Neutron az Ősrobbanásban

Középiskolai Fizikatanári Ankét, Kaposvár 2009

Neutron az ősrobbanásban (Dr. Sükösd Csaba)Neutron az ősrobbanásban (Dr. Sükösd Csaba)

2009. április 17. 1/18

Neutron az ŐsrobbanásbanNeutron az Ősrobbanásban

Dr. Sükösd CsabaDr. Sükösd Csaba

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemBudapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemNukleáris Technika TanszékNukleáris Technika Tanszék



2009. április 17. 2/18

TARTALOMTARTALOM• BevezetésBevezetés

• Modellek, előrejelzésModellek, előrejelzés• Fontos megfigyelésekFontos megfigyelések

• Hubble törvényHubble törvény• GravitációGravitáció• Nézzünk vissza a múltbaNézzünk vissza a múltba• Kozmikus háttérsugárzásKozmikus háttérsugárzás• Elemek gyakorisága az UniverzumbanElemek gyakorisága az Univerzumban

• Az Ősrobbanás elemgyáraAz Ősrobbanás elemgyára• Az első századmásodperctől...Az első századmásodperctől...• ...a tizedik percig...a tizedik percig

• Mi lenne, ha a neutron tömege...Mi lenne, ha a neutron tömege...



2009. április 17. 3/18

Az Evolúció során a túlélés kulcsa: előrelátásAz Evolúció során a túlélés kulcsa: előrelátás

A tudomány (egyik) feladata: A tudomány (egyik) feladata: előre látni megbízható módonelőre látni megbízható módon

Kezdeti feltételekKezdeti feltételek

MozgástörvényekMozgástörvények

JövőJövő

++

ModellModell

Az előrelátás jósága az alkalmazott modelltől függ! Az előrelátás jósága az alkalmazott modelltől függ! Hogyan ellenőrizhető egy modell? Hogyan ellenőrizhető egy modell? A múlttal !A múlttal !



2009. április 17. 4/18

Jobban megértjük a jelent, ha megértjük a múltat!Jobban megértjük a jelent, ha megértjük a múltat!

A mozgástörvényeket nemcsak időben előre, hanem időbenA mozgástörvényeket nemcsak időben előre, hanem időbenvisszafelé is alkalmazhatjuk visszatekintés a múltba visszafelé is alkalmazhatjuk visszatekintés a múltba

A Világ keletkezése mindig izgatta az embereket (vallások). A Világ keletkezése mindig izgatta az embereket (vallások).

Tudományos módszer: kezdeti feltételekből (mostani állapot)Tudományos módszer: kezdeti feltételekből (mostani állapot) a jelenleg legjobbnak tartott modellekkel visszanézni a jelenleg legjobbnak tartott modellekkel visszanézni



2009. április 17. 5/18

Fontos megfigyelésekFontos megfigyelések::

1) Hubble törvény:1) Hubble törvény:

Riess, Press, Kirshner (1996)Riess, Press, Kirshner (1996)

sebesség = Hsebesség = H00∙∙távolságtávolság

(1 Mpc = 3,086∙10(1 Mpc = 3,086∙101919 km) km)

Mpcs

km

0 5,371H

év 107,131 9

0

H

Modell: Modell: Nem azért távolodik gyor-Nem azért távolodik gyor-san mert messze van, ha-san mert messze van, ha-nem azért van messze, nem azért van messze, mert gyorsan távolodik! mert gyorsan távolodik!

(Hubble-idő)(Hubble-idő)



2009. április 17. 6/18

A lineáris kapcsolat A lineáris kapcsolat miatt az egyenesek miatt az egyenesek egy pontban metszik egy pontban metszik egymást! egymást!

Továbbgondolás:Továbbgondolás:Ezek persze nem Ezek persze nem egyenesek, hiszen a egyenesek, hiszen a gravitáció fékez! gravitáció fékez!

