Lekcija br. 67.

Tema lekcije: Problemi elementarnih čestica

Ciljevi lekcije:

Obrazovni: upoznati učenike s pojmom elementarne čestice, s klasifikacijom elementarnih čestica, generalizirati i učvrstiti znanja o temeljnim vrstama međudjelovanja, formirati znanstveni svjetonazor.

Obrazovni: formirati kognitivni interes za fiziku, usađivanje ljubavi i poštovanja prema dostignućima znanosti.

Obrazovni: razvoj znatiželje, sposobnosti analize, samostalnog zaključivanja, razvoj govora i mišljenja.

Oprema: interaktivna ploča (ili projektor s platnom).

Vrsta lekcije: učenje novog gradiva.

Vrsta lekcije: predavanje

Tijekom nastave:

Organizacijska faza

Proučavanje nove teme.

U prirodi postoje 4 vrste temeljnih (osnovnih) interakcija: gravitacijska, elektromagnetska, jaka i slaba. Prema suvremenim idejama, interakcija između tijela odvija se kroz polja koja okružuju ta tijela. Samo polje u kvantnoj teoriji shvaćeno je kao zbirka kvanta. Svaka vrsta interakcije ima svoje nositelje interakcije i svodi se na apsorpciju i emisiju odgovarajućih kvanta svjetlosti od strane čestica.

Interakcije mogu biti dugotrajne (manifestiraju se na vrlo velikim udaljenostima) i kratkodometne (manifestiraju se na vrlo malim udaljenostima).

Gravitacijska interakcija događa se razmjenom gravitona. Nisu eksperimentalno otkriveni. Prema zakonu koji je 1687. godine otkrio veliki engleski znanstvenik Isaac Newton, sva se tijela, bez obzira na oblik i veličinu, međusobno privlače silom izravno proporcionalnom njihovoj masi i obrnuto proporcionalnom kvadratu udaljenosti između njih. Gravitacijska interakcija uvijek dovodi do privlačenja tijela.

Elektromagnetsko međudjelovanje je dugodometno. Za razliku od gravitacijske interakcije, elektromagnetska interakcija može rezultirati i privlačenjem i odbijanjem. Nositelji elektromagnetskog međudjelovanja su kvanti elektromagnetskog polja – fotoni. Kao rezultat izmjene ovih čestica dolazi do elektromagnetske interakcije između nabijenih tijela.

Jaka interakcija je najjača od svih interakcija. Kratkog je dometa, odgovarajuće sile vrlo brzo opadaju kako se udaljenost između njih povećava. Polumjer djelovanja nuklearnih sila je 10 -13 cm

Slaba interakcija javlja se na vrlo malim udaljenostima. Domet djelovanja je otprilike 1000 puta manji od nuklearnih sila.

Otkriće radioaktivnosti i rezultati Rutherfordovih pokusa uvjerljivo su pokazali da su atomi sastavljeni od čestica. Utvrđeno je da se sastoje od elektrona, protona i neutrona. Isprva su se čestice od kojih su građeni atomi smatrale nedjeljivima. Zato su ih nazvali elementarnim česticama. Ideja o "jednostavnoj" strukturi svijeta uništena je kada je 1932. godine otkrivena antičestica elektrona - čestica koja je imala istu masu kao elektron, ali se od njega razlikovala po predznaku električnog naboja. Ova pozitivno nabijena čestica nazvana je pozitron... prema modernim konceptima, svaka čestica ima antičesticu. Čestica i antičestica imaju istu masu, ali suprotne predznake svih naboja. Ako se antičestica podudara sa samom česticom, tada se takve čestice nazivaju istinski neutralnim, njihov naboj je 0. Na primjer, foton. Kada se čestica i antičestica sudare, one anihiliraju, odnosno nestaju, pretvarajući se u druge čestice (često su te čestice foton).

Sve elementarne čestice (koje se ne mogu podijeliti na komponente) dijele se u 2 skupine: fundamentalne (čestice bez strukture, sve se fundamentalne čestice u ovoj fazi razvoja fizike smatraju besstrukturnim, odnosno ne sastoje se od drugih čestica) i hadroni ( čestice složene strukture).

Fundamentalne se čestice pak dijele na leptone, kvarkove i nositelje interakcija. Hadroni se dijele na barione i mezone. Leptoni uključuju elektron, pozitron, mion, taon i tri vrste neutrina.

Kvarkovi su čestice koje čine sve hadrone. Sudjelujte u snažnim interakcijama.

Prema suvremenim konceptima, svaka od interakcija nastaje kao rezultat razmjene čestica, koje se nazivaju nositelji te interakcije: foton (čestica koja nosi elektromagnetsku interakciju), osam gluona (čestice koje nose snažnu interakciju), tri posredna vektorski bozoni W + , W− i Z 0, nosilac slabe interakcije, graviton (nositelj gravitacijske interakcije). Postojanje gravitona još nije eksperimentalno dokazano.

Hadroni sudjeluju u svim vrstama fundamentalnih interakcija. Sastoje se od kvarkova i dijele se, pak, na: barione, koji se sastoje od tri kvarka, i mezone, koji se sastoje od dva kvarka, od kojih je jedan antikvark.

Najjača interakcija je interakcija između kvarkova. Proton se sastoji od 2 u kvarka, jednog d kvarka, neutron se sastoji od jednog u kvarka i 2 d kvarka. Ispostavilo se da na vrlo malim udaljenostima niti jedan od kvarkova ne primjećuje svoje susjede, te se ponašaju kao slobodne čestice koje ne djeluju jedna na drugu. Kada se kvarkovi udalje jedan od drugoga, između njih nastaje privlačnost koja se povećava s povećanjem udaljenosti. Razdvajanje hadrona u pojedinačne izolirane kvarkove zahtijevalo bi mnogo energije. Budući da takve energije nema, kvarkovi se ispostavljaju kao vječni zatvorenici i zauvijek ostaju zaključani unutar hadrona. Gluonsko polje drži kvarkove unutar hadrona.

III. Konsolidacija

Opcija 1.

opcija 2.

3.. Koliko dugo živi neutron izvan atomske jezgre? A. 12 min B. 15 min

Sažetak lekcije. Tijekom sata upoznali smo se s česticama mikrosvijeta i saznali koje se čestice nazivaju elementarnim.

D/z§ 9.3

Ime čestice Masa (u elektronskim masama) Električno punjenje Životno vrijeme (s) Antičestica Stabilan Neutrinski elektron Stabilan Neutrino mion Stabilan Elektron Stabilan Pi mezoni ≈ 10 –10 –10 –8 Eta-nul-mezon Stabilan Lambda hiperon Sigma hiperoni Xi-hiperoni Omega-minus-hiperon

III. Konsolidacija

Navedite glavne interakcije koje postoje u prirodi

Koja je razlika između čestice i antičestice? Što imaju zajedničko?

Koje čestice sudjeluju u gravitacijskim, elektromagnetskim, jakim i slabim međudjelovanjima?

Opcija 1.

1. Jedno od svojstava elementarnih čestica je sposobnost……… A. da se pretvaraju jedna u drugu B. da se spontano mijenjaju

2. Čestice koje mogu postojati u slobodnom stanju neograničeno vrijeme nazivamo..... A. nestabilne B. stabilne.

3. Koja je čestica stabilna? A. proton B. mezon

4. Dugoživuća čestica. A. neutrino B. neutron

5. Neutrini nastaju kao rezultat raspada..... A. elektrona B. neutrona

opcija 2.

Koji je glavni čimbenik postojanja elementarnih čestica?

A. njihovo međusobno prožimanje B. njihova međusobna preobrazba.

2. Koja od elementarnih čestica nije izolirana u slobodnu česticu. A. pion B. kvarkovi

3. Koliko dugo živi neutron izvan atomske jezgre? A. 12 min B. 15 min

Koja čestica nije stabilna? A. foton B. lepton

Postoje li nepromjenjive čestice u prirodi? A. da B. ne

Aristotel je vjerovao da se materija u Svemiru sastoji od četiri osnovna elementa - zemlje, zraka, vatre i vode, na koje djeluju dvije sile: sila teže, koja privlači zemlju i vodu, i sila lakoće, pod utjecajem od kojih vatra i zrak teže prema gore. Ovakav pristup strukturi Svemira, kada se sve dijeli na materiju i sile, traje do danas.

