Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualno¶ci
Astronomia
Struktura materii
Do¶wiadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis tre¶ci i wyszukiwarka
Hosted by:
W krêgu fizyki LO Turek

Elementarne no¶niki oddzia³ywañ (bozony)

Znamy cztery rodzaje oddzia³ywania elementarnego miêdzy cz±stkami: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i s³abe. Cz±stki przenosz±ce oddzia³ywania s± bozonami czyli maj± spin ca³kowity i nie podlegaj± zakazowi Pauliego.

Oddzia³ywanie grawitacyjne
odzia³ywanie grawitacyjne
Wystêpuje miêdzy ka¿dymi cia³ami posiadaj±cymi masê. W fizyce klasycznej pisywane jest prawem powszechnego ci±¿enia podanym przez Newtona. Nie stwierdzono odpychania grawitacyjnego. Jest to najs³absze znane oddzia³ywanie. Przy oddzia³ywaniu miêdzy dwoma protonami si³a grawitacyjna jest oko³o 1036 razy mniejsza od si³y elektrostatycznej. Ma ona znaczenie przy oddzia³ywaniu cia³ o bardzo du¿ych masach. Przy oddzia³ywaniach cz±stek elementarnych je pomijamy.
We wspó³czesnej fizyce grawitacjê opisuje ogólna teoria wzglêdno¶ci. Oddzia³ywanie grawitacyjne jest w niej skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez ró¿ne formy materii.
Przypuszcza siê, ¿e oddzia³ywanie grawitacyjne, przenoszone jest za pomoc± kwantu pola grawitacyjnego zwanego grawitonem. Do tej pory grawitonu nie zaobserwowano i nie wiemy czy istnieje. Oddzia³ywania tego nie opisuje Model Standardowy.
Istnienie grawitonu wynika z opisu oddzia³ywañ grawitacyjnych w bardzo ma³ych skalach przestrzennych. Takie teorie nosz± nazwê kwantowej teorii grawitacji. Nie stworzono jeszcze zadowalaj±cej kwantowej grawitacji. Obiecuj±cym przyk³adem kwantowej grawitacji jest teoria superstrun.
oddzia³ywanie elektromagnetyczne

Oddzia³ywanie elektromagnetyczne

Odpowiada ono za si³y dzia³aj±ce miêdzy na³adowanymi cz±stkami - ³adunkami dodatnimi i ujemnymi. Jednoimienne siê odpychaj±, ró¿noimienne przyci±gaj±. Oddzia³ywanie to odpowiedzialne jest za si³y kontroluj±ce strukturê atomow±, reakcje chemiczne i wszystkie zjawiska elektromagnetyczne. Niegdy¶ si³y magnetyczne i elektromagnetyczne traktowano oddzielnie. Dopiero w XIX wieku Maxwell zdo³a³ zebraæ osobne do tej pory prawa w jeden zgrabny uk³ad równañ elektromagnetycznych. Okaza³o siê, ¿e zarówno elektryczno¶æ jak i magnetyzm to ró¿ne przejawy tej samej si³y. Oddzia³ywanie elektromagnetyczne przenosi foton czyli kwant promieniowania elektromagnetycznego. Cz±stka ta nie posiada ó³adunku elektrycznego. Jest to cz±stka poruszaj±ca siê z prêdko¶ci± ¶wiat³a, maj±ca masê spoczynkow± równ± zero. Foton zgodnie z mechanik± kwantow± mo¿na traktowaæ jako porcjê energii. Energia fotonu zale¿y od czêstotliwo¶ci fali elektromagnetycznej. Im wieksza czêstotliwo¶æ tym wiêksza jest energia fotonu, a poniewa¿ czêstotliwo¶æ jest odwrotnie proporcjonalna do d³ugo¶ci fali to kwanty o d³u¿szej fali maj± mniejs¿ energiê.
oddzia³ywanie silne
Oddzia³ywanie silne

Jest oko³o 100 razy silniejsze od oddzia³ywania elektromagnetycznego st±d jego nazwa. Dzia³a tylko na niewielkie odleg³o¶ci rzêdu 10-15m dzia³a miêdzy kwarkami. Cz±stki przenosz±ce oddzia³ywanie silne nazywamy gluonami (ang. glue - klej). Gluony nie posiadaj± ³adunku elektrycznego.
Kwarki i gluony posiadaj± za to ³adunek kolorowy zwany krótko kolorem. S± trzy rodzaje koloru: czerwony, zielony i niebieski oraz odpowiednie antykolorowe ³adunki. dwa lub wiêcej kwarków umieszczonych blisko siebie wymienia gluony tworz±c bardzo silne "pole kolorowe" ³±cz±ce kwarki. Kwarki ci±gle zmieniaj± swój kolor podczas wymiany gluonów z innymi kwarkami. Ka¿dy kwark ma jeden z trzech kolorowych ³adunków i ka¿dy antykwark ma jeden z trzech antykolorowych ³adunków. Gluony przenosz± pary ³adunków kolor/antykolor (niekoniecznie tego samego rodzaju). Mamy 9 kombinacji par kolor/antykolor, ale jedna z nich jest wyeliminowana ze wzglêdu na symetriê. Istnieje wiêc osiem cz±stki przenosz±ce oddzia³ywania rodzajów gluonów. Gluony s± bezmasowe, czyli ich masa spoczynkowa jest równa zero. Zasiêg dzia³ania tych cz±stek wynosi zaledwie 10-18 m.
Pozostaje pytanie, co trzyma nukleony razem je¶li silne oddzia³ywanie ³±czy jedynie kwarki? Protony i neutrony jak wszystkie hadrony, s± obiektami kolorowo obojêtnymi. Nale¿y jednak pamiêtaæ, ¿e hadrony, sk³adaj± siê z kolorowo na³adowanych kwarków i antykwarków. Kwarki jednego protonu mog± siê "sklejaæ" z kwarkami innego protonu, nawet gdy proton pozostaje kolorowo obojêtny. Nazywamy to szcz±tkowym oddzia³ywaniem silnym lub w jêzyku potocznym si³ami j±drowymi. Resztkowe oddzia³ywanie silne, czyli si³y j±drowe odpowiedzialne s± wiêc za si³ê dzia³aj±c± miêdzy nukleonami, która powoduje ogromn± trwa³o¶æ j±dra atomowego.
oddzia³ywanie s³abe Oddzia³ywania silne opisuje kwantowa chromodynamika QCD (Quantum Chromodynamics), bêd±ca kwantow± teori± pola. Próby rozwi±zania równañ chromodynamiki kwantowej napotykaj± wci±¿ na piêtrz±ce siê trudno¶ci.

