1. Bouw van de materie

 

Aristoteles dacht nog dat alles opgebouwd zou zijn uit de 4 elementen aarde, water, lucht en vuur. Pas toen men in ging zien dat alle materie opgebouwd is uit ondeelbare deeltjes (atomen) of verbindingen daarvan (moleculen), kwam er schot in het wetenschappelijk onderzoek. Rond 1900 veronderstelde men dat een atoom uit een positief geladen kern bestond met daaromheen een ijle wolk van negatief geladen elektronen. Enige decennia later was de theorie dat een atoomkern uit 2 soorten bouwstenen bestond: positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Er zouden dus 3 elementaire deeltjes zijn: elektron (negatief geladen), proton (positief geladen) en neutron (ongeladen).

Daarna ontdekte men gaandeweg meer andere deeltjes: positron (positief geladen elektron), neutrino, quarks, antideeltjes, enz. Dit was met name te danken aan de vele botsingsexperimenten die men uitvoerde in steeds grotere deeltjesversnellers.

In totaal zijn 12 elementaire deeltjes en 12 antideeltjes bekend.

 

2. De 4 fundamentele krachten

 

Voorwerpen – en dus ook deeltjes – oefenen krachten op elkaar uit. Er zijn 4 fundamentele krachten bekend:

• de zwaartekracht (gravitatie),
• de elektromagnetische kracht,
• de sterke kernkracht,
• de zwakke kernkracht.

Men stelt zich voor dat voorwerpen krachten op elkaar uitoefenen door het uitwisselen van deeltjes. Na het midden van de vorige eeuw werden deze wisselwerkingsdeeltjes ook daadwerkelijk meer en meer ontdekt.

 

De snaartheorie is een poging om de 4 fundamentele krachten te verenigen tot één theorie.

 

1 en 2 samen worden het Standaard Model van de natuurkunde genoemd.

 

3. De chemische elementen (atoomsoorten)

 

Het atoomnummer van een chemisch element is het aantal protonen in de atoomkern.

Tot nu toe zijn 118 verschillende elementen bekend, met atoomnummers 1 t/m 118.

Het element waterstof (H) heeft atoomnummer 1.

Het element helium (He) heeft atoomnummer 2.

De elementen met atoomnummers 1 t/m 94 komen voor in de natuur (maar sommige zeer schaars). 84 van deze elementen komen al sinds het begin van de aarde voor.

De elementen met atoomnummers 95 t/m 118 komen enkel in gesynthetiseerde vorm in laboratoria voor.

Per element kunnen meerdere aantallen neutronen in de atoomkern voorkomen. De varianten heten dan isotopen.

Voorbeeld:

Het atoom koolstof (C) heeft 6 protonen (dus atoomnummer 6) en meestal ook 6 neutronen in de kern, een zeer klein percentage heeft 7 neutronen (C-13) en een nog kleiner percentage heeft 8 neutronen (C-14).

 

Geschat wordt dat er hooguit zo’n 200 verschillende elementen bestaan.

 

4. Ontstaan der elementen

 

Het heelal is ca. 13,7 miljard jaar geleden ontstaan. Naar men aanneemt, in de vorm van een oerknal, in een puntvormig begin met oneindige dichtheid van de materie en oneindige temperatuur.

Tijdens de eerste minuten ontstonden elementaire deeltjes en daaruit elementen met lichte atoomkernen zoals waterstof en helium. Vervolgens ontstond de eerste generatie sterren. In deze sterren vond onder enorme druk en hoge temperatuur verdere kernfusie tot zwaardere elementen plaats.

 

5. Van oerknal naar complexiteit

 

Het begon dus allemaal eenvoudig, althans zo lijkt het. Met de oerknal. In woorden is het snel gezegd, maar ons voorstellingsvermogen laat ons hierbij direct al in de steek. Nog sterker: ons brein dringt ons ook de vraag op wat er dan wel voor de oerknal was.

Maar goed, op grond van deze theorie over het ontstaan van het heelal is het kosmologisch onderzoek in de afgelopen jaren enthousiast en energiek opgepakt. Met als resultante: bevestigingen van (delen van) de theorie, ook ontdekkingen die strijdig zijn met delen van de theorie, vervolgens weer bijstellingen van de theorie, spectaculaire vondsten van al verwachte deeltjes of van nieuwe deeltjes, ontstaan van nieuwe vragen en dilemma’s, regelmatig behoefte aan nieuwe experimentele opstellingen (die extreem duur zijn), enz.

Hoe dan ook, hoewel we steeds meer te weten komen, blijft de complexiteit toch ook toenemen. Niet alleen de complexiteit van de theorie, maar ook de complexiteit van vervolgonderzoek.

 

We kunnen ons afvragen waar dit zal eindigen. Of zal het wellicht nooit eindigen? Is het mogelijk dat we hier te maken hebben met een ontrafelingsproces dat steeds opnieuw weer nog fijnere structuren achter de al gevonden structuur blootlegt?

 

Hoe gigantisch groot de complexiteit is wordt nog duidelijker als we kort ingaan op de modernste inzichten m.b.t. het totale aantal elementaire deeltjes.
Naast elektronen, protonen en neutronen bestaan er nog veel meer deeltjes. De meeste daarvan leven minder dan een miljoenste seconde.

De kerndeeltjes proton (pos. geladen) en neutron (ongeladen) zijn opgebouwd uit quarks.

Proton uit 2 up-quarks en 1 down-quark.

Neutron uit 1 up-quark en 2 down-quarks.

Het elektron (neg. geladen) is niet opgebouwd uit nog kleinere deeltjes.

Naast de 3 deeltjes bestaat er nog een deeltje, het neutrino.

Het neutrino heeft bijna geen massa, speelt een belangrijke rol bij radioactiviteit en kan dwars door de aarde heen vliegen (spookdeeltje).

Elektron en neutrino heten samen leptonen.

Up-quark, down-quark, elektron en neutrino hebben ieder nog 2 copieën.

Er zijn dus in totaal 12 elementaire deeltjes: 6 quarks en 6 leptomen.