M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler,
Science 262, 218-220 (1993)
D.M. Eigler, E.K. Schweizer,
Nature 344, 524-526 (1990)
WERK II :
Over een heuristisch gezichtspunt
aangaande de productie en de
omvorming van licht
Über einen die Erzeugung und Verwandlung des
Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt
Annalen der Physik, Vol. 17, pp. 132-148 (1905)
Het licht-elektrisch effekt
-
-
Metaal-blok
foto-elektronen met
Energie E
m
2E
E= v ⇒v=
2
m
2
Wat bepaalt de energie van de foto-elektronen?
Intensiteit van de lichtbron?
⇒ NEEN !!
Kleur van de lichtbron?
⇒ JA !!
(zeer moeilijk in 1905 !)
Conclusie?
Typische meetcurves
E
Energie van de
foto-elektronen
natrium
magnesium
Frequentie ingestraald licht
“werkfunctie”=minimale energie om
elektron uit metaal te verwijderen
Conclusie volgens Einstein
Een elektromagnetische golf
Licht is…
dualisme!
Straal van “echte deeltjes” = fotonen
Nieuw deeltjes-beeld
Deeltjes ?
→ licht slaat elektronen
uit het metaal
Klassiek beeld
Verband tussen
kleur-golflengte-energie van fotonen
golflengte
Getal van Planck
= 6.6.10-34 Js
lichtsnelheid
E = h⋅ f = h⋅
frequentie
lichtgolf
c
λ
golflengte
Uitstraling zonlicht maximaal bij:
550 nm
Hoogste gevoeligheid (menselijk) oog: 555 nm
frequentie
Nobelprijs voor Natuurkunde 1921
Albert Einstein voor ...
“Zijn bijdrage tot de theoretische fysica en in het
bijzonder de verklaring van het licht-elektrisch effect”
Beginsel van de
Kwantum-theorie
Uitstap naar de kwantum-theorie
straal r
Elektron
met massa m
en snelheid v
atoomkern
Kwantisatie van het
impulsmoment L
Atoommodel van Niels Bohr
Nobelprijs 1922
h
L = m⋅v⋅r = n⋅
2π
Dualisme: elektron = deeltje + golf
De “Juiste” interpretatie van
de kwantummechanica… ?
Solvay conferenties
te Brussel
1911 – 1930
Opnieuw sinds
2005 …
WERK III :
Betreffende de elektrodynamica van
lichamen in beweging
= De speciale relativiteitstheorie
Zur Elektrodynamik bewegter Körper
Annalen der Physik, Vol. 17, pp. 891-921 (1905)
De universele lichtsnelheid c
Lichtsnelheid in
vacuüm:
per seconde 300 000 km rechtdoor
299.106
of 7,5 keer de wereld rond
m/s
Aarde-Maan en terug: 2 x 384 440 km = 2.6 s
Reistijden:
Zon-Aarde: 150×106 km = 8 min 19 s
Lichtjaar: lengte-eenheid:
1 LJ
= 365x24x60x60x3x10^8 m/s
= 9.5.1015 km
Relativiteitsbeginsel:
… sinds Galileo Galilei …
z
z’
Stelsel S
y
Stelsel S’
t
y’
⇒ Constante translatiesnelheid v
x
t’
…”inertiaalstelsels”…
x’
Voorbeeld: S = vrachtwagen 90 km/u, S’ = personenwagen 120 km/u
→ Natuurkundige wetten gelden in beide (inertiaal-) stelsels …GG…
→ Lichtsnelheid c = 3.108 m/s identiek in beide stelsels …AE…
De tijdsvertraging (dilatie)
Stelsel S’
Stelsel S
-aarde-
L
L
1
v
2
1
2
x
x
v ⋅ Δt
2
Lichtweg:
2⋅ L
2 ⋅ L ² + X ² met x =
Tijdsduur:
2⋅ L
Δt ' =
c
1
2 L ² + ⋅ Δt ² ⋅ v ²
4
Δt =
=
c
Δt '
v²
1−
c²
Vanuit S: tijd in S’ loopt trager, bv. v=0.6c : Δt=1uur & Δt’=48min
Tijdsvertraging
Conclusie:
klokken + alle biologische processen
in het bewegende systeem lopen trager,
bekeken vanuit het rustende systeem.
Opgelet:
vanuit het ruimteschip bekeken lopen processen
op aarde trager…
⇒ GEEN contradictie !
