Wykład I STRUKTURA MATERII -- -- PO WIELKIM WYBUCHU Człowiek zajmujący się nauką nigdy nie zrozumie, dlaczego miałby wierzyć w pewne opinie tylko dlatego, że znajdują się one w jakiejś książce. (...) Nigdy również nie uzna swych własnych wyników za prawdę ostateczną. A.Einstein w liście do J.Lee,1945 Marek Zrałek Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski Katowice, 2007
STRUKTURA MATERII Marek Zrałek Katowice 2005
RÓŻNORONOŚĆ SUBSTANCJI ==== ŚWIAT ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH Kombinacje pierwiastków chemicznych Te same pierwiastki w całym WSZECHŚWIECIE WSZECHŚWIAT powstał z WIELKIEGO WYBUCHU
http--www.hep.phys.soton.ac.uk- ~evans-masterclass-future.ppt
Krótka Historia Wszechświata (model gorącego wybuchu) 10 32 K 10 16 K 10 15 K 10 13 K 10 10 K 10 9 K 3000K 18K 3K Wielki Wybuch Big Bang 10-43 s 10-12 s 10-10 s 10-6 s 1s 3min 300 000lat Miliard lat 15 miliardów lat W chwili Wielkiego Wybuchu Wszechświat miał zerowy promień, a zatem nieskończenie wysoką temperaturę. W miarę jak wzrastał promień temperatura promieniowania spadała. Gdy promień Wszechświata wzrasta dwukrotnie temperatura spada o połowę Krótka historia czasu Stephen Hawking
Co działo się zaraz po Wielkim Wybuchu? Związek pomiędzy energią i temperaturą: k T = E gdzie k stała Boltzmana k = 8.6 x 10 5 GeV/1K, ΔE = k (T + 1) k T = k/1 K, stąd 1K = 8.6 x 10 5 GeV, 10 10 K = 0.86 x 10 6 ev = 0.86 MeV, 1 GeV = 1000 MeV, 1000 GeV = 10 16 K t = 10-12 sek 1000 GeV energia zderzenia pp w Batavii w FermiLab, Śledzimy eksperymentalnie Wielki Wybuch po t = 10-12 sek
The Energy Budget of the Universe http--www.hep.phys.soton.ac.uk- ~evans-masterclass-future.ppt
Po okresie Bariogenezy????? 1 1000 GeV --- 10 16 K --- t = 10-12 sek e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ oraz u, d, c, s, t, b 1000 GeV --- 10 16 0 K --- t = 10-12 sek a także W +, W -, Z 0, γ, gluony, e, μ, τ, ν e, ν μ, ν τ oraz u, d, c, s, t, b a także W +, W -, Z 0, γ, gluony nie ma równowagi cząstki- antycząstki rozpad i kreacja par Wszechświat rozszerza się maleje temperatura maleje energia zderzeń
2 E = 100 GeV --- 10 15 0 K --- 10-10 sek Elektrosłabe przejście fazowe Kwarki, leptony, cząstki W i Z nabywają masę, Te same cząstki co poprzednio ale już posiadające masę. 3 E = 1 GeV --- 10 13 0 K --- 10-6 sek Rozpadły się ciężkie kwarki i leptony, u, d, e +, e -, γ, ν e, Powstają nukleony, nie ma swobodnych kwarków, p = uud, n = ddu
Tablica Kwarków i Leptonów
U d
(u, d, e ) MATERIA = { powiązane fotonami i gluonami} Bariony = składają się z trzech kwarków Problemy: ( n, m, s) Mezony = układy składające się z kwarku i antykwarku proton u u d u d mezon + π d d u neutron
n p + e - + ν, zmniejsza się liczba neutronów, ale n + e + p + ν, p + ν n + e + Jądra jeszcze nie powstają. 4 E = 1 MeV --- 10 10 n + e +? p + ν, p + ν? n + e + E = 1 MeV --- 10 10 0 K --- 1 sek 0 K --- 1 sek Reakcje wymiany n p przestają zachodzić, Neutrina zaczynają się zachowywać jak cząstki swobodne, 75 % protonów, 25% neutronów
5 E = 0.1 MeV --- 10 9 0 K ---- 3 min Proces e + e - 2 γ zachodzi, proces odwrotny 2 γ e + e - już nie, Zaczyna się tworzyć deuter (D = pn) oraz tryt (T = nnp): n + p D, D + n T a także D + p 3 He E = 0.1 MeV --- 10 9 0 K ---- 3 min 2,, Powstaje Hel i Lit: E D + D 4 He 2, T + p 3 He 2, n + 3 He 2, 4 He 2 oraz 3 He 2 + 4 He 2 7 Be 4 + γ 7 Li 3 + p, Nie istnieją stabilne jądra z A = 5 i A = 8, energia zbyt mała aby pokonać barierę kulombowską koniec pierwotnej nukleosyntezy,
Wszystkie neutrony są włączone w jądra helu i trochę litu, Było 87% protonów i 13% neutronów, stąd 13% + 13% = 26% jąder helu oraz 74% protonów, Mamy dużo fotonów (miliard na każdy nukleon), Elektrony i jądra nie tworzą jeszcze atomów. Długi okres nic się specjalnego nie dzieje, dopiero gdy 6 E = 13.6 ev --- 2500 0 K ---- 300000 lat Fotony przestają oddziaływać z jądrami i elektronami mikrofalowe promieniowanie tła, Mamy wodór oraz hel ( trochę deuteru, trytu, helu 3 i litu).
