Natuurkunde in Groningen

Onderwerp: Ioniserende straling, radioactiviteit, Modelleren, Quantumwereld, Trilling en golf

Ga jij natuurkunde studeren in Groningen? In Groningen zijn op de RUG dagelijks een groot aantal onderzoekgroepen bezig met onderzoek...

In Groningen zijn op de RUG dagelijks een groot aantal onderzoekgroepen bezig met onderzoek. Hieronder zullen de volgende groepen wat beter worden bekeken:

-Centrum voor Theoretische Natuurkunde (CTN)
-Materials Science Centre (MSC)
-Het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI)
-Het Kapteyn instituut ( sterrenkunde )

Dit is slechts een kleine greep uit de diverse onderzoekgroepen. Het zal duidelijk worden dat er qua natuurkunde genoeg te beleven valt in Groningen.

Het CTN

Op het CTN wordt in de groep "Computational Phsyics" geprobeerd om met modellen fysische systemen na te bootsen. Er wordt bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar het idee "quantumcomputer". Het blijkt dat op erg klein niveau de opvatting over bits niet meer helemaal zo eenduidig is. Op lengteschalen die tegenwoordig in computers wordt gebruikt heeft een bit de waarde 0 of 1. Maar als de onderdelen nog een stuk kleiner worden gemaakt, wordt het gedrag van de bit bepaald door de quantummechanica. Deze zegt, dat de toestand van een bit een mengelmoes is van 0 en 1! Dit resulteert in een erg hoge rekensnelheid. Het daadwerkelijke bouwen van zo'n computer kent echter nog veel technische problemen.

Bekijk het artikel Quantumcomputers.

De eerder beschreven mengelmoes van toestanden wordt het duidelijkst zichtbaar door middel van het beroemde 2-spleten experiment. Hiervan heeft de onderzoeksgroep ook simulatiefilmpjes gemaakt.

Een simulatie van het 2 spletenexperiment, dit experiment is ook vrij eenvoudig in het echt uit te voeren. Vraag je docent erna als je die uitdaging wilt aangaan. (Kristel Michielsen and Hans De Raedt)

Over de theorie achter dit experiment kun je ook meer in bovenstaand artikel lezen (tip).

Hoge Energie Fysica

Een andere groep is de Hoge Energie Fysica-groep. Deze houdt zich bezig met de veelbesproken snaartheorie, en met een uitbreiding van snaren naar branen.

In de snaartheorie worden deeltjes voorgesteld zoals een snaar (string in het Engels) kan trillen. Zulke snaren kunnen open (boven, losse uiteinden) of gesloten zijn.

Lees het artikel Snaartheorie, de ultieme theorie?

Om hier actief te zijn, is een liefde voor wiskunde wel nodig, en ook het gebrek aan experimenten moet op de koop toe worden genomen. De wereldwijde aandacht en de bizarre consequenties van de theorie maken het desondanks een heel spannend onderzoeksgebied. De komst van de nieuwe supercomputer, die overigens de snelste van Europa is, is natuurlijk een hele prettige hulp bij het doorrekenen van theoretische modellen. De computer heeft een rekensnelheid van 27,5 teraflop per seconde, waarbij een teraflop voor een biljoen berekeningen per seconde staat. Hiermee kan de computer 768 gigabit aan informatie per seconde verwerken. Deze computer wordt ook gebruikt in het LOFAR-project, wat straks nog ter sprake komt. Nu wordt er eerst gekeken naar de volgende onderzoekgroep van de RUG: het Materials Science Centre.

Het Materials Science Centre (MSC)

Op het Materials Science Centre wordt er gekeken naar de relatie tussen de microstructuur en de fysische eigenschappen van materialen op verschillende lengteschalen. Voorbeelden van zulke fysische eigenschappen zijn de stroomgeleiding en de sterkte van het materiaal. Deze zullen afhangen van de atoomstructuur, de bindingen tussen de moleculen onderling, de aanwezige atoomsoorten etcetera. Voor dergelijk onderzoek wordt gebruik gemaakt van elektronenmicroscopen met een erg hoge resolutie.

Figuur 1: Een transmissie elektronen microscoop met op de achtergrond Frits Zernike, die de Nobelprijs kreeg voor de ontwikkeling van de fase contrast microscoop. Het complex waar onder andere de natuurkunde- en sterrenkunde faculteit staan in Groningen is naar hem vernoemd.

Een voorbeeld van onderzoek op het MSC is het onderzoek naar de verspreiding van energie in zogenaamde "fotonische kristallen". Deze verspreiding zal afhangen van de brekingsindex van het materiaal. In sommige materiaalsoorten is deze brekingsindex niet constant in het materiaal, maar verandert ze periodiek met de plaats in het materiaal. Bij bepaalde kristalstructuren kan dit het gevolg hebben dat bepaalde golflengtes niet worden toegelaten. Dit worden dan "photonic gaps" genoemd. Een soortgelijk verschijnsel treedt op met elektronen in halfgeleiders, wat bepaalt of een materiaal een geleider, een halfgeleider of een isolator is. De dispersie van een materiaal, die vertelt hoe de breking afhangt van de golflengte, kan dan in de aanwezigheid van photonic gaps niet meer eenvoudig worden beschreven. Het MSC heeft hier modellen van opgesteld.

