OSNOVNA PODJELA ELEMENTARNIH ČESTICA

Παρουσίαση με θέμα: "OSNOVNA PODJELA ELEMENTARNIH ČESTICA"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 OSNOVNA PODJELA ELEMENTARNIH ČESTICA
škol.god. 2005/06.

2 Povijesni uvod Elementi? Što su elementi ?
Priča o elementima ima početak u antičkoj filozofiji ,od Grčke pa na ovamo. Stari su Grci naučavali da je svijet građen od svega nekoliko elemenata. Početna postavljena teorija elemenata je bila krajnje jednostavna.Sve je građeno od zraka.Sve se dobiva zgušnjavanjem i razrjeđivanjem zraka. To je bila jako jednostavna tablica elemenata,s jednim sudbinskim nedostatkom – nije bila ispravna. Kroz višestoljetni razvoj grčke znanosti grčka „fizika elementarnih čestica“ završava sa svega pet elemenata: zemlja,zrak vatra,voda..... Demokritova ideja o izgrađenosti svijeta od atoma nije nužno vodila na jednoelementarni svijet. Po njegovoj zamisli svijet je građen od atoma. Broj vrsta atoma i dalje je bio raspravljen u okviru broja pet, premda je bilo mišljenja da atoma ima onoliko vrsta koliko i pojavnih oblika tvari. To je bila prva „lavina“elementarnih čestica.

3 Vrlo brzo , početkom 20. st. počinje gomilanje elementarnih čestica
Vrlo brzo , početkom 20. st. počinje gomilanje elementarnih čestica. Da bi se objasnilo izlijetanje elektrona iz električki neutralnog atoma,mora se pretpostaviti postojanje pozitivnog naboja u atomu. Nosioci tog naboja imenovani su protoni. Neutralnost atoma je sada logična, on je sastavljen od negativnih elektrona i pozitivnih protona. U atomu ih je toliko da se njihov broj uravnotežuje. Međutim, pojavio se mali nedostatak ovakve sheme. Prebrojavajući elektrone i protone u atomu izlazi da atomu nedostaje oko polovice mase. Privremeno rješenje je bilo da atom sadrži jednak broj protona i elektrona s time , s time što je polovica elektrona smeještena oko jezgre a druga polovica i svi protoni u jezgri.

4 W. Heisenberg pomoću relacija neodređenosti pokazuje da nije moguće da elektron boravi u jezgri atoma. Predlaže da jezgra atoma uz pozitivni proton sarži i neutralnu česticu mase podjednake masi protona. Tu česticu naziva neutron. Neutron je odmah otkriven 1932.Time je broj elektrona u atomu jednak broju protona, a broj neutrona je onoliki koliko ih treba za upotpuniti masu atoma.Tako je broj neutrona približan broju protona, što je inače zavisno od konkretnog atoma. Bilo bi prilično zgodno da svi „elementi“ mogu zamijeniti sa samo tri elementa. Tada se činilo da je dovoljno tri elementa – elektron, proton i neutron. Dovoljno , sve do β raspada. Naime u β raspadu zbivala se čudna pojava – nestajala je energija. Kad se napravio „obračun“ energije prije raspada i usporedio s onim poslije raspada rezultat je bio da elektroni odlaze s premalo energije. Rješenje je da negdje nestaje energija ili je pronađen događaj koji narušava temeljno načelo dotadašnje fizike – zakon očuvanja energije.

5 Čvrstu obranu zakona očuvanja energije je izveo W. Pauli
Čvrstu obranu zakona očuvanja energije je izveo W.Pauli.Pauli iznosi hipotezu da pri β raspadu dio energije sa sobom odnosi čestica koja nastaje u raspadu. Čestica,radi očuvanja treba biti neutralna pa je imenuje neutrino, mali neutron.Masa neutrina je jako malena , praktički je on bez mase. To je bio početak umnažanja broja elementarnih čestica. Ubrzo je došlo do naglog otkrivanja elementarnih čestica (pioni,mioni,graviton,foton itd.). Graviton je hipotetska (ne dokazana) čestica koja bi trebala služiti kao prijenosnik gravitacijske energije. Nešto slično kao foton kod elektromagnetske.

6 Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetskog zračenja, koji se u vakuumu giba brzinom svjetlosti,c. Nema masu, a sadrži energiju: E = hf h - Planckova konstanta f - frekvencija U kratkom vremenu broj elementarnih čestica popeo se na preko 200.