Gedankenexperiment: Tweelingenparadox…
De tweelingenparadox
Albrecht
aarde
Albert
De tweelingenparadox
Ster
Sirius
snelheid raket
v = 0.8c
2x 8.7 lichtjaar
(heen & terug)
aarde
Albrecht
raket
De tweelingenparadox
aarde
Albrecht
raket
De tweelingenparadox
???
Albrecht
Albert
“Ik ben nu 22 jaar
ouder, maar Albert
is slechts 13 jaar
verouderd,
dju toch...”
Paradoxaal → NEEN, raket is geen inertiaalstelsel
Relativistische lengtecontractie
l = l '⋅ 1 − v ² c ²
Gemeten in ruimteschip
Waargenomen op aarde
Afstand Aarde → Sirius = 8.7 lichtjaar
Wat meet Albert?
2
⎛ 0.8c ⎞
8.7 LJ ⋅ 1 − ⎜
⎟ = 5.2 LJ
⎝ c ⎠
WERK IV :
Is traagheid van een lichaam
afhankelijk van zijn energie-inhoud?
E = mc²
Ist die Trägkeit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?
Annalen der Physik, Vol. 17, pp. 639-641 (1905)
Waar kan je E=mc² zien?
Uitstap naar de kernfysica…
De nucleonen:
aantal nucleonen
proton
1
1
p
en
neutron
0
ladingen
Waterstof H
2
Deuterium D
1
3
Tritium T
1
1
1
p
1
3
Helium 3 He
2
4
Helium 4 He
2
235
Uranium U
92
n
Waar kan je E=mc² zien?
Route 1
Route 2
Route 1: Kernsplitsing
Barium 144
3 neutronen → kettingreactie
neutron
Uranium
235
Krypton 89
massa (n+U235) > massa (Ba144 + 3n + Kr89)
Massatekort ? ⇒ bewegingsEnergie eindproducten
(+ wat straling)
Elektriciteit uit kernsplitsing
Koeltorens van de
kerncentrale Doel
Reactor met uranium en
regelstaven in watervat
Elektriciteit uit kernsplitsing
Belgische kerncentrales:
Doel & Tihange
Voordelen:
- voldoende voorraad splijtstoffen
- geen CO2 uitstoot
- weinig afvalvolume, maar…
Nadelen:
- duur wegens veiligheidsmaatregelen
- opslag kernafval: > 10.000 jaar
studiecentrum voor kernenergie SCK in Mol
Uitstap scenario… 2025 ?
Huidig aandeel “atoomstroom”: 20%
Einstein en de atoombom …1939…
Brief aan VS-president
Franklin D. Roosevelt
- Kettingreactie in uranium
- “… extremely powerful bombs of a
new type may thus be constructed.”
- Lopende experimenten aan
het Kaiser-Wilhelm-Institut
te Berlijn
Manhattan-project,
Hiroshima & Nagasaki 1945
Route 2: Kernfusie
2
1
2
1
D+ D → T + p
2
3
1
1
1
1
D + D → He+ n
2
3
1
1
2
0
mbegin > meinde
Energiebron zon & sterren
- Grote voorraden aan deuterium = zware waterstof
- Zeer hoog rendement
- Radioactieve halveringstijd eindproducten: slechts 12.3 jaar (?)
- Probleem: hoge starttemperatuur vereist ~ 108 -109 °C
International Thermonuclear
Experimental Reactor (ITER)
Nieuwe reactor in Cadarache
(Aix-en-Provence)
Operationeel vanaf 2016
(- 2035 ?)
Plasmainsluiting ~ 400 s
Vermogen:
ca. 500 MW
Samenwerking van:
- Europese Unie, CH, VS, Japan,
Korea en Rusland, gecoördineerd
door het Internationaal Atoomagentschap
Fysica aan de
Universiteit Hasselt
Fysica aan de UHasselt: het onderzoek
Theoretische
Fysica
3 profs
Biofysica
1 profs
Materiaalfysica
4.5 profs
Didactische
Fysica
0.5 profs
+ 0.5 leraar
Lerarennetwerk
Biomedisch
Onderzoekinstituut
= Dr. Willems Instituut
Samen met Scheikunde:
IMO = Instituut voor
Materiaalonderzoek
Theoretische Fysica - Nanomotoren
Gelijkrichting Brownse beweging
R. Feynman 1961
Rechtlijnige beweging van asymmetrische moleculen…
Berekening rendement & experimentele randvoorwaarden
Biofysica: Fluorescentiemicroscopie
Biofysica: Celonderzoek
3 dimensionale
reconstructie van cellen
Materiaalfysica(i) - Diamantgroei
CH4 + H2 + microgolvenÆ diamant
“Zonneblinde” UV detectoren
HPHT Ib
5 mm
HPHT Ib
2 mm
Laboratorium
Æ
toepassing voor LYRA in PROBA II
LYRA aan boord van PROBA II
PRoject for OnBoard Autonomy II
LYRA Lyman-α Radiometer
Lancering ~ 2007
Artist impression
PROBA I
Verhaert - Kruibeke
UV-detector van diamant
Materiaalfysica(ii) –
Analyse & karakterisatie
• Raster akoestische microscopie (SAM)
• µ-focus X-stralendoorstraling
• Optische microscopie (OM)
• Raster elektronen microscopie (REM met EDX, EBSD)
• Transmissie elektronen microscopie (TEM)
• X-stralen diffractie (XRD)
• Hardheidsmetingen (µHV)
• Profilometrie
• Scanning probe microscopy (SPM)
• Optische Absorptie Spectroscopie
Analyse & karakterisatie
Raster Elektronen Microscopie (REM)
Beeldvorming: resolutie tot op nanometer schaal
Kristallografische informatie: EBSD
Chemische EDX analyse: detectielimiet van 0,1 wt%
Enkele voorbeelden op diamant…
Analyse & karakterisatie
Diamant oppervlak : morfologie & oriëntatie
kristallijn
nanokristallijn
Gepolijste diamant oppervlakken :
kristallografische informatie
Oppervlak
Band contrast
IPF
Dwarsdoorsnede
Analyse & karakterisatie
Dienstverlening voor bedrijven uit volgende sectoren:
• (Micro-)elektronica
• Automobiel
• Farmaceutica
• Oppervlakteharding
• Ruimtevaart
• Bouw
• Kunststof
• Staalindustrie
• …………… Limburg en heel België
Materiaalfysica(iii) –
Elektronische betrouwbaarheid
Print uit PC
Elektronische betrouwbaarheid
Testdevices
Elektronische betrouwbaarheid
Elektronische betrouwbaarheid
baantjes < 1µm
’Veroudering’ van stroombaantjes
Elektrische migratie: atomen op wandel
Materiaalfysica(iv) Organische Elektronica
Geleidende polymeren
kçÄÉäéêáàë îççê `ÜÉãáÉ EOMMMF
Organische Elektronica: Displays
polymeren
- 576 x 324 resolution
- 13 inch diagonal
Full color PolyLED TV prototype, Philips 2004
oligomeren
Polymere zonnecellen
Licht
Elektriciteit
jajlJmms
30 nm
0.6nm
80 nm
0.5 % jajlJmmsLm`_j 1:4 by weight
(cfr. Hummelen, RUG)
Prototypes van polymere zonnecellen
Flexible solar cells (cfr. Intelligent ambient and wearable electronics)
`K=_ê~ÄÉÅI=nr^kqpliOMMQ
Materiaalfysica(v) - Biosensoren
“Transducers”: Polymeren en Diamant
Materiaalfysica(v) - Biosensoren
Voorbeeld: herkenning van DNA m.b.v. immunoglobulines
Detectielimiet: 5 nmol/L ≈ 1 DNA-molecule per 11 000 000 000 H2O
Cfr. Bloedsuiker: 8 mmol/L ≈ 1 C6H12O6 per 7 000 H2O
Materiaalfysica(v) - Biosensoren
Ontwikkeling van sensoren i.s.m. BIOMED & UZ Maastricht
- Hartmarkers ⇒ risico-evaluatie op hartfalen
CRP
- Autoimmuun-markers ⇒ opvolging multiple sclerose
MBP
- Histamine ⇒ astma, allergieën, ”IBS”
Histamine
Didactische Fysica
“o.a.” Het SUPERTEAM 2005
Wetenschapskwis:
-
Fysica Wiskunde Scheikunde Biologie -
+ randanimatie
Voor scholen
Secundair Onderwijs
Met steun van de Europese Commissie
en de European Physical Society EPS
Superteam 2005
Superteam 2005
Deelnemers:
45 scholen met telkens
een ploeg van 5 leerlingen
(5de-6de)
De eindstand:
1. Virga Jessecollege, Hasselt
2. Wico Campus Sint-Jozef, Lommel
3. Sint-Albertuscollege, Haasrode
Fysica aan de UHasselt: de opleiding
Bologna-verklaring (1999):
Kandidatuur, 2 jaar ⇒
Licenties, 2 jaar
⇒
Bachelor, 3 jaar
Master, 2 jaar
(voorlopig nog 1 jaar)
“BaMa-structuur”
Doelstelling:
Bachelor →
Master
‘gemakkelijke switch’ tussen opleidingsrichtingen
en verschillende (Europese) universiteiten
Fysica aan de UHasselt: de Bachelor
JAAR 1
JAAR 2
JAAR 3
3 trimester
3 trimester
2 semester
3 opties
met keuzevakken
à la carte
Fysica aan de UHasselt: de Bachelor
3 opties
Optie (i) “Fundamentele fysica”
Master bv. aan de KULeuven, UGent, UAntwerpen etc.
