OD ATOMÓW DO KWARKÓW

Transkrypt

1 OD ATOMÓW DO KWARKÓW

2

3 WSTĘP HISTORYCZNY STAROśYTNA GRECJA EMPEDOKLES ( pne) i jego koncepcja czterech podstawowych Ŝywiołów : Ogień,, Woda, Powietrze i Ziemia jako podstawowe tworzywa otaczającego cego świata. Piątym tworzywem - tworzywem nieba - miała a być tzw. Kwintesencja

4 WSTĘP HISTORYCZNY STAROśYTNA GRECJA DEMOKRYT ( pne) i jego koncepcja atomistyczna. Świat zbudowany jest z niepodzielnych atomów [α α τ ο µ α ] oraz próŝni.

5 DWA SPOJRZENIA NA ŚWIATŁO Isaac Newton Ur 4 stycznia 1643 Zm 31 marca 1727 Preferował korpuskularną Rkoncepcję światła Christiaan Huygens Thomas Young Ur ur. 13 czerwca 1773 Zm. 1695) zm. 10 maja 1829 Twórcy falowej teorii światła.

6 W 1808 r. J. Dalton wprowadza pojęcia pierwiastków i związków chemicznych oraz rozróŝnienie atomów i molekuł. Odkrycie promieniotwórczości (m. in. Rutherford ok. 1900r.) wskazało na złoŝoność atomu. Ok r. (Rutherford) pojawia się pojęcie jądra atomowego i chmury elektronowej.. E. Rutherford

7 Max Planck W 1900 r. wysuwa przypuszczenie, ze promieniowanie jest skwantowane, tzn. jest przesyłane w określonych paczkach. Albert Einstein, jeden z niewielu uczonych, którzy potraktowali powaŝnie idee Plancka, zaproponował kwant światła, czyli foton, który zachowuje się podobnie do cząstki. Einstein takŝe badał falowoczastkową naturę fotonów, w tym zjawisko fotoelektryczne.. Artur Compton W oddziaływaniach z materią światło o zachowuje się TAK JAK strumień cząstek (fotonów) o energii i pędzie odpowiednio: E = hν = hω E hν Stała Plancka h h = = h 2π 34 J s = J s p = c = c

8 Ok r Niels Bohr formułuje swój planetarny model atomu. Lata 20-te i 30-te - ugruntowują się pojęcia protonu i neutronu jako składników jądra atomowego. Badania nad rozpadem β (np. W. Pauli) wskazują na konieczność istnienia jeszcze jednej cząstki - neutrina. Pojawia się teŝ pojęcie antymaterii (Dirac).

9 ANTYMATERIA- KREACJA I ANIHILACJA PAR CZĄSTEK

10 DOŚWIADCZENIE INTERFERENCYJNE YOUNGA Thomas Young Do tego eksperymentu powrócimy za chwilę!

11 Louis De Broglie W 1925 L. de Broglie przedstawia hipotezę dualnej (falowo korpuskularnej) natury wszystkich składników materii. RUCHOWI KAśDEJ CZĄSTKI SWOBODNEJ O ENERGII E ORAZ PĘDZIE P p ODPOWIADA MONOCHROMATYCZNA FALA PŁASKA P O CZĘSTO STOŚCI ω I WEKTORZE FALOWYM k ZWIĄZANYMI ZANYMI NASTĘPUJ PUJĄCYMI RELACJAMI: E r p = = h ω r h k r k = λ = 2π λ h r p = h mv 1 v c 2 2 Hipotezę De Broglie a a potwierdziło o odkrycie efektu dyfrakcji i interferencji wiązki elektronów w na sieci krystalicznej.

12

13

14

15

16 CZYM W TAKIM RAZIE SĄ S PODSTAWOWE SKŁADNIKI MIKROŚWIATA? CZĄSTKAMI CZY TEś FALAMI?

17 CZYM W TAKIM RAZIE SĄ S PODSTAWOWE SKŁADNIKI MIKROŚWIATA? CZĄSTKAMI CZY TEś FALAMI? Oto odpowiedź dyplomatyczna: TO BARDZO DOBRE PYTANIE!!! POPROSZĘ O NASTĘPNE.

18 Pojęcia CZĄSTKA i FALA to terminy klasyczne zaczerpnięte z języka fizyki makroświata. Składniki mikroświata NIE SĄ S ani cząstkami ani Falami w sensie klasycznym. One tylko zachowują się (w róŝnych r sytuacjach) TAK JAK klasyczne cząstki lub fale.

19 Pojęcia CZĄSTKA i FALA to terminy klasyczne zaczerpnięte z języka fizyki makroświata. Składniki mikroświata NIE SĄ S ani cząstkami ani Falami w sensie klasycznym. One tylko ZACHOWUJĄ SIĘ (w róŝnych r sytuacjach) TAK JAK klasyczne cząstki lub fale. Być moŝe e trafniejsze jest postrzeganie składni adników mikroświata jako pewnych PROCESÓW niŝ jako obiektów. PROCESY nie tyle SĄS co DZIEJĄ SIĘ. Ich własnow asnością jest bardziej dynamika niŝ statyka.

20 W zaproponowanej tu interpretacji zarówno fotony jak i elektrony, protony i inne składniki mikroświata w trakcie eksperymentów fizycznych odgrywają pewien spektakl, w którym jak aktorzy wcielają się w rolę cząstki lub fali lub Jeszcze czegoś innego.

21 W zaproponowanej tu interpretacji zarówno fotony jak i elektrony, protony i inne składniki mikroświata w trakcie eksperymentów fizycznych odgrywają pewien spektakl, w którym jak aktorzy wcielają się w rolę cząstki lub fali lub jeszcze czegoś innego. My sami (i nasza aparatura laboratoryjna) jesteśmy obiektami makroskopowymi (klasycznymi) i w terminach klasycznych staramy się opisać wszystkie zjawiska. JĘZYK POTOCZNY BAZUJĄCY NA TERMINACH FIZYKI KLASYCZNEJ NIE JEST ODPOWIEDNI DO OPISYWANIA ZJAWISK MIKROŚWIATA. UDAŁO SIĘ NATOMIAST DOBRAĆ ODPOWIEDNI DLA TEGO ZAKRESU JĘZYK MATEMATYCZNY.

22 Będziemy więc nadal uŝywać terminu CZĄSTKI ELEMENTARNE pamiętając jednak, Ŝe ten termin to bardziej metafora literacka niŝ odpowiednik fizycznej rzeczywistości.

23 Fizyka opisuje świat MODELAMI Mówimy np.. model gazu doskonałego, model (planetarny) budowy atomu, kwarkowy model budowy cząstek, modele kosmologiczne i wiele innych. Mikroświat poznajemy za pośrednictwem odpo- wiednich MODELI.

24 Fizyka opisuje świat MODELAMI Mówimy np.. model gazu doskonałego, model (planetarny) budowy atomu, kwarkowy model budowy cząstek, modele kosmologiczne i wiele innych. Mikroświat poznajemy za pośrednictwem odpo- wiednich MODELI. Dla fizyka MODEL to odpowiednia struktura ma- tematyczna pozwalająca ilościowo przewidywać wyniki eksperymentów. Problemem bywa wyraŝenie ( interpretacja) (interpretacja modelu w języku j terminów w potocznych.. Tu często dochodzi do nieporozumień.

25 WRACAMY DO STRUKTURY MATERII STAN WIEDZY Z LAT 30-TYCH ATOM JĄDRO ATOMOWE PROMIENIOTWÓRCZY RCZY ROZPAD ALFA A Z X alfa A 4 Z 2 Y + α 4 2

26 PROMIENIOTWÓCZY PROCES BETA n 0 p + + e + ν e TO m. in. ANALIZA ENERGII PROCESU BETA WSKAZAŁA A NA KONIECZNOŚĆ ZAPOSTULOWANIA DODATKOWEJ CZĄSTKI NAZWANEJ (przez Pauliego) NEUTRINO.