7 2. Klasifikacija čestica
Sve čestice (kvanti) se mogu svrstati u dvije podgrupe , prema spinu i prema nekom drugom svojstvu. Čestice se prema spinu dijele na fermione i bozone . Fermioni su one čestice koje imaju polovični spin , a bozoni čestice koje imaju cjelobrojni spin. Dalje, pokazuje se da su fermioni oni od kojih je građena tvar, a bozoni oni koji prenose interakciju i tako održavaju vezu među fermionima. Sve se čestice potom svrstalo u tri grupe: kvanti polja, leptoni i hadroni.Hadroni obuhvaćaju dvije podgrupe: mezone i barione. U kvantnoj elektrodinamici (QED-akronim od eng. naziva quantum electro-dynamics) polje se opisuje pomoću nosioca međudjelovanja,tzv. kvanata polja. Model takvog procesa može se prikazati slikom loptanja 2 dječaka na klizaljkama:

8 SLIKA.: loptanje

9 Klasifikacija je zasnovana na 4 (3) temeljna međudjelovanja sile u prirodi:
1.     Kvanti elektromagnetskog i slabog nuklearnog polja (tzv.elektroslabo polje) Toj skupini čestica pripadaju foton i intermedijarni bozoni. Foton je elementarna čestica, kvant elektromagnetskog zračenja, koji se u vakuumu giba brzinom svjetlosti, c. Nema masu mirovanja, a sadrži energiju ,te ima spin h/2π. Intermedijarni bozoni su čestice velike mase (90 GeV/c2) i nosioci su slabe nuklearne sile. Otkrili su ih Carlo Rubbia i Simon van der Meer iz Europskog nuklearnog centra u Ženevi (Cern), koji su za to otkriće dobili 1984.godine Nobelovu nagradu.

10 elektron,tri vrste neutrina, mion i čestica τ
2.Leptoni Leptoni dolaze od grčke riječi leptos što znači sitan ili tanak.Leptoni su lagane elementarne čestice koji ne reagiraju na jaku silu pa djeluju slabim nuklearnim silama. Imaju naboj 1 (osim neutrina koji su neutralni). Karakterizira ih zakon očuvanja leptonskog broja - zbroj leptona (leptonski broj 1) i antileptona (leptonski broj -1) koji ulaze u reakciju jednak je broju leptona koji iz nje izlaze. Spin im je 1/2 te poštuju Paulijevo načelo isključivosti Leptoni su: elektron,tri vrste neutrina, mion i čestica τ Mion možemo shvatiti kao teški elektron.Masa mu je bliska masi piona i kad je pronađen smatralo se da je to mezon.

11 Hadroni dolaze od grčke riječi hadros što znači jak , snažan.
Hadroni su teške elementarne čestice. Oni međudjeluju jakom nuklearnom silom koja je najjača u prirodi. Tipični hadroni su nukleoni tj. neutron i proton. Hadroni su prema masi podijeljeni ma: - mezone (mase između e i p) - barione (tj.one koje su teški) No međutim, danas ta podjela nije opravdana!Bolja je podjela koja kaže: Mezoni su oni hadroni čiji je spin 0 ili cjelobrojni višekratnik h/2π. Barioni tj. nukleoni i hiperoni imaju spin jednak neparnom višekratniku (h/2π),tj. ½ (h/2π) , 3/2(h/2π)… Vrijednost spina određuju statistička svojstva čestica: Bozone određuje Bose-Einsteinova statistika, a fermione Fermi-Diracova statistika.

12 Čestice i antičestice Već smo prije upoznali pojam antičestice kioji je u fiziku uveo Dirac svojom teorijom elektrona.Danas su poznate antičestice gotovo svih elementarnih čestica. Da bismo bolje razumjeli što je antičestica, poslužit ćemo se crtežom na Slici 1. Naime, kad je Dirac pomoću svoje teorije postavio ispravnu jednadžbu gibanja za elektron , uočio je da se ravnopravno sa rješenjima s pozitivnom energijom javljaju i rješenja s negativnom energijom. Rješenja (stanja) pozitivne energije su „realni“ svijet : elektroni koji se gibaju u materiji i koje opažamo. No što su rješenja negativne energije? I njima je Dirac htio-ne htio, morao dati fizikalno značenje. Najjednostavnije je bilo reći da sva ta stanja također postoje, ali da su popunjena elektronima; kad bi, naime, ta stanja bila prazna ili djelomično popunjena , elektroni bi iz stanja pozitivne energije «propadali» u stanja negativne energije, kao što kuglice padaju u jamu(po načelu minimuma potencijalne energije). Drugim rječima , došlo bi do raspada Svemira, a to se u stvarnosti ne događa.

13 SLIKA : energija čestica-antičestica

14 Prva antičestica Engleski fizičar P.Dirac je postulirao postojanje čestica negativne energije, te ih nazvao antičestice. Uz prvu antičesticu vezana je zanimljiva okolnost da je najprije predviđena a onda tek pronađena. Osnovna svojstva elektrona izlazila su neposredno iz Diracove teorije. Za oko je zapela činjenica da u toj teoriji ima mjesta za još jednu česticu.Drugim riječima, teorija građena za potrebe opisivanja jedne čestice, elektrona , ispala je preširoka za elektron, ona obuhvaća elektron ali ostavlja mogućnost postojanja još jedne čestice sličnih svojstava.Upravo na mogućnost postojanja nove čestice upozoravao je Oