Kategori: The light side

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina Grundämnen – Lithium

Litium är ett grundämne som skapades vid Big Bang och som inte kan bildas genom fusions-processer i stjärnor. Detta delar litium med beryllium och bor. Men genom att tyngre atomkärnor kan splittras eller spalleras av högenergi gamma elller partiklar så har det skapats litium efter Big Bang. Detta förklarar även varför litium är relativt lite förkommande i universum.

Litium är en alkali-metall och som sådan reaktiv, men det är långt i från lika reaktivt som natrium eller rubidium. Men metallen som är ganska mjuk måste förvaras i olja för att inte oxideras. Problemet är att litium har en densitet som är hälften av vatten (den flyter i vatten) vilket gör att den även måste hållas under ytan även i olja.

Mina erfarenheter av litium är i samband med charge-exchange, dvs soom ett medel att tillföra elektroner till positiva joner, genom att låta dessa passera genom en litium-gas. Det vill säga en cell som håller ca 400 grader celsius. Detta var den metod som brukas när jag jobbade vid University of Birmingham. I samband med flytten av utrustning till finland från Daresbury acceleratorn så hade dessa testats för radioaktivitet (under bakgrundssgrålningen) så var ganska mycket kontaminerat med LiO och LiOH, som HMS där inte visste hur de skulle hantera. Dock öppnade HMS-ansvarig kemilabbet och försvann varvid jag och en kollega spolade av utrustningen med varmt vatten tills allt skölts bort. egentligen olagligt med det är preskriberat nu.

Det inträffade dock en incident i Finland, när det behödes fyllas på med litium. Cellen var fortfarande varm när litiumet las in. Varvid det började brinna i cellen. Det enklaste var att kyla och få bort oxygen så det var bara att ta flytande nitrogen och skvätta på medan vakuum kammaren gjordes klar och en fortfarande glödande cell sattes på och trycket sänktes snabbt när pumparna gick igång. Det var på ett sätt inte det bästa sättet, så jag konstruerade en kammare där cellen kunde stoppas ner i flytande nitrogen om detta hände igen. Vad jag vet behövde den aldrig brukas….

Kategorier
Fysik Kemi The light side

Mina grundämnen: Nihonium

Grundämne 113 som syntetiserades på RIKEN 2004. Det rapporterades först från Dubna, men det japanska ansågs ha dokumenterat det bättre.
Jag har själv inte jobbat med det, men var på RIKEN i Wako-shi i slutet av 1990-talet och kände många av de som jobbade på projektet som syntetiserade Nihonium. (som Morita-sama)

Det har dock en ganska kul koppling för mig. Jag bodde i en lägenhet inte långt från järnvägsstationen i Wako-shi och gick varje dag till RIKEN. I samband med 50 års jubileet till RIKEN i Wako-shi, markerade man det genom att skapa en «väg» från järnvägsstationen och döpte den till Nihonium street. ( https://itaintmagic.riken.jp/whats-up-with-us/nihonium-street/ ). Till stora delar samma väg som jag gick till RIKEN på.
Jag hittade en video på YouTube där en person går från stationen till RIKEN längs Nihonium street. Så jag kunde över 20 år efter jag bodde där uppleva vägen igen. Det har skett mycket, huset där jag bodde är borta men jag mindes många av de hus, grönområden och broar som syns i videon ( https://www.youtube.com/watch?v=PYTZZ0E4jF8&vl=en-US ). Från det jag minns så startade min väg 4 minuter in i videon.

Så på det sättet kan jag säga att nihonium är ett av mina grundämnen.

Kategorier
Experiment Fysik Historia Kemi The light side

Mina Grundämnen – Helium

Helium är det näst vanligaste grundämnet i universum. Trots det är det inte så vanligt på jorden, utan kan klassas som utrotningshotat (se: https://www.ntnu.no/blogger/fysikkforfakirer/2018/02/02/utrotningshotade-grundamnen/ ). Men detta beror främst på svårigheter att utvinna helium. Dock är det så att de tyngre grundämnena i jordens inre konstant genererar helium genom alfa-sönderfall.

Helium är ett grundämne som man observerade på solen(därav namnet, Helium efter Helios solguden i grekisk mytologi) innan man fick fram det på jorden. Solförmörkelsen 1868 gjorde att många observerade den gula He-linjen i coronan, Det är dock Janssen som fått äran, ibland med Lockyer som föreslog att det var ett nytt grundämne. De första som isolerade helium på jorden var Cleve och Langlet 1895.

Det främsta vetenskapliga bruket av helium är för att kyla ner supraledare, och det finns många artiklar som tar upp cryogenetiska användelser och studier av helium vid låga temperaturer. Jag har inte jobbat med flytande helium men har arbetat med det på andra sätt.

Helium spektret är ett av de experiment som jag fick göra som student och senare som handledare. Det intressanta med det spektret är att det är två spektra i ett. Singlett-He och Triplett-He, Parahelium och Ortohelium. Något som borde göra det enkelt att lösa, men så är inte fallet. Det går att göra grova beräkningar för att få fram energinivåerna, med systemet är ett tre-kroppa problem utan analytsika lösningar så olika approximationsmetoder måste användas. Men mina erfarenheter med detta visade sig komma till nytta på ett oväntat ställe.

