KVANT

Nye ⁶⁰Fe-⁶⁰Ni-isotop målinger i meteoritter viser, at asteroider der dannedes mere end 2 millioner år efter Solsystemets opståen indeholdt den kortlivede radioaktive isotop ⁶⁰Fe. Ældre asteroider indeholder derimod ingen spor efter denne isotop som produceres i særlige supernova miljøer. De nye resultater viser, at Solsystemet sandsynligvis dannedes i umiddelbar nærhed af én eller flere meget massive stjerner, muligvis i et miljø meget lig det man finder i Orion- eller Ørnetågerne.

Neutroner er neutrale partikler, som sammen med protoner og elektroner udgør atomernes grundlæggende byggestene. Deres egenskaber gør dem velegnede til undersøgelser af faste stoffers strukturelle og fysiske egenskaber. I denne artikel redegøres for neutroners egenskaber til spredningsforsøg, herunder deres fordele og ulemper i forhold til røntgenspredning. Vi giver en historisk gennemgang af den danske og internationale udvikling som oplæg til de efterfølgende artikler i dette nummer af KVANT.

Mange forskere har i de seneste år undersøgt egenskaber af materialer på nanometer-skala med forskelllige eksperimentelle teknikker. I denne artikel vil vi præsentere nogle af de svar vi har fået ved at "spørge" magnetiske nanopartikler om deres egenskaber med neutronspredning.

Portland cement bruges i vid udstrækning i bygningsindustrien. Cementers egenskaber er stærkt afhængige af detaljer i deres sammensætning og reaktion med vand. I denne artikel beskrives, hvordan neutronspredning er blevet brugt til at belyse nogle problemer af stor teknisk relevans for et produkt, der produceres og benyttes i praksis. Undersøgelserne viser, hvorledes man, ved at kombinere neutron- og røntgen diffraktion og anvende substitution af brint med deuterium, kan bestemme atomernes positioner i dette komplicerede materiale.

Termoelektriske materialer kan konvertere varme til elektrisk strøm uden at forurene. Modsat bevirker en strøm gennem et termoelektrisk modul en nedkøling af modulets ene ende. Modulerne har ingen bevægelige dele, er miniaturiserbare og ekstremt pålidelige i drift. Et kernepunkt i forbedringen af termoelektriske materialer er at minimere varmestrømmen - her kan gæsteatomer i en åben værtstruktur gøre en kæmpe forskel.

Superledning er et fascinerende fænomen, hvor et materiale pludseligt mister al elektrisk modstand. De mest spektakulære materialer er høj-temperatur superlederne, som egentlig burde være magnetiske isolatorer. Tusindvis af forskere har i de seneste to årtier forsøgt at aflure disse stoffer deres hemmelighed, men problemet er stadig langt fra løst. Vi vil her fortælle lidt om, hvad man ved og ikke ved om disse gådefulde materialer; især hvad eksperimenter med neutronspredning kan fortælle om sammenhængen mellem magnetisme og superledning.

De skabninger, der bebor de dybe verdenshave, er væsensforskellige fra dem fiskehandleren sælger. De ekstreme betingelser, der hersker i 10 kilometers dybde kræver andre overlevelsesstrategier, end dem de lettere tilgængelige overfladefisk anvender. Inden for magnetisme kan ekstreme betingelser - nærmere beskrevet nedenfor - tilsvarende give anledning til fænomener, der adskiller sig kraftigt fra den klassiske ferromagnetisme, der blandt andet tillader os at sætte huskesedlen fast på køleskabsdøren. Man taler løst om kvantemagnetisme. I denne artikel vil vi kort introducere nogle af de fisk, man kan fange, hvis man smider fiskesnøren i det kvantemagnetiske hav.

Et fundamentalt spørgsmål er, hvordan periodiske gitre påvirkes af punkt-uorden, og vortexgitteret i superledere er et interessant modelsystem, da gitteret består af rørformede superstrømhvirvler, som man kan ændre tætheden af ved at ændre det påtrykte magnetfelt. Urenheder eller defekter i en superlederkrystal har tendens til at uordne vortexgitteret. Vi vil her illustrere hvordan det medfører forskellige glasfaser, som kan studeres med småvinkelneutronspredning. Fastholdelse af vortexgitteret på defekter har stor teknologisk betydning, da vortexlinier ellers bevæger sig under påvirkning af en strøm og giver anledning til tab, hvormed superlederen får en endelig elektrisk modstand. En teoretisk forudsigelse af, at den spredte neutron intensitet i Bragg glasfasen skal aftage, som en potensfunktion med afvigelsen fra optimal spredningsbetingelse, er blevet bekræftet eksperimentelt.