Kis térfogat, nagy Kis térfogat, nagy energiasűrűség, energiasűrűség, nagy hőmérséklet:nagy hőmérséklet:ŐsrobbanásŐsrobbanás



2009. április 17. 7/18

Műhold példája: Műhold példája:

r

MmGrmE

2)(

2

1v

Három eset lehet:Három eset lehet:• E<0 E<0 „elliptikus”„elliptikus”• E=0 E=0 „parabolikus”„parabolikus”• E>0 E>0 „hiperbolikus”„hiperbolikus”

Az Univerzum teljes Az Univerzum teljes energiájától függően energiájától függően három jövőképhárom jövőkép

A múlt viszont egyértelmű: kis térfogat (nagy hőmérséklet)A múlt viszont egyértelmű: kis térfogat (nagy hőmérséklet)

GravitációGravitáció: :



2009. április 17. 8/18

Nézzünk vissza a múltba !Nézzünk vissza a múltba !

Távolra látni = visszafelé látni az időben (fénysebesség…)Távolra látni = visszafelé látni az időben (fénysebesség…)

Legközelebbi Legközelebbi csillag: csillag: Proxima CentauriProxima Centauri: 4,3 fényév: 4,3 fényév galaxis: galaxis: Androméda ködAndroméda köd: 2 millió fényév: 2 millió fényév

Hubble űrteleszkóp:Hubble űrteleszkóp: 13 milliárd fényévre is ellát!13 milliárd fényévre is ellát!(születő, fiatal galaxisok…)(születő, fiatal galaxisok…)

Miért nem látjuk a kezdeti forróságot??Miért nem látjuk a kezdeti forróságot??

LÁTJUK! Csakhogy: gyors tágulásLÁTJUK! Csakhogy: gyors táguláslehűlést okoz. Jelenleg az Univerzum lehűlést okoz. Jelenleg az Univerzum átlaghőmérséklete 2,73 K (nem 0!)átlaghőmérséklete 2,73 K (nem 0!)



2009. április 17. 9/18

2. Megfigyelés: Kozmikus háttérsugárzás2. Megfigyelés: Kozmikus háttérsugárzásPenzias és Wilson (Nobel-díj 1978) Penzias és Wilson (Nobel-díj 1978) 1964-ben felfedezték a rádióhullámú1964-ben felfedezték a rádióhullámúkozmikus hátteretkozmikus hátteret

Tökéletes hőmérsékleti sugárzás! Tökéletes hőmérsékleti sugárzás! „„Dipólus” Dipólus” komponens: komponens: Oka: a Föld és Oka: a Föld és a Naprendszer a Naprendszer sebessége miatti Doppler effektussebessége miatti Doppler effektusEzt korrekcióba Ezt korrekcióba véve: véve: tökéletestökéletesizotrópiaizotrópia

K 10~ 5T

2,725 K2,725 K

Hőmérsékleti egyensúlynál korábbra nem „láthatunk” !Hőmérsékleti egyensúlynál korábbra nem „láthatunk” ! (Az Ősrobbanás után kb 380 ezer évvel)(Az Ősrobbanás után kb 380 ezer évvel)



2009. április 17. 10/18

3. Megfigyelés_ Elemgyakoriság az Univerzumban3. Megfigyelés_ Elemgyakoriság az UniverzumbanA tíz leggyakoribb elem az Univerzumban (tömegarányok)A tíz leggyakoribb elem az Univerzumban (tömegarányok)

ZZ NévNév Gyakoriság (milliomod rész)Gyakoriság (milliomod rész)11 HidrogénHidrogén 750 000750 00022 HéliumHélium 230 000230 00088 OxigénOxigén 10 00010 00066 SzénSzén 5 0005 000

1010 NeonNeon 1 3001 3002626 VasVas 1 1001 10077 NitrogénNitrogén 1 0001 000

1414 SzilíciumSzilícium 7007001212 MagnéziumMagnézium 6006001616 KénKén 500500

A modellnek ezt is meg kell magyarázni! A modellnek ezt is meg kell magyarázni! „Látható” idő előtt lezajló folyamatok!„Látható” idő előtt lezajló folyamatok!

