Od Demokryta do kwarków

Transkrypt

1 P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna Od Demokryta do kwarków Juliusz Domański ys. 1 Jeszcze w starożytności Demokryt (rys. 1) z Abdery (ok r. p.n.e.) twierdził, iż wszystko składa się z atomów, które są wieczne, niepodzielne i niezmienne 1. Jednak na poparcie swej hipotezy nie mógł zaprezentować wiarygodnych dowodów. Jeszcze w XIX wieku przedstawiano materię zupełnie inaczej. Na przykład w podręczniku z 1867 roku 2 czytamy, że własności wspólne wszystkim ciałom to: rozciągłość, nieprzenikliwość, bezwładność, dziurkowatość, podzielność, ściśliwość, rozszerzalność, sprężystość i ciężkość. Przełom nastąpił w 1896 roku, kiedy to Henri Becquerel odkrył dziwne promieniowanie rudy uranowej. W 1903 roku otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla (wspólnie z Marią Skłodowską i Piotrem Curie). W 1898 roku Ernest utherford w promieniowaniu radu wyróżnił dwie składowe i obdarzone ładunkiem elektrycznym, które odchylają się w polu magnetycznym (rys. 2). ys. 2 Trzecia, nieodchylona wiązka to promieniowanie elektromagnetyczne ( ) o bardzo małej długości fali. Nieco później okazało się, że cząstka jest identyczna z jądrem atomu helu. Mniej więcej w tym samym czasie utherford skierował wiązkę cząstek na cienką złotą folię. Ze zdziwieniem stwierdził, że ogromna większość cząstek przechodziła przez folię bez zmiany kierunku. Analiza rozproszonych cząstek (kątów rozproszenia) wykazała, że prawie cała masa atomu i dodatni ładunek są skupione w bardzo małej objętości (jądrze atomu). Spróbujmy sobie wyobrazić, jak pusty jest atom. Jądro atomu zajmuje jedynie objętości atomu. Przedstawmy jądro jako kulkę o średnicy 1 cm. Wówczas atom będzie miał średnicę około 10 4 cm = 100 m! Określenie dziurkowatość przestało więc być tak bezsensowne (choć w zupełnie innym sensie niż przyjmowano wcześniej). Także koncepcja atomu Demokryta została w pełni potwierdzona 3. Badanie rozpadu dało też wynik niezrozumiały przez bardzo wiele lat. W tym procesie znikała gdzieś bez śladu część energii. Było to sprzeczne z jednym z podstawowych praw przyrody zasadą zachowania energii. W 1931 roku Wolfgang Pauli wysunął przypuszczenie, że w tym procesie jest emitowana jeszcze jedna cząstka elektrycznie obojętna, o bardzo małej (a może nawet zerowej) masie i bardzo słabo oddziałująca z materią. Ta hipotetyczna cząstka została nazwana neutrinem 4. Trwające wiele lat jej poszukiwania nie dawały rezultatów. Bohr wysunął nawet przypuszczenie, że zasada zachowania energii nie zawsze jest spełniona. Doświadczalnie istnienie neutrina udało się potwierdzić dopiero w 1967 roku. 1 Podobne poglądy głosił rzymski uczony Lukrecjusz (ok r. p.n.e.). 2 Urbański W., Zasady fizyki, wyd. Olgebranda, Teorią atomistyczną budowy materii posługiwano się dużo wcześniej. I tak Daniel Bernoulli ( ) wyprowadził wzór na ciśnienie gazu, zakładając jego cząsteczkową budowę. Wielkim zwolennikiem tej teorii był John Dalton ( ), który budową atomistyczną materii udowadniał odkryte przez siebie prawo stosunków wielokrotnych rządzące tworzeniem się związków chemicznych. 4 Co znaczy mały neutron. Strona 1 Dokument został pobrany z serwisu.

2 P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna Pewnego wieczoru utherford wstąpił do swojego laboratorium. Zastał tam jednego z uczniów pochylonego nad aparaturą. Co pan robi tak późno? pyta utherford. Pracuję. A co pan robi w dzień? Oczywiście pracuję. I wczesnym rankiem też pan pracuje? Tak, panie profesorze, rano też pracuję. Na to utherford po chwili zastanowienia: To kiedy pan myśli? Nazwa elektron 5 pojawiła się już w 1891 roku. Wprowadził ją George Stoney dla elementarnej jednostki elektryczności w procesie elektrolizy. Jako cząstka o ładunku ujemnym elektron został zaobserwowany w 1897 roku przez Johna Thomsona. Elektron Thomsona okazał się identyczny z cząstką w doświadczeniu utherforda. W latach wykonano wiele doświadczeń polegających na bombardowaniu cząstkami różnych jąder. W wyniku tych badań odkryto proton. Okazał się on identyczny z jądrem atomu wodoru. Neutron został odkryty dopiero w 1932 roku przez Jamesa Chadwicka. James Chadwick został fi zykiem przez pomyłkę. Zdając na matematykę omyłkowo usiadł w grupie zdających na fi zykę. Gdy go przyjęto, podobno przez nieśmiałość, pomyłki nie sprostował. Ustalił się pogląd, że materia składa się z czterech podstawowych cząstek: protonów, neutronów, elektronów i fotonów (kwantów promieniowania elektromagnetycznego). Jednak już w 1932 roku Carl Anderson dokonał odkrycia kolejnej cząstki dodatniego elektronu (nazywanego też antyelektronem lub pozytonem), a rok później Cecil Powell odkrył kolejną cząstkę mezon. Warto zauważyć, że istnienie pozytonu zostało przewidziane na drodze rozważań teoretycznych przez Paula Diraca. Nieco wcześniej, bo już w 1913 roku Niels Bohr przedstawił swój planetarny model atomu. Model ten okazał się wprawdzie nie w pełni poprawny (został uzupełniony innymi modelami), ale odegrał dużą rolę, pomagając fizykom w rozwiązaniu wielu problemów. Tempo odkrywania nowych cząstek elementarnych znacznie wzrosło po drugiej wojnie światowej. Przyczyniło się do tego powstanie reaktorów jądrowych i zbudowanie potężniejszych akceleratorów cząstek. Odkryto m.in. antyproton (1955), antyneutron (1956) i w 1967 roku mezony + i. Okazuje się, że każda cząstka ma swoją antycząstkę (wyjątkiem jest tu foton, który jest swoją własną antycząstką). Antycząstki mają taką samą masę jak cząstki, ale ładunek elektryczny przeciwnego znaku (jeśli są to cząstki naładowane) oraz przeciwne znaki innych charakteryzujących je liczb kwantowych. Spotkanie cząstki z antycząstką kończy się ich przemianą w dwa kwanty promieniowania gamma w przypadku anihilacji elektronu i pozytonu, lub w inne lżejsze cząstki oraz ich energię kinetyczną. 5 Pochodzi od greckiej nazwy bursztynu, który jak wiemy łatwo się elektryzuje. Stąd też nazwa elektryczność. Natomiast znaki ładunków przyjął Benjamin Franklin ( ), który obserwując iskrę przeskakującą z ciała naelektryzowanego szkłem na ciało naelektryzowane bursztynem, przypuszczał, że na szkle powstaje nadmiar elektryczności (stąd znak +), a na bursztynie jej niedobór (stąd znak ). Nie wiedział jednak, że iskrę tworzą dodatnie jony gazu. Strona 2 Dokument został pobrany z serwisu.

3 P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna Nie będziemy tu wymieniać następnych odkryć, jest to wręcz niemożliwe. W 1980 roku było na liście już około 70 cząstek, a w 2009 aż 1000! Jednak jedynymi cząstkami tworzącymi materię Wszechświata były nadal wyłącznie protony, elektrony, neutrony 6 i neutrina. Okazało się też, że całą plejadę cząstek tworzą trzy grupy: 1. leptony (cząstki lekkie) elektrony, miony i neutrina; 2. mezony,, K i D (cząstki o masie pośredniej); 3. bariony (cząstki ciężkie) protony, neutrony i hiperony. Problem dużej liczby cząstek elementarnych został (prawdopodobnie) rozwiązany już wcześniej. W 1964 roku Murray Gell-Mann i George Zweig przedstawili (niezależnie) model budowy barionów i mezonów z bardziej podstawowych cząstek nazwanych kwarkami 7. Pierwotnie przyjęto, że są trzy: u (górny), d (dolny) oraz s (dziwny) 8. W miarę odkrywania nowych cząstek okazało się, że trzy kwarki już nie wystarczają. Dodano więc kolejne trzy. Podobnie zwiększono liczbę rodzajów neutrin, przyporządkowując każdemu z leptonów odpowiedni rodzaj neutrin (patrz poniższa tabela). Obecnie przyjmuje się, że kwarków jest sześć, przy czym każdemu kwarkowi odpowiada antykwark 9 o przeciwnym znaku ładunku. Kwarki u górny, Q =+ 2 3 c powabny, Q =+ 2 3 d dolny, Q = 1 3 b piękny, Q = 1 3 s dziwny, Q = 1 3 t prawdziwy, Q =+ 2 3 I tak bariony składają się z trzech kwarków, a mezony z dwóch. Oto kilka przykładów: Cząstka Kwarki Ładunek proton (Q 1) u u d Q = + = neutron (Q ) d d u Q = + = mezon + (Q 1) u d Q =+ + = mezon (Q 1) d u Q = = mezon K + (Q 1) u s Q = + =+ 1 hiperon 0 (Q 0) 0 p lub 0 n ównież sumowanie pozostałych liczb kwantowych (o których w tym artykule nie wspominamy) daje poprawne wyniki. 6 Neutrony są trwałe tylko wewnątrz jąder atomowych; swobodne neutrony ulegają rozpadowi średnio po około 15,5 minuty. 7 Nazwa pochodzi z fantastyczno-groteskowej powieści Jamesa Joyce a FinnegansWake wydanej w 1939 roku. 8 Symbole pochodzą od odpowiednich nazw angielskich. 9 Oznaczyłem go poprzez podkreślenie. Strona 3 Dokument został pobrany z serwisu.

4 P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna Obecnie za elementarne przyjmuje się następujące cząstki: Leptony e e Kwarki u d s c b t Lepton (tau) został odkryty dopiero w 1975 roku przez Martina Perla. Istnienie kwarków potwierdzono tylko pośrednio. Bombardując protony bardzo szybkimi elektronami, badano kąty, pod jakimi są one rozpraszane. Wyniki były jednoznaczne. Elektrony rozpraszały się nie jak od jednego obiektu, ale jak od układu trzech. Pojedynczego kwarku nie udało się nikomu otrzymać. Być może nie jest możliwe uzyskanie swobodnego kwarku 10. Wynika to z faktu, iż siły wiążące kwarki szybko rosną wraz z odległością. Na koniec zauważmy wszyscy fizycy (z wyjątkiem Zweiga) wymienieni w tym artykule zostali uhonorowani Nagrodami Nobla (fot. 1). Świadczy to o dużej wartości ich prac dla naszej wiedzy o otaczającym nas świecie. Henri Becquerel Nobel 1903 John Thomson Nobel 1906 Ernest utherford Nobel 1908 Niels Bohr Nobel 1922 James Chadwick Nobel 1935 Wolfgang Pauli Nobel 1945 Paul Dirac Nobel 1933 Carl Anderson Nobel 1936 Cecil Powell Nobel 1950 Murray Gell-Mann Nobel 1959 Fot. 1 Martin Perl Nobel W ostatnio przeprowadzonych w CEN doświadczeniach z wysokoenergetycznymi jonami ołowiu prawdopodobnie otrzymano tzw. plazmę gluonowo-kwarkową. Strona 4 Dokument został pobrany z serwisu.

5 P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna Zadania 1. Odszukaj w Internecie (lub literaturze) długość fali promieniowania gamma i porównaj z długością fal światła widzialnego. 2. Narysuj model atomu helu według Bohra. W tym modelu atom to niewielkie jądro składające się z protonów i neutronów, wokół którego krążą elektrony. Strona 5 Dokument został pobrany z serwisu.