Temperatur og Elementarpartikler – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Temperatur og Elementa...

24. juni 2008

Temperatur og Elementarpartikler

Hej Malte
Jeg er en ottende klasse elev på blågårdsskolen i københavn, og jeg er meget interesseret i kernefysik. Jeg har nogle spørgsmål som jeg gerne ville høre om i kunne svare mig på.

Første spørgsmål: Hvad er temperaturen i tomrum? Jeg regner med, at den må være det samme som temperaturen ved det absolute nulpunkt, eftersom der jo ikke er noget der bevæger sig og skaber energi. Problemet er så bare, at så vidt jeg ved, har man stadig ikke opnået det absolutte nulpunkt, men man har skabt tomrum. Så hvad er temperaturen egentligt i tomrum?

Andet spørgsmål: Elementar partikler, som protoner og elektroner, er skabt af kvarker. Det der så undrer mig er, at netroner og protoner består af 3 kvarker hver, men hvilke kvarker består elektroner så af? Jeg mener, elektroner er så meget mindre end neutroner og protoner, så de kan vel umuligt bestå af de samme up og down kvarker som de to kernepartikler? Det samme gælder vel også elementar partikler som neutrinoer og antineutrinoer. Så hvad består de af? Nogle af de fire andre kvarker? Eller består de slet ikke af kvarker?

Med venlig hilsen
S S

Temperatur defineres normalt ved middelhastigheden af de atomer eller molekyler, som befinder sig i området. Der er den sammenhæng at:

  • ½*m*c2 = k*T

Hvor m er atomet eller molekylets masse, c er dets middelhastighed i m/s, k er en konstant som kaldes Boltzmanns konstant, k = 1,380 650 5 * 10-23 J/K, og T er den absolutte temperatur målt i K, den regnes fra det absolutte nulpunkt, som er t = -273,16 °C. Her på jorden kan vi nå ned på tryk der ligger omkring 1,3*10-11 Pascal (Pa), det normale tryk her på jorden er 101 kPa = 101 000 Pa så det er et tryk der er 1016 gange lavere end atmosfæretrykket. Der er stadig mange molekyler eller atomer tilbage omkring 1000 pr kubikcentimeter.

I det ydre rum langt væk fra solsystemer og galakser kan der være så lidt som nogle få atomer eller molekyler pr. kubikcentimeter. Vi kender ingen steder, hvor der slet ikke er partikler, så spørgsmålet er lidt teoretisk. Skulle der være et sådant sted, vil der være noget udenom (omgivelser). Man ville så definere temperaturen ved den stråling, der var i området i ligevægt. Strålingen der er tale om er elektromagnetiske bølger dvs. lys, radiobølger, infrarød stråling, gammastråling osv. Hvis man tænkte sig, at man anbragte en eller anden form for temperaturmåler i området, ville denne stråling bestemme den temperatur den viste, når den var kommet i ligevægt, så vakuum har ikke i sig selv noget med det absolutte nulpunkt at gøre.

Man kan komme meget nær til det absolutte nulpunkt, men det sker (i vakuum) med passende kølemaskiner. I Helsinki har man været nede på omkring 10-10 K med en kølemaskine der virkede med helium og magnetisk køling (hvor det magnetiske del nåede denne temperatur), tilsvarende temperatur har man været på med en kølemaskine, som virker med LASER-køling, det man kalder et Bose-Einstein  kondensat. Her var det natrium atomer der blev kølet.

Det koldeste sted i naturen jeg har hørt om, er fundet 5000 lysår fra jorden i en stjernetåge som kaldes Boomerang stjernetågen, hvor temperaturen er bestemt til t = -273,15 °C.

I fysik kaldes varmelære termodynamik, og der eksisterer nogen fysiske love der kaldes termodynamikkens hovedsætninger. Ud fra dem kan man vise, at man ikke kan nå det absolutte nulpunkt, men at man principielt kan komme lige så tæt man vil. Desuden siger en hel anden teori nemlig kvanteteorien, at man ikke kan nå det absolutte nulpunkt.

Elektroner er i en familie af elementarpartikler som kaldes Leptoner, som også omfatter Myoner og Tauoner samt de tre tilsvarende antipartikler. En elektron består af en negativ ladet partikel og en elektronneutrino. Protonen og neutronen er i en anden familie der hedder Baryoner. De er som du skriver bygget af 3 kvarker, og kvarker indgår altså ikke hverken som del af elektronen eller neutrinoen. Vore nuværende undersøgelser og teorier har ikke givet anledning til at opdage en yderligere struktur af elektronerne eller neutrinoerne, de må altså i sig selv elementarpartikler. Elektronen har en masse me = 9,1095 * 10-31 kg, neutronens masse er mn = 1,6750*10-27 kg og protonen mp = 1,6726*10-27 kg. Diameteren så godt vi nu kan tale om det for neutronen og protonen er ca. 10-15 m for elektronen 10-18 m dvs. nogen tusinde gange mindre.

Med venlig hilsen
Malte Olsen