Ősrobbanás Ősrobbanás gyártja le, gyártja le, csillagok csillagok

módosítják módosítják

Csillagokban Csillagokban keletkeznekkeletkeznek



2009. április 17. 11/18

Ősrobbanás (Nagy Bumm, Big Bang) modellŐsrobbanás (Nagy Bumm, Big Bang) modell

Nagy energiasűrűség magas hőmérséklet sugárzás Nagy energiasűrűség magas hőmérséklet sugárzás

nep

MeV 782,02

3 2 cMMkT pn

pen

Mi onnan indulunk, amikor a hőmérséklet Mi onnan indulunk, amikor a hőmérséklet kT kT ~ 10 MeV~ 10 MeV ((TT ~ 10 ~ 101111 K, 0,01 s). Ekkor már protonok, neutronok és K, 0,01 s). Ekkor már protonok, neutronok és könnyű részecskék (leptonok) vannak a sugárzás mellett.könnyű részecskék (leptonok) vannak a sugárzás mellett.

A hőmérséklet még nagy:A hőmérséklet még nagy:

Ezért a neutronok és a protonok egymásba alakulhatnak.Ezért a neutronok és a protonok egymásba alakulhatnak.

A neutronok és a A neutronok és a protonok arányát a statisztikus fizika törvényei szabják protonok arányát a statisztikus fizika törvényei szabják meg. meg.

(pl. (pl. kTkT~ 5 MeV~ 5 MeV-nél) -nél)

54,0

46,02

kT

cMM

p

npn

eN

N



2009. április 17. 12/18

Az Univerzum gyorsan hűl (a tágulás miatt) Az Univerzum gyorsan hűl (a tágulás miatt) • a neutronok keletkezése megszűnik, (kb 1 másodpercnél)a neutronok keletkezése megszűnik, (kb 1 másodpercnél)• a szabad neutronok bomlanak: a szabad neutronok bomlanak: epn (T(T1/21/2 ~ 10 perc)~ 10 perc)

Csak azok a neutronok „menekülnek meg”, amelyek Csak azok a neutronok „menekülnek meg”, amelyek atommagokba fogódnak be! atommagokba fogódnak be!

MeV 2,221 Hpn

DE! Amíg a hőmérséklet túl magas, az esetleg keletkező DE! Amíg a hőmérséklet túl magas, az esetleg keletkező deuteronokat szétveri a hőmozgás. deuteronokat szétveri a hőmozgás.

Az első lépés: Az első lépés:

A nukleoszintézis akkor indulhat be, amikor A nukleoszintézis akkor indulhat be, amikor kTkT << 2,2 MeV << 2,2 MeV(kb. 100 másodpercnél) (kb. 100 másodpercnél)

Innentől VERSENYFUTÁS: atommagreakciók, és a Innentől VERSENYFUTÁS: atommagreakciók, és a gyorsan hülő Univerzum között. (1 perctől kb. 10 percig)gyorsan hülő Univerzum között. (1 perctől kb. 10 percig)



2009. április 17. 13/18

Atommag reakciók lánca: Atommag reakciók lánca:

A keletkező deuteronok nem élnek A keletkező deuteronok nem élnek sokáig. A fúzió tovább halad... sokáig. A fúzió tovább halad...

γHnH 31

21

nHeHH 32

21

21

pHHH 31

21

21

nHeHH 42

31

21

pHeHeH 42

32

21

γHepH 42

31

γHepH 32

21

γHenHe 42

32

• erős kölcsönhatású, gyors folya-erős kölcsönhatású, gyors folyamatokkal matokkal

• - bomlással (elektromágneses- bomlással (elektromágneses kölcsönhatással) járó, lassabb kölcsönhatással) járó, lassabb folyamatokkal folyamatokkal



2009. április 17. 14/18

γLipHe 53

42

A lánc azonban megszakad, A lánc azonban megszakad, mert a mert a 44He különösen stabil He különösen stabil

γHenHe 52

42

γLiHHe 73

31

42 Még egy kevés könnyű elem Még egy kevés könnyű elem

(Li, Be) keletkezik... (Li, Be) keletkezik... γBeHeHe 74

32

42

... de ezek fogynak is további ... de ezek fogynak is további reakciókkal. reakciókkal.

pLinBe 73

74

HeHepLi 42

42

74

Mielőtt nehezebb elemek felépülhetnének, a fúziós lánc Mielőtt nehezebb elemek felépülhetnének, a fúziós lánc megszakad. Az Univerzum a fúziós hőmérséklet alá hűl.megszakad. Az Univerzum a fúziós hőmérséklet alá hűl.Lényegében csak He keletkezett, a protonok egy része Lényegében csak He keletkezett, a protonok egy része megmaradt, a maradék neutron elbomlott. megmaradt, a maradék neutron elbomlott.



2009. április 17. 15/18

Az elemek gyakoriságának fejlődése az első Az elemek gyakoriságának fejlődése az első másodpercekben másodpercekben

75% H, 25% He75% H, 25% He

Minden egyéb < 10Minden egyéb < 10-4-4 ! !

(neutronok bomlása)(neutronok bomlása)

Az Univerzumban sehol sem figyeltek meg 23%-nál Az Univerzumban sehol sem figyeltek meg 23%-nál kisebb kisebb 44He gyakoriságot! Ez a „forró” Ősrobbanás He gyakoriságot! Ez a „forró” Ősrobbanás modell nagyon erős igazolása. Deuteron sem keletkezhet modell nagyon erős igazolása. Deuteron sem keletkezhet máshogy (a csillagok csak fogyasztják). máshogy (a csillagok csak fogyasztják).

33H bomlik H bomlik

77Be bomlikBe bomlik

év 33,12felezT

nap 4,53felezT



2009. április 17. 16/18

A neutron milyen tulajdonságai vezettek ide? A neutron milyen tulajdonságai vezettek ide? A neutron tömege > proton tömege + elektron tömegeA neutron tömege > proton tömege + elektron tömege 1,6749543 > 1,6726485 + 0,00091095 (101,6749543 > 1,6726485 + 0,00091095 (10 -27-27 kg) kg)

Mi lenne, ha a neutron 1 ezrelékkel könnyebb lenne?Mi lenne, ha a neutron 1 ezrelékkel könnyebb lenne?

epn nem menne végbe (nincs rá energia), denem menne végbe (nincs rá energia), de

nep végbe menne ! végbe menne ! A protonok fogynának el, és a neutronok száma nőne!A protonok fogynának el, és a neutronok száma nőne!H-atomok sem lennének (proton befogná az elektront). H-atomok sem lennének (proton befogná az elektront). Az Univerzum barionikus anyaga főleg n-ból állna. Az Univerzum barionikus anyaga főleg n-ból állna. Mi lenne, ha a neutron nehezebb lenne?Mi lenne, ha a neutron nehezebb lenne?

epnGyorsabban, rövidebb felezési idővel Gyorsabban, rövidebb felezési idővel menne végbe (nagyobb energiakülönbség)menne végbe (nagyobb energiakülönbség)

kT

cMM pn

e

2 Hamarabb elfogynának a neutronok ! Hamarabb elfogynának a neutronok !

Az Univerzum barionikus anyaga főleg (>90%) p-ból állna.Az Univerzum barionikus anyaga főleg (>90%) p-ból állna.



2009. április 17. 17/18

A neutron az ősrobbanásbeli nukleoszintézis egyik A neutron az ősrobbanásbeli nukleoszintézis egyik kulcsszereplője! kulcsszereplője!

DE! Miért éppen akkora a neutron tömege, mint amekkora?DE! Miért éppen akkora a neutron tömege, mint amekkora? Nyitott kérdés. Talán az Nyitott kérdés. Talán az LHC (CERN) választ tud LHC (CERN) választ tud majd rá adni, ha felfede-majd rá adni, ha felfede-zik a Higgs bozont. zik a Higgs bozont.

Addig is: a jelenlegi Addig is: a jelenlegi modellekkel sok megfi-modellekkel sok megfi-gyelt jelenséget megér-gyelt jelenséget megér-tünk és kvantitatív mó-tünk és kvantitatív mó-don meg tudunk ma-don meg tudunk ma-gyarázni. gyarázni. SŐT! Még a hőm. egyensúly „mögé” is belátunk. SŐT! Még a hőm. egyensúly „mögé” is belátunk.



2009. április 17. 18/18

KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET !FIGYELMÜKET !



2009. április 17. 19/18

Neutron az Ősrobbanásban

Documents

Transcript of Neutron az Ősrobbanásban