Polymerer består af lange, kædeformede molekyler opbygget af et stort antal mindre molekyler, monomerer. Polymerer kan fremstilles, så de spontant selv-organiserer i domæner, der danner ordnede krystal-lignende strukturer med gitterlængde i nanometer-området. Småvinkel neutronspredning er blandt de væsentligste teknikker, som anvendes til at studere og forstå disse materialer.

Småvinkelspredning af røntgen- (SAXS) og neutronstråling (SANS) er blandt de væsentligste teknikker til eksperimentelle strukturelle studier af bløde materialer, såsom polymerer, biomolekyler og kolloider. De typiske dimensioner, som kan undersøges med SAXS og SANS er fra 10 til 1000 Å, det vil sige indenfor nanometer skalaområdet. SAXS og SANS kan derimod ikke give information på atomar længdeskala.

Hvis medicin kunne indgives kontrolleret i de organer, hvor der er brug for den, og på en måde så den ikke samtidig bliver spredt ud i de raske organer, ville det være muligt at behandle en lang række sygdomme bedre og med færre bivirkninger. Der eksisterer f.eks. adskillige cellegifte, som har stort potentiale i forhold til kræftbehandling, men som man ikke tør bruge i praksis, fordi de har for store bivirkninger i de raske organer. Der forskes derfor intensivt i såkaldte "drug delivery" systemer. Det ideelle drug delivery system kan for eksempel være en lille kapsel, der holder medicinen indkapslet, så længe kapslen bevæger sig rundt i blodbanerne, og først lukker medicinen ud når den er kommet hen til den del af kroppen, hvor den skal virke. Denne artikel beskriver, hvordan en kombination af neutron- og røntgenstråling kan benyttes, når sådanne partikler skal udvikles.

"Olie er vandafvisende": de farverige overflader på vandpytter, giver synligt bevis for dette dagligdags fænomen. På samme måde kan stråler af neutroner, i stedet for lysstråler, bruges til at undersøge egenskaberne af meget tynde overfladelag. I det følgende vil vi fortælle om princippet ved neutronrefleksioner, og give eksempler på deres anvendelse.

Mit formål med artikelserien om breddeopgaver er - udover at gøre opmærksom på RUCs fysikuddannelse - dobbelt: Dels udvælger jeg opgaverne, så de kan have interesse som fysikproblemer i egen ret. Dels udvælger jeg dem med henblik på at kunne knytte didaktiske overvejelser til dem af interesse for fysikundervisere. I første omgang i forhold til universitetsundervisning. Men i anden omgang kunne der måske også trækkes paralleller til andre undervisningsniveauer.

Fysikkens paradokser har altid tjent som godt pædagogisk hjælpemiddel. De sætter tingene på spidsen og demonstrerer, at der er noget man endnu ikke har forstået. Derved tvinger de en til dybere overvejelser og kan inspire til ny forskning. De følgende eksempler har været brugt i foredrag i UNF.

Grundstoffernes dannelse i den såkaldte kernesyntese er et område af astrofysik som har fejret mange triumfer i sidste århundrede. Man har nu et klart billede af hvor og hvordan hovedparten af de naturlige isotoper skabes. Dog er der nogen meget lidt forekommende protonrige kerner som hidtil har voldt forskerne problemer. Her vil vi beskrive en ny proces, hvor neutrinoer i stjerner faktisk kan forklare forekomsten af nogle af de sjældneste grundstoffer i Naturen.

En gas af atomer, der køles ned til næsten det absolutte nulpunkt opnår helt specielle kvanteegenskaber afhængig af atomernes spin (angulære moment). Atomer med heltalligt spin, såkaldte bosoner, vil ved meget lave temperaturer, typisk nogle få hundrede nanokelvin, smelte sammen til en ny tilstandsform man kalder et Bose-Einstein-Kondensat (BEC). I denne tilstandsform træder atomernes bølgenatur i karakter og giver forskere helt nye værktøjer til studier af kvantefænomener relateret til mange forskellige grene af fysikken.

Fra den yngre stenalder findes der ofte lerkar med brændte madrester i udgravninger i Danmark og det nordlige Tyskland. Når man vil datere dem med kulstof-14 metoden, er der en mulig fejlkilde. Fisk, som kommer fra en å med hårdt vand, indeholder "gammelt" kulstof, så man får en forkert, for høj alder ved dateringen af fisken. Det samme problem kan opstå ved dateringen af madskorper på lerkar, hvis fisk har været kogt i dem. Jeg kigger nærmere på fastbrændingsprocessen og prøver at finde ud af, om den ældste keramik fra Schleswig-Holstein virkelig er så gammel.

Udmåling af geometrier og dimensioner i nanometerskala er ikke noget nyt for det danske nationale metrologiinstitut Dansk Fundamental Metrologi (DFM). Størrelser som liniebredde, stephøjde og gitterperioder måles med et metrologisk Atomic Force Mikroskop med nanometer nøjagtighed. Nu er der kommet et nyt Optisk Diffraktions Mikroskop ind i instrumentparken, udviklet og patenteret på DFM. Takket være dens optiske arbejdsmåde kan man også udmåle strukturer som er indlejret i for eksempel et beskyttelseslag.

De mest præcise målinger i fysikken laves i dag ved hjælp af atomure, hvor man kan undersøge atomers energistruktur i et meget kontrolleret miljø. De bedste af disse ure har i dag en nøjagtighed på 16 betydende cifre eller bedre, hvilket svarer til et ur der taber et sekund på omkring 300 millioner år. Igennem fysikkens historie har præcise målinger af atomer været vigtige for udviklingen af nye teorier og test af de eksisterende. Et klassisk eksempel er målinger af brints energistruktur og deres betydning for Bohrs udvikling af sin atommodel. I denne artikel vil vi beskrive hvordan atomure virker ved at fokusere på nogen af de tekniske fremskridt der er sket de sidste 10-20 år i dette felt. Desuden vil vi med nogle eksempler illustrere hvilke muligheder atomures utrolige nøjagtighed giver.

Farvestofsolcellen, kendt som Dye-sensitized Solar Cell, DSC, er en relativ ny type solcelle, der kan fremstilles af billige materialer, og som på nuværende tidspunkt yder en effektivitet på 11 % i laboratorieforsøg [1]. Farvestof solcellen blev udviklet af B. O'Reagan og M. Grätzel og blev beskrevet for første gang i 1991 i tidsskriftet Nature [2]. Siden da har adskillige forskere og udviklere arbejdet intenst for at opnå en dybdegående forståelse af virkemåden af denne moderne solcelle. I denne artikel skal vi se lidt på hvad farvestofsolceller kan bruges til, og vi skal se på hvordan man kan modellere solceller ved ækvivalente elektriske kredsløb.

Det tidlige univers bestod, indtil omkring en milliontedel sekund efter Big Bang, af en blanding af de partikler vi i dag anser for fundamentale: kvarkerne, og leptonerne og de kraftformidlende partikler, gluoner, fotoner, W- og Z-bosoner og gravitoner (disse sidste er dog endnu ikke påvist eksperimentelt). Omkring dette tidspunkt var Universets tæthed og temperatur faldet så meget, at de letteste kvarker kunne bindes i baryonerne tre ad gangen, og derved danne f.eks. protoner og neutroner. Siden det første mikrosekund har kvarkerne været gemt væk i kernepartiklerne.

Mørk energi er en af den moderne fysiks største mysterier. Ved at accelerere Universets udvidelse, bestemmer det Universets skæbne. Alligevel har vi ingen idé om dets natur eller identitet.

Det engelske fysiktidsskrift Philosophical Magazine indeholdt i maj 1911 en artikel om spredning af alfa- og betapartikler, hvori Rutherford argumenterede for en ny opfattelse af atomets struktur. Hans påvisning af atomkernen for 100 år siden er en milepæl i fysikkens historie, også selv om den ikke straks vakte interesse. Dette skyldtes især at elektronsystemet var uden for teoriens rækkevidde, hvorfor dens forklaringskraft var meget begrænset. Men i løbet af et par år blev der rådet bod herpå, nemlig da Rutherfords kerneatom blev til Bohr-Rutherford-atommodellen.

European Spallation Source (ESS) bliver en fælles-Europæisk forskningsfacilitet til undersøgelse af materialer ved hjælp af spredning af langsomme neutroner. Den vil blive meget (10-100 gange) mere effektiv end tilsvarende anlæg i Europa, Japan (J-PARC) og USA (SNS). Den vil derfor blive verdens førende neutronfacilitet, som kan ventes brugt af 2000-4000 forskere hvert år inden for mange discipliner af teknik og naturvidenskab. En tegning af ESS faciliteten er vist på Figur 1.

Vi vil skitsere nogle principper og resultater i et omfattende projekt, der prøver at undersøge sammenhænge mellem muligheden for liv, som vi kender det, og fysikkens naturlove, som vi kan forestille os dem.

I 2012 blev nobelprisen i fysik givet for eksperimenter på enkelte atomer og fotoner. Eksperimenterne har bekræftet kvantemekanikkens helt basale forudsigelser om, hvad der sker, når man f.eks. måler på et kvantesystem. I denne artikel beskriver vi nogle af disse eksperimenter, som Niels Bohr og kredsen af fysikere bag den kvantemekaniske revolution i perioden 1900-1930 kun kunne have drømt om.

De fleste er klar over, at guld er ædelt, og nogle er måske også klar over at dette skyldes at guldoverflader ikke indgår i kemiske reaktioner med molekyler fra luften. I denne artikel undersøger vi de kvantemekaniske årsager til dette fænomen. Det viser sig, at metallers kvantemekaniske egenskaber er utroligt svære at udregne i praksis, og derfor må vi bruge både den snedige beregningsmetode 'tæthedsfunktionalteori' (DFT) og supercomputere for at nå frem til en konklusion. partikler.

Niels Bohr spillede en afgørende rolle i etableringen af Atomenergikommissionen og Forskningscenter Risø. I et hektisk forløb fra efteråret 1954 til december 1955 blev der skabt politisk opbakning til dannelsen af en atomenergikommission med Niels Bohr som formand og til opførelsen af Forskningscenter Risø med tre forskningsreaktorer. En sammenligning med tilblivelsen af nyere forskningsfaciliteter som ESRF og ESS viser, at nutidens beslutningstagere kunne lære af den omhu, hast og effektivitet, hvormed Niels Bohr og hans samtidige byggede Risø.

2013 markerer 100 års jubileum for Niels Bohrs kvanteteori for atomet. I denne artikkelen følger vi Bohr fra han reiser til Cambridge for å studere metallenes elektronteori under ledelse av Thomson til han i mars 1913 sender første kapittel av trilogien ''On the Constitution of Atoms and Molecules'' til Rutherford for gjennomlesning. Denne artikkelen er tidligere publisert i det norske tidsskrift Fra Fysikkens Verden nr. 2, 2013.

Da Niels Bohr indsendte sin historiske artikel til Philosophical Magazine i 1913 var det ikke almindeligt med anonyme bedømmelser ligesom i dag. Artiklens to forfattere har med 100 års forsinkelse læst artiklen grundigt og gennemgået Bohrs argumentation kritisk.

Man kommer ikke uden om den romerske digter Lukrets' læredigt 'Om verdens natur', hvis man ønsker en sammenhængende gennemgang af antikkens atomteori og det materialistiske livssyn som filosoffen Epikur afledte heraf. Her behandles mange aspekter af menneskelivet, bl.a. at mennesket ikke behøver at frygte guderne eller døden.

Hvis man i dag googler ordet 'atom' under kategorien billeder, vil langt størstedelen af illustrationerne vise atomet bestående af en atomkerne omkredset af elektroner i faste baner. Modellen bliver kaldt den planetariske atommodel, fordi den gengiver atomet som et lille planetsystem med en stjerne (atomkernen) i midten og en række planeter (elektronerne), der kredser omkring stjernen i faste baner. Modellen er i dag så udbredt på nettet og i lærebøger, at den bliver taget for givet. Selv om den siden udviklingen af kvantemekanikken fra 1926 og fremefter har vist sig at være et fejlagtigt billede af atomet, har den også vist sig at være særdeles levedygtig. Modellens populære levedygtighed overstiger langt dens videnskabelige anvendelighed.