Oddzia³ywanie s³abe

S± one oko³o 1010 s³absze od oddzia³. elektromagnetycznego i dzia³aj± na bardzo ma³e odleg³o¶ci rzêdu 10-18m. W oddzia³ywaniach s³abych uczestnicz± wszystkie cz±stki z wyj±tkiem fotonu (i ewentualnie je¶li istnieje grawitonu). Kiedy kwark lub lepton zmienia rodzaj (przemienia siê w inny) mówimy o zmianie zapachu. Wszystkie zmiany zapachu powoduj± oddzia³ywania s³abe. Oddzia³ywanie s³abe wystêpuje wiêc miêdzy leptonami i odpowiedzialne jest za rozpad hadronów. Oddzia³ywanie to jest zbyt s³abe, by po³±czyæ leptony w wiêksze cz±stki, tak jak oddzia³ywania silne ³±cz± w hadronach kwarki. Cz±stkami przenosz±cymi oddzia³ywania s³abe s± bozony po¶rednicz±ce: W+, W- i Z. Bozony W maj± ³adunek elektryczny (W+ dodatni +1, natomiast W- ujemny -1), za¶ bozon Z jest obojêtny. Co ciekawe wszystkie trzy bozony maj± masê spoczynkow± równ± kilkudziesiêciu masom protonu czyli ponad 150 tysiêcy razy wiêksz± ni¿ masa elktronu. Zasiêg dzia³ania tych cz±stek wynosi zaledwie 10-18 m.
cz±stka Higgsa
Schemat zderzenia dwóch protonów, w wyniku czego powsta³ bozon Higgsa, który natychmiast uleg³ rozpadowi
W latach piêædziesi±tych naszego wieku Sheldon Glasgow, Abdus Salam i Steven Weinberg wymy¶lili schemat, w którym uda³o siê po³±czyæ elektromagnetyzm ze s³abymi si³ami j±drowymi. Dzi¶ ta zunifikowana teoria nosi nazwê oddzia³ywania elektros³abego (QED).

Pole Higgsa

Aby obja¶niæ dlaczego cz±stki posiadaj± masê Model Standardowy zak³ada istnienie pewnego kwantowego pola zwanego polem Higgsa, którego kwantem jest bozon Higgsa H, zwany czasami bosk± cz±stk±, lub najczê¶ciej cz±stk± Higgsa. Pole to powinno przenikaæ ca³y Wszech¶wiat. Wed³ug mechaniki kwantowej w stanie o najni¿szej mo¿liwej energii, czyli tak zwanej pró¿ni fizycznej, pole to jest niezerowe. Zatem stan pró¿ni nie odpowiada pustej przestrzeni, ale przestrzeni wype³nionej szczególn± konfiguracj± pola Higgsa. Masy wszystkich cz±stek bior± siê z oddzia³ywañ z polem Higgsa. Inaczej elektrony, kwarki i neutrina by³yby niewa¿kie jak kwanty promieniowania elektromagnetycznego czyli fotony. Aby lepiej sobie wyobraziæ pole Higgsa porównuje siê do gêstego syropu, który wskutek obni¿enia siê temperatury Wszech¶wiata skropli³ siê w ca³ej objêto¶ci niczym poranna mg³a. Od tego czasu cz±stki zaczê³y grzêzn±æ, ale nie wszystkie jednakowo. Pewnym cz±stkom syrop stawia wiêkszy opór, innym mniejszy, a fotony w ogóle go nie zauwa¿aj±. Obecna masa cz±stek jest w³a¶nie miar± tego oporu.
Cz±stka Higgsa ma bardzo du¿± masê, oko³o 130 razy wiêksz± od masy protonu i dlatego bardzo trudno j± zaobserwowaæ lub otrzymaæ. Zasiêg dzia³ania tych cz±stek jest bardzo ma³y. Bozon Higgsa jest cz±stk± nietrwa³± i o jego istnieniu mo¿emy przekonaæ siê tylko badaj±c mo¿liwe produkty rozpadu. Rysunek obok pokazuje powstanie cz±stki Higgsa w wyniku zderzenia dwóch protonów. Cz±stka ta natychmiast siê rozpadak, przyk³adowo na dwa bozony po¶rednicz±ce Z, a te rozpadaj± siê na mion i antymion.
Naukowcy od 2008 roku próbowali otrzymaæ bozon Higssa w akceleratorze LHC w o¶rodku badawczym Europejskiej Organizacji Badañ J±drowych (CERN) pod Genew± zderzaj±c ze sob± przeciwbie¿ne wi±¿ki protonów. W 2012 roku og³oszono wyniki obserwacji, które prawie na pewno zawieraj± informacje o pojawieniu siê cz±stki Higgsa.