Prema Aristotelu, materija je kontinuirana, odnosno svaki komad materije može se beskonačno drobiti u sve manje i manje komadiće, nikad ne dosegnuvši tako sićušno zrnce koje se više ne bi dijelilo. Međutim, neki drugi grčki filozofi, poput Demokrita, bili su mišljenja da je materija zrnaste prirode i da se sve na svijetu sastoji od velikog broja različitih atoma (grčka riječ "atom" znači nedjeljiv). Stoljeća su prošla, ali se spor nastavio bez ikakvih pravih dokaza koji bi potvrdili ispravnost jedne ili druge strane. Konačno, 1803. godine engleski kemičar i fizičar John Dalton pokazao je da se činjenica da se kemijske tvari uvijek spajaju u određenim omjerima može objasniti pretpostavkom da su atomi spojeni u skupine koje se nazivaju molekule. Međutim, sve do početka našeg stoljeća, spor između dviju škola nikada nije riješen u korist atomista. Einstein je dao vrlo važan doprinos rješavanju ovog spora. U radu napisanom 1905., nekoliko tjedana prije svog slavnog rada o posebnoj teoriji relativnosti, Einstein je istaknuo da se fenomen koji se naziva Brownovo gibanje - nepravilno, kaotično kretanje sićušnih čestica suspendiranih u vodi - može objasniti udarcima atoma tekućine o ove čestice.

U to vrijeme već je postojao neki razlog za mišljenje da atomi također nisu nedjeljivi. Nekoliko godina ranije, J. J. Thomson s Trinity Collegea u Cambridgeu otkrio je novu česticu materije, elektron, čija je masa bila manja od jedne tisućinke mase najlakšeg atoma. Thomsonov eksperimentalni postav bio je poput moderne televizijske slikovne cijevi. Kao izvor elektrona poslužila je užarena metalna nit. Budući da su elektroni negativno nabijeni, ubrzani su u električnom polju i krenuli prema ekranu prekrivenom slojem fosfora. Kada su elektroni udarili u ekran, na njemu su se pojavili bljeskovi svjetla. Uskoro je postalo jasno da ti elektroni moraju izletjeti iz atoma, a 1911. engleski fizičar Ernst Rutherford konačno je dokazao da atomi materije zapravo imaju unutarnju strukturu: sastoje se od sićušne pozitivno nabijene jezgre i elektrona koji rotiraju oko nje. Rutherford je došao do ovog zaključka proučavajući kako se alfa čestice (pozitivno nabijene čestice koje emitiraju radioaktivni atomi) skreću kada se sudare s atomima.

U početku se smatralo da se jezgra atoma sastoji od elektrona i pozitivno nabijenih čestica koje su nazivali protoni (od grčke riječi "protos" - primarni), jer su protoni smatrani temeljnim blokovima od kojih se sastoji materija. . Međutim, 1932. godine James Chadwick, Rutherfordov kolega sa Sveučilišta u Cambridgeu, otkrio je da u jezgri postoje i druge čestice - neutroni, čija je masa gotovo jednaka masi protona, ali koji nisu nabijeni. Za ovo otkriće Chadwick je dobio Nobelovu nagradu i izabran je za voditelja koledža Conville and Caius na Sveučilištu Cambridge (koledž na kojem sada radim). Tada je morao odustati od ovog mjesta zbog neslaganja sa zaposlenicima. Fakultet je bio predmet stalnih žučnih sporova jer je nakon rata skupina mladih povratnika glasala protiv zadržavanja starog osoblja na pozicijama koje su već godinama obnašali. Sve se to dogodilo prije mene; Počeo sam raditi na koledžu 1965. i vidio sam kraj borbe kada je drugi šef koledža, nobelovac Neville Mott, također bio prisiljen dati ostavku.

Prije samo dvadesetak godina protoni i neutroni smatrani su "elementarnim" česticama, no eksperimenti o interakciji protona i elektrona koji se kreću velikim brzinama s protonima pokazali su da se zapravo protoni sastoje od još manjih čestica. Murray Gell-Mann, teoretičar s Kalifornijskog instituta za tehnologiju, nazvao je te čestice kvarkovima. Godine 1969. Gell-Mann je dobio Nobelovu nagradu za svoje istraživanje kvarkova. Naziv "kvark" preuzet je iz pametne poezije Jamesa Joycea: "Tri kvarka za majstora Marka!" Riječ quark trebala bi se izgovarati kao quart, s t na kraju zamijenjenim s k, ali obično se izgovara tako da se rimuje s lark.

Poznato je nekoliko varijanti kvarkova: vjeruje se da postoji najmanje šest "okusa", koji odgovaraju u-kvarku, d-kvarku, čudnom kvarku, šarm kvarku, b-kvarku i t-kvarku. Kvark svakog "okusa" također može biti tri "boje" - crvena, zelena i plava. (Treba naglasiti da su ovo samo oznake, budući da je veličina kvarkova mnogo manja od valne duljine vidljive svjetlosti i stoga nemaju boju u uobičajenom smislu riječi. Stvar je jednostavno u tome da moderni fizičari vole dolaziti s nazivima za nove čestice i fenomene, bez daljnjeg ograničavanja njihove fantazije u grčkom alfabetu). Proton i neutron sastoje se od tri kvarka različitih "boja". Proton sadrži dva u-kvarka i jedan d-kvark, neutron sadrži dva d-kvarka i jedan u-kvark. Čestice se mogu graditi od drugih kvarkova (strange, charm, b i t), ali svi ti kvarkovi imaju puno veću masu i vrlo brzo se raspadaju na protone i neutrone.

Već znamo da niti atomi niti protoni i neutroni unutar atoma nisu nedjeljivi, pa se postavlja pitanje što su to prave elementarne čestice - te početne cigle od kojih se sve sastoji? Budući da su valne duljine svjetlosti znatno veće od veličine atoma, nemamo nade "vidjeti" sastavne dijelove atoma na uobičajeni način. U tu svrhu potrebne su mnogo kraće valne duljine. U prethodnom poglavlju naučili smo da su, prema kvantnoj mehanici, sve čestice zapravo valovi, a što je veća energija čestice, to je manja odgovarajuća valna duljina. Dakle, naš odgovor na ovo pitanje ovisi o tome kolika je energija čestica kojima raspolažemo, jer ona određuje koliko je malo mjerilo duljina koje možemo promatrati. Jedinice u kojima se obično mjeri energija čestica nazivaju se elektronvolti. (Thomson je u svojim pokusima koristio električno polje za ubrzavanje elektrona. Elektronvolt je energija koju elektron dobiva u električnom polju od 1 volta). U 19. stoljeću, kada su mogli koristiti samo čestice s energijama od nekoliko elektron volti koje se oslobađaju u kemijskim reakcijama poput izgaranja, atome su smatrali najmanjim dijelovima materije. U Rutherfordovim eksperimentima energija alfa čestica iznosila je milijune elektron volti. Zatim smo naučili pomoću elektromagnetskih polja ubrzavati čestice, najprije do energija od milijuna, a potom i do tisuća milijuna elektronvolti. Tako smo saznali da su čestice za koje se prije dvadeset godina mislilo da su elementarne zapravo sastavljene od manjih čestica. Što ako se tijekom prijelaza na još više energije pokaže da se te manje čestice pak sastoje od još manjih? Naravno, ovo je sasvim vjerojatna situacija, ali sada imamo neke teoretske razloge vjerovati da već imamo, ili gotovo imamo, podatke o početnim “ciglama” od kojih je sve u prirodi izgrađeno.

Sve što postoji u Svemiru, uključujući svjetlost i gravitaciju, može se opisati na temelju ideje o česticama, uzimajući u obzir dualizam čestica-val o kojem smo govorili u prethodnom poglavlju. Čestice imaju određenu rotacijsku karakteristiku – spin.

Zamislimo čestice u obliku malih vrhova koje se okreću oko svoje osi. Istina, takva slika može zavarati, jer u kvantnoj mehanici čestice nemaju točno definiranu os rotacije. Zapravo, spin čestice nam govori kako ta čestica izgleda kada se promatra iz različitih kutova. Čestica sa spinom 0 je kao točka: izgleda isto sa svih strana (slika 5.1, I). Čestica sa spinom 1 može se usporediti sa strelicom: izgleda drugačije s različitih strana (slika 5.1, II) i poprima isti oblik tek nakon pune rotacije od 360 stupnjeva. Čestica sa spinom 2 može se usporediti sa strelicom zaoštrenom s obje strane: svaki njen položaj se ponavlja nakon poluokreta (180 stupnjeva). Isto tako, čestica s višim spinom vraća se u svoje izvorno stanje kada se okrene za još manji dio pune rotacije. Sve je to sasvim očito, ali ono što iznenađuje jest da postoje čestice koje nakon pune rotacije ne poprimaju svoj prijašnji oblik: potrebno ih je potpuno rotirati dva puta! Za takve se čestice kaže da imaju spin 1/2.

Sve poznate čestice u Svemiru mogu se podijeliti u dvije skupine: čestice sa spinom 1/2, od kojih se sastoji materija u Svemiru, i čestice sa spinom 0, 1 i 2, koje, kao što ćemo vidjeti, stvaraju sile koje djeluju između čestice materije. Čestice materije poštuju takozvano Paulijevo načelo isključenja, koje je 1925. godine otkrio austrijski fizičar Wolfgang Pauli. Godine 1945. Pauli je za svoje otkriće dobio Nobelovu nagradu. Bio je idealan primjer teorijskog fizičara: kažu da je samo njegovo prisustvo u gradu poremetilo tijek svih eksperimenata! Paulijevo načelo kaže da dvije identične čestice ne mogu postojati u istom stanju, odnosno ne mogu imati iste koordinate i brzine s točnošću određenom načelom neodređenosti. Paulijevo načelo iznimno je važno jer je omogućilo objašnjenje zašto se pod utjecajem sila koje stvaraju čestice sa spinom 0, 1, 2 čestice materije ne kolabiraju u stanje vrlo velike gustoće: ako čestice materija ima vrlo bliske vrijednosti koordinata, tada njihove brzine moraju biti različite, pa stoga neće moći dugo ostati u točkama s tim koordinatama. Da Paulijev princip nije sudjelovao u stvaranju svijeta, kvarkovi se ne bi mogli spajati u pojedinačne, točno definirane čestice – protone i neutrone, koji se pak ne bi mogli spajati s elektronima u pojedinačne, točno definirane atome. Bez Paulijevog principa sve bi se te čestice urušile i pretvorile u više-manje homogen i gust "žele".

Nije bilo pravilnog razumijevanja elektrona i drugih čestica spina 1/2 sve do 1928., kada je Paul Dirac predložio teoriju za opisivanje tih čestica. Nakon toga, Dirac je dobio katedru matematike na Cambridgeu (koju je nekoć držao Newton, a ja sada držim). Diracova teorija bila je prva teorija te vrste koja je bila u skladu i s kvantnom mehanikom i s posebnom teorijom relativnosti. Dalo je matematičko objašnjenje zašto je spin elektrona jednak 1/2, tj. zašto elektron kada se jednom okrene ne poprimi svoj prethodni oblik, ali kada se okrene dva puta, poprima. Diracova teorija također je predviđala da bi elektron trebao imati partnera - antielektron, ili, drugim riječima, pozitron. Otkriće pozitrona 1932. potvrdilo je Diracovu teoriju, a 1933. dobio je Nobelovu nagradu za fiziku. Sada znamo da svaka čestica ima antičesticu s kojom može anihilirati. (U slučaju čestica koje ostvaruju interakciju, čestica i antičestica su jedno te isto). Mogle bi postojati cijele antiriječi i antiljudi koji se sastoje od antičestica. Ali ako sretnete anti-ja, nemojte ni pomišljati da se rukujete s njim! Doći će do zasljepljujućeg bljeska svjetla i oboje ćete nestati. Iznimno važno pitanje je zašto oko nas ima toliko više čestica nego antičestica. Vratit ćemo se tome kasnije u ovom poglavlju.

U kvantnoj mehanici pretpostavlja se da sve sile ili međudjelovanja između čestica materije nose čestice s cijelim spinom 0, 1 ili 2. Čestica materije, poput elektrona ili kvarka, emitira česticu koja nosi Snaga. Uslijed trzaja mijenja se brzina čestice tvari. Tada se čestica nosač sudara s drugom česticom tvari i ona je apsorbira. Ovaj sraz mijenja brzinu druge čestice, kao da sila djeluje između dviju čestica materije.

Čestice nositelji interakcije imaju jedno važno svojstvo: ne poštuju Paulijevo načelo isključenja. To znači da nema ograničenja u broju razmijenjenih čestica, pa rezultirajuća sila interakcije može biti velika. Ali ako je masa čestica nosača velika, tada će na velikim udaljenostima njihovo stvaranje i izmjena biti otežani. Stoga će sile koje nose biti kratkog dometa. Ako čestice nositeljice nemaju vlastitu masu, javit će se dalekometne sile. Čestice nositelji koje se izmjenjuju između čestica materije nazivaju se virtualnim jer se, za razliku od stvarnih, ne mogu izravno detektirati pomoću detektora čestica. Međutim, znamo da virtualne čestice postoje jer stvaraju mjerljive učinke: virtualne čestice stvaraju sile između čestica materije. Pod određenim uvjetima, čestice sa spinovima 0, 1, 2 također postoje kao prave; tada se mogu izravno registrirati. Sa stajališta klasične fizike, takve čestice nam se javljaju u obliku valova, recimo svjetlosnih ili gravitacijskih. Ponekad se emitiraju tijekom međudjelovanja čestica tvari, što nastaje zbog izmjene čestica nositelja međudjelovanja. (Na primjer, električna sila međusobnog odbijanja između dva elektrona proizlazi iz razmjene virtualnih fotona, koji se ne mogu izravno detektirati. Ali ako elektroni lete jedan pored drugog, mogu se emitirati stvarni fotoni, koji će se detektirati kao svjetlosni valovi. )

Čestice nositelji mogu se podijeliti u četiri tipa ovisno o veličini interakcije koju nose i s kojim česticama stupaju u interakciju. Naglašavamo da je takva podjela potpuno umjetna; Ovo je shema zgodna za razvijanje pojedinih teorija; vjerojatno u njoj nema ničeg ozbiljnijeg. Većina fizičara se nada da će na kraju biti moguće stvoriti jedinstvenu teoriju u kojoj bi sve četiri sile bile varijacije iste sile. Mnogi to čak vide i kao glavni cilj moderne fizike. Nedavno su pokušaji ujedinjenja triju sila okrunjeni uspjehom. O njima ću više govoriti u ovom poglavlju. O tome kako stoje stvari s uključivanjem gravitacije u takvo ujedinjenje govorit ćemo nešto kasnije.

Dakle, prva vrsta sile je gravitacijska sila. Gravitacijske sile su univerzalne. To znači da je svaka čestica pod utjecajem gravitacijske sile, čija veličina ovisi o masi ili energiji čestice. Gravitacija je mnogo slabija od svake od preostale tri sile. To je vrlo slaba sila koju uopće ne bismo primijetili da nema dva njena specifična svojstva: gravitacijske sile djeluju na velikim udaljenostima i uvijek su privlačne sile. Posljedično, vrlo slabe gravitacijske sile međudjelovanja između pojedinačnih čestica u dva velika tijela, kao što su Zemlja i Sunce, mogu se zbrajati u vrlo veliku silu. Ostale tri vrste interakcije djeluju samo na malim udaljenostima ili su odbojne ili privlačne, što općenito dovodi do kompenzacije. U kvantnomehaničkom pristupu gravitacijskom polju, smatra se da gravitacijsku silu između dviju čestica materije prenosi čestica spina 2 koja se naziva graviton. Graviton nema vlastitu masu, pa je sila koju nosi dalekometna. Gravitacijska interakcija između Sunca i Zemlje objašnjava se činjenicom da čestice koje čine Zemlju i Sunce izmjenjuju gravitone. Unatoč tome što u razmjeni sudjeluju samo virtualne čestice, učinak koji stvaraju svakako je mjerljiv, jer je taj učinak rotacija Zemlje oko Sunca! Pravi gravitoni šire se u obliku valova, koji se u klasičnoj fizici nazivaju gravitacijskim valovima, ali su vrlo slabi i toliko ih je teško registrirati da to još nitko nije uspio.

