Fizyka a mikroświat

Jacek Golbiak

Studia podyplomowe w zakresie

przyrodznawstwa - Lublin

Joseph Thompson

Odkrycie elektronu 1897 r.

Ernest Rutherford

Odkrycie jądra atomowego - 1911 r.

Doświadczenie Rutherforda

Niels Bohr

Model planetarny budowy atomu

Model atomu Bohra

Model Sommerfelda

Struktura subtelna

• Precesja orbit

eliptycznych

• Stała struktury

subtelnej

• degeneracja

James Chadwick

Odkrycie neutronu – 1932 r.

Wolfgang Pauli

Hipoteza neutrino – 1930 r.

Carl Anderson

Odkrycie antymaterii

(pozyton) – 1932 r.

Diagram Feynmana – kreacja,

anihilacja

Demokracja Hadronowa

contra

Model Standardowy Cząstek Elementarnych

Klasyfikacja cząstek

• Bariony – cząstki, z których

zbudowana jest materia

• Bozony – cząstki, które biorą

odział w oddziaływaniach

• Hadrony – cząstki, które

oddziałują w sposób silny

• Leptony – cząstki, które

oddziałują w sposób słaby

• Fermiony

–

cząstki, które

mają spin połówkowy

• Bozony – cząstki, które
mają spin całkowity

Spin cząstek

•

Spin – wewnętrzny moment
pędu

•

Cząstki o spinie połówkowym
obowiązuje zasada
wykluczania Pauliego

•

Przykłady fermionów: elektron,
kwark

•

Przykłady bozonów: foton,
cząstka W

+

, W

-,

Z

o

Liczby kwantowe

n – główna liczba kwantowa

n

n

,

.....

,

3

,

2

,

1



Główna liczba kwantuje energię układu

l – poboczna liczba kwantowa























n

n

l

n

l

1

,.....,

3

,

2

,

1

,

0

;







Poboczna liczba kwantuje orbitalny moment pędu

m – magnetyczna liczba kwantowa



















1

2

,....

2

,

1

,

0

,

1

,

2

...

;











l

m

l

m

Magnetyczna liczba kwantuje rzut wektora momentu pędu na oś z

Liczby kwantowe – cd.

s – spinowa liczba kwantowa

2

1





s

Spin kwantuje wewnętrzny moment pędu

Degeneracja orbitali elektronowych

Pierwsza powłoka (n =1) jest realizowana przez następujący skład liczb kwantowych

(1,0,0)

Druga powłoka (n = 2) jest realizowana przez następujący skład liczb kwantowych

(2,0,0) (2,1,-1) (2,1,0) (2,1,1)

Trzecia powłoka (n = 3) jest realizowana przez następujący skład liczb kwantowych

(3,0,0) (3,1,-1) (3,1,0) (3,1,1) (3,2,-2) (3,2,-1) (3,2,0) (3,2,1) (3,2,2)

Oddziaływania fundamentalne

• Grawitacyjne
• Elektromagnetyczne
• Jądrowe słabe
• Jądrowe silne

Hideki Yukawa

Schemat mechanizmu

oddziaływania

pomiędzy cząstkami

Bozony pośredniczące w oddziaływaniach

• Elektromagnetyczne – foton
• Jądrowe słabe – cząstki W

+

, W

-

, Z

o

• Jądrowe silne – gluony (8)
• Grwitacyjne – grawiton (?)

Cząstki elementarne - leptony

Cząstki elementarne - bariony

M. Gell – Mann

hipoteza kwarków

1964 r.

"Three quarks for mister

Mark!" w powieści

Finnegans Wake

autorstwa Jamesa Joyce’a

Multiplety cząstek elementarnych

Oktet mezonów

Oktet barionów

Oktet mezonów

Oktet barionów

Multiplety cząstek elementarnych – cd.

Dekuplet barionów (tzw. rezonansów)

Kwarki

Charakterystyka kwantowa - kolor

•

Kwarki to fermiony, które
obowiązuje zasada Pauliego

•

Trzy kolory kwarków: niebieski,
czerwony i zielony

•

W przyrodzie mamy tzw. białe
realizacje układu kwarków

•

Chromodynamika kwantowa –
nauka o oddziaływaniach kwarków

Gluony

Swoboda asymptotyczna – hipoteza

uwięzienia kwarków

•

Zjawisko, w którym kwarki
oddziałują ze sobą siłą, która jest
proporcjonalna do odległości
między nimi.

•

Frank Wilczek – Nobel 2004 r.