Natuurlijk gebeurt er nog veel meer op het MSC, maar de echte actie speelt zich daar af, waar er met deeltjes wordt geschoten: op het KVI.

Het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI)

Het KVI is de deeltjesversneller in Groningen.

Figuur 2: Het KVI, waar de deeltjesversneller van de RUG staat.

Hier wordt druk geexperimenteerd. Bij de vakgroep zijn ze nu bezig met het zogenaamde "Alcatraz-experiment". Het doel hiervan is de detectie van Ca-41. Ca-41 komt in het menselijk lichaam bijna niet voor: de relatieve aanwezigheid is circa 10-14. Het is dus heel aantrekkelijk om dit isotoop als tracer te gebruiken in biomedisch onderzoek.

In het kort worden de Calcium-atomen in een sample afgeremd met behulp van een laser. Vervolgens wordt er 1 enkel isotoop afgebogen met behulp van een andere laser met een erg nauwkeurige golflengte. Dit isotoop wordt dan in een zogenaamde Magneto Optical Trap geleidt, waar met behulp van lasers de atomen op hun plaats worden gehouden. Tenslotte wordt het wolkje atomen met een camera gefotografeerd, en kan de hoeveelheid atomen worden vastgesteld. Een afbeelding van zo'n wolkje ingevangen calcium atomen zie je in figuur 3.

Figuur 3: ingevangen calcium atomen.

Een andere onderzoekgroep die zich op het KVI huisvest, is de groep "Nucleaire Geofysica". Hier is men voornamelijk bezig met ontwikkelingen en toepassingen wat betreft de detectie van radioactiviteit. De onderzoekgroep is net na het incident in Tsjernobyl opgezet. Een voorbeeldje van een onderzoek wat er nu loopt is hoe men zo effectief mogelijk de kosmische achtergrondstraling uit detectoren kan filteren. Deze achtergrondstraling belemmert de minimale hoeveelheid straling die significant gemeten kan worden. Een ander voorbeeldje is onderzoek naar effectievere apparatuur voor de detectie van explosieven.

Figuur 4: de AGOR, de gebruikte cyclotron op het KVI.

De cyclotron die op het KVI staat is het resultaat van een internationale samenwerking. Ze is gebouwd in Frankrijk, en gaat dan ook door het leven als "AGOR": Accelerateur Groningen-Orsay. Ze is 3,6 meter hoog, de diameter is 4 meter, en ze weegt 400 ton! De zogenaamde "bending limit" is 600 MeV. Deze limiet drukt de sterkte van het magnetische veld uit in de cyclotron. De maximale kinetische energie van de deeltjes wordt begrensd door de maximale stroom die er door de spoelen kan gaan.

Bekijk eens de themapagina Kernfysica/radioactiviteit.

De laatste onderzoekgroep die wordt bekeken, is de groep die zich met de sterrenkunde bezighoudt: het Kapteyn instituut.

Het Kapteyn instituut

Hier wordt al het sterrenkundig onderzoek van de RUG gedaan. Het instituut is vernoemd naar Jacobus Cornelius Kapteyn (1851-1922), die in 1872 hoogleraar astronomie en theoretische mechanica werd in Groningen. Onderzoeksonderwerpen waar je bij het Kapteyn Instituut aan moet denken zijn evolutie van sterrenstelsels, interstellaire materie, het universum op grote schaal en instrumentatie. De RUG heeft als telescoop onder andere de "Westerbork Synthesis Radio Telescope", kortweg WRST, tot haar beschikking. Deze bestaat uit 14 schotelvormige antennes, elk met een diameter van 25 meter. De informatie uit deze schotels wordt gebundeld, en op deze manier wordt er 1 grote telescoop nagebootst.

Figuur 5:Enkele LOFAR antennes.

Het WRST doet ook mee met het LOFAR (Low Frequency Arry) project. LOFAR bestaat uit 25000 antennes, die zijn opgesteld in Friesland, Groningen, Drenthe, Overijssel, Gelderland en verder Duitsland in. Hiermee is het de grootste radiotelescoop ter wereld in dit frequentiegebied! De nieuwe computer, die al in het begin van dit artikel is aangestipt, wordt gebruikt om alle berekeningen door te voeren. LOFAR wordt echter niet alleen voor sterrenkundig onderzoek gebruikt; ze wordt ook nog gebruikt om de ondergrond in kaart te brengen, en ze houdt de omstandigheden op de verschillende landbouwpercelen in de gaten.

Ter afsluiting worden er nog een paar links gegeven, voor de mensen die nieuwsgierig zijn geworden. Hopelijk is het duidelijk geworden dat Groningen qua natuurkunde/sterrenkunde erg aantrekkelijk is, en dat Groningen de beta-student genoeg te bieden heeft!

Links

Bronvermelding afbeeldingen:

Roel Andringa

Kijk ook eens op:
ScienceSpace ScienceSpace.nl Exact wat je zoekt ExactWatJeZoekt.nl

Cookie-instellingen

Deze website maakt gebruik van functionele en analytische cookies, die noodzakelijk zijn om deze site zo goed mogelijk te laten functioneren. Hieronder kan je aangeven welke andere soorten cookies je wilt accepteren.