Sljedeću vrstu interakcije stvaraju elektromagnetske sile koje djeluju između električki nabijenih čestica, poput elektrona i kvarkova, ali nisu odgovorne za interakciju nenabijenih čestica poput gravitona. Elektromagnetske interakcije mnogo su jače od gravitacijskih: elektromagnetska sila koja djeluje između dva elektrona je oko milijun milijuna milijuna milijuna milijuna milijuna milijuna (jedan iza kojeg slijede četrdeset i dvije nule) puta veća od gravitacijske sile. Ali postoje dvije vrste električnog naboja - pozitivan i negativan. Između dva pozitivna naboja, kao i između dva negativna naboja, postoji odbojna sila, a između pozitivnog i negativnog naboja postoji privlačna sila. U velikim tijelima, kao što su Zemlja ili Sunce, sadržaj pozitivnih i negativnih naboja je gotovo jednak, pa se stoga sile privlačenja i odbijanja gotovo međusobno poništavaju, te ostaje vrlo malo čiste elektromagnetske sile. Međutim, na maloj razini atoma i molekula dominiraju elektromagnetske sile. Zbog elektromagnetskog privlačenja između negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih protona u jezgri, elektroni u atomu rotiraju oko jezgre na točno isti način na koji gravitacijsko privlačenje uzrokuje rotaciju Zemlje oko Sunca. Elektromagnetsko privlačenje opisuje se kao rezultat razmjene velikog broja virtualnih bezmasenih čestica spina 1 koje se nazivaju fotoni. Kao i kod gravitona, fotoni koji provode razmjenu su virtualni, no kada elektron prijeđe iz jedne dopuštene orbite u drugu, koja se nalazi bliže jezgri, dolazi do oslobađanja energije i kao rezultat toga emitira se pravi foton, koji na odgovarajućoj valnoj duljini , može se promatrati ljudskim okom kao vidljiva svjetlost ili pomoću neke vrste detektora fotona, poput fotografskog filma. Slično, kada se pravi foton sudari s atomom, elektron se može kretati iz jedne orbite u drugu, udaljeniju od jezgre. Taj se prijelaz događa zahvaljujući energiji fotona koju apsorbira atom. Treći tip interakcije naziva se slaba interakcija. Odgovoran je za radioaktivnost i postoji između svih čestica materije sa spinom 1/2, ali u njemu ne sudjeluju čestice sa spinom 0, 1, 2 - fotoni i gravitoni. Prije 1967. svojstva slabih sila bila su slabo shvaćena, a 1967. Abdus Salam, teoretičar s Imperial Collegea u Londonu, i Steven Weinberg sa Sveučilišta Harvard istodobno su predložili teoriju koja je kombinirala slabu silu s elektromagnetskom silom na isti način kao sto godina ranije Maxwell je spojio elektricitet i magnetizam. Weinberg i Salam su predložili da osim fotona, postoje još tri čestice spina 1, zajednički nazvani teški vektorski bozoni, koji nose slabu silu. Ti su bozoni označeni kao W+, W– i Z0, a svaki je imao masu od 100 GeV (GeV označava gigaelektronvolt, tj. tisuću milijuna elektronvolta). Weinberg-Salamova teorija ima svojstvo takozvanog spontanog narušavanja simetrije. To znači da se čestice koje su potpuno različite pri niskim energijama ispostavljaju zapravo iste čestice pri visokim energijama, ali u različitim stanjima. To je na neki način slično ponašanju loptice pri igranju ruleta. Pri svim visokim energijama (tj. uz brzu rotaciju kotača) kuglica se uvijek ponaša gotovo isto - vrti se bez prestanka. Ali kako se kotač usporava, energija lopte se smanjuje i ona na kraju pada u jedan od trideset sedam utora na kotaču. Drugim riječima, pri niskim energijama lopta može postojati u trideset sedam stanja. Kad bismo iz nekog razloga mogli promatrati loptu samo pri niskim energijama, pomislili bismo da postoji trideset sedam različitih vrsta lopti!

Weinberg-Salamova teorija predvidjela je da bi se pri energijama znatno iznad 100 GeV tri nove čestice i foton trebali ponašati identično, ali pri nižim energijama čestica, to jest u većini uobičajenih situacija, ta bi se "simetrija" trebala pokvariti. Predviđalo se da će mase W+, W– i Z0 bozona biti velike tako da će sile koje stvaraju imati vrlo mali domet djelovanja. Kad su Weinberg i Salam iznijeli svoju teoriju, malo tko im je vjerovao, a s tadašnjim akceleratorima male snage bilo je nemoguće postići energiju od 100 GeV potrebnu za proizvodnju pravih W+, W– i Z0 čestica. Međutim, deset godina kasnije, predviđanja dobivena u ovoj teoriji pri niskim energijama tako su dobro eksperimentalno potvrđena da su Weinberg i Salam 1979. godine dobili Nobelovu nagradu zajedno sa Sheldonom Glashowom (također s Harvarda), koji je predložio sličnu jedinstvenu teoriju elektromagnetskog i slabog nuklearne interakcije . Odbor za dodjelu Nobelove nagrade bio je pošteđen neugodnosti koja bi mogla nastati da se pokazalo da je pogriješio otkrićem u CERN-u 1983. tri masivna partnera fotona s točnim masama i drugim predviđenim karakteristikama. Carlo Rubbia, koji je vodio tim od nekoliko stotina fizičara koji su došli do ovog otkrića, dobio je 1984. Nobelovu nagradu, dodijeljenu mu zajedno s CERN-ovim inženjerom Simonom Van der Meerom, autorom prstena za skladištenje antičestica korištenog u eksperimentu. (Danas je izuzetno teško ostaviti trag u eksperimentalnoj fizici osim ako već niste na vrhu!).

Jaka nuklearna sila je sila tipa 4 koja drži kvarkove unutar protona i neutrona, a protone i neutrone unutar atomske jezgre. Nositeljem jake interakcije smatra se još jedna čestica sa spinom 1, koja se naziva gluon.

Gluoni međusobno djeluju samo s kvarkovima i drugim gluonima. Snažna interakcija ima jedno izvanredno svojstvo - ima zatvorenost (confinement - ograničenje, zadržavanje (engleski). - Ed.).

Ograničenje je da se čestice uvijek drže u bezbojnim kombinacijama. Jedan kvark ne može postojati sam za sebe, jer bi tada morao imati boju (crvenu, zelenu ili plavu). Stoga, crveni kvark mora biti spojen sa zelenim i plavim putem gluonskog "mlaza" (crveno + zeleno + plavo = bijelo). Ispada da je takav triplet proton ili neutron. Postoji još jedna mogućnost, kada su kvark i antikvark upareni (crveno + anti-crveno, ili zeleno + anti-zeleno, ili plavo + anti-plavo = bijelo). Takve kombinacije čine čestice koje se nazivaju mezoni. Te su čestice nestabilne jer se kvark i antikvark mogu međusobno poništiti i formirati elektrone i druge čestice. Isto tako, jedan gluon ne može postojati sam za sebe zbog zatvorenosti, jer gluoni također imaju boju. Stoga se gluoni moraju grupirati na takav način da se njihove boje zbroje u bijelu. Opisana skupina gluona tvori nestabilnu česticu – glueball.

Ne možemo promatrati pojedinačni kvark ili gluon zbog zatvorenosti. Ne znači li to da je sama ideja o kvarkovima i gluonima kao česticama pomalo metafizička? Ne, jer jaku interakciju karakterizira još jedno svojstvo koje se zove asimptotska sloboda. Zahvaljujući ovom svojstvu, pojam kvarkova i gluona postaje potpuno određen. Pri običnim energijama, jaka interakcija je doista jaka i čvrsto pritišće kvarkove jedan uz drugog. No, kako pokazuju pokusi na snažnim akceleratorima, pri visokim energijama snažna interakcija osjetno slabi i kvarkovi i gluoni počinju se ponašati gotovo kao slobodne čestice. Na sl. Slika 5.2 prikazuje fotografiju sudara protona i antiprotona visoke energije. Vidimo da je nekoliko gotovo slobodnih kvarkova, nastalih kao rezultat interakcije, formiralo “mlazeve” tragova koji su vidljivi na fotografiji.