Model Standardowy

Model standardowy

Unifikacja oddziaływań

fundamentalnych

W naszym świecie odkrywamy pewne prawidłowości – prawa przyrody, symetrie

.

Kiedy energia (temperatura) świata była wyższa – świat wykazywał większe prawidłowości, większe

symetrie.

Zjawiska, które w naszym świecie są niesprowadzalne do siebie (rządzą nimi różne prawa) przy wyższych

energiach stają się elementami jednego procesu opisanego przez jedno prawo.

Kosmologia – Model Wielkiego Wybuchu

Model Wielkiego Wybuchu opisuje ewolucję Wszechświata trwającą 14 mld. lat.

Gdy w kosmicznej ewolucji cofamy się w czasie, świat staje się

gęstszy, gorętszy – wykazuje coraz większe symetrie, coraz

większą prostotę

.

Fizyka próbuje odkrywać świat wyższych symetrii.

Do tego potrzeba wytwarzać coraz większe energie (temperatury).

W stanach o wyższej energii pojawiają się również nowe

cząstki elementarne, które są odzwierciedleniem wyższej

symetrii świata

.

Unifikacja oddziaływania

elektromagnetycznego i jądrowego słabego

S. Wienberg, A. Salam,

S. Glashow

1967 r.

Oddziaływanie elektrosłabe

Sytuacja problemowa

Wszystkie cząstki biorące udział w oddziaływaniu

elektrosłabym powinny być bezmasowe W

+

, W

-

, Z

0

i foton

Tymczasem oddziaływanie słabe jest

krótkozasięgowe i bozony przenoszące to

oddziaływanie powinny mieć masę

.

Oddziaływanie elektrosłabe

Rozwiązanie problemu masy bozonów oddziaływania słabego

.

Pojawia się tajemnicza cząstka, zwana cząstką Higgsa (pola

Higgsa), która znikając bierze udział w umasowieniu

bozonów pośredniczących.

Cząstka Higgsa – boska cząstka

Wyjaśnienie problemu masy cząstek elementarnych

Fizyka jądrowa

1. Promień jądra atomowego (R)

3

1

0

A

R

R



A – liczba masowa (liczba nukleonów: protonów i neutronów)

R

0

– stała = 1,1 fm; 1fm = 10

-15

m (fermi)

Objętość jądra:

A

R

A

R

R

V

3

0

3

3

1

0

3

3

4

3

4

3

4























Objętość jądra jest wprost proporcjonalna do liczby nukleonów: V~A

2. Gęstość jądra atomowego (



N

)

3

0

3

0

4

3

3

4

R

m

A

R

M

A

N













M – masa jednego nukleonu – 1,67 · 10

-27

kg

Gęstość materii jądrowej jest jednakowa dla jąder atomowych

wszystkich pierwiastków

3

17

10

3

m

kg

N







Notacja jąder atomowych pierwiastków chemicznych

X

A

Z

X – symbol chemiczny pierwiastka

Z – liczba atomowa (liczba protonów w jądrze)

A – liczba masowa (liczba nukleonów w jądrze)

N = A – Z – liczba neutronów w jądrze

Izotopy

Pierwiastki o takiej samej liczbie atomowej (Z), różniące się liczbą
masową (A), tzn. liczbą neutronów

Izotopy danego pierwiastka mają podobne własności chemiczne

(mają tę samą liczbę protonów i elektronów)

Własności fizyczne izotopów są bardzo różne

Przykłady izotopów

Izotopy wodoru

Izotopy węgla

Stabilność jąder atomowych

Stabilność jądra atomowego związana jest z pewnymi wartościami
liczb Z i N = 8, 20, 28, 50, 82.

Stabilne jądra wykazują następującą tendencję: spośród 284 stabilnych
jąder aż 166 posiada parzystą liczbę protonów i neutronów.

57 jąder posiada parzystą liczbę neutronów i nieparzystą protonów.

53 jądra posiada nieparzystą liczbę neutronów i parzystą protonów.

8 jąder posiada nieparzystą liczbę protonów i neutronów.

Radionuklidy są niestabilne. Są produkowane w wyniku rozpadów
promieniotwórczych i reakcji jądrowych. Ich trwałość jest bardzo różna: od
nanosekundy do miliardów lat.

Jądra atomowe pierwiastków promieniotwórczych (radionuklidy)

Krzywa stabilności

W przypadku jąder lekkich pierwiastków zachodzi tendencja do posiadania
równej liczby protonów i neutronów. Na wykresie leżą one na prostej N = Z.

Stabilne jądra pierwiastków ciężkich leże na linii odbiegającej od prostej
N = Z. Te jądra zawierają więcej neutronów niż protonów.