27 STAN WIEDZY O BUDOWIE MATERII w połowie lat 30 - tych XX w. przedstawiał się następująco: Elementarne składniki materii obejmowały y cztery cząstki elementarne: dwa cięŝkie nukleony - proton i neutron,, oraz dwie lekkie cząstki - elektron i neutrino (oraz odpowiadające im wszystkim antycząstki stki). Ten prosty zestaw wystarczał do opisania wszystkich cech znanej wówczas w wczas materii na poziomie mikroświata.

28 ODKRYWANIE KOLEJNYCH CZĄSTEK ELEMENTARNYCH ELEMENTARNYCH DO POŁOWY OWY LAT 60-TYCH.

29 Podział cząstek elementarnych (znanych w latach 60-tych). Klasa Cząstka Ładunek Spin Masa elektryczny [MeV]. Lep- ν e 0 1/2 ~0 to- e / ny ν µ 0 1/2 ~0 µ -1 1/ H A D R O N Y ** H A D R O N Y M E Z O K N Y η B A R I O N Y π +, π +1, π K +, K - +1, p / n 0 0 1/ Λ 0 0 1/ Σ / Σ 0 0 1/ Σ -1 1/ Ξ 0 0 1/ Ξ -1 1/ Ω -1 3/ LEPTONY - nie podlegają oddziaływaniom silnym. HADRONY - [MEZONY + BARIONY] uczestniczą w oddziaływaniach silnych

30 Tylko protony, elektrony i neutrina są cząstkami trwałymi. Swobodne neutrony mają średni czas Ŝycia ok. 900 s poczym rozpadają się w tzw. rozpadzie beta: n o p + + e + ν e Pozostałe cząstki mają czasy Ŝycia od kilku do kilkunastu rzędów wielkości krótsze od nanosekundy. Niektóre hadrony trwają zaledwie s.

31 Tylko protony, elektrony i neutrina są cząstkami trwałymi. Swobodne neutrony mają średni czas Ŝycia ok. 900 s poczym rozpadają się w tzw. rozpadzie beta: n o p + + e + ν e Pozostałe cząstki mają czasy Ŝycia od kilku do kilkunastu rzędów wielkości krótsze od nanosekundy. Niektóre hadrony trwają zaledwie s. Dziś lista hadronów w liczy kilkaset pozycji. Trudno przyjąć ąć, Ŝe e sąs to składniki elementarne. Jednak juŝ w latach 60-tych zaobserwowano szereg prawidłowo owości w rozpadach hadronów a takŝe e zaproponowano nowy - KWARKOWY model ich struktury i klasyfikacji. I O TYM JUś W dalszej częś ęści WYKŁAdu du!!!

32 PIERWSZY KWARKOWY MODEL HADRONÓW, (model trzech kwarków). M. Gell-Mann W roku 1964 M. Gell-Mann i niezaleŝnie Zweig zauwaŝyli, Ŝe znane wówczas multiplety hadronowe moŝna prosto odtworzyć przyjmując istnienie trzech elementarniejszych składników o odpowiednio dobranych cechach. Nazwano je KWARKAMI, które oznaczono: KWARKAMI u - (up - górny), d - (down - dolny), s - (strange - dziwny). Odpowiadające im antykwarki oznacza się: u, d, Kwarki miały być składnikami o ułamkowych ładunkach elektrycznych. s