Uspješno objedinjavanje elektromagnetske i slabe interakcije rezultiralo je pokušajima da se te dvije vrste interakcija spoje s jakom interakcijom, što je rezultiralo takozvanom velikom unificiranom teorijom. Ima malo pretjerivanja u ovom nazivu: prvo, teorije velikog ujedinjenja nisu tako velike, i drugo, one ne ujedinjuju u potpunosti sve sile jer ne uključuju gravitaciju. Osim toga, sve te teorije zapravo su nepotpune, jer sadrže parametre koji se ne mogu teorijski predvidjeti i koji se moraju izračunati usporedbom teorijskih i eksperimentalnih rezultata. Ipak, takve teorije mogu biti korak prema potpunoj teoriji ujedinjenja koja pokriva sve interakcije. Glavna ideja koja stoji iza konstruiranja velikih ujedinjenih teorija je sljedeća: kao što je već spomenuto, jake interakcije pri visokim energijama postaju slabije nego pri niskim energijama. Istodobno, elektromagnetske i slabe sile nisu asimptotski slobodne, a pri visokim energijama rastu. Zatim, pri nekoj vrlo velikoj vrijednosti energije - pri energiji velikog ujedinjenja - te bi tri sile mogle postati jednake jedna drugoj i postati jednostavno varijante iste sile. Teorije velikog ujedinjenja predviđaju da bi pri ovoj energiji različite čestice materije spina 1/2, poput kvarkova i elektrona, također prestale biti različite, što bi bio još jedan korak prema ujedinjenju.

Velika unificirana energetska vrijednost nije dobro poznata, ali mora biti najmanje tisuću milijuna milijuna GeV. U akceleratorima sadašnje generacije sudaraju se čestice s energijama od oko 100 GeV, au budućim projektima ta bi vrijednost trebala porasti na nekoliko tisuća GeV. Ali ubrzavanje čestica do velike ujedinjene energije zahtijeva akcelerator veličine Sunčevog sustava. Teško da bi se u sadašnjoj gospodarskoj situaciji itko odlučio na to financiranje. Zbog toga je izravno eksperimentalno testiranje teorija velikog ujedinjenja nemoguće. Ali ovdje, kao i kod elektroslabe objedinjene teorije, postoje niskoenergetske posljedice koje se mogu ispitati.

Najzanimljivija od ovih posljedica je da se protoni, koji čine većinu mase obične materije, mogu spontano raspasti u lakše čestice kao što su antielektroni. Razlog je taj što pri velikoj ujedinjenoj energiji nema značajne razlike između kvarka i antielektrona. Tri kvarka unutar protona obično nemaju dovoljno energije da se transformiraju u antielektrone, ali jedan od kvarkova može, sasvim slučajno, jednog dana dobiti dovoljno energije za tu transformaciju, jer je zbog principa neodređenosti nemoguće točno zabilježiti energiju kvarkova unutar protona. Tada se proton mora raspasti, ali je vjerojatnost da će kvark imati dovoljnu energiju tako mala da će se na to morati čekati najmanje milijun milijuna milijuna milijuna milijuna milijuna (jedan iza kojeg slijedi trideset nula) godina, što je mnogo duže od vrijeme koje je prošlo od velikog praska.koje ne prelazi deset tisuća milijuna godina ili tako nešto (jedan iza kojeg slijedi deset nula). To upućuje na zaključak da se mogućnost spontanog raspada protona ne može eksperimentalno potvrditi. Moguće je, međutim, povećati vjerojatnost opažanja raspada protona proučavanjem vrlo velikog broja protona. (Promatrajući, na primjer, 1 s trideset i jednim nula protona tijekom godine, možemo se nadati da ćemo otkriti, prema jednoj od najjednostavnijih teorija velikog ujedinjenja, više od jednog raspada protona).

Već je provedeno nekoliko takvih eksperimenata, ali oni nisu dali točne informacije o raspadima protona ili neutrona. Jedan od eksperimenata, u kojem je korišteno osam tisuća tona vode, proveden je u rudniku soli u Ohiju (kako bi se eliminirale kozmičke smetnje koje bi se mogle zamijeniti s raspadom protona). Budući da tijekom cijelog eksperimenta nisu otkriveni raspadi protona, može se izračunati da životni vijek protona mora biti veći od deset milijuna milijuna milijuna milijuna milijuna (jedan iza kojeg slijedi trideset i jedna nula) godina. Ovaj rezultat premašuje predviđanja najjednostavnije teorije velikog ujedinjenja, ali postoje složenije teorije koje daju višu procjenu. Za njihovu provjeru bit će potrebni još precizniji pokusi s još većim količinama tvari.

Unatoč teškoćama promatranja raspada protona, moguće je da je samo naše postojanje posljedica obrnutog procesa - nastanka protona ili, još jednostavnije, kvarkova u samoj početnoj fazi, kada više nije bilo kvarkova nego antikvarkova. Ova slika početka Svemira čini se najprirodnijom. Zemljina tvar sastoji se uglavnom od protona i neutrona, koji su sa svoje strane sačinjeni od kvarkova, ali nema antiprotona ili antineutrona, koji su sačinjeni od antikvarkova, osim nekolicine koji su proizvedeni u velikim akceleratorima. Eksperimenti s kozmičkim zrakama potvrđuju da isto vrijedi za svu materiju u našoj Galaksiji: nema antiprotona ni antineutrona, osim malog broja antičestica koje nastaju kao rezultat stvaranja parova čestica-antičestica u sudarima čestica pri visokim energijama . Da u našoj Galaksiji postoje velika područja antimaterije, tada bi se očekivalo jako zračenje na sučeljima između materije i antimaterije, gdje bi dolazilo do brojnih sudara čestica i antičestica, koje bi, anihilirajući, emitirale visokoenergetsko zračenje.

Nemamo izravnih pokazatelja sastoji li se materija drugih galaksija od protona i neutrona ili od antiprotona i antineutrona, ali mora se sastojati od čestica iste vrste: unutar jedne galaksije ne može postojati mješavina čestica i antičestica, jer kao rezultat njihovog uništenja emitiralo bi se snažno zračenje. Stoga vjerujemo da su sve galaksije sastavljene od kvarkova, a ne antikvarkova; Malo je vjerojatno da su se neke galaksije sastojale od materije, a druge od antimaterije.

Ali zašto bi trebalo biti toliko više kvarkova nego antikvarkova? Zašto njihov broj nije isti? Vrlo smo sretni što je to tako, jer da postoji jednak broj kvarkova i antikvarkova, tada bi se gotovo svi kvarkovi i antikvarkovi međusobno poništili u ranom Svemiru, ispunivši ga zračenjem, ali jedva da bi ostavili išta materije. Ne bi bilo galaksija, zvijezda, planeta na kojima bi se ljudski život mogao razviti. Teorije velikog ujedinjenja mogu objasniti zašto bi sada u svemiru trebalo biti više kvarkova nego antikvarkova, čak i ako ih je na samom početku bilo jednako. Kao što već znamo, u velikim ujedinjenim teorijama na visokim energijama kvarkovi se mogu pretvoriti u antielektrone. Mogući su i obrnuti procesi, kada se antikvarkovi pretvaraju u elektrone, a elektroni i antielektroni u antikvarkove i kvarkove. Nekada davno, u vrlo ranoj fazi razvoja Svemira, bilo je toliko vruće da je energija čestica bila dovoljna za takve transformacije. Ali zašto je to rezultiralo s više kvarkova nego antikvarkova? Razlog leži u činjenici da zakoni fizike nisu potpuno isti za čestice i antičestice.

Do 1956. vjerovalo se da su zakoni fizike nepromjenjivi pod tri transformacije simetrije - C, P i T. Simetrija C znači da su svi zakoni isti za čestice i antičestice. P simetrija znači da su zakoni fizike isti za bilo koji fenomen i za njegov zrcalni odraz (zrcalna slika čestice koja rotira u smjeru kazaljke na satu bit će čestica koja rotira suprotno). Konačno, značenje T simetrije je da kada se smjer gibanja svih čestica i antičestica obrne, sustav će se vratiti u stanje u kojem je bio prije; drugim riječima, zakoni su isti bilo da se krećemo naprijed ili nazad u vremenu.