Obecny Wszechświat wygląda trochę inaczej obserwujemy we Wszechświecie całą tablice Mendelejewa, (rozpowszechnienie pierwiastków) Wszystkie inne pierwiastki powyżej LITU powstały w gwiazdach, Jak powstały gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk? ------ na arenę wkracza oddziaływanie GRAWITACYJNE, Małe fluktuacje gęstości materii: COBE (1992) - pierwsze fluktuacje, WMAP (2003) - promieniowanie mikrofalowe nie jest izotropowe, Pierwiastki od litu do żelaza powstawały w gwiazdach, (energia wiązania na nukleon) Pierwiastki cięższe od żelaza powstawały w trakcie wybuchów supernowych.
Krzywa rozpowszechniania pierwiastków chemicznych Krzywa rozpowszechniania pierwiastków chemicznych wg Camerona (1973), w górze na prawo schematyczny kontur krzywej z zaznaczeniem lokalnych maksimów i minima Li-Be-B
Penzias i Wilson (1965) COBE (1992) WMAP (2003) ΔT/T = 10-5
Gwiazdy pierwszej generacji ---- paliwo wodór i hel, Grawitacyjne przyciąganie ----- rośnie temperatura wnętrza, Zapala się wodór: 4 p 4 He 2 + 2 e + + 2 ν + 2 γ, Gdy T > 10 8 0 K zapala się hel: 4 He 2 + 4 He 2 8 Be 4 ale po t = 10-15 sek rozpada się na 2 ( 4 He 2 ), Duża gęstość, może powstać węgiel: 8 Be 4 + 4 He 2 12 C 6 + g, szansa jest duża bo istnieje stan wzbudzony węgla o energii 7.644 MeV, Bardzo mało Litu (L), Berylu (Be) oraz Boru (B),
Energia wiązania nukleonu Zależność średniej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon w jądrze w funkcji liczby masowej A jądra
Mając stabilny węgiel powstają tlen, azot i neon: 12 C 6 + 4 He 2 16 O 8 + g, 16 O 8 + 4 He 2 20 Ne 10 + g, 12 C 6 + 2 He 1 14 N 7 + g, Dalej zapala się węgiel i tlen: 12 C 6 + 12 C 6,,, 12 C 6 + 18 O 8, powstają sód (Na), magnes (Mg), krzem (Si), fosfor (P) i siarka (S), Dla cięższych jąder bariera kulombowska jest zbyt duża Jądra powyżej żelaza produkowane są w inny sposób n + A X Z A+1 Y Z + g A+1 W Z+1 + e + ν, Wybuchy supernowych roznoszą ciężkie pierwiastki.
Podobieństwo i różnorodność pierwiastków = symetria = UKŁAD OKRESOWY Mendelejew ATOMY Demokryt Dalton Muszą być jakieś siły... Wiązania chemiczne... ATOMY == jądra + elektrony JĄDRA == protony + neutrony Rutherford protony + neutrony == kwarki up + down Gell Mann Zweig
u = up 1.5-4.5 MeV/c 2, d = down 5-8 MeV/c 2, e - = elekron 0.511 MeV/c 2. E = mc 2, m = E/c 2 Czemu taka różnorodność???? Cztery rodzaje oddziaływań: Galaktyki, gwiazdy,planety GRAWITACYJNE ELEKTROMAGNETYCZNE SILNE SLABE Związki chemiczne, atomy Jądra
(u, d, e ) MATERIA = { powiązane fotonami i gluonami, + ANTYMATERIA = (u, d, e ) Z każdą cząstką związana jest ANTYCZĄSTKA Bariony = składają się z trzech kwarków, Mezony = układy składające się z u d kwarku i antykwarku mezon + π d Problemy: ( n, m, s) u u proton d d u neutron
Galaktyki, gwiazdy, planety, księżyce ---- oddziaływanie grawitacyjne, Zwiazki chemiczne ---- chmura elektronów + zasada Pauliego, Pierwiastki ---- oddziaływanie elektromagnetyczne + zasada Pauliego, Jądra ---- oddziaływanie silne, oddziaływania słabe, oddziaływania elektromagnetyczne, Nukleony ---- oddziaływania silne, Lata 60 te dużo nowych cząstek, K, r, w, s, L, S, W, X,... Kwark s = dziwny (strange)
Lata 70 te: J/y ---- kwark c ==== powabny (charm), B ---- kwark b ==== piękny ( beauty), Lata 90 te: rozpraszanie p + p ---- kwark t == górny (top) Jądra Z + N = A 272 trwałe nuklidy, 335 naturalne nietrwałe nuklidy, Trwałe = Z = 1-83 z wyjątkiem Z = 43 (techmet) oraz Z = 61 (promet) 1500 sztuczne nuklidy, Z = 115, max
Powstają hiperjądra, zamiast n lub p L, LL, Powstają mezoatomy, zamiast e mion, pion, kaon, antyproton, sigma minus Mion Elektron
http--www.hep.phys.soton.ac.uk- ~evans-masterclass-future.ppt