Efter att jag försvarat min avhandling fick jag jobb vid University of Birmingham, UK, där ett experiment med laserspektroskopi på radioaktiva isotoper skulle flyttas till Finland. Vid den tiden var varma jonkällor vid acceleratorer i bruk på den flesta ställen. Men i Jyväskylä använde man sig av en gas-jet (He)(IGISOL) där producerade isotoper stoppades och tog åt sig elektroner i gasen, så att sedan skjutas ut i en gas-jet. Jeten som man får (om tryckskillnaden är stor nog) är supersonisk, dvs de enskilda atomerna är kall (låg spridning i hastighet) i alla fall om man har en fri expansion. Då var det många som sa att det inte skulle vara möjligt att få en smal hastighetetsfördelning som möjliggjorde laserspektroskopi. Det fanns studier som antydde att så var fallet.

Dock hade man i dessa studier använt elektriska fält (runt 500 V/cm) i expansionsvolumen. Då alla atomer rör sig med ungefär samma hastighet där så kommer ett fält att accelerera ev. joner (som skall studeras) och de kommer då att kollidera med långsammare He-atomer och tappa fart, vilket i sin tur ger en ökad hastighetsspridning. Lösningen var att minska fält-styrkan för att undvika detta.

Men det fanns ett problem till, med gas-jet, den är inte speciellt effektiv så allt som stoppas kan inte utnyttjas utan det kan sluta som atomer eller dubbelladdade joner. Här kommer heliums energinivåer in. Grundtillståndet ligger på runt -24eV, vilket gör att allt som stoppas i gasen borde sluta som dubbelladdade joner. Men det sker inte, något som man kan tro beror på föroreningar i gasen. För mycket och man tappar alla joner. Men Helium har två system Triplett-He som är metastabilt har en «jonisationsenergi» runt 4,7 eV. Men denna energinivå tillsäger att man bara får atomer. Så det handlar om en balansgång. Problemet är att man inte vet om det finns Triplett-He i gasen, det borde men vad jag vet så är det inte bekräftat än. Det finns två sätt, 1) obsertvera ljus får gas-kammaren och se efter triplett linjer eller 2) under exteremt rena förhållanden se efter en jon med massa 8, He-molekyl jonen. Även om Helium är en ädelgas så kan den bilda molekyler men då måste en eller båda av atomerna vara i triplett-tillståndet.

Så helium är ett av de grundämnen som jag har ett speciellt förhållande till.

Kategorier
Experiment Fysik Historia Kemi The light side Uncategorized

Mina grundämnen-Väte/hydrogen

Väte är det lättaste grundämnet och består i sin enklaste form av en proton och en elektron. Det förekommer i tre olika isoptoper som har fått egna namn, Deuterium och Tritium (efter 2 och 3). Namnet Väte fick det då Ekeberg(1795) inte hittade ett bättre svenskt namn för hydrogenium (vattenbildare) som är det engelska namnet, Wasserstoff på tyska. Så på ett sätt är det en slump att Svenska (och Finska, Vety) avviker till viss del från andra språk.

Väte är det vanligaste grundämnet i universum och kan observeras på himlen, både med optiska teleskop (Balmer alfa- linjen i rött) och med radioteleskop (7 cm linjen).

Som atomfysiker är väte-spektret en av de första som man träffar på. Det är relativt enkelt att både studera och analysera. Samtidigt så används vätets olika spektrallinjer inom ex. astrofysiken. Men samtidigt är väte intressant för olika typer av precisionsmätningar. Att mäta vätespektret med hög precision var under min studietid något som genomfördes på de främsta laboratorierna. Och nya mer precisa värden av ex. Rydbergskonstanten kom med jämna mellanrum allt medan nya spektroskopska tekniker utvecklades. Även idag så finns ett stort intresse men då när det gäller mätningar på Anti-väte (en antiproton och positron) för att se om det finns någong skillnad mellan materia och anti-materia.

För min del så var vätespektret en av laboration som jag handledde som doktorand under flera år vid CTH. Den utrustning som vi hade där (en prisma spektrometer) hade inte den bästa upplösningen, men det finns idag relativt billiga spektrometrar där det är möjligt att se isotopskiftet mellan väte och deuterium.

Men det är inte bara inom atomfysik man kan utnyttja väte. Deuterium och protoner är ganska bra projektiler i kärnfysik experiment. I tillägg kan man detektera väte med radioteleskop, vilka idag är tillgängliga för amatörer. Så det finns en ganska stor potential i undervisningen.

Även om jag inte direkt jobbat med väte i forskningen, så är det ett grundämne som är där och som vi fortfarande utforskat fullt ut. Man har kanske observerat metallist väte nu. Men det behöver bekräftas, så historien är inte slut än.

Kategorier
Experiment Fysik Historia Kemi The light side

«Mina» grundämnen!