Godine 1956. dva američka fizičara, Tzundao Li i Zhenning Yang, sugerirali su da slaba interakcija zapravo nije nepromjenjiva pod P transformacijama. Drugim riječima, kao rezultat slabe interakcije, razvoj Svemira može teći drugačije od razvoja njegove zrcalne slike. Iste godine, Jinxiang Wu, Lijev i Yangov kolega, uspio je dokazati da je njihova pretpostavka točna. Rasporedivši jezgre radioaktivnih atoma u magnetskom polju tako da su im spinovi bili u istom smjeru, pokazala je da je više elektrona emitirano u jednom smjeru nego u drugom. Sljedeće godine Lee i Yang dobili su Nobelovu nagradu za svoje otkriće. Pokazalo se da ni slabe interakcije ne poštuju simetriju C. To znači da će se svemir koji se sastoji od antičestica ponašati drugačije od našeg svemira. Međutim, svima se činilo da bi se slaba interakcija ipak trebala pokoravati kombiniranoj CP simetriji, odnosno da bi se razvoj Svemira trebao odvijati na isti način kao i razvoj njegovog zrcalnog odraza, ako, nakon što smo ga odrazili u zrcalu, također svaku česticu zamijenite antičesticom! Ali 1964. još su dva Amerikanca, James Cronin i Vel Fitch, otkrili da je čak i CP simetrija prekinuta u raspadu čestica zvanih K mezoni.

Kao rezultat toga, Cronin i Fitch su 1980. dobili Nobelovu nagradu za svoj rad. (Koliko je samo nagrada dodijeljeno za radove koji pokazuju da svemir nije tako jednostavan kao što mislimo).

Postoji matematički teorem koji kaže da svaka teorija koja se pokorava kvantnoj mehanici i relativnosti mora uvijek biti invarijantna pod kombiniranom CPT simetrijom. Drugim riječima, ponašanje Svemira se neće promijeniti ako čestice zamijenite antičesticama, odrazite sve u zrcalu i također okrenete smjer vremena. Ali Cronin i Fitch su pokazali da ako zamijenite čestice antičesticama i proizvedete zrcalnu sliku, ali ne obrnete smjer vremena, svemir će se ponašati drugačije. Posljedično, kada je vrijeme obrnuto, zakoni fizike se moraju promijeniti, tj. nisu invarijantni u odnosu na simetriju T.

Jasno je da je u ranom Svemiru simetrija T bila narušena: kada vrijeme teče naprijed, Svemir se širi, a kada bi vrijeme išlo unatrag, Svemir bi se počeo skupljati. A budući da postoje sile koje nisu invarijantne u odnosu na simetriju T, slijedi da kako se Svemir širi pod utjecajem tih sila, antielektroni bi se trebali češće pretvarati u kvarkove nego elektroni u antikvarkove. Zatim, kako se Svemir širi i hladi, antikvarkovi i kvarkovi bi nestali, ali budući da bi kvarkova bilo više nego antikvarkova, postojao bi blagi višak kvarkova. I oni su sami kvarkovi koji čine današnju materiju koju vidimo i od koje smo mi sami stvoreni. Dakle, samo naše postojanje može se smatrati potvrdom teorije velikog ujedinjenja, iako samo kvalitativnom potvrdom. Nesigurnosti nastaju jer ne možemo predvidjeti koliko će kvarkova ostati nakon anihilacije, pa čak ni hoće li preostale čestice biti kvarkovi ili antikvarkovi. (Istina, da je ostao višak antikvarkova, jednostavno bismo ih preimenovali u kvarkove, a kvarkove u antikvarkove).

Teorije velikog ujedinjenja ne uključuju gravitacijsku interakciju. To nije toliko značajno, jer su gravitacijske sile toliko male da se njihov utjecaj jednostavno može zanemariti

Prezentacija na temu "Elementarne čestice" u fizici u formatu powerpoint. Ova prezentacija za učenike 11. razreda objašnjava fiziku elementarnih čestica i sistematizira znanja o toj temi. Cilj rada je razviti apstraktno, ekološko i znanstveno mišljenje učenika temeljeno na predodžbama o elementarnim česticama i njihovim međudjelovanjima. Autor prezentacije: Popova I.A., učiteljica fizike.

Fragmenti iz prezentacije

Koliko ima elemenata u periodnom sustavu?

• Samo 92.
• Kako? Ima li još?
• Istina, ali sve ostale su umjetno dobivene, ne nalaze se u prirodi.
• Dakle - 92 atoma. Od njih se također mogu napraviti molekule, t.j. tvari!
• Ali činjenicu da se sve tvari sastoje od atoma iznio je Demokrit (400. pr. Kr.).
• Bio je veliki putnik, a omiljena mu je izreka bila:
• "Ništa ne postoji osim atoma i čistog prostora, sve ostalo je pogled"

Vremenska crta fizike čestica

• Teorijski fizičari su se suočili s najtežim zadatkom da poslože cijeli otkriveni "zoološki vrt" čestica i pokušaju svesti broj osnovnih čestica na minimum, dokazujući da se ostale čestice sastoje od osnovnih čestica
• Sve su te čestice bile nestabilne, tj. raspadaju se u čestice manjih masa, na kraju postajući stabilni protoni, elektroni, fotoni i neutrini (i njihove antičestice).
• Treća je ova. M. Gell-Mann i neovisno J. Zweig predložili su model strukture snažno međudjelovajućih čestica od temeljnih čestica - kvarkova
• Ovaj se model sada pretvorio u koherentnu teoriju svih poznatih vrsta međudjelovanja čestica.

Kako detektirati elementarnu česticu?

Obično se tragovi (putnje ili tragovi) koje ostavljaju čestice proučavaju i analiziraju pomoću fotografija.

Klasifikacija elementarnih čestica

Sve čestice se dijele u dvije klase:

• Fermioni, koji čine materiju;
• Bozoni preko kojih dolazi do interakcije.

Kvarkovi

• Kvarkovi sudjeluju u jakim interakcijama, kao iu slabim i elektromagnetskim.
• Gell-Mann i Georg Zweig predložili su kvarkov model 1964.
• Paulijev princip: u jednom sustavu međusobno povezanih čestica nikada ne postoje barem dvije čestice s identičnim parametrima ako te čestice imaju polucijeli spin.

Što je spin?

• Spin pokazuje da postoji prostor stanja koji nema nikakve veze s kretanjem čestice u običnom prostoru;
• Spin (od engleskog to spin - vrtjeti) često se uspoređuje s kutnim momentom "brzo rotirajućeg vrha" - to nije točno!
• Spin je unutarnja kvantna karakteristika čestice koja nema analoga u klasičnoj mehanici;
• Spin (od engleskog spin - kovitlac, rotacija) je intrinzični kutni moment elementarnih čestica, koji ima kvantnu prirodu i nije povezan s kretanjem čestice kao cjeline.

Četiri vrste fizičkih interakcija

• gravitacijski,
• elektromagnetski,
• slab,
• snažna.

• Slaba interakcija- mijenja unutarnju prirodu čestica.
• Jake interakcije- odrediti različite nuklearne reakcije, kao i nastanak sila koje vežu neutrone i protone u jezgri.

Svojstva kvarkova

• Kvarkovi imaju svojstvo koje se zove naboj boje.
• Postoje tri vrste naboja boje, konvencionalno označenih kao
• plavo,
• zelena
• Crvena.
• Svaka boja ima nadopunu u obliku vlastite anti-boje – anti-plave, anti-zelene i anti-crvene.
• Za razliku od kvarkova, antikvarkovi nemaju boju, već antiboju, odnosno suprotan naboj boje.

Svojstva kvarkova: masa

• Kvarkovi imaju dvije glavne vrste masa koje se razlikuju po veličini:
• trenutna masa kvarka, procijenjena u procesima sa značajnim prijenosom kvadrata 4-momenta, i
• konstrukcijska masa (blok, sastavna masa); također uključuje masu gluonskog polja oko kvarka i procjenjuje se iz mase hadrona i njihovog sastava kvarka.

Svojstva kvarkova: okus

• Svaki okus (tip) kvarka karakteriziraju takvi kvantni brojevi kao što su
• izospin Iz,
• neobičnost S,
• šarm C,
• šarm (dno, ljepota) B′,
• istina (vrhunac) T.

Zadaci

• Kolika se energija oslobađa pri anihilaciji elektrona i pozitrona?
• Kolika se energija oslobađa pri anihilaciji protona i antiprotona?
• Koji nuklearni procesi proizvode neutrine?
  • A. Tijekom α – raspada.
  • B. Tijekom β - raspada.
  • B. Kada se emitiraju γ - kvanti.
• Koji nuklearni procesi proizvode antineutrine?
  • A. Tijekom α – raspada.
  • B. Tijekom β - raspada.
  • B. Kada se emitiraju γ - kvanti.
  • D. Tijekom bilo kakvih nuklearnih transformacija
• Proton se sastoji od...
  • A. . . .neutron, pozitron i neutrino.
  • B. . . .mezoni.
  • U. . . .kvarkovi.
  • D. Proton nema sastavnih dijelova.
• Neutron se sastoji od...
  • A. . . .proton, elektron i neutrino.
  • B. . . .mezoni.
  • U. . . . kvarkovi.
  • D. Neutron nema sastavnih dijelova.
• Što su dokazali pokusi Davissona i Germera?
  • A. Kvantna priroda apsorpcije energije od strane atoma.
  • B. Kvantna priroda emisije energije atoma.
  • B. Valna svojstva svjetlosti.
  • D. Valna svojstva elektrona.
• Koja od sljedećih formula određuje de Broglievu valnu duljinu za elektron (m i v su masa i brzina elektrona)?

Test

• Koji fizikalni sustavi nastaju od elementarnih čestica kao rezultat elektromagnetske interakcije? A. Elektroni, protoni. B. Atomske jezgre. B. Atomi, molekule tvari i antičestice.
• S gledišta međudjelovanja sve se čestice dijele na tri vrste: A. Mezoni, fotoni i leptoni. B. Fotoni, leptoni i barioni. B. Fotoni, leptoni i hadroni.
• Koji je glavni čimbenik postojanja elementarnih čestica? A. Uzajamna preobrazba. B. Stabilnost. B. Međusobno djelovanje čestica.
• Koje interakcije određuju stabilnost jezgri u atomima? A. Gravitacijski. B. Elektromagnetski. B. Nuklearna. D. Slabo.
• Postoje li nepromjenjive čestice u prirodi? A. Postoje. B. Oni ne postoje.
• Realnost transformacije materije u elektromagnetsko polje: A. Potvrđeno iskustvom anihilacije elektrona i pozitrona. B. Potvrđeno pokusom anihilacije elektrona i protona.
• Reakcija transformacije tvari u polje: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
• Koja je interakcija odgovorna za pretvaranje elementarnih čestica jedne u drugu? A. Jaka interakcija. B. Gravitacijski. B. Slaba interakcija D. Jaka, slaba, elektromagnetska.

Odgovor na tekuće pitanje: koja je najmanja čestica u svemiru koja je evoluirala s čovječanstvom.

Ljudi su nekoć mislili da su zrnca pijeska građevni blokovi onoga što vidimo oko sebe. Atom je tada otkriven i smatran je nedjeljivim sve dok nije podijeljen da bi se otkrili protoni, neutroni i elektroni u njemu. Također se nije pokazalo da su one najmanje čestice u svemiru, jer su znanstvenici otkrili da se protoni i neutroni sastoje od po tri kvarka.

Do sada znanstvenici nisu uspjeli vidjeti nikakve dokaze da postoji nešto unutar kvarkova i da je dosegnut najtemeljniji sloj materije ili najmanja čestica u Svemiru.

Čak i ako su kvarkovi i elektroni nedjeljivi, znanstvenici ne znaju jesu li oni najmanji djelići materije koji postoje ili svemir sadrži objekte koji su još manji.

Najmanje čestice u svemiru

Dolaze u različitim okusima i veličinama, neki imaju nevjerojatne veze, drugi u biti isparavaju jedni druge, mnogi od njih imaju fantastična imena: kvarkovi sastavljeni od bariona i mezona, neutrona i protona, nukleona, hiperona, mezona, bariona, nukleona, fotona, itd. .d.

Higgsov bozon je čestica toliko važna za znanost da se naziva "Božjom česticom". Vjeruje se da on određuje masu svih ostalih. Element je prvi put teoretiziran 1964. godine kada su se znanstvenici zapitali zašto su neke čestice masivnije od drugih.

Higgsov bozon povezan je s takozvanim Higgsovim poljem za koje se vjeruje da ispunjava svemir. Dva elementa (kvant Higgsovog polja i Higgsov bozon) odgovorna su za davanje mase ostalima. Ime je dobio po škotskom znanstveniku Peteru Higgsu. Uz pomoć 14. ožujka 2013. službeno je objavljena potvrda postojanja Higgsovog Bosona.

Mnogi znanstvenici tvrde da je Higgsov mehanizam riješio dio slagalice koji nedostaje kako bi dovršio postojeći "standardni model" fizike, koji opisuje poznate čestice.

Higgsov bozon temeljno je odredio masu svega što postoji u Svemiru.

Kvarkovi

Kvarkovi (što znači kvarkovi) su građevni blokovi protona i neutrona. Oni nikada nisu sami, postoje samo u grupama. Očigledno, sila koja povezuje kvarkove raste s udaljenošću, pa što idete dalje, to će ih biti teže razdvojiti. Stoga slobodni kvarkovi nikada ne postoje u prirodi.

Kvarkovi su fundamentalne čestice su bez strukture, šiljasti veličine otprilike 10−16 cm.

Na primjer, protoni i neutroni se sastoje od tri kvarka, pri čemu protoni sadrže dva identična kvarka, dok neutroni imaju dva različita.

Supersimetrija

Poznato je da su temeljne “građevne jedinice” materije, fermioni, kvarkovi i leptoni, a čuvari sile, bozoni, fotoni i gluoni. Teorija supersimetrije kaže da se fermioni i bozoni mogu transformirati jedni u druge.

Predviđena teorija kaže da za svaku česticu koju poznajemo postoji srodna čestica koju još nismo otkrili. Na primjer, za elektron to je selectron, kvark je squark, foton je photino, a higgs je higgsino.

Zašto sada ne promatramo ovu supersimetriju u svemiru? Znanstvenici vjeruju da su puno teži od svojih običnih rođaka i što su teži, kraći im je životni vijek. Zapravo, počinju se urušavati čim nastanu. Stvaranje supersimetrije zahtijeva prilično veliku količinu energije, koja je postojala samo nedugo nakon velikog praska i mogla bi se eventualno stvoriti u velikim akceleratorima kao što je Large Hadron Collider.

Što se tiče razloga zašto je simetrija nastala, fizičari teoretiziraju da je simetrija možda narušena u nekom skrivenom sektoru svemira koji ne možemo vidjeti ili dodirnuti, već ga možemo samo osjetiti gravitacijom.

Neutrino

Neutrini su lagane subatomske čestice koje posvuda zvižde brzinom bliskom brzini svjetlosti. Zapravo, bilijuni neutrina teku vašim tijelom u svakom trenutku, iako rijetko dolaze u interakciju s normalnom materijom.

Neki potječu od sunca, dok drugi dolaze od kozmičkih zraka u interakciji sa Zemljinom atmosferom i astronomskim izvorima kao što su eksplozivne zvijezde u Mliječnoj stazi i drugim udaljenim galaksijama.

Antimaterija

Smatra se da sve normalne čestice imaju antimateriju iste mase, ali suprotnog naboja. Kada se materija sretne, one se međusobno uništavaju. Na primjer, čestica antimaterije protona je antiproton, dok se antimaterijski partner elektrona naziva pozitron. Antimaterija je jedna od najskupljih tvari na svijetu koju su ljudi uspjeli identificirati.

Gravitoni

U području kvantne mehanike, sve fundamentalne sile prenose se česticama. Na primjer, svjetlost se sastoji od čestica bez mase koje se nazivaju fotoni, a koje nose elektromagnetsku silu. Isto tako, graviton je teorijska čestica koja nosi silu gravitacije. Znanstvenici tek trebaju otkriti gravitone, koje je teško pronaći jer su u tako slaboj interakciji s materijom.