Optie (ii) “Toegepaste fysica”
Natuurkundig ingenieur aan de TUEindhoven, UGent
Optie (iii) “Biomedische wetenschappen”
Master in de “Bio-elektronica & Nanotechnologie”, UHasselt
Lerarenopleiding (in voorbereiding)
Doctoreren aan de UHasselt
(stand 15 nov. 2005)
Fysica
Faculteit
Wetenschappen*
Totaal:
19
90
Aandeel
vrouwen:
26 %
48 %
Buitenlandse
doctorandi:
16 %
13 %
Afgestudeerden
hogeschool:
16 %
9%
* Wiskunde + Informatica + Biologie + Chemie + Fysica
Waar werken de oud-studenten?
1. Doctoraat
2. Federale en Vlaamse wetenschappelijke instellingen:
Vito, IMEC, BIRA, …
3. Internationale instellingen:
Europese commissie, European Space Agency (ESA)
4. Middelbaar- en hoger onderwijs
5. Ziekenhuizen
(medische beeldvorming, stralenbescherming, instrumentatie)
6. Sector van Banken & Verzekeringen
7. Consultancy & ingenieurbureaus
8. “Research & Development”: onderzoek & ontwikkeling
Philips, Bekaert, Umicore, Infineon, Alcatel, AMI, IBM, …
Lissabon-agenda (Europese Raad 2000)
“De Europese Unie moet tegen 2010 de meest concurrentiële
en dynamische kenniseconomie van de wereld worden…”
⇒
3% van het bruto binnenlandsproduct (BNP) voor
investeringen in onderzoek & ontwikkeling
+ 700.000 wetenschappers in de EU
Gezocht:
waarvan
+ 20.000 in België
Terug naar Albert Einstein:
1905 – 2005 ……… en verder?
∼ enkele blijvende sporen ∼
∼ zichtbaar en verborgen ∼
Albert in de drie landstalen…
Duits:
Einstein zelf….
Frans:
Societé Française de Physique
Nederlands:
Prof. em. Frans Cerulus
KU Leuven (2005)
NL-vertaling als boek:
www.belgianphysicalsociety.be
of [email protected]
Aha! Fysica:
WetenStappen in Leuven
Van het stadhuis naar
de Campusbibliotheek Arenberg
15 etappes:
1. Kunnen we door een
zwart gat kijken?
.
.
.
15. Zijn we zelf radioactief?
P. Van Duppen i.s.m. Stad Leuven
Paneel 9: op de Karmelietenberg
GPS-correctie volgens Einstein:
Klok in de satelliet loopt
(vergeleken met aardse klok)
Sneller, minder zwaartekracht
(Algemene relativiteitstheorie, 1916)
Trager, tijdsvertraging door hoge
snelheid satelliet t.o.v. aarde
Netto-effect: satellietenklok is 38.10-6s per dag te traag
→ kunstmatig versnellen !!
Meetfout Δl per dag zonder correctie:
Δl = 38.10-6s . c = 11.4 km !!
Laatste vraag:
Mocht Einstein er
niet zijn geweest…
zouden anderen
alsnog zijn
ontdekkingen
hebben gedaan?
Nu nog een weetje…
Gemiddelde hersenenmassa:
mannen: 1350 g
vrouwen: 1185 g
bron: Age related changes in intracranial compartment
volumes in normal adults assessed by MRI.
Einstein: 1230 g
bron: The exceptional brain of Albert Einstein
www.uhasselt.be
www.imo.uhasselt.be