Et eksempel på ingeniørarbejdet bag sikkerhedssystemer i Large Hadron Collider (LHC) forklares; et feasibility study om måling af abort gap intensiteten med diamantdetektorer vha. interaktioner mellem neon og protonerne i LHC.

Elektronmikroskoper har hidtil været udstyr primært forbeholdt forskere. Det er slut nu. Nu får gymnasieklasser og studerende nemlig mulighed for at lave eksperimentelle øvelser med elektronmikroskoper i undervisningslaboratoriet 'Nanoteket' på DTU Fysik.

Nobelprisen i fysik 2014 blev givet for opfindelsen af en ny energieffektiv og miljøvenlig lyskilde - den blå lysdiode. De tre japanere Isamu Akasaki, Hiroshi Amano og Shuji Nakamura belønnes for deres forskningsmæssige gennembrud, i starten af 1990'erne, et gennembrud der muliggør det lysteknologiske paradigmeskifte, som vi, i disse år drager nytte af. LED er baseret på den blå lysdiode, og allerede nu ser vi at LED-belysning vinder hastigt frem i boligen, på kontoret og i udendørsbelysningen. LED bliver den altdominerende lysteknologi i fremtiden, og i denne artikel beskrives teknologien bag de blå lysdioder, og hvordan nobelprisvindernes forskning har revolutioneret lysvidenskaben.

Ved Large Hadron Collider på CERN er en måned om året afsat til et tungionsprogram, hvor man kolliderer store atomkerner. Målet for dette program er, at studere kvark-gluon plasma (forkortet 'QGP' efter ''Quark Gluon Plasma''), en makroskopisk ny tilstand for kvarker med stærke kollektive egenskaber. I det tidlige univers, få mikrosekunder efter Big Bang, indtraf en faseovergang, hvor kvarkerne gik fra at udgøre et QGP til at blive indespærret i protoner og neutroner (se KVANT nr. 4, 2010). Det er denne oprindelige QGP-fase vi genskaber i laboratoriet og som har vist sig at have mange overraskende egenskaber, bl.a. at den opfører sig som den mest perfekte væske vi kender til.

Absorberet dosis målt i gray er udgangspunktet for at gennemføre en optimal strålebehandling af kræftpatienter. Denne artikel redegør kort for det fysiske grundlag for sådanne målinger samt for forskning og udvikling på en nyt laboratorium for medicinsk dosimetri, som DTU Nutech har oprettet på DTU’s Risø campus ved Roskilde.

I nuklearmedicin anvendes radioaktivt mærkede sporstoffer som administreres til patienten typisk via indsprøjtning i blodåre, alternativt oralt eller via inhalation. Et sporstof, på engelsk kaldet tracer, er i nuklearmedicinsk sammenhæng et radioaktivt nuklid (atomkerne) eller et radioaktivt mærket molekyle der anvendes i så små mængder, at den proces man ønsker at følge/belyse, ikke påvirkes. Grundlæggende udnytter man, at radioaktive og stabile isotoper af samme grundstof har identiske kemiske egenskaber, hvilket muliggør at man, ved at spore radioaktiviteten, kan følge kemiske processer i kroppen. Da man registrerer signaler fra enkeltatomer, kan følsomheden blive meget høj, og de stofmængder og koncentrationer der kan følges, tilsvarende små (pmol).

Dansk Center for Partikelterapi (DCPT) er under etablering ved universitetshospitalet i Aarhus med det formål at kunne tilbyde danske patienter kræftbehandling med protonbestråling. I denne artikel introduceres lidt af den fysik, som gør strålebehandling med partikler attraktivt - men som også gør det til en teknologisk udfordrende disciplin.

Set med et menneskes forholdsvis begrænsede tidshorisont vil de fleste nok opfatte Jorden og resten af Solsystemet som evige og uforanderlige. Trods denne tilsyneladende uforanderlighed er vi vant til, at alting har en begyndelse og en afslutning, og vi har derfor spekuleret over hvordan verden opstod, lige så længe som vi har været intelligente nok til at fundere over andet end at overleve og føre slægten videre. De fleste religioner har derfor en skabelsesberetning, der vidner om vores higen efter svar på det nok største spørgsmål, vi kan stille: Hvorfor er vi her?. Det er den samme higen efter svar der driver forskerne, og vi er nu kommet så langt, at vi, i store træk, kan beskrive den serie af begivenheder, der begyndte med Big Bang og ultimativt endte med at mennesket havde udviklet sig til en niveau, hvor vi kan begynde at rekonstruere vores egen forhistorie.