Niti energije

U eksperimentima, sićušne čestice poput kvarkova i elektrona djeluju kao pojedinačne točke materije bez prostorne raspodjele. Ali točkasti objekti kompliciraju zakone fizike. Budući da je nemoguće prići beskonačno blizu neke točke, budući da djelujuće sile mogu postati beskonačno velike.

Ideja zvana teorija superstruna mogla bi riješiti ovaj problem. Teorija kaže da su sve čestice, umjesto da budu točkaste, zapravo male niti energije. To jest, svi objekti u našem svijetu sastoje se od vibrirajućih niti i membrana energije. Ništa ne može biti beskonačno blizu niti, jer će jedan dio uvijek biti malo bliži od drugog. Čini se da ova "rupa u zakonu" rješava neke od problema s beskonačnošću, čineći ideju privlačnom fizičarima. Međutim, znanstvenici još uvijek nemaju eksperimentalni dokaz da je teorija struna točna.

Drugi način rješavanja problema točke je reći da prostor sam po sebi nije kontinuiran i gladak, već se zapravo sastoji od diskretnih piksela ili zrnaca, što se ponekad naziva strukturom prostor-vrijeme. U tom se slučaju dvije čestice neće moći neograničeno približavati jedna drugoj, jer uvijek moraju biti odvojene minimalnom veličinom zrna prostora.

Točka crne rupe

Još jedan kandidat za titulu najmanje čestice u svemiru je singularitet (jedna točka) u središtu crne rupe. Crne rupe nastaju kada se materija kondenzira u dovoljno mali prostor da ga gravitacija zgrabi, uzrokujući povlačenje materije prema unutra, na kraju se kondenzirajući u jednu točku beskonačne gustoće. Barem prema sadašnjim zakonima fizike.

Ali većina stručnjaka ne misli da su crne rupe uistinu beskonačno guste. Vjeruju da je ta beskonačnost rezultat unutarnjeg sukoba dviju aktualnih teorija – opće relativnosti i kvantne mehanike. Oni sugeriraju da će se prava priroda crnih rupa otkriti kada se bude mogla formulirati teorija kvantne gravitacije.

Planckova duljina

Niti energije, pa čak i najmanja čestica u svemiru mogu biti veličine “plankove duljine”.

Duljina trake je 1,6 x 10 -35 metara (broju 16 prethode 34 nule i decimalna točka) - neshvatljivo malo mjerilo koje se povezuje s raznim aspektima fizike.

Planckova duljina je "prirodna jedinica" duljine koju je predložio njemački fizičar Max Planck.

Planckova duljina prekratka je za mjerenje bilo kojim instrumentom, no osim toga, vjeruje se da predstavlja teoretsku granicu najkraće mjerljive duljine. Prema načelu nesigurnosti, niti jedan instrument nikada ne bi trebao moći izmjeriti ništa manje, jer je u tom rasponu svemir vjerojatan i nesiguran.

Ova se ljestvica također smatra razdjelnicom između opće teorije relativnosti i kvantne mehanike.

Planckova duljina odgovara udaljenosti na kojoj je gravitacijsko polje toliko jako da može početi stvarati crne rupe od energije polja.

Navodno sada, najmanja čestica u svemiru je otprilike veličine daske: 1,6 x 10 −35 metara

zaključke

Iz škole se znalo da najmanja čestica u svemiru, elektron, ima negativan naboj i vrlo malu masu, jednaku 9,109 x 10 - 31 kg, a klasični radijus elektrona je 2,82 x 10 -15 m.

No, fizičari već operiraju s najmanjim česticama u Svemiru, Planckovom veličinom koja je otprilike 1,6 x 10 −35 metara.

Jedno od glavnih svojstava čestica je njihova sposobnost da se pretvaraju jedna u drugu, da se rađaju i uništavaju kao rezultat interakcije.
Otkriće pozitrona, čestice koja je po karakteristikama slična elektronu, ali za razliku od elektrona ima pozitivan jedinični naboj, bio je iznimno važan događaj u fizici. P. Dirac je još 1928. predložio jednadžbu za opis relativističke kvantne mehanike elektrona. Pokazalo se da Diracova jednadžba ima dva rješenja, i s pozitivnom i s negativnom energijom. Stanje negativne energije opisuje česticu sličnu elektronu, ali s pozitivnim električnim nabojem. Pozitron je bio prva čestica otkrivena iz čitave klase čestica nazvanih antičestice. Prije otkrića pozitrona nejednaka uloga pozitivnih i negativnih naboja u prirodi činila se neobjašnjivom. Zašto postoji teški, pozitivno nabijeni proton, ali ne i teška čestica s masom protona i negativnim nabojem? Ali postojao je lagani negativno nabijeni elektron. Otkriće pozitrona 1932. u biti je obnovilo simetriju naboja za lake čestice i suočilo fizičare s problemom pronalaženja antičestice za proton. Još jedno iznenađenje je da je pozitron stabilna čestica i može postojati u praznom prostoru neograničeno dugo. Međutim, kada se elektron i pozitron sudare, oni anihiliraju. Elektron i pozitron nestaju, a umjesto njih rađaju se dva γ kvanta

e + + e - → 2γ

m(e -) = m(e +) = 0,511 MeV.

Dolazi do transformacije čestica s masom mirovanja različitom od nule u čestice s nultom masom mirovanja (fotoni), tj. masa mirovanja se ne čuva, već se pretvara u kinetičku energiju.
Uz proces anihilacije otkriven je i proces stvaranja para elektron-pozitron. Parove elektron-pozitron lako su proizveli -kvanti s energijom od nekoliko MeV u Coulombovom polju atomske jezgre. U klasičnoj fizici pojmovi čestica i valova su oštro razdvojeni - neki fizički objekti su čestice, a drugi valovi. Pretvorba parova elektron-pozitron u fotone dodatno je potvrdila ideju da postoji mnogo toga zajedničkog između zračenja i materije. Procesi anihilacije i rađanja parova natjerali su nas da preispitamo što su čestice, koje su se prije nazivale elementarnim. Čestica je prestala biti nepromjenjiva "cigla" u strukturi materije. Pojavio se novi, iznimno dubok koncept međusobne transformacije čestica. Pokazalo se da se čestice mogu rađati i nestajati, pretvarajući se u druge čestice.
U teoriji -raspada koju je stvorio E. Fermi, pokazano je da elektroni emitirani tijekom procesa -raspada ne postoje u jezgri, već se rađaju kao rezultat raspada neutrona. Kao rezultat ovog raspada, neutron n nestaje i rađaju se proton p, elektron e - i elektronski antineutrino e.

n p + e - + e

m(n) = 939,6 MeV. m(p) = 938,3 MeV. m(e) =? τ(n) = 887c.

Kao rezultat reakcija između antiprotona i protona p, ovisno o energiji čestica koje se sudaraju, mogu nastati različite čestice

p+	→ n + + π + + π -	m() = m(p), m() = m(n) m(π +) = m(π -) = 140 MeV. τ (π +) = τ (π -) = 2,6∙ 10 -8 s.
	→π + + π - + π 0
	→ K + + K -

Pozitivno nabijen K + mezon, čije je prosječno vrijeme života 1,2∙10 -8 s, raspada se na jedan od sljedećih načina (relativne vjerojatnosti raspada prikazane su desno.

Λ -hiperon i Δ 0 -rezonanca imaju približno iste mase i raspadaju se na iste čestice - proton i π - mezon. Velika razlika u njihovom životnom vijeku posljedica je mehanizma raspadanja. Λ -hiperon se raspada kao rezultat slabe interakcije, a Δ 0 -rezonanca - kao rezultat jake interakcije.

Λ → p + π	m(Λ ) = 1116 MeV. τ (Λ ) = 2,6∙ 10 -10 s.
Δ 0 → p + π	m(Δ) = 1232 MeV. τ(Δ) = 10 -23 s

Pri raspadu negativnog miona (-) u konačnom stanju uz elektron se pojavljuju dvije neutralne čestice - mionski neutrino ν μ i elektronski antineutrino e. Ovo raspadanje nastaje kao rezultat slabe interakcije.