Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualności
Astronomia
Struktura materii
Doświadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis treści i wyszukiwarka
Hosted by:
W kręgu fizyki LO Turek

Model Standardowy

Wszystkie cząstki Wszechświata
Wszystkie cząstki Wszechświata
Znamy 25 cząstek elementarnych. Jeśli uwzględnimy ich antycząstki, które nie są pokazane na rysunku, oraz to że kwarki posiadają trzy rodzaje kolorów, to wszystkich cząstek jest co najmniej 61 (6 leptonów, 6 antyleptonów, 18 kwarków, 18 antykwarków i 13 cząstek przenoszących oddziaływania).
Teoria, która opisuje cząstki występujące w przyrodzie oraz wszystkie siły z wyjątkiem grawitacji, nazywa się Modelem Standardowym. Potrafi ona wyjaśnić większość skomplikowanych procesów oraz budowę i własności setek cząstek przy pomocy kilku tylko cząstek elementarnych i oddziaływań pomiędzy nimi.
Model Standardowy zakłada się, że istnieją dwa rodzaje cząstek (cząstki elementarne): cząstki które są materią (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki) oraz cząstki które przenoszą oddziaływania (jak fotony).
Materia składa się z kwarków (u - górny, d - dolny, c - powabny, s - dziwny, b - denny, t - szczytowy) i leptonów (e - elektron, νe - neutrino elektronowe, μ - mion, νμ - neutrino mionowe, τ - taon, ντ - neutrino taonowe), które łączą się w trzy rodziny.
Kwarki nie mogą występować samodzielnie i są uwięzione w hadronach.
Każda cząstka ma swoją antycząstkę i mówimy wtedy o antymaterii.
W przyrodzie istnieją cztery podstawowe typy oddziaływania: grawitacyjne (Model Standardowy nie opisuje tego typu oddziaływania), elektromagnetyczne, silne i słabe, które sprawiają, że świat jest pełen zjawisk: grawitacyjnych, elektrycznych, magnetycznych, promieniotwórczych, jądrowych. Pola tych sił składają się z cząstek przenoszących oddziaływania czyli kwantów. To te wewnątrz rysunku, czyli γ - foton, W+, W-, Z0 - bozony pośredniczące, H0 - cząstka Higgsa, którą ostatnio zarejestrowano, g - osiem gluonów (różniące się ładunkiem silnym, czyli jak mówią fizycy - kolorem).
Model Standardowy opiera się na dwóch teoriach: teorii oddziaływań elektrosłabych opisujących oddziaływania elektromagnetyczne i słabe oraz teorii oddziaływań silnych zwaną chromodynamiką kwantową.
Model Standardowy jest zawodny w niektórych nielicznych przypadkach i nie opisuje oddziaływania grawitacyjnego. Szukamy więc nowych lepszych teorii.
Jądro atomowe
W tym dziale umieszczamy również podstawowe wiadomości o jądrze atomowym i pierwiastkach oraz o laboratoriach badawczych, gdzie poznajemy własności cząstek elementarnych.
Budowa jądra atomowego
Tworzenie nowych pierwiastków
Wyspa stabilności - poszukiwanie nowych jąder
Hiperjądra
Modele budowy jądra
Nazwy nowych pierwiastków
Odkrycie pierwiastków: 113, 115, 118 i 117
Atomy egzotyczne


Wielkości charakteryzujące cząstki elementarne

Cząstki elementarne można scharakteryzować podając trzy podstawowe wielkości: masę, ładunek elektryczny i spin. W stanie wolnym niektóre cząstki takie jak elektron czy też proton są trwałe czyli się nie rozpadają, natomiast część z nich (na przykład neutron) nie są trwałe i ulegają rozpadowi . Dla tych cząstek podaje się czas połowicznego rozpadu, to jest czas po którym rozpada się połowa początkowej ilości cząstek.

Masa

Masa jest miarą bezwładności ciał (tak zwana masa bezwładna) czyli miarą tego jak trudno jest zmienić ruch ciała lub też miarą oddziaływania grawitacyjnego (masa grawitacyjna). Doświadczalnie stwierdzono, że masa bezwładna i grawitacyjna są sobie równe. Masę cząstek elementarnych podaje się w kilogramach lub korzystając z równoważności masy i energii w megaelektronowoltach ( w skrócie MeV) lub gigaelektronowoltach (GeV). Obecnie przyjmuje się, że masa nie jest fundamentalną własnością cząstek, ale jest nabywana przez oddziaływanie z polem Higgsa.

Ładunek elektryczny

Cząstki obdarzone ładunkiem podlegają oddziaływaniu elektromagnetycznymu czyli mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Ładunek elektryczny ciała może być dodatni lub ujemny. Dwa ładunki jednego znaku odpychają się, a pomiędzy ładunkiem dodatnim i ujemnym działa siła przyciągająca. Ładunek podajemy w kulombach lub jako wielokrotność lub ułamek (kwarki) ładunku elektronu czyli ładunku elementarnego oznaczanego literą e.

Spin
proton
Spin jest to własny moment pędu cząstki związany jakby z ruchem obrotowym cząstki wokół własnej osi (polskim odpowiednikiem słowa spin jest "wirowanie"). Spin jest pojęciem czysto kwantowym, czyli wynikającym z opisu cząstek z uwzględnieniem ich właściwości falowych. Aby sobie wyobrazić spin cząstki, cząstkę porównuje się z wirującym bączkiem. Moment pędu punktu wirującego bączka liczy się jako iloczyn jego pędu (jest to iloczyn masy i prędkości) i promienia. Całkowity moment pędu jest sumą momentów pędów poszczególnych punktów bączka. Bączek może wirować szybciej lub wolniej wokół dowolnej osi, a także może się zatrzymać. Cząstki kwantowe nie mają takich możliwości, ich prędkość "wirowania" jest stała. "Wirująca" kwantowa cząstka nie może się też zatrzymać się czyli stracić spinu. Oś obrotu też jest ściśle określona i jedynie cząstka może obracać się w jedną stronę lub przeciwnie i dlatego spin jak przyjmują fizycy może być skierowany do góry (co oznaczamy strzałką do góry ↑) lub do dołu ↓ (we wzorach spin podaje się z plusem lub z minusem).
Spin cząstki lub atomu podaje się jako ułamek albo wielokrotność stałej Plancka (oznaczamy literą h) podzielonej przez dwa pi (wyrażenie to fizycy oznaczają jako przekreśloną literę h). Formalnie jednostką jest więc kg*m2/s, tak jak w stałej Plancka, ale w praktyce podaje się jedynie ułamek lub wielokrotność h/(2π) bez jednostki.
Okazuje się, że spin niektórych cząstek elementarnych może być połówkowy czyli wynosi 1/2, 3/2, 5/2, tak jak dla elektronu, neutrina i kwarków, albo może być wielkością całkowitą (wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania). Spiny cząstek złożonych liczy się jako wypadkową spinów cząstek składowych ale inaczej niż klasycznie. Przykładowo gdy mamy dwie cząstki o spinie 1/2, to ich wypadkowy spin może wynosić tylko 0 lub 1.
Stwierdzono, że cząstki o spinie połówkowym zachowują się inaczej niż o spinie całkowitym. Jeśli spin jest połówkowy tak jak elektronu to opisuje je statystyka Fermiego-Diraca i nazywamy je fermionami. Dwa lub więcej takich samych fermionów nie może być w identycznym stanie. Muszą się czymś różnić, na przykład energią, lub w atomie rzutem spinu na ustaloną oś. Ta dziwna własność fermionów nazywana jest zakazem Pauliego. Do fermionów zaliczamy leptony, kwarki i bariony (proton, neutron).
Nieoddziałujące cząstki o spinie całkowitym podlegają statystyce Bosego-Einsteina i nazywamy je bozonami. Identyczne bozony mogą w dowolnej ilości znajdować się w jednakowym energetycznie stanie, co ma zaskakujące własności. Bozonami są wszystkie cząstki przenoszące oddziaływania, na przykład foton i cząstki składające się z parzystej liczby fermionów (np. mezony).
proton
Pola magnetyczne wytworzone przez cząstki o spinach ustawionych w górę i w dół są przeciwnie do siebie zwrócone.
Jądro atomowe jest fermionem lub bozonem w zależności od tego, czy całkowita liczba protonów i neutronów jest liczbą parzystą bądź nieparzystą. Niedawno fizycy odkryli, że powoduje to bardzo dziwne zachowanie niektórych atomów w pewnych szczególnych warunkach. Przykładowo hel posiada jądro atomowe, które jest bozonem (dwa neutrony i dwa protony), więc nie można go skrystalizować nawet przy oziębieniu do temperatury bliskiej zera absolutnego. Staje się on wtedy nadcieczą, czyli cieczą o takich dziwnych własnościach, jak zerowa lepkość i brak napięcia powierzchniowego.

Spinowy moment magnetyczny

Ze spinem związana jest jeszcze jedna wielkość fizyczna. "Wirujące" cząstki elementarne posiadające ładunek (na przykład elektron i kwarki) wytwarzają wokół siebie pole magnetyczne podobnie jak Ziemia. Taki wirujący ładunek jest więc miniaturową igłą magnetyczną. Podownie jak spis pole magnetyczne cząstki elementarnej nie jest ustawione dowolnie ale może być zwrócone jedynie w górę i w dół. Pole to charakteryzuje się podając spinowy moment magnetyczny (moment magnetyczny jest jakby miarą "ładunku magnetycznego" obwodu elektrycznego lub cząstki). Moment magnetyczny cząstek złożonych takich jak proton i neutron jest wypadkowym momentem magnetycznym cząstek składowych, w tym wypadku kwarków. Chociaż neutron nie ma ładunku, ale ponieważ składa się z trzech kwarków to posiada wypadkowy moment magnetyczny.
W zewnętrznym polu magnetycznym kierunek spinowego momentu magnetycznego stara się ustawić wzdłuż linii pola magnetycznego, podobnie jak czyni to igła magnetyczna kompasu. Ale jeśli obserwujemy ruch obracającego się bączka, to często widzimy oprócz wirowania zmiany kierunku osi obrotu obracającego się bączka (oś obrotu sama obraca się wówczas wokół pewnego kierunku w przestrzeni zakreślając powierzchnię boczną). Takie zjawisko nazywamy precesją (precesja występuje w ruchu obrotowym Ziemi wokół własnej osi). Momenty magnetyczne elektronów w atomach, w zewnętrznym polu magnetycznym też wykonują precesję.
Spin elektronu i wytworzone przez niego pole magnetyczne zastosowane zostało w czujnikach magnetycznych, wykorzystujących zjawiska gigantycznego magnetooporu, a własności spinu próbuje sie użyć w budowie przyszłych, lepszych komputerach kwantowych. Nowa dziedzina wykorzystująca spin nazwana została spintroniką.