I samband med periodesystemets år 2019, finner man olika typer av aktiviteter och artiklar om olika grundämnen. I Sverige har man tilldelat de olika universiteten olika grundämnen som de är faddrar för. I tillägg had det gjorts ett försök med Landskapsgrundämnen för att få upp kemiintresset.

Då jag varit aktiv inom både atom- och kärnfysik som forskare och genom detta kommit i kontakt med olika grundämnen, kan det vara naturligt(?) att skriva om mina erfarenheter med just dessa grundämnen. En del har jag bara(?) behandlat teoretiskt medan andra har haft en mer praktiskt betydelse, som material i utrustning eller som grundämne som jag deltagit i studier av. Totalt rör det sig om ett 30-tal grundämnen som jag haft kontakt med både bildligt och bokstavligen. Jag kommer att behandla grundämnena i olika inlägg och ska försöka begränsa mig till ett grundämne åt gången, men i vissa fall kan man behandla flera på en gång.

Kategorier
Fysik Physics jokes The light side

Does Santa Claus exist?

This is an very old text I wrote on Santa Claus, I think it is still readable..

Every year you get the same question from children, students and friends. Does Santa Claus exist?

Some people claim that there is no such figure; our image of the obese red-suited gentleman on a sleigh pulled by a number of reindeers is a creation of our own imagination. As “proof” for his non-existence they present a number of scientific facts!

Here I present one of the most important arguments for his non-existence.

The number of children (defined as a person under 18 years of age) on earth is about 2 billion. Even a reduction, since «only» Christians celebrate Christmas, to about 400 million children makes the task of delivering presents to each, overwhelming with about 130 million households (with 3 children on average) to visit during 31 hours. (from 6:00 pm Christmas eve to 6:00 am on Christmas day, taking into account time zones and assuming he travels from east to west). This implies that he have to visit about 1000 homes per second. During a millisecond, he must land the sleigh, locate the right presents, bring them and himself into the house, find the stockings and the tree, put the presents in place, go back to the sleigh and then to the next house. He is also supposed to have a small snack, for example cookies and milk, before leaving. Assuming a distance of 30 m, on average, between houses, he will cover a distance of about 3.9 million km in 31 hours (note that the real time of transportation is less as shown above) leading to an average speed of about 31 km/s. This speed will give rise to a tremendous air resistance, which will cause the reindeers to burst into flames. The process of roasting will start with a glowing red nose on Rudolph, before they all go up in flames. If we also take the number of presents into account, assuming that each child will get one present with a weight of 500 g, we find that the payload of the sleigh is about 200 million kg, which will give it a kinetic energy of 1.8 1017 J. This will not be possible for eight or nine reindeers, so he would probably need over 1 million thus increasing the payload further. And with this most people are satisfied in effectively killed the Santa myth. Oh ye little faithful.

But the arguments for the non-existence of Santa Claus are all based on Classical Physics. This flaw led me to believe that they, like Lord Kelvin, who had showed that the Earth couldn’t be billion of years old, had missed something. In this case Quantum Mechanics turned out to be a deus ex machina.

The question whether Santa Claus exists is similar to Schrödinger’s Cat or Wigner’s Friend. That is, Santa Claus must be a quantum mechanical entity on a macroscopic scale.

If we take a look on Santa’s characteristics, we find some evidence for his quantum character:

He knows when you have been good or been bad, therefore he must, in some way, be everywhere at any given moment in time!

And he can distribute Christmas gifts to 400 million children all over earth in just 31 hours. The reason must be that he spreads out over the world in a complex wave-function, thus being effectively in many places at once.

Oddly enough, this seems to have been known by parents a long time. Were you not told that if you stay up trying to see Santa, you wouldn’t get any presents? If Santa is observed, his wave-function collapses into the well known obese red-suited gentleman on a sleigh pulled by reindeer, and this stops him doing his job properly, and quite possibly annoys him, and all those who will not get their gifts, a great deal.

The presents that he distributes must also be of quantum mechanical character, but this doesn’t matter, because when you observe them, their wave-function collapse as well, enabling you to unwrap them and collapse their wave-functions further into one of those things you put on your wishing list or one of these thing that you didn’t want for Christmas. The great thing about this system is that you are guaranteed a surprise, because you never know precisely what the present is until you have unwrapped it. Which is exactly how it should be?

This explanation also eliminates the need for Santa to have reindeers or additional helpers, which should leave them to the things they prefer to do during Christmas.

There are other faithful gentlemen around the world working on the existence of Santa Claus.

We have the teleportation theory which explains how Santa can teleport himself with ease. One problem with this theory is time, the delivery must be done in one millisecond.

There also exists a String Claus theory, where Santa Claus is an 11 dimensional entity who moves in all dimensions without problems. However this theory has not been able to show any connection with the observed facts about Santa Claus yet.

So you see Santa Claus do exist, as a quantum mechanical entity. With this proof I am sure that I have saved Christmas for millions of children around the world, and hope that I will get some sort of gratitude from them. One penny each will be just fine, please send them to NTNU who will forward them to finance my project in building a Santa Claus detector. Don’t worry I will have it shut down during Christmas, as I do not want to ruin my chance to receive the Nobel Prize, when Santa is experimentally verified.