33

34 PRZYKŁADOWE STRUKTURY BARIONOWE p + = u + u + d n 0 = u + d + d B = 1 = 1/3 + 1/3 + 1/3 1 = 1/3 + 1/3 + 1/3 Q = +1 = +2/3 +2/3-1/3 0 = +2/3-1/3-1/ Λ 0 = u + d + s Ξ 0 = u + s + s B = 1 = 1/3 + 1/3 + 1/3 1 = 1/3 + 1/3 + 1/3 Q = 0 = +2/3-1/3-1/3 0 = +2/3-1/3-1/ Σ Σ = s + d + d Q= -1= 1=-1/3-1/3 1/3-1/3

35 PRZYKŁADOWE STRUKTURY MEZONOWE π + = u + d π 0 = d + d π = u + d B = 0 = +1/3-1/3 0 = 1/3-1/3 0 = -1/3 + 1/3 Q = +1 = +2/3 + 1/3 0 = -1/3 + 1/3-1 = -2/3-1/ ZauwaŜmy, Ŝe mezony π + oraz π są wzajemnie swoimi antycząstkami zaś π 0 jest sam swoją własną antycząstką. Antybariony buduje się analogicznie jak w powyŝszych przykładach zamieniając kwark na antykwark (i odwrotnie) i zmieniając znaki odpowiednich liczb (B, i Q,). n = u + d + d B = -1-1/3-1/3-1/3 Q = 0-2/3 +1/3 +1/3

36 UWIĘZIENIE KWARKÓW W W MEZONACH q mezon_1 q q mezon_1 q q mezon_1 q q mezon_2 q

37 UWIĘZIENIE KWARKÓW W W BARIONACH q q q q barion q barion q q q barion q q mezon q

38 DRUGA I TRZECIA GENERACJA LEPTONÓW I KWARKÓW Pod koniec lat 60-tych do opisu znanych wówczas w wczas cząstek i ich rozpadów w wystarczały y w zasadzie cztery leptony i trzy kwarki; (e, ν e ) (u, d) (µ, ν µ ) (s ( s, ) Jednak niektóre doświadczenia wskazywały, y, Ŝe e przydałby się dla pełnej symetrii modelu jeszcze czwarty kwark. Obserwowano bowiem reakcje, w których zachodziło: o: ν e < > e u < > d ν µ < > µ i do kompletu brakowało o : s <-----< -----> >? Byłyby yby wówczas w wczas dwie pary (generacje) leptonów w i dwie pary (generacje) kwarków. w.

39 SYMETRIA KWARKOWO - LEPTONOWA PO WPROWADZENIU CZWARTEGO KWARKU ============================= kwarki Masa Q B [GeV] [e] =================================== u /3 1/3 d /3 1/3 s /3 1/3 c /3 1/3 =================================== leptony Masa Q L =================================== e ν e ~0 0 1 µ ν µ 0? 0 1 =============================

40 Trzy generacje elementarnych składnik adników w materii

41 TRZY RODZINY KWARKÓW W I LEPTONÓW

42 OD LAT 80-TYCH DO DZIŚ ODKRYWA SIĘ KOLEJNE HADRONY ZAWIERAJĄCE KWARKI c, b, t.

43

44 SKALE ROZMIARÓW OD ATOMÓW W DO KWARKÓW W I LEPTONÓW. Jądro atomowe w atomie to jak moneta leŝą Ŝąca na środku stadionu piłkarskiego Kwarki w protonie to jak ziarnka maku w kuli średnicy jednego metra

45 Ten rysunek to teŝ pewien model i nie naleŝy y tych kuleczek traktować całkiem dosłownie! ownie! Jednak taki model pozwala naszej wyobraźni zbliŝyć się do poziomu mikroświata.

46 OTACZAJĄCY CY NAS DZIŚ ŚWIAT ZBUDOWANY JEST Z PIERWSZEJ GENERACJI KWARKÓW W I LEPTO- NÓW. PO CO WIĘC NATURZE DWIE POZOSTAŁE E GENERACJE? CZY MOśE E BYĆ TYCH GENERACJI WIĘCEJ? OTO OTWARTE PYTANIA.

47 J. Sikorski, IFD Uniwersytet Gdański