Linia, na której leżą stabilne jądra
atomowe nazywa się krzywą stabilności

Krzywa stabilności

Defekt masy

Masa jądra jest przeciętnie 1% mniejsza niż suma mas poszczególnych składników jądra

Zjawisko to nazywamy defektem masy

Defekt

masy

jest

powodowany

energią wiązań pomiędzy nukleonami

(oddziaływania jądrowe silne, które utrzymują nukleony w układzie związanym).
Energia wiązań jest ujemna i redukuję masę jądra atomowego.

Energia wiązań jądrowych

Energię wiązań określa różnica pomiędzy sumą mas poszczególnych elementów jądra
a faktyczną masą jądra.

Masa jądra atomowego

=

Suma mas składników

-

Energia wiązań

Gdyby energię wiązań pominąć, to średnia masa jądra wynosi

n

p

śr

m

N

m

Z

m









.

2

2

6

,

939

3

,

938

c

MeV

m

c

MeV

m

n

p





Średnia masa jądra na 1 nukleon:

2

.

940

c

MeV

A

m

N

m

Z

m

n

p

śr











Energia wiązań

Energia wiązań jest ujemna i wyznaczana na podstawie wzoru Einsteina E = mc

2

.

Dla wszystkich jąder jest podobna:



















2

7

;

9

c

MeV

E

b

Procesy jądrowe

Fuzja jądrowa

Jądra lekkich pierwiastków łączą się ze sobą

Rozpad jądrowy

Jądra lekkich pierwiastków rozpadają sie

Model kroplowy jądra atomowego

Poszczególne elementy jądra tworzą strukturę przypominającą kroplę cieczy.

Model wyjaśnia:

•Jednakową gęstość wszystkich jąder

•Zbliżoną energię wiązań dla wszystkich jąder

•Nadwyżkę neutronów wobec protonów w
przypadku jąder ciężkich

N = 0,6 A ; Z > 92 – jądra tracą stabilność

Siły formujące jądro atomowe

Model powłokowy jądra atomowego

Cząstki składające się na jądro atomowe znajdują się jedynie na
dozwolonych orbitach (powłokach), tzn. energie cząstek są skwantowane.

Analogia do pierwiastków, które mają na ostatnich
powłokach komplet elektronów (gazy szlachetne).
Liczby atomowe tych pierwiastków to Z = 2, 10,
18, 36, 54, 86.

Stabilne

jądra

atomowe

występują

dla

szczególnych wartości Z i N. Liczby 2, 8, 20, 28,
50, 82, 126 nazywamy liczbami magicznymi

Liczby podwójnie magiczne:

)

20

(

);

8

(

);

2

(

40

20

16

8

4

2













N

Z

Ca

N

Z

O

N

Z

He

Procesy promieniotwórcze

Maria Skłodowska

Curie

13 lipca 1898 – odkrycie Polonu

12 lipca 2010 – odkrycie pierwiastka Kopernik

Procesy promieniotwórcze

Rozpad



Emisja cząstek



- jąder atomu helu

Rozpad



Emisja cząstek



- elektronów albo pozytonów

Rozpad



Emisja wysokoenergetycznych fotonów

Szeregi promieniotwórcze

Krzywa zaniku promieniotwórczego

Akceleratory - urządzenia służące do przyspieszania cząstek,

zderzania ze sobą w celu osiągnięcia wyższych energii

Istnieją dwa główne typy akceleratorów cząstek, liniowe i kołowe.

Akceleratory liniowe, lub liniaki, przyspieszają wstrzykniętą wiązkę cząstek
tylko raz. W końcowej części akceleratora cząstki na ogół uderzają w tarczę i
detektor cząstek rejestruje ich oddziaływania.

Akceleratorów liniowych często używa się do badania zderzeń pomiędzy
egzotycznymi, krótkożyciowymi cząstkami. W tym celu wiązką zwyczajnych cząstek
bombarduje się tarczę. Cząstki te oddziałują z tarczą i wytwarzają nowe cząstki wielu
rodzajów, włącznie z krótko żyjącymi, które są w danym eksperymencie interesujące.
Egzotyczne cząstki są za pomocą magnesów wyciągane z obszaru produkcji i
kierowane w stronę kolejnej tarczy, a nawet w stronę kolejnej wiązki cząstek, w celu
zbadania egzotycznych zderzeń.

SLAC - Stanford Linear Accelerator Center

(Kalifornia USA)

Fermi National Accelerator Laboratory - FermiLab (Chicago)

Large Hadron Collider (LHC) – CERN Geneva