Energiproduktion fra fusion i et kraftværk vil potentielt give en energikilde, som er ren, bæredygtig og sikker. Det er imidlertid endnu ikke lykkedes at producere mere energi fra fusion, end hvad systemet har skullet have tilført for at opretholde fusionsprocessen. En af de essentielle parametre for realisering af fusion som energikilde er en bedre forståelse af transportprocesserne på kanten af fusionsplasmaet, herunder plasmaets interaktion med elektrisk neutrale atomer og molekyler.

Saltsmeltereaktoren er en radikalt anderledes type kernekraftreaktor, der blev opfundet og udviklet ved Oak Ridge National Laboratory i 1960'erne. Saltsmeltereaktorer har fået øget opmærksomhed det sidste årti, blandt andet grundet muligheden for effektiv thoriumbaseret brændselsavling, samt øget sikkerhed sammenlignet med traditionelle reaktordesigns og langt billigere konstruktion og operation. Saltsmeltereaktorer har sit brændsel som kemisk stabile salte, der cirkuleres rundt i reaktoren ved rødglødende temperaturer, godt over saltenes smeltepunkt. Udover effektiv strømgeneration åbner disse temperaturer op for en bred vifte af implementeringer. Denne artikel forsøger at give et indblik i, hvorfor thorium i saltsmeltereaktorer er en attraktiv teknologi for udnyttelse af fissionsenergi.

Med den nært forestående kommissionering af Dansk Center for Partikelterapi ved Aarhus Universitetshospital, planlagt til oktober 2018, er det relevant med en simpel, men alligevel stort set retvisende, gennemgang af den såkaldte Bragg-kurve og dens top. Som yderligere motivation til en sådan gennemgang er et emne med arbejdstitlen ''Medicinsk fysik'' for tiden under overvejelse til brug for ''fysik i det 21. århundrede'' i gymnasieskolen fra 2018. I denne artikel gives en analytisk tilgang til energitabskurven for protoner op til deres endelige rækkevidde. Formålet er at give en kortfattet og overskuelig gennemgang af en tung, elektrisk ladet partikels indtrængning i stof med særlig vægt på aspekter relevante for partikelterapi.

Målingen af myonens anomale magnetiske moment er en af de mest nøjagtige målinger, der er udført i naturvidenskaben. Ved at måle frekvensen af oscillationer i retningen af spin for myoner i en lagerring, er det muligt at bestemme det magnetiske moment med en relativ nøjagtighed på mere end en hundredetusinddels promille. Denne måling kan sammenlignes med teoretiske beregninger baseret på kvantefeltteori og standardmodellen. Denne sammenligning udgør den bedste test, vi har på nogen fysisk teori. Men de mest nøjagtige målinger afviger fra de teoretiske beregninger med ca. tre standardafvigelser. Dette opfattes af mange fysikere som bevis på, at der eksisterer ny ukendt fysik hinsides standardmodellen. For at afgøre om afvigelsen er en statistisk tilfældighed eller en reel effekt, er hele eksperimentet flyttet til Fermilab, hvor målingerne vil blive gentaget med fire gange større nøjagtighed.

De opfindelser, som fik årets Nobelpris i Fysik, har revolutioneret anvendelser af laseren. Ikke bare fysik, men også kemi, biologi og medicin har fået præcisionsinstrumenter, som har været revolutionerende for vores forståelse af livets fundamentale byggesten og har haft vigtige praktiske anvendelser.

Hvordan laver man en laser, der er så kraftig, at intet kendt materiale kan overleve at blive ramt af lyset? Og som samtidig laver så korte lysglimt, at det bliver muligt at fastfryse elektroners bevægelse rundt om atomer? Årets Nobelpris i Fysik blev givet for den opfindelse, der gør alt dette muligt. Læs med, og få indblik i femtosekundverdenen.