Lekcja nr 67.

Temat lekcji: Zagadnienia cząstek elementarnych

Cele Lekcji:

Edukacyjny: zapoznanie studentów z pojęciem cząstki elementarnej, z klasyfikacją cząstek elementarnych, uogólnienie i utrwalenie wiedzy o podstawowych typach oddziaływań, ukształtowanie naukowego światopoglądu.

Edukacyjny: kształtowanie zainteresowań poznawczych fizyką, zaszczepianie miłości i szacunku dla osiągnięć nauki.

Edukacyjny: rozwój ciekawości, umiejętności analizowania, samodzielnego formułowania wniosków, rozwój mowy i myślenia.

Sprzęt: tablica interaktywna (lub projektor z ekranem).

Typ lekcji: nauka nowego materiału.

Typ lekcji: wykład

Podczas zajęć:

Etap organizacyjny

Studiowanie nowego tematu.

W przyrodzie występują 4 rodzaje oddziaływań podstawowych (podstawowych): grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. Według współczesnych idei interakcja między ciałami odbywa się poprzez pola otaczające te ciała. Samo pole w teorii kwantowej jest rozumiane jako zbiór kwantów. Każdy rodzaj interakcji ma swoje nośniki interakcji i sprowadza się do absorpcji i emisji odpowiednich kwantów światła przez cząstki.

Interakcje mogą być dalekiego zasięgu (przejawiające się na bardzo dużych dystansach) i krótkiego zasięgu (przejawiające się na bardzo krótkich dystansach).

Oddziaływanie grawitacyjne zachodzi poprzez wymianę grawitonów. Nie wykryto ich eksperymentalnie. Zgodnie z prawem odkrytym w 1687 roku przez wielkiego angielskiego uczonego Izaaka Newtona, wszystkie ciała, niezależnie od kształtu i wielkości, przyciągają się z siłą wprost proporcjonalną do ich masy i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Oddziaływanie grawitacyjne zawsze prowadzi do przyciągania ciał.

Oddziaływanie elektromagnetyczne ma charakter dalekiego zasięgu. W przeciwieństwie do oddziaływania grawitacyjnego, oddziaływanie elektromagnetyczne może skutkować zarówno przyciąganiem, jak i odpychaniem. Nośnikami oddziaływania elektromagnetycznego są kwanty pola elektromagnetycznego – fotony. W wyniku wymiany tych cząstek pomiędzy naładowanymi ciałami powstaje oddziaływanie elektromagnetyczne.

Silna interakcja jest najpotężniejszą ze wszystkich interakcji. Ma krótki zasięg, odpowiednie siły maleją bardzo szybko wraz ze wzrostem odległości między nimi. Promień działania sił nuklearnych wynosi 10–13 cm

Oddziaływanie słabe występuje na bardzo małych dystansach. Zasięg działania jest około 1000 razy mniejszy niż w przypadku sił nuklearnych.

Odkrycie radioaktywności i wyniki eksperymentów Rutherforda przekonująco wykazały, że atomy składają się z cząstek. Stwierdzono, że składają się z elektronów, protonów i neutronów. Początkowo cząstki, z których zbudowane są atomy, uważano za niepodzielne. Dlatego nazwano je cząstkami elementarnymi. Idea „prostej” budowy świata została zniszczona, gdy w 1932 roku odkryto antycząstkę elektronu – cząstkę, która miała tę samą masę co elektron, ale różniła się od niego znakiem ładunku elektrycznego. Tę dodatnio naładowaną cząstkę nazwano pozytonem... według współczesnych koncepcji każda cząstka ma antycząstkę. Cząstka i antycząstka mają tę samą masę, ale przeciwne znaki wszystkich ładunków. Jeśli antycząstka pokrywa się z samą cząstką, wówczas takie cząstki nazywane są naprawdę neutralnymi, ich ładunek wynosi 0. Na przykład foton. Kiedy cząstka i antycząstka zderzają się, ulegają anihilacji, czyli znikają, zamieniając się w inne cząstki (często cząstkami tymi są fotony).

Wszystkie cząstki elementarne (których nie można podzielić na składniki) dzielą się na 2 grupy: fundamentalne (cząstki bez struktury, wszystkie cząstki podstawowe na tym etapie rozwoju fizyki są uważane za bezstrukturalne, to znaczy nie składają się z innych cząstek) i hadrony ( cząstki o złożonej strukturze).

Cząstki podstawowe dzielą się z kolei na leptony, kwarki i nośniki oddziaływań. Hadrony dzielą się na bariony i mezony. Leptony obejmują elektron, pozyton, mion, taon i trzy rodzaje neutrin.

Kwarki to cząstki tworzące wszystkie hadrony. Weź udział w silnych interakcjach.

Według współczesnych koncepcji każde z oddziaływań powstaje w wyniku wymiany cząstek, zwanych nośnikami tego oddziaływania: fotonu (cząstki przenoszącej oddziaływanie elektromagnetyczne), ośmiu gluonów (cząstek przenoszących oddziaływanie silne), trzech pośrednich bozony wektorowe W + , W- i Z 0, przenoszący oddziaływanie słabe, grawiton (nośnik oddziaływania grawitacyjnego). Istnienie grawitonów nie zostało jeszcze udowodnione eksperymentalnie.

Hadrony uczestniczą we wszystkich rodzajach oddziaływań podstawowych. Zbudowane są z kwarków i dzielą się z kolei na: bariony składające się z trzech kwarków oraz mezony składające się z dwóch kwarków, z których jeden jest antykwarkiem.

Najsilniejsze oddziaływanie to oddziaływanie pomiędzy kwarkami. Proton składa się z 2 kwarków u, jednego kwarku d, neutron składa się z jednego kwarku u i 2 kwarków d. Okazało się, że na bardzo małych odległościach żaden z kwarków nie zauważa swoich sąsiadów, a zachowują się jak swobodne cząstki, które nie oddziałują ze sobą. Kiedy kwarki oddalają się od siebie, powstaje między nimi przyciąganie, które wzrasta wraz ze wzrostem odległości. Rozbicie hadronów na pojedyncze izolowane kwarki wymagałoby dużej ilości energii. Ponieważ nie ma takiej energii, kwarki okazują się wiecznymi więźniami i na zawsze pozostają zamknięte w hadronie. Kwarki są utrzymywane wewnątrz hadronu za pomocą pola gluonowego.

III. Konsolidacja

Opcja 1.

Opcja 2.

3.. Jak długo neutron przebywa poza jądrem atomu? A. 12 min B. 15 min

Podsumowanie lekcji. Na lekcji zapoznaliśmy się z cząsteczkami mikroświata i dowiedzieliśmy się, które cząstki nazywamy elementarnymi.

D/z§ 9.3

Nazwa cząstki Masa (w masach elektronicznych) Ładunek elektryczny Czas życia (y) Antycząstka Stabilny Elektron neutrina Stabilny Mion neutrino Stabilny Elektron Stabilny Mezony Pi ≈ 10 –10 –10 –8 Eta-null-mezon Stabilny Hiperon lambda Hiperony Sigma Xi-hyperony Omega-minus-hiperon

III. Konsolidacja

Wymień główne interakcje występujące w przyrodzie

Jaka jest różnica między cząstką a antycząstką? Co oni mają ze sobą wspólnego?

Które cząstki biorą udział w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych, silnych i słabych?

Opcja 1.

1. Jedną z właściwości cząstek elementarnych jest zdolność……… A. do wzajemnego przekształcania się B. do samorzutnych zmian

2. Cząstki, które mogą przebywać w stanie swobodnym przez nieograniczony czas, nazywane są... A. niestabilnymi B. stabilnymi.

3. Która cząstka jest stabilna? A. proton B. mezon

4. Cząstka długowieczna. A. neutrino B. neutron

5. Neutrina powstają w wyniku rozpadu..... A. elektronu B. neutronu

Opcja 2.

Co jest głównym czynnikiem istnienia cząstek elementarnych?

A. ich wzajemne przenikanie B. ich wzajemna transformacja.

2. Która z cząstek elementarnych nie jest izolowana na cząstkę swobodną. A. pion B. kwarki

3. Jak długo neutron przebywa poza jądrem atomu? A. 12 min B. 15 min

Która cząstka nie jest stabilna? A. foton B. lepton

Czy w przyrodzie istnieją cząstki niezmienne? A. tak B. nie

Arystoteles wierzył, że materia we Wszechświecie składa się z czterech podstawowych elementów – ziemi, powietrza, ognia i wody, na które działają dwie siły: siła grawitacji, która ściąga ziemię i wodę w dół, oraz siła lekkości pod wpływem z których ogień i powietrze zmierzają ku górze. Takie podejście do budowy Wszechświata, kiedy wszystko jest podzielone na materię i siły, trwa do dziś.

Według Arystotelesa materia jest ciągła, to znaczy każdy kawałek materii można bez końca kruszyć na coraz mniejsze kawałki, nigdy nie osiągając tak drobnego ziarenka, które nie dałoby się już podzielić. Jednakże niektórzy inni filozofowie greccy, na przykład Demokryt, byli zdania, że ​​materia ma charakter ziarnisty i wszystko na świecie składa się z dużej liczby różnych atomów (greckie słowo „atom” oznacza niepodzielny). Minęły stulecia, a spór trwał nadal bez żadnych realnych dowodów potwierdzających słuszność jednej lub drugiej strony. Wreszcie w 1803 roku angielski chemik i fizyk John Dalton wykazał, że fakt, że substancje chemiczne zawsze łączą się w określonych proporcjach, można wyjaśnić zakładając, że atomy łączą się w grupy zwane cząsteczkami. Jednak aż do początków naszego stulecia spór między obiema szkołami nie został rozstrzygnięty na korzyść atomistów. Einstein wniósł bardzo istotny wkład w rozwiązanie tego sporu. W artykule napisanym w 1905 roku, kilka tygodni przed swoim słynnym artykułem na temat szczególnej teorii względności, Einstein wskazał, że zjawisko zwane ruchami Browna – nieregularnym, chaotycznym ruchem drobnych cząstek zawieszonych w wodzie – można wyjaśnić uderzeniami atomów cieczy wokół te cząstki.

W tym czasie istniały już pewne powody, aby sądzić, że atomy również nie są niepodzielne. Kilka lat wcześniej J. J. Thomson z Trinity College w Cambridge odkrył nową cząstkę materii, elektron, którego masa była mniejsza niż jedna tysięczna masy najlżejszego atomu. Eksperymentalna konfiguracja Thomsona przypominała trochę nowoczesną kineskopię telewizyjną. Źródłem elektronów była rozżarzona do czerwoności metalowa nić. Ponieważ elektrony są naładowane ujemnie, zostały przyspieszone w polu elektrycznym i przesunięte w stronę ekranu pokrytego warstwą luminoforu. Kiedy elektrony uderzyły w ekran, pojawiły się na nim błyski światła. Wkrótce stało się jasne, że elektrony te muszą wylecieć z atomów, a w 1911 roku angielski fizyk Ernst Rutherford w końcu udowodnił, że atomy materii w rzeczywistości mają strukturę wewnętrzną: składają się z maleńkiego, dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego elektronów. Rutherford doszedł do tego wniosku, badając, w jaki sposób cząstki alfa (dodatnio naładowane cząstki emitowane przez atomy radioaktywne) ulegają odchyleniu, gdy zderzają się z atomami.

Początkowo sądzono, że jądro atomu składa się z elektronów i dodatnio naładowanych cząstek, które nazywano protonami (od greckiego słowa „protos” – pierwotne), gdyż protony uważano za podstawowe bloki, z których zbudowana jest materia . Jednak w 1932 roku James Chadwick, kolega Rutherforda z Uniwersytetu w Cambridge, odkrył, że w jądrze znajdują się także inne cząstki – neutrony, których masa jest prawie równa masie protonu, ale które nie są naładowane. Za to odkrycie Chadwick otrzymał Nagrodę Nobla i został wybrany na dyrektora Conville and Caius College na Uniwersytecie Cambridge (kolegium, w którym obecnie pracuję). Potem musiał zrezygnować z tego stanowiska ze względu na nieporozumienia z pracownikami. Uczelnia była przedmiotem ciągłych, zawziętych sporów, gdyż po wojnie grupa powracającej młodzieży głosowała przeciwko pozostawieniu starych pracowników na stanowiskach, które piastowali już od wielu lat. Wszystko to wydarzyło się przede mną; Zacząłem pracować na uczelni w 1965 r., a koniec walki widziałem, gdy drugi dyrektor uczelni, laureat Nagrody Nobla Neville Mott, również został zmuszony do rezygnacji.

Jeszcze dwadzieścia lat temu protony i neutrony uważano za cząstki „elementarne”, jednak eksperymenty dotyczące interakcji protonów i elektronów poruszających się z dużymi prędkościami z protonami wykazały, że w rzeczywistości protony składają się z jeszcze mniejszych cząstek. Murray Gell-Mann, teoretyk z Kalifornijskiego Instytutu Technologii, nazwał te cząstki kwarkami. W 1969 roku Gell-Mann otrzymał Nagrodę Nobla za badania nad kwarkami. Nazwa „kwark” została zaczerpnięta ze sprytnego wiersza poetyckiego Jamesa Joyce’a: „Trzy kwarki dla Mistrza Marka!” Słowo quark powinno być wymawiane jak quart, z t na końcu zastąpionym przez k, ale zwykle wymawia się je tak, że rymuje się z Lark.

Znanych jest kilka odmian kwarków: uważa się, że istnieje co najmniej sześć „smaków”, które odpowiadają kwarkowi u, kwarkowi d, kwarkowi dziwnemu, kwarkowi powabnemu, kwarkowi b i kwarkowi t. Twaróg każdego „smaku” może mieć także trzy „kolory” – czerwony, zielony i niebieski. (Należy podkreślić, że są to tylko oznaczenia, ponieważ rozmiar kwarków jest znacznie mniejszy niż długość fali światła widzialnego i dlatego nie mają one koloru w potocznym znaczeniu tego słowa. Chodzi po prostu o to, że współcześni fizycy lubią przychodzić wymyślanie nazw nowych cząstek i zjawisk, bez dalszego ograniczania ich fantazji w alfabecie greckim). Proton i neutron składają się z trzech kwarków o różnych „kolorach”. Proton zawiera dwa kwarki u i jeden kwark d, neutron zawiera dwa kwarki d i jeden kwark u. Cząstki można zbudować z innych kwarków (dziwnego, powabnego, b i t), jednak wszystkie te kwarki mają znacznie większą masę i bardzo szybko rozpadają się na protony i neutrony.

Wiemy już, że ani atomy, ani protony i neutrony wewnątrz atomu nie są niepodzielne, dlatego pojawia się pytanie: czym są rzeczywiste cząstki elementarne - te początkowe cegły, z których wszystko się składa? Ponieważ długości fal światła są znacznie większe niż rozmiar atomu, nie mamy nadziei, że „zobaczymy” części składowe atomu w zwykły sposób. W tym celu potrzebne są znacznie krótsze fale. W poprzednim rozdziale dowiedzieliśmy się, że zgodnie z mechaniką kwantową wszystkie cząstki są w rzeczywistości falami, a im większa jest energia cząstki, tym krótsza jest odpowiadająca jej długość fali. Zatem nasza odpowiedź na to pytanie zależy od tego, jak wysoka jest energia cząstek, którymi dysponujemy, ponieważ determinuje to, jak mała jest skala długości, które możemy zaobserwować. Jednostki, w których zwykle mierzy się energię cząstek, nazywane są elektronowoltami. (W swoich eksperymentach Thomson użył pola elektrycznego do przyspieszania elektronów. Elektronowolt to energia, którą elektron uzyskuje w polu elektrycznym o napięciu 1 wolta). W XIX wieku, kiedy można było używać jedynie cząstek o energii kilku elektronowoltów, uwalnianych w reakcjach chemicznych, takich jak spalanie, atomy uważano za najmniejsze części materii. W eksperymentach Rutherforda energie cząstek alfa sięgały milionów elektronowoltów. Następnie nauczyliśmy się za pomocą pól elektromagnetycznych przyspieszać cząstki, najpierw do energii milionów, a następnie tysięcy milionów elektronowoltów. W ten sposób dowiedzieliśmy się, że cząstki, które dwadzieścia lat temu uważano za elementarne, w rzeczywistości składają się z mniejszych cząstek. A co jeśli podczas przejścia na jeszcze wyższe energie okaże się, że te mniejsze cząstki z kolei składają się z jeszcze mniejszych cząstek? Oczywiście jest to sytuacja całkowicie prawdopodobna, jednak mamy już pewne teoretyczne podstawy, by sądzić, że mamy już lub prawie mamy informację o początkowych „cegłach”, z których zbudowane jest wszystko w przyrodzie.

Wszystko, co istnieje we Wszechświecie, łącznie ze światłem i grawitacją, można opisać w oparciu o ideę cząstek, biorąc pod uwagę dualizm cząstkowo-falowy, o którym mówiliśmy w poprzednim rozdziale. Cząstki mają pewną cechę rotacyjną - spin.

Wyobraźmy sobie cząstki w postaci małych wierzchołków obracających się wokół własnej osi. To prawda, że ​​taki obraz może być mylący, ponieważ w mechanice kwantowej cząstki nie mają ściśle określonej osi obrotu. W rzeczywistości spin cząstki mówi nam, jak ta cząstka wygląda, gdy patrzymy na nią pod różnymi kątami. Cząstka o spinie 0 jest jak punkt: ze wszystkich stron wygląda tak samo (ryc. 5.1, I). Cząstkę o spinie 1 można porównać do strzałki: wygląda inaczej z różnych stron (rys. 5.1, II) i przyjmuje tę samą postać dopiero po pełnym obrocie o 360 stopni. Cząstkę o spinie 2 można porównać do zaostrzonej obustronnie strzałki: dowolne jej położenie powtarza się po półobrocie (180 stopni). Podobnie cząstka o wyższym spinie powraca do swojego pierwotnego stanu, gdy zostanie obrócona o jeszcze mniejszą część pełnego obrotu. To wszystko jest dość oczywiste, ale zaskakujące jest to, że istnieją cząstki, które po pełnym obrocie nie przyjmują poprzedniej formy: muszą zostać całkowicie obrócone dwa razy! Mówi się, że takie cząstki mają spin 1/2.

Wszystkie znane cząstki we Wszechświecie można podzielić na dwie grupy: cząstki o spinie 1/2, z których zbudowana jest materia we Wszechświecie, oraz cząstki o spinie 0, 1 i 2, które, jak zobaczymy, tworzą siły działające pomiędzy cząstki materii. Cząsteczki materii podlegają tzw. zasadzie wykluczenia Pauliego, odkrytej w 1925 roku przez austriackiego fizyka Wolfganga Pauliego. W 1945 roku Pauli otrzymał za swoje odkrycie Nagrodę Nobla. Był idealnym przykładem fizyka teoretyka: podobno sama jego obecność w mieście zakłócała ​​przebieg wszelkich eksperymentów! Zasada Pauliego głosi, że dwie identyczne cząstki nie mogą istnieć w tym samym stanie, to znaczy nie mogą mieć tych samych współrzędnych i prędkości z dokładnością określoną zasadą nieoznaczoności. Zasada Pauliego jest niezwykle ważna, gdyż pozwoliła wyjaśnić, dlaczego pod wpływem sił wytwarzanych przez cząstki o spinie 0, 1, 2 cząstki materii nie zapadają się w stan o bardzo dużej gęstości: jeśli cząstki materia ma bardzo zbliżone wartości współrzędnych, to ich prędkości muszą być różne i dlatego nie będą mogły długo przebywać w punktach o tych współrzędnych. Gdyby zasada Pauliego nie brała udziału w powstaniu świata, kwarki nie mogłyby połączyć się w pojedyncze, dobrze określone cząstki – protony i neutrony, które z kolei nie mogłyby połączyć się z elektronami, tworząc pojedyncze, ściśle określone atomy. Bez zasady Pauliego wszystkie te cząstki zapadłyby się i zamieniłyby w mniej lub bardziej jednorodną i gęstą „galaretkę”.

Nie było właściwego zrozumienia elektronu i innych cząstek o spinie 1/2 aż do 1928 roku, kiedy Paul Dirac zaproponował teorię opisującą te cząstki. Następnie Dirac otrzymał katedrę matematyki w Cambridge (którą kiedyś piastował Newton i którą ja obecnie sprawuję). Teoria Diraca była pierwszą teorią tego rodzaju, która była spójna zarówno z mechaniką kwantową, jak i szczególną teorią względności. Dało to matematyczne wyjaśnienie, dlaczego spin elektronu jest równy 1/2, tj. dlaczego elektron obracając się raz, nie przyjmuje swojej poprzedniej formy, natomiast gdy elektron obraca się dwukrotnie, tak. Teoria Diraca przewidywała również, że elektron powinien mieć partnera – antyelektron, czyli inaczej pozyton. Odkrycie pozytonu w 1932 r. potwierdziło teorię Diraca, a w 1933 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Wiemy już, że każda cząstka ma antycząstkę, z którą może anihilować. (W przypadku cząstek zapewniających interakcję cząstka i antycząstka są jednym i tym samym). Mogą istnieć całe antysłowa i antyludzie składające się z antycząstek. Ale jeśli spotkasz anty-ja, nawet nie myśl o uścisku jego dłoni! Rozbłyśnie oślepiający błysk światła i oboje znikniecie. Niezwykle ważnym pytaniem jest, dlaczego wokół nas jest o wiele więcej cząstek niż antycząstek. Wrócimy do tego w dalszej części tego rozdziału.

W mechanice kwantowej zakłada się, że wszystkie siły lub interakcje między cząstkami materii przenoszone są przez cząstki o spinie całkowitym 0, 1 lub 2. Cząstka materii, taka jak elektron lub kwark, emituje cząstkę, która niesie siła. W wyniku odrzutu zmienia się prędkość cząstki materii. Następnie cząstka nośnika zderza się z inną cząstką substancji i zostaje przez nią pochłonięta. To zderzenie zmienia prędkość drugiej cząstki, tak jakby między dwiema cząstkami materii działała siła.

Cząstki nośnika interakcji mają jedną ważną właściwość: nie spełniają zasady wykluczenia Pauliego. Oznacza to, że nie ma ograniczeń co do liczby wymienianych cząstek, więc powstała siła oddziaływania może być duża. Jeśli jednak masa cząstek nośnika jest duża, to na dużych odległościach ich tworzenie i wymiana będzie utrudniona. Siły, które przenoszą, będą zatem krótkiego zasięgu. Jeśli cząstki nośnika nie mają własnej masy, pojawią się siły dalekiego zasięgu. Cząstki nośnikowe wymieniane między cząsteczkami materii nazywane są wirtualnymi, ponieważ w odróżnieniu od rzeczywistych nie można ich bezpośrednio wykryć za pomocą detektora cząstek. Wiemy jednak, że cząstki wirtualne istnieją, ponieważ tworzą mierzalne efekty: cząstki wirtualne tworzą siły pomiędzy cząsteczkami materii. W pewnych warunkach cząstki o spinach 0, 1, 2 również istnieją jako rzeczywiste; następnie można je zarejestrować bezpośrednio. Z punktu widzenia fizyki klasycznej cząstki takie pojawiają się u nas w postaci fal, powiedzmy świetlnych lub grawitacyjnych. Czasami są one emitowane podczas oddziaływania cząstek substancji, które następuje w wyniku wymiany cząstek nośnika interakcji. (Na przykład siła elektryczna wzajemnego odpychania między dwoma elektronami powstaje w wyniku wymiany wirtualnych fotonów, której nie można bezpośrednio wykryć. Jeśli jednak elektrony przelatują obok siebie, mogą zostać wyemitowane prawdziwe fotony, które zostaną wykryte jako fale świetlne. )

Cząstki nośnikowe można podzielić na cztery typy w zależności od wielkości przenoszonego przez nie oddziaływania i cząstek, z którymi oddziałują. Podkreślamy, że taki podział jest całkowicie sztuczny; Jest to schemat wygodny do rozwijania poszczególnych teorii, nie ma w nim chyba nic poważniejszego. Większość fizyków ma nadzieję, że w końcu możliwe będzie stworzenie jednolitej teorii, w której wszystkie cztery siły będą odmianami tej samej siły. Wielu postrzega to nawet jako główny cel współczesnej fizyki. Ostatnio próby zjednoczenia trzech sił zakończyły się sukcesem. Opowiem o nich więcej w tym rozdziale. Nieco później porozmawiamy o tym, jak sprawy się mają po włączeniu grawitacji do takiego zjednoczenia.

Zatem pierwszym rodzajem siły jest siła grawitacji. Siły grawitacyjne są uniwersalne. Oznacza to, że na każdą cząstkę działa siła grawitacji, której wielkość zależy od masy lub energii cząstki. Grawitacja jest znacznie słabsza niż każda z pozostałych trzech sił. Jest to bardzo słaba siła, której w ogóle byśmy nie zauważyli, gdyby nie dwie jej specyficzne właściwości: siły grawitacyjne działają na duże odległości i zawsze są siłami przyciągającymi. W rezultacie bardzo słabe siły grawitacyjne oddziaływania pomiędzy pojedynczymi cząstkami w dwóch dużych ciałach, takich jak Ziemia i Słońce, mogą sumować się w bardzo dużą siłę. Pozostałe trzy rodzaje interakcji albo działają tylko na krótkie odległości, albo są odpychające lub atrakcyjne, co na ogół prowadzi do kompensacji. W podejściu mechaniki kwantowej do pola grawitacyjnego uważa się, że siła grawitacji pomiędzy dwiema cząstkami materii jest przenoszona przez cząstkę o spinie 2, zwaną grawitonem. Grawiton nie ma własnej masy, dlatego siła, którą przenosi, jest dalekiego zasięgu. Oddziaływanie grawitacyjne między Słońcem a Ziemią tłumaczy się faktem, że cząstki tworzące Ziemię i Słońce wymieniają grawitony. Pomimo tego, że w wymianie uczestniczą jedynie cząstki wirtualne, efekt jaki tworzą jest z pewnością wymierny, gdyż efektem tym jest obrót Ziemi wokół Słońca! Prawdziwe grawitony rozchodzą się w postaci fal, które w fizyce klasycznej nazywane są falami grawitacyjnymi, są jednak bardzo słabe i tak trudne do zarejestrowania, że ​​nikomu się to jeszcze nie udało.

Następny rodzaj interakcji tworzą siły elektromagnetyczne, które działają pomiędzy cząstkami naładowanymi elektrycznie, takimi jak elektrony i kwarki, ale nie są odpowiedzialne za oddziaływanie cząstek nienaładowanych, takich jak grawitony. Oddziaływania elektromagnetyczne są znacznie silniejsze niż grawitacyjne: siła elektromagnetyczna działająca między dwoma elektronami jest około miliona milionów milionów milionów milionów milionów milionów (jeden, po którym następują czterdzieści dwa zera) razy większa niż siła grawitacji. Ale istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych - dodatnie i ujemne. Pomiędzy dwoma ładunkami dodatnimi, tak jak pomiędzy dwoma ładunkami ujemnymi, istnieje siła odpychająca, a pomiędzy ładunkami dodatnimi i ujemnymi – siła przyciągania. W dużych ciałach, takich jak Ziemia czy Słońce, zawartość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie równa, dlatego siły przyciągania i odpychania prawie się znoszą, a pozostaje bardzo mało czystej siły elektromagnetycznej. Jednakże w małej skali atomów i cząsteczek dominują siły elektromagnetyczne. Ze względu na przyciąganie elektromagnetyczne pomiędzy ujemnie naładowanymi elektronami i dodatnio naładowanymi protonami w jądrze, elektrony w atomie obracają się wokół jądra dokładnie w taki sam sposób, w jaki przyciąganie grawitacyjne powoduje obrót Ziemi wokół Słońca. Przyciąganie elektromagnetyczne opisuje się jako wynik wymiany dużej liczby wirtualnych, bezmasowych cząstek o spinie 1, zwanych fotonami. Podobnie jak w przypadku grawitonów, fotony dokonujące wymiany mają charakter wirtualny, jednak gdy elektron przemieszcza się z jednej dozwolonej orbity na inną, położoną bliżej jądra, uwalniana jest energia, w wyniku czego emitowany jest prawdziwy foton, który przy odpowiedniej długości fali , można zaobserwować ludzkim okiem w postaci światła widzialnego lub przy użyciu pewnego rodzaju detektora fotonów, takiego jak klisza fotograficzna. Podobnie, gdy prawdziwy foton zderza się z atomem, elektron może przenieść się z jednej orbity na drugą, bardziej odległą od jądra. To przejście następuje dzięki energii fotonu, która jest pochłaniana przez atom. Trzeci rodzaj interakcji nazywany jest słabą interakcją. Odpowiada za radioaktywność i występuje pomiędzy wszystkimi cząsteczkami materii o spinie 1/2, natomiast cząstki o spinie 0, 1, 2 – fotony i grawitony – nie biorą w niej udziału. Przed 1967 rokiem właściwości oddziaływań słabych były słabo poznane i w 1967 roku Abdus Salam, teoretyk z Imperial College w Londynie, i Steven Weinberg z Uniwersytetu Harvarda jednocześnie zaproponowali teorię, która łączyła oddziaływanie słabe z siłą elektromagnetyczną w taki sam sposób, jak sto lat wcześniej Maxwell połączył elektryczność i magnetyzm. Weinberg i Salam zaproponowali, że oprócz fotonu istnieją jeszcze trzy cząstki o spinie 1, zwane łącznie ciężkimi bozonami wektorowymi, które przenoszą oddziaływanie słabe. Bozony te oznaczono jako W+, W– i Z0, a każdy z nich miał masę 100 GeV (GeV oznacza gigaelektronowolt, tj. tysiąc milionów elektronowoltów). Teoria Weinberga-Salama ma właściwość tzw. spontanicznego łamania symetrii. Oznacza to, że cząstki zupełnie różne przy niskich energiach okazują się w rzeczywistości tą samą cząstką przy wysokich energiach, ale w różnych stanach. Pod pewnymi względami przypomina to zachowanie piłki podczas gry w ruletkę. Przy wszystkich dużych energiach (tj. przy gwałtownym obrocie koła) kula zawsze zachowuje się prawie tak samo - obraca się non-stop. Jednak gdy koło zwalnia, energia piłki maleje i ostatecznie wpada ona w jeden z trzydziestu siedmiu rowków na kole. Innymi słowy, przy niskich energiach kula może istnieć w trzydziestu siedmiu stanach. Gdybyśmy z jakiegoś powodu mogli obserwować piłkę tylko przy niskich energiach, pomyślelibyśmy, że istnieje trzydzieści siedem różnych typów piłek!

Teoria Weinberga-Salama przewidywała, że ​​przy energiach znacznie powyżej 100 GeV trzy nowe cząstki i foton powinny zachowywać się identycznie, ale przy niższych energiach cząstek, czyli w większości typowych sytuacji, ta „symetria” powinna się załamać. Przewidywano, że masy bozonów W+, W– i Z0 będą duże, więc wytwarzane przez nie siły będą miały bardzo krótki zasięg działania. Kiedy Weinberg i Salam przedstawiali swoją teorię, mało kto w nią wierzył, a przy ówczesnych akceleratorach małej mocy nie było możliwe osiągnięcie energii 100 GeV potrzebnej do wytworzenia rzeczywistych cząstek W+, W– i Z0. Jednak dziesięć lat później przewidywania uzyskane w tej teorii przy niskich energiach zostały tak dobrze potwierdzone eksperymentalnie, że Weinberg i Salam otrzymali w 1979 roku Nagrodę Nobla wraz z Sheldonem Glashowem (również z Harvardu), który zaproponował podobną, ujednoliconą teorię zjawisk elektromagnetycznych i słabych oddziaływania jądrowe. Komitetowi Nagrody Nobla oszczędzono zakłopotania, jakie mogłoby powstać, gdyby w 1983 r. wykazano w CERN, że popełnił błąd, trzech masywnych partnerów fotonu o właściwych masach i innych przewidywanych cechach. Carlo Rubbia, który stał na czele kilkusetosobowego zespołu fizyków, który dokonał tego odkrycia, otrzymał w 1984 roku Nagrodę Nobla, przyznaną mu wspólnie z inżynierem CERN Simonem Van der Meerem, autorem użytego w eksperymencie pierścienia magazynującego antycząstki. (W dzisiejszych czasach niezwykle trudno jest odcisnąć piętno w fizyce eksperymentalnej, jeśli nie jest się już na szczycie!).

Silne oddziaływanie jądrowe to siła typu 4, która utrzymuje kwarki wewnątrz protonu i neutronu, a protony i neutrony w jądrze atomowym. Za nośnik oddziaływania silnego uważa się inną cząstkę o spinie 1, którą nazywa się gluonem.

Gluony oddziałują tylko z kwarkami i innymi gluonami. Silna interakcja ma jedną niezwykłą właściwość - ma zamknięcie (uwięzienie - ograniczenie, zatrzymanie (ang.). - wyd.).

Uszczelnienie polega na tym, że cząstki są zawsze utrzymywane w bezbarwnych kombinacjach. Pojedynczy kwark nie może istnieć sam, bo wtedy musiałby mieć kolor (czerwony, zielony lub niebieski). Dlatego czerwony kwark musi być połączony z zielonym i niebieskim za pomocą „strumienia” gluonowego (czerwony + zielony + niebieski = biały). Taka trójka okazuje się protonem lub neutronem. Istnieje inna możliwość, gdy kwark i antykwark są sparowane (czerwony + anty-czerwony lub zielony + antyzielony lub niebieski + antyniebieski = biały). Takie kombinacje tworzą cząstki zwane mezonami. Cząstki te są niestabilne, ponieważ kwark i antykwark mogą anihilować się nawzajem, tworząc elektrony i inne cząstki. Podobnie pojedynczy gluon nie może istnieć samodzielnie z powodu zamknięcia, ponieważ gluony również mają kolor. Dlatego gluony muszą grupować się w taki sposób, aby ich kolory sumowały się do bieli. Opisana grupa gluonów tworzy niestabilną cząstkę – kulę kleju.

Z powodu zamknięcia nie możemy obserwować pojedynczego kwarku ani gluonu. Czy to nie oznacza, że ​​samo pojęcie kwarków i gluonów jako cząstek jest nieco metafizyczne? Nie, ponieważ oddziaływanie silne charakteryzuje się inną właściwością zwaną swobodą asymptotyczną. Dzięki tej właściwości pojęcie kwarków i gluonów staje się całkowicie określone. Przy zwykłych energiach oddziaływanie silne jest rzeczywiście silne i mocno ściska kwarki. Jednak, jak pokazują eksperymenty na potężnych akceleratorach, przy wysokich energiach oddziaływanie silne zauważalnie słabnie, a kwarki i gluony zaczynają zachowywać się prawie jak swobodne cząstki. Na ryc. Rysunek 5.2 przedstawia zdjęcie zderzenia protonu z antyprotonem o wysokiej energii. Widzimy, że kilka prawie swobodnych kwarków, powstałych w wyniku interakcji, utworzyło widoczne na zdjęciu „dżety” torów.

Udana unifikacja oddziaływań elektromagnetycznych i słabych zaowocowała próbami połączenia tych dwóch typów oddziaływań z oddziaływaniem silnym, czego efektem była tzw. teoria wielkiej unifikacji. W tej nazwie jest trochę przesady: po pierwsze, teorie wielkiej unifikacji nie są aż tak wielkie, a po drugie, nie unifikują całkowicie wszystkich sił, ponieważ nie uwzględniają grawitacji. W dodatku wszystkie te teorie są de facto niekompletne, gdyż zawierają parametry, których nie da się teoretycznie przewidzieć, a które trzeba obliczyć poprzez porównanie wyników teoretycznych i eksperymentalnych. Niemniej jednak teorie takie mogą stanowić krok w kierunku kompletnej teorii unifikacji obejmującej wszystkie interakcje. Główna idea stojąca za konstruowaniem wielkich zunifikowanych teorii jest następująca: jak już wspomniano, silne oddziaływania przy wysokich energiach stają się słabsze niż przy niskich energiach. Jednocześnie siły elektromagnetyczne i słabe nie są asymptotycznie swobodne i przy wysokich energiach rosną. Wtedy przy jakiejś bardzo dużej wartości energii – przy energii wielkiego zjednoczenia – te trzy siły mogłyby się zrównać i stać się po prostu odmianami tej samej siły. Teorie wielkiej unifikacji przewidują, że przy tej energii różne cząstki materii o spinie 1/2, takie jak kwarki i elektrony, również przestaną być różne, co byłoby kolejnym krokiem w kierunku zjednoczenia.

Wielka zunifikowana wartość energii nie jest zbyt dobrze znana, ale musi wynosić co najmniej miliard milionów GeV. W akceleratorach obecnej generacji zderzają się cząstki o energiach około 100 GeV, a w przyszłych projektach wartość ta powinna wzrosnąć do kilku tysięcy GeV. Jednak przyspieszanie cząstek do wielkiej, zunifikowanej energii wymaga akceleratora wielkości Układu Słonecznego. Mało prawdopodobne, aby w obecnej sytuacji gospodarczej ktokolwiek zdecydował się na jego sfinansowanie. Właśnie dlatego bezpośrednie eksperymentalne testowanie wielkich ujednoliconych teorii jest niemożliwe. Ale tutaj, podobnie jak w przypadku zunifikowanej teorii elektrosłabej, można przetestować konsekwencje niskoenergetyczne.

Najciekawszą z tych konsekwencji jest to, że protony, które stanowią większość masy zwykłej materii, mogą spontanicznie rozpadać się na lżejsze cząstki, takie jak antyelektrony. Powodem jest to, że przy wielkiej zunifikowanej energii nie ma znaczącej różnicy między kwarkiem a antyelektronem. Trzy kwarki wewnątrz protonu zwykle nie mają wystarczającej energii, aby przekształcić się w antyelektrony, ale jeden z kwarków może pewnego dnia zupełnie przypadkowo otrzymać wystarczającą energię do tej przemiany, ponieważ ze względu na zasadę nieoznaczoności nie da się dokładnie zarejestrować energii kwarków wewnątrz protonu. Następnie proton musi się rozpaść, ale prawdopodobieństwo, że kwark będzie miał wystarczającą energię, jest tak małe, że trzeba będzie na to czekać co najmniej milion milionów milionów milionów milionów lat (jeden, po którym następuje trzydzieści zer), czyli znacznie dłużej niż czas, który upłynął od Wielkiego Wybuchu, który nie przekracza dziesięciu miliardów lat lub czegoś podobnego (jeden i dziesięć zer). Sugeruje to wniosek, że możliwości samorzutnego rozpadu protonu nie można zweryfikować eksperymentalnie. Możliwe jest jednak zwiększenie prawdopodobieństwa zaobserwowania rozpadu protonów poprzez badanie bardzo dużej liczby protonów. (Obserwując na przykład 1 z trzydziestoma jeden protonami zerowymi w ciągu roku, można mieć nadzieję, że zgodnie z jedną z najprostszych teorii wielkiego unifikacji wykryje się więcej niż jeden rozpad protonu).

Przeprowadzono już kilka takich eksperymentów, ale nie dostarczyły one definitywnych informacji na temat rozpadów protonu lub neutronu. Jeden z eksperymentów, w którym zużyto osiem tysięcy ton wody, przeprowadzono w kopalni soli w Ohio (w celu wyeliminowania zakłóceń kosmicznych, które można by pomylić z rozpadem protonu). Ponieważ podczas całego eksperymentu nie wykryto żadnych rozpadów protonów, można obliczyć, że czas życia protonu musi być dłuższy niż dziesięć milionów milionów milionów milionów milionów lat (jeden i trzydzieści jeden zer). Wynik ten przekracza przewidywania najprostszej wielkiej zunifikowanej teorii, ale istnieją bardziej złożone teorie, które dają wyższe szacunki. Aby je zweryfikować potrzebne będą jeszcze bardziej precyzyjne eksperymenty z jeszcze większymi ilościami substancji.

Mimo trudności z obserwacją rozpadu protonu możliwe jest, że samo nasze istnienie jest konsekwencją procesu odwrotnego - powstawania protonów, czy prościej, kwarków już w początkowej fazie, kiedy nie było więcej kwarków niż antykwarków. Taki obraz początku Wszechświata wydaje się najbardziej naturalny. Materia ziemska składa się głównie z protonów i neutronów, które z kolei składają się z kwarków, ale nie ma antyprotonów ani antyneutronów, które są zbudowane z antykwarków, z wyjątkiem nielicznych, które powstały w dużych akceleratorach. Eksperymenty z promieniami kosmicznymi potwierdzają, że to samo dotyczy całej materii w naszej Galaktyce: nie ma antyprotonów ani antyneutronów, z wyjątkiem niewielkiej liczby antycząstek, które powstają w wyniku tworzenia się par cząstka-antycząstka w zderzeniach cząstek przy wysokich energiach . Gdyby w naszej Galaktyce istniały duże obszary antymaterii, wówczas można by się spodziewać silnego promieniowania na styku materii z antymaterią, gdzie doszłoby do wielu zderzeń cząstek i antycząstek, które anihilując emitowałyby promieniowanie wysokoenergetyczne.

Nie mamy bezpośredniego wskazania, czy materia innych galaktyk składa się z protonów i neutronów, czy z antyprotonów i antyneutronów, ale musi składać się z cząstek tego samego typu: w obrębie jednej galaktyki nie może być mieszaniny cząstek i antycząstek, bo w rezultacie w wyniku ich anihilacji wyemitowane zostanie potężne promieniowanie. Dlatego wierzymy, że wszystkie galaktyki składają się z kwarków, a nie z antykwarków; Jest mało prawdopodobne, aby niektóre galaktyki składały się z materii, a inne z antymaterii.

Ale dlaczego kwarków ma być o wiele więcej niż antykwarków? Dlaczego ich liczba nie jest taka sama? Mamy szczęście, że tak się stało, ponieważ gdyby liczba kwarków i antykwarków była równa, wówczas prawie wszystkie kwarki i antykwarki we wczesnym Wszechświecie unicestwiłyby się nawzajem, wypełniając go promieniowaniem, ale prawie nie pozostawiając żadnej materii. Nie byłoby galaktyk, gwiazd, planet, na których mogłoby rozwinąć się życie ludzkie. Teorie wielkiej unifikacji mogą wyjaśnić, dlaczego we Wszechświecie powinno być obecnie więcej kwarków niż antykwarków, nawet jeśli na samym początku było ich tyle samo. Jak już wiemy, w teoriach wielkiej unifikacji przy wysokich energiach kwarki mogą zamieniać się w antyelektrony. Możliwe są także procesy odwrotne, gdy antykwarki zamieniają się w elektrony, a elektrony i antyelektrony w antykwarki i kwarki. Dawno, dawno temu, na bardzo wczesnym etapie rozwoju Wszechświata, było tak gorąco, że do takich przemian wystarczała energia cząstek. Ale dlaczego spowodowało to powstanie większej liczby kwarków niż antykwarków? Powodem jest to, że prawa fizyki nie są dokładnie takie same dla cząstek i antycząstek.

Do 1956 roku uważano, że prawa fizyki są niezmienne przy trzech przekształceniach symetrii - C, P i T. Symetria C oznacza, że ​​wszystkie prawa są takie same dla cząstek i antycząstek. Symetria P oznacza, że ​​prawa fizyki są takie same dla każdego zjawiska i jego lustrzanego odbicia (lustrzane odbicie cząstki obracającej się zgodnie z ruchem wskazówek zegara będzie cząstką obracającą się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Wreszcie znaczenie symetrii T jest takie, że gdy kierunek ruchu wszystkich cząstek i antycząstek zostanie odwrócony, układ powróci do stanu, w jakim był wcześniej; innymi słowy, prawa są takie same, niezależnie od tego, czy poruszamy się w czasie do przodu, czy do tyłu.

W 1956 roku dwóch amerykańskich fizyków, Tzundao Li i Zhenning Yang, zasugerowało, że oddziaływanie słabe w rzeczywistości nie jest niezmienne w przypadku transformacji P. Inaczej mówiąc, na skutek słabego oddziaływania rozwój Wszechświata może przebiegać inaczej niż rozwój jego lustrzanego odbicia. W tym samym roku Jinxiang Wu, kolega Li i Yang, był w stanie udowodnić, że ich założenia były prawidłowe. Układając jądra atomów radioaktywnych w polu magnetycznym tak, aby ich spiny były w tym samym kierunku, wykazała, że ​​w jednym kierunku emitowanych było więcej elektronów niż w drugim. W następnym roku Lee i Yang otrzymali za swoje odkrycie Nagrodę Nobla. Okazało się, że oddziaływania słabe również nie zachowują symetrii C. Oznacza to, że Wszechświat składający się z antycząstek będzie zachowywał się inaczej niż nasz Wszechświat. Jednak każdemu wydawało się, że oddziaływanie słabe powinno nadal spełniać złożoną symetrię CP, czyli rozwój Wszechświata powinien następować w taki sam sposób, jak rozwój jego lustrzanego odbicia, jeśli po odbiciu go w zwierciadle zamień także każdą cząstkę na antycząstkę! Jednak w 1964 roku dwóch kolejnych Amerykanów, James Cronin i Vel Fitch, odkryło, że nawet symetria CP zostaje złamana podczas rozpadu cząstek zwanych mezonami K.

W rezultacie w 1980 roku Cronin i Fitch otrzymali za swoją pracę Nagrodę Nobla. (Jakaż ogromna liczba nagród została przyznana za prace, które pokazują, że Wszechświat nie jest taki prosty, jak nam się wydaje).

Istnieje twierdzenie matematyczne, które stwierdza, że ​​każda teoria zgodna z mechaniką kwantową i teorią względności musi zawsze być niezmienna w ramach połączonej symetrii CPT. Innymi słowy, zachowanie Wszechświata nie ulegnie zmianie, jeśli cząstki zastąpimy antycząstkami, odbijemy wszystko w lustrze, a także odwrócimy kierunek czasu. Ale Cronin i Fitch wykazali, że jeśli zastąpimy cząstki antycząstkami i stworzymy odbicie lustrzane, ale nie odwrócimy kierunku czasu, Wszechświat będzie zachowywał się inaczej. W konsekwencji, gdy czas zostanie odwrócony, prawa fizyki muszą się zmienić, czyli nie są niezmienne względem symetrii T.

Jest oczywiste, że we wczesnym Wszechświecie symetria T została złamana: gdy czas płynie do przodu, Wszechświat się rozszerza, a jeśli czas się cofa, Wszechświat zaczyna się kurczyć. A skoro istnieją siły, które nie są niezmienne względem symetrii T, to wynika z tego, że w miarę rozszerzania się Wszechświata pod wpływem tych sił, antyelektrony powinny częściej zamieniać się w kwarki niż elektrony w antykwarki. Następnie, gdy Wszechświat rozszerzałby się i ochładzał, antykwarki i kwarki uległyby anihilacji, ale ponieważ byłoby więcej kwarków niż antykwarków, byłby ich niewielki nadmiar. I są to właśnie kwarki tworzące dzisiejszą materię, którą widzimy i z której sami jesteśmy stworzeni. Zatem samo nasze istnienie można uznać za potwierdzenie teorii wielkiego zjednoczenia, choć jedynie jako potwierdzenie jakościowe. Niepewność wynika z tego, że nie możemy przewidzieć, ile kwarków pozostanie po anihilacji ani nawet czy pozostałe cząstki będą kwarkami czy antykwarkami. (To prawda, gdyby pozostała nadwyżka antykwarków, po prostu zmienilibyśmy ich nazwy na kwarki, a kwarki na antykwarki).

Teorie wielkiej unifikacji nie uwzględniają interakcji grawitacyjnych. Nie jest to aż tak istotne, gdyż siły grawitacyjne są na tyle małe, że ich wpływ można po prostu pominąć

Prezentacja na temat „Cząstki elementarne” w fizyce w formacie PowerPoint. Prezentacja dla uczniów klas 11. wyjaśnia fizykę cząstek elementarnych i systematyzuje wiedzę na ten temat. Celem pracy jest rozwinięcie myślenia abstrakcyjnego, ekologicznego i naukowego uczniów w oparciu o wyobrażenia o cząstkach elementarnych i ich oddziaływaniach. Autor prezentacji: Popova I.A., nauczyciel fizyki.

Fragmenty prezentacji

Ile pierwiastków znajduje się w układzie okresowym?

• Tylko 92.
• Jak? Czy jest więcej?
• To prawda, ale całą resztę uzyskuje się sztucznie, nie występują w naturze.
• A więc - 92 atomy. Można z nich także tworzyć cząsteczki, tj. Substancje!
• Ale fakt, że wszystkie substancje składają się z atomów, stwierdził Demokryt (400 p.n.e.).
• Był wielkim podróżnikiem, a jego ulubione powiedzenie brzmiało:
• „Nie istnieje nic poza atomami i czystą przestrzenią, wszystko inne jest widokiem”

Kalendarium fizyki cząstek elementarnych

• Fizycy teoretyczni stanęli przed najtrudniejszym zadaniem uporządkowania całego odkrytego „zoo” cząstek i próbą zredukowania do minimum liczby cząstek elementarnych, udowadniając, że inne cząstki składają się z cząstek elementarnych
• Wszystkie te cząstki były niestabilne, tj. rozpadały się na cząstki o mniejszych masach, ostatecznie stając się stabilnymi protonami, elektronami, fotonami i neutrinami (oraz ich antycząstkami).
• Trzeci jest taki. M. Gell-Mann i niezależnie J. Zweig zaproponowali model budowy silnie oddziałujących cząstek z cząstek elementarnych – kwarków
• Model ten przekształcił się obecnie w spójną teorię wszystkich znanych typów oddziaływań cząstek.

Jak wykryć cząstkę elementarną?

Zazwyczaj ślady (trajektorie lub ślady) pozostawione przez cząstki są badane i analizowane za pomocą fotografii.

Klasyfikacja cząstek elementarnych

Wszystkie cząstki są podzielone na dwie klasy:

• Fermiony tworzące materię;
• Bozony, poprzez które zachodzi interakcja.

Kwarki

• Kwarki uczestniczą w oddziaływaniach silnych, słabych i elektromagnetycznych.
• Gell-Mann i Georg Zweig zaproponowali model kwarkowy w 1964 roku.
• Zasada Pauliego: w jednym układzie wzajemnie połączonych cząstek nigdy nie istnieją co najmniej dwie cząstki o identycznych parametrach, jeśli cząstki te mają spin półcałkowity.

Co to jest spin?

• Spin pokazuje, że istnieje przestrzeń stanów, która nie ma nic wspólnego z ruchem cząstki w zwykłej przestrzeni;
• Spin (z angielskiego na spin - do spin) jest często porównywany do momentu pędu „szybko obracającego się blatu” - to nieprawda!
• Spin jest wewnętrzną cechą kwantową cząstki, która nie ma odpowiednika w mechanice klasycznej;
• Spin (od angielskiego spin - twirl, rotacja) to wewnętrzny moment pędu cząstek elementarnych, który ma naturę kwantową i nie jest związany z ruchem cząstki jako całości

Cztery rodzaje interakcji fizycznych

• grawitacyjny,
• elektromagnetyczny,
• słaby,
• mocny.

• Słaba interakcja- zmienia wewnętrzną naturę cząstek.
• Silne interakcje- określić różne reakcje jądrowe, a także pojawienie się sił wiążących neutrony i protony w jądrach.

Właściwości kwarków

• Kwarki mają właściwość zwaną ładunkiem barwnym.
• Istnieją trzy rodzaje ładunków kolorowych, umownie określane jako
• niebieski,
• zielony
• Czerwony.
• Każdy kolor ma uzupełnienie w postaci własnego antykoloru - antyniebieskiego, antyzielonego i antyczerwonego.
• W przeciwieństwie do kwarków, antykwarki nie mają koloru, lecz antykolor, czyli ładunek o przeciwnym kolorze.

Właściwości kwarków: masa

• Kwarki mają dwa główne typy mas, które różnią się wielkością:
• aktualna masa kwarka, szacowana w procesach ze znacznym przeniesieniem kwadratu pędu 4, oraz
• masa konstrukcyjna (blok, masa składowa); obejmuje również masę pola gluonowego wokół kwarku i jest szacowana na podstawie masy hadronów i ich składu kwarkowego.

Właściwości kwarków: smak

• Każdy smak (typ) kwarku charakteryzuje się takimi liczbami kwantowymi jak
• izospina Iz,
• dziwność S,
• urok C,
• urok (dno, piękno) B′,
• prawda (szczyt) T.

Zadania

• Jaka energia wydziela się podczas anihilacji elektronu i pozytonu?
• Jaka energia wydziela się podczas anihilacji protonu i antyprotonu?
• W jakich procesach jądrowych powstają neutrina?
  • A. Podczas rozpadu α.
  • B. Podczas rozpadu β.
  • B. Kiedy emitowane są kwanty γ.
• Jakie procesy jądrowe wytwarzają antyneutrina?
  • A. Podczas rozpadu α.
  • B. Podczas rozpadu β.
  • B. Kiedy emitowane są kwanty γ.
  • D. Podczas jakichkolwiek przemian jądrowych
• Proton składa się z...
  • A. . . .neutron, pozyton i neutrino.
  • B. . . .mezony.
  • W. . . .kwarki.
  • D. Proton nie ma części składowych.
• Neutron składa się z...
  • A. . . .proton, elektron i neutrino.
  • B. . . .mezony.
  • W. . . . kwarki.
  • D. Neutron nie ma części składowych.
• Co wykazały eksperymenty Davissona i Germera?
  • A. Kwantowa natura pochłaniania energii przez atomy.
  • B. Kwantowy charakter emisji energii przez atomy.
  • B. Właściwości falowe światła.
  • D. Właściwości falowe elektronów.
• Który z poniższych wzorów określa długość fali de Broglie'a dla elektronu (m i v to masa i prędkość elektronu)?

Test

• Jakie układy fizyczne powstają z cząstek elementarnych w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego? A. Elektrony, protony. B. Jądra atomowe. B. Atomy, cząsteczki materii i antycząstki.
• Z punktu widzenia interakcji wszystkie cząstki dzielimy na trzy typy: A. Mezony, fotony i leptony. B. Fotony, leptony i bariony. B. Fotony, leptony i hadrony.
• Co jest głównym czynnikiem istnienia cząstek elementarnych? A. Wzajemna przemiana. B. Stabilność. B. Oddziaływanie cząstek między sobą.
• Jakie oddziaływania decydują o stabilności jąder w atomach? A. Grawitacja. B. Elektromagnetyczne. B. Energia jądrowa. D. Słabe.
• Czy w przyrodzie istnieją cząstki niezmienne? A. Są. B. Nie istnieją.
• Rzeczywistość przemiany materii w pole elektromagnetyczne: A. Potwierdzona doświadczeniem anihilacji elektronu i pozytonu. B. Potwierdzone doświadczeniem anihilacji elektronu i protonu.
• Reakcja przekształcenia materii w pole: A. e + 2γ →e+ B. e + 2γ →e- C. e+ +e- =2γ.
• Jakie oddziaływanie odpowiada za przemianę cząstek elementarnych w siebie? A. Silna interakcja. B. Grawitacja. B. Oddziaływanie słabe. D. Silne, słabe, elektromagnetyczne.

Odpowiedź na wciąż zadawane pytanie: jaka jest najmniejsza cząstka we Wszechświecie, która wyewoluowała wraz z ludzkością.

Kiedyś ludzie myśleli, że ziarna piasku są budulcem tego, co widzimy wokół nas. Następnie odkryto atom i uznano go za niepodzielny, dopóki nie został rozdzielony, aby odsłonić znajdujące się w nim protony, neutrony i elektrony. Nie okazały się też najmniejszymi cząsteczkami we Wszechświecie, gdyż naukowcy odkryli, że protony i neutrony składają się każdy z trzech kwarków.

Jak dotąd naukowcom nie udało się znaleźć żadnych dowodów na to, że wewnątrz kwarków znajduje się cokolwiek i że dotarto do najbardziej podstawowej warstwy materii lub najmniejszej cząstki we Wszechświecie.

I nawet jeśli kwarki i elektrony są niepodzielne, naukowcy nie wiedzą, czy są to najmniejsze kawałki istniejącej materii, czy też Wszechświat zawiera obiekty jeszcze mniejsze.

Najmniejsze cząstki we Wszechświecie

Występują w różnych smakach i rozmiarach, niektóre mają niesamowite połączenia, inne zasadniczo odparowują, wiele z nich ma fantastyczne nazwy: kwarki złożone z barionów i mezonów, neutronów i protonów, nukleony, hiperony, mezony, bariony, nukleony, fotony, itp. .d.

Bozon Higgsa jest cząstką tak ważną dla nauki, że nazywa się ją „cząstką Boga”. Uważa się, że określa masę wszystkich pozostałych. Po raz pierwszy teorię o pierwiastku wysunięto w 1964 r., kiedy naukowcy zastanawiali się, dlaczego niektóre cząstki są masywniejsze od innych.

Bozon Higgsa jest powiązany z tzw. polem Higgsa, które, jak się uważa, wypełnia Wszechświat. Dwa elementy (kwant pola Higgsa i bozon Higgsa) odpowiadają za nadanie pozostałym masy. Nazwany na cześć szkockiego naukowca Petera Higgsa. 14 marca 2013 roku oficjalnie ogłoszono potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa.

Wielu naukowców twierdzi, że mechanizm Higgsa rozwiązał brakujący element układanki i uzupełnił istniejący „model standardowy” fizyki, który opisuje znane cząstki.

Bozon Higgsa zasadniczo determinował masę wszystkiego, co istnieje we Wszechświecie.

Kwarki

Kwarki (czyli kwarki) są elementami budulcowymi protonów i neutronów. Nigdy nie są sami, istnieją tylko w grupach. Najwyraźniej siła wiążąca kwarki rośnie wraz z odległością, więc im dalej się udasz, tym trudniej będzie je rozdzielić. Dlatego wolne kwarki nigdy nie istnieją w przyrodzie.

Kwarki są cząstkami elementarnymi są bez struktury, spiczaste około 10-16 cm.

Na przykład protony i neutrony składają się z trzech kwarków, przy czym protony zawierają dwa identyczne kwarki, podczas gdy neutrony mają dwa różne.

Supersymetria

Wiadomo, że podstawowymi „cegiełkami” materii, fermionami, są kwarki i leptony, a strażnikami oddziaływania, bozony, są fotony i gluony. Teoria supersymetrii mówi, że fermiony i bozony mogą się w siebie przekształcać.

Przewidywana teoria głosi, że dla każdej znanej nam cząstki istnieje cząstka pokrewna, której jeszcze nie odkryliśmy. Na przykład dla elektronu jest to selektron, kwark jest kwadratem, foton jest fotonem, a higgs jest higgsino.

Dlaczego nie zaobserwujemy tej supersymetrii we Wszechświecie już teraz? Naukowcy uważają, że są znacznie cięższe od swoich zwykłych kuzynów, a im są cięższe, tym krótsza jest ich żywotność. W rzeczywistości zaczynają się zapadać, gdy tylko się pojawią. Stworzenie supersymetrii wymaga dość dużej ilości energii, która istniała dopiero wkrótce po Wielkim Wybuchu i prawdopodobnie mogła zostać wytworzona w dużych akceleratorach, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów.

Jeśli chodzi o przyczynę powstania symetrii, fizycy snują teorię, że symetria mogła zostać złamana w jakimś ukrytym sektorze Wszechświata, którego nie możemy zobaczyć ani dotknąć, ale możemy jedynie wyczuć grawitację.

Neutrino

Neutrina to lekkie cząstki subatomowe, które gwiżdżą wszędzie z prędkością bliską prędkości światła. W rzeczywistości biliony neutrin przepływają przez twoje ciało w dowolnym momencie, chociaż rzadko wchodzą w interakcję z normalną materią.

Niektóre pochodzą ze Słońca, inne zaś z promieni kosmicznych oddziałujących z ziemską atmosferą i źródłami astronomicznymi, takimi jak eksplodujące gwiazdy w Drodze Mlecznej i innych odległych galaktykach.

Antymateria

Uważa się, że wszystkie normalne cząstki zawierają antymaterię o tej samej masie, ale o przeciwnym ładunku. Kiedy materia spotyka się, niszczą się nawzajem. Na przykład cząstką antymaterii protonu jest antyproton, podczas gdy partner antymaterii elektronu nazywany jest pozytonem. Antymateria jest jedną z najdroższych substancji na świecie, jaką udało się ludziom zidentyfikować.

Grawitony

W mechanice kwantowej wszystkie podstawowe siły przenoszone są przez cząstki. Na przykład światło składa się z bezmasowych cząstek zwanych fotonami, które przenoszą siłę elektromagnetyczną. Podobnie grawiton jest cząstką teoretyczną przenoszącą siłę grawitacji. Naukowcy nie odkryli jeszcze grawitonów, które są trudne do znalezienia, ponieważ tak słabo oddziałują z materią.

Nici Energii

W eksperymentach drobne cząstki, takie jak kwarki i elektrony, zachowują się jak pojedyncze punkty materii bez rozkładu przestrzennego. Jednak obiekty punktowe komplikują prawa fizyki. Ponieważ niemożliwe jest zbliżenie się do punktu nieskończenie blisko, ponieważ działające siły mogą stać się nieskończenie duże.

Pomysł zwany teorią superstrun mógłby rozwiązać ten problem. Teoria głosi, że wszystkie cząstki zamiast być punktowe, są w rzeczywistości małymi nitkami energii. Oznacza to, że wszystkie obiekty w naszym świecie składają się z wibrujących nici i membran energii. Nic nie może być nieskończenie blisko nici, ponieważ jedna część będzie zawsze trochę bliżej drugiej. Wydaje się, że ta „luka” rozwiązuje niektóre problemy związane z nieskończonością, co czyni ten pomysł atrakcyjnym dla fizyków. Jednak naukowcy wciąż nie mają eksperymentalnych dowodów na to, że teoria strun jest poprawna.

Innym sposobem rozwiązania problemu punktowego jest stwierdzenie, że sama przestrzeń nie jest ciągła i gładka, ale w rzeczywistości składa się z dyskretnych pikseli lub ziaren, czasami nazywanych strukturą czasoprzestrzenną. W takim przypadku dwie cząstki nie będą mogły zbliżać się do siebie w nieskończoność, ponieważ zawsze muszą być oddzielone minimalną wielkością przestrzeni ziaren.

Punkt czarnej dziury

Kolejnym pretendentem do tytułu najmniejszej cząstki we Wszechświecie jest osobliwość (pojedynczy punkt) w centrum czarnej dziury. Czarne dziury powstają, gdy materia skrapla się w przestrzeń na tyle małą, że przyciąga ją grawitacja, powodując wciąganie materii do wewnątrz, ostatecznie kondensując w pojedynczy punkt o nieskończonej gęstości. Przynajmniej według obecnych praw fizyki.

Jednak większość ekspertów nie uważa, że ​​czarne dziury są naprawdę nieskończenie gęste. Uważają, że ta nieskończoność jest wynikiem wewnętrznego konfliktu pomiędzy dwiema obecnymi teoriami – ogólną teorią względności i mechaniką kwantową. Sugerują, że kiedy uda się sformułować teorię grawitacji kwantowej, prawdziwa natura czarnych dziur zostanie odkryta.

Długość Plancka

Nici energii, a nawet najmniejsza cząstka we Wszechświecie mogą mieć wielkość „długości Plancka”.

Długość kreski wynosi 1,6 x 10 -35 metrów (liczba 16 jest poprzedzona 34 zerami i kropką dziesiętną) - niezrozumiała mała skala, która wiąże się z różnymi aspektami fizyki.

Długość Plancka to „naturalna jednostka” długości zaproponowana przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka.

Długość Plancka jest zbyt krótka, aby można ją było zmierzyć jakimkolwiek instrumentem, ale poza tym uważa się, że reprezentuje teoretyczną granicę najkrótszej mierzalnej długości. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności żaden przyrząd nie powinien być w stanie zmierzyć czegoś mniejszego, ponieważ w tym zakresie wszechświat jest probabilistyczny i niepewny.

Skala ta jest również uważana za linię podziału między ogólną teorią względności a mechaniką kwantową.

Długość Plancka odpowiada odległości, w której pole grawitacyjne jest tak silne, że może zacząć tworzyć czarne dziury z energii pola.

Najwyraźniej najmniejsza cząstka we Wszechświecie ma teraz rozmiar mniej więcej deski: 1,6 x 10-35 metrów

wnioski

Ze szkoły wiadomo było, że najmniejsza cząstka we Wszechświecie, elektron, ma ładunek ujemny i bardzo małą masę równą 9,109 x 10 - 31 kg, a klasyczny promień elektronu wynosi 2,82 x 10 -15 m.

Jednakże fizycy zajmują się już najmniejszymi cząsteczkami we Wszechświecie, których wielkość Plancka wynosi w przybliżeniu 1,6 x 10-35 metrów.

Jedną z głównych właściwości cząstek jest ich zdolność do wzajemnego przekształcania się, powstawania i niszczenia w wyniku interakcji.
Odkrycie pozytonu, cząstki o charakterystyce podobnej do elektronu, ale w odróżnieniu od elektronu, posiadającej dodatni ładunek jednostkowy, było niezwykle ważnym wydarzeniem w fizyce. Już w 1928 roku P. Dirac zaproponował równanie opisujące relatywistyczną mechanikę kwantową elektronu. Okazało się, że równanie Diraca ma dwa rozwiązania, zarówno o energii dodatniej, jak i ujemnej. Ujemny stan energii opisuje cząstkę podobną do elektronu, ale z dodatnim ładunkiem elektrycznym. Pozyton był pierwszą odkrytą cząstką z całej klasy cząstek zwanych antycząstkami. Przed odkryciem pozytonu nierówna rola ładunków dodatnich i ujemnych w przyrodzie wydawała się niewytłumaczalna. Dlaczego istnieje ciężki, dodatnio naładowany proton, ale nie ma ciężkiej cząstki o masie protonu i ładunku ujemnym? Ale był tam lekki, ujemnie naładowany elektron. Odkrycie pozytonu w 1932 r. zasadniczo przywróciło symetrię ładunku cząstek lekkich i postawiło fizyków przed problemem znalezienia antycząstki dla protonu. Kolejną niespodzianką jest to, że pozyton jest cząstką stabilną i może istnieć w pustej przestrzeni przez czas nieokreślony. Jednakże, gdy elektron i pozyton zderzają się, ulegają anihilacji. Elektron i pozyton znikają, a zamiast nich rodzą się dwa kwanty γ

e + + mi - → 2γ

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

Następuje przemiana cząstek o masie spoczynkowej różnej od zera w cząstki o zerowej masie spoczynkowej (fotony), tj. masa spoczynkowa nie jest zachowywana, ale zamieniana na energię kinetyczną.
Wraz z procesem anihilacji odkryto także proces tworzenia pary elektron-pozyton. Pary elektron-pozyton można było łatwo wytworzyć za pomocą kwantów - o energii kilku MeV w polu kulombowskim jądra atomowego. W fizyce klasycznej pojęcia cząstek i fal są ostro zróżnicowane - niektóre obiekty fizyczne są cząstkami, inne zaś falami. Przekształcenie par elektron-pozyton w fotony dodatkowo potwierdziło tezę, że promieniowanie i materia mają ze sobą wiele wspólnego. Procesy anihilacji i narodzin par zmusiły nas do ponownego przemyślenia, czym są cząstki, które wcześniej nazywano elementarnymi. Cząstka przestała być niezmienną „cegłą” w strukturze materii. Pojawiła się nowa, niezwykle głęboka koncepcja wzajemnego przekształcania się cząstek. Okazało się, że cząstki mogą rodzić się i znikać, zamieniając się w inne cząstki.
W teorii -rozpadu stworzonej przez E. Fermiego wykazano, że elektrony wyemitowane w procesie -rozpadu nie istnieją w jądrze, lecz powstają w wyniku rozpadu neutronu. W wyniku tego rozpadu zanika neutron n i powstają proton p, elektron e - i antyneutrino elektronowe e.

n p + mi - + mi

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

W wyniku reakcji pomiędzy antyprotonem i protonem p, w zależności od energii zderzających się cząstek, mogą powstawać różne cząstki

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 -

Dodatnio naładowany mezon K+, którego średni czas życia wynosi 1,2∙10 -8 s, rozpada się w jeden z poniższych sposobów (względne prawdopodobieństwa rozpadu pokazano po prawej stronie).

Λ -hyperon i Δ 0 -rezonans mają w przybliżeniu takie same masy i rozpadają się na te same cząstki - proton i π - mezon. Duża różnica w ich żywotności wynika z mechanizmu rozpadu. Λ -hiperon rozpada się w wyniku słabego oddziaływania, a Δ 0 -rezonans - w wyniku silnego oddziaływania.

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

Podczas rozpadu mionu ujemnego (-) w stanie końcowym wraz z elektronem pojawiają się dwie cząstki neutralne - neutrino mionowe ν μ i antyneutrino elektronowe e. Zanik ten następuje w wyniku słabego oddziaływania.