Przeczytaj
Warto przeczytać
„Zajrzyjmy” do wnętrza atomu i przeanalizujmy jego budowę (Rys. 1.). Atom składa się z jądra atomowego i elektronów – niepodzielnych cząstek o ujemnym elementarnym ładunku elektrycznym „-” ( – ładunek elementarny). W jądrze atomu skupiona jest prawie cała jego masa. Jądro składa się z protonów o ładunku dodatnim (+) i obojętnych elektrycznie neutronów. Protony i neutrony, cząstki o masie około 1840 razy większej od masy elektronu, składają się z kwarków. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, kwarki nie posiadają wewnętrznej struktury, należą do podstawowych składników materii – budują inne cząstki.
Obecnie obowiązującą teorią, która opisuje podstawowe składniki budowy materii oraz oddziaływania fundamentalne, jest Model standardowyModel standardowy. Model ten wyróżnia następujące grupy cząstek elementarnych:
cząstki materii: leptony i kwarki,
cząstki przenoszące oddziaływania, zwane nośnikami oddziaływań.
Grupa leptonów składa się z 6 cząstek:
elektron () i neutrino elektronowe (),
mion () i neutrino mionowe (),
taon () i neutrino taonowe ().
Każda z tych cząstek ma swoją antycząstkę – cząstkę o tej samej masie i czasie życia, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego i innych liczb kwantowych. Antycząstką elektronu jest pozyton (), nazywany też dodatnim elektronem.
Leptony nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych, które wiążą nukleony w jądro atomowe. Elektron jest trwałą cząstką, zaś mion i taon są nietrwałe i rozpadają się na inne cząstki. Masa mionu jest ponad 200 razy większa od masy elektronu, zaś taon ma jeszcze większą masę – ponad 3000 razy większą od masy elektronu. Elektron, mion i taon mają takie same ujemne ładunki „-e”, gdzie – ładunek elementarny.
Neutrina to bardzo małe, obojętne elektrycznie cząstki, które bardzo słabo oddziałują z materią. Nazwy neutrin są związane z nazwami cząstek, którym towarzyszą. Istnienie neutrina jako cząstki towarzyszącej elektronowi w rozpadzie zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w latach trzydziestych XX wieku, a zarejestrowano je dopiero po 20 latach. Istnienie neutrina taonowego zostało potwierdzone w roku 2000.
Neutrina należą do najbardziej przenikliwych cząstek i bardzo trudno je zarejestrować. Detektory neutrin umieszcza się głęboko pod ziemią. Detektor Kamiokande, umieszczony w starej kopalni w Japonii, to ogromny zbiornik wodny i ponad 10 tysięcy detektorów, które rejestrują błyski światła wywołane przez cząstki naładowane, powstające przy zderzeniach z neutrinami. Tam zarejestrowano neutrina powstałe podczas wybuchu Supernowej 1987A, a dwa lata później neutrina słoneczne. Tam, w unowocześnionym detektorze nazwanym Super‑Kamiokande, w 2013 roku zaobserwowano oscylacje neutrin, czyli przekształcanie się neutrin jednego rodzaju w neutrina innego rodzaju i z powrotem. Odkrycie tego zjawiska było potwierdzeniem, że neutrina mają masę.
O tym jak ważne są te badania dla poznania struktury Wszechświata świadczy fakt, że za badania nad naturą neutrin przyznano Nagrody Nobla w latach: 1988, 1995, 2002 i 2015.
Kwarki to cząstki elementarne o ułamkowych ładunkach elektrycznych (, ). Oprócz tej cechy kwarki mają jeszcze inną cechę zwaną kolorem. „Kolory” kwarków (czerwony, niebieski, zielony) nie mają nic wspólnego z kolorami widzialnymi. Termin ten został wprowadzony przez fizyków przy opisie matematycznym modelu. Kwarki istnieją tylko w stanie związanym, nie obserwuje się ich w stanie swobodnym.
Istnieje 6 kwarków, które fizycy łączą w pary:
górny (up) i dolny (down),
powabny (charm) i dziwny (strange),
szczytowy (top) i denny (bottom).
Kwarki oznacza się zwykle pierwszymi literami ich nazw w języku angielskim, czyli: , , , , , . Kwarki: , , mają ładunki dodatnie +2/3, zaś kwarki , , ładunki ujemne -1/3. Podobnie jak w przypadku leptonów każdy kwark na swoją antycząstkę o przeciwnym ładunku elektrycznym.
Kwarki budują inne cząstki dzięki oddziaływaniom silnym. Są to te same oddziaływania, które wiążą nukleony w jądrze atomowym. Proton składa się z dwóch kwarków i jednego , a neutron z dwóch kwarków i jednego . Można to przedstawić graficznie, jak na przykład na Rys. 3.
Cząstki materii są fermionamifermionami, co znaczy że mają spinspin połówkowy. Łączy się je w grupy, tak zwane rodziny (tabela 1). W każdej rodzinie znajdują się dwa kwarki i dwa leptony. Cząstki z pierwszej rodziny są najlżejsze i według obecnej wiedzy to właśnie z nich jest zbudowana stabilna materia. Natomiast wszystkie obiekty zbudowane z pozostałych cząstek są nietrwałe i ulegają rozpadowi. Prawdopodobnie powstały podczas Wielkiego Wybuchu, a fizycy wytwarzają je dziś w laboratoriach.
Tabela 1. Rodziny cząstek
CZĄSTKI MATERII | |||||
KWARKI | LEPTONY | ||||
ładunek elektryczny | +2/3 | -1/3 | - | 0 | |
pierwsza rodzina | (up) | (down) | elektron () | neutrino elektronowe () | |
druga rodzina | (charm) | (strange) | mion () | neutrino mionowe () | |
trzecia rodzina | (top) | (bottom) | taon () | neutrino taonowe () |
Model standardowy opisuje oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe i silne oraz cząstki przenoszące oddziaływania. Oddziaływania elektromagnetyczne i słabe zostały połączone w jedno oddziaływanie zwane elektrosłabym. Oddziaływanie między cząstkami materii polega na wymianie cząstki pośredniczącej, zwanej nośnikiem oddziaływania.
Wyróżniamy następujące nośniki oddziaływań:
fotonfoton – nośnik oddziaływań elektromagnetycznych,
bozonybozony , , – nośniki oddziaływań słabych,
gluonygluony – nośniki oddziaływań silnych.
Model standardowy zakłada też istnienie cząstki Higgsa, której istnienie potwierdzono w CERN w 2012 roku. Cząstka ta, zwana jest też boską cząstką, gdyż oddziałując z innymi cząstkami nadaje im masę.
Wszystkie nośniki oddziaływań i cząstka Higgsa należą do grupy bozonów, czyli mają spin całkowity.
FotonFoton to cząstka elementarna, obojętna elektrycznie, o zerowej masie spoczynkowej, pośrednicząca tylko w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Foton porusza się z prędkością światła i zgodnie z mechaniką kwantową jest najmniejszą porcją energii. Energia fotonu zależy od częstotliwości fali: , gdzie – stała Plancka, – częstotliwość promieniowania. Oddziaływania elektromagnetyczne mają nieograniczony zasięg.
Oddziaływanie słabe, które jest odpowiedzialne za rozpady jąder atomowych, zachodzi za pośrednictwem cząstek zwanych bozonamibozonami , , (indeks górny oznacza znak ładunku). Są to masywne cząstki o masie kilkadziesiąt razy większej od masy nukleonu. Zasięg oddziaływań słabych jest rzędu .
Nazwa gluongluon pochodzi od angielskiego słowa glue, co znaczy klej. Gluony „sklejają” kwarki w większe cząstki materialne, na przykład nukleony, oraz nukleony w jądro atomowe. Gluony nie mają masy, przedstawia się je w postaci sprężynek łączących kwarki (Rys. 4.).
Oddziaływania silne o zasięgu rzędu działają w obrębie jądra atomowego. Zachowują się inaczej niż oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne, których siła maleje ze wzrostem odległości między cząstkami. Siła oddziaływania między kwarkami rośnie wraz ze wzrostem odległości! Kwarki nie mogą się oderwać od siebie, są wraz z gluonami uwięzione wewnątrz cząstek materii.
Przykład.
Jednostką masy stosowaną w fizyce cząstek elementarnych jest MeVMeV/cIndeks górny 22. Mion ma masę . Oblicz jej wartość w kilogramach i porównaj ją z masą protonu. Przyjmij następujące wartości stałych fizycznych:
Prędkość światła w próżni
Ładunek elementarny
Masa protonu
Korzystamy ze wzoru Einsteina:
Masa mionu:
Obliczamy stosunek masy protonu do masy mionu:
Masa protonu jest około 9 razy większa od masy mionu.
Słowniczek
teoria fizyki cząstek elementarnych, opisująca podstawowe elementy budowy materii. Model ten opisuje oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe, a nie obejmuje oddziaływań grawitacyjnych.
cząstka elementarna, obojętna elektrycznie, o zerowej masie spoczynkowej, pośrednicząca w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Foton porusza się z prędkością światła i zgodnie z mechaniką kwantową jest najmniejszą porcją energii fali elektromagnetycznej. Energia fotonu zależy od częstotliwości fali: , gdzie – stała Plancka, – częstotliwość promieniowania.
bezmasowa cząstka pośrednicząca w oddziaływaniach silnych. Nazwa ta pochodzi od angielskiego słowa glue, czyli klej.
cząstki o spinie połówkowym. Leptony i kwarki należą do grupy fermionów.
cząstki o spinie całkowitym. Wszystkie cząstki będące nośnikami oddziaływań fundamentalnych należą do grupy bozonów.
jest jednostką energii używaną w fizyce jądrowej. .
własny moment pędu cząstki, często w opisie klasycznym (obrazowo, ale błędnie) wiązany z jej ruchem wirowym. Spin jest pojęciem czysto kwantowym. Podaje się go jako ułamek lub wielokrotność stałej Plancka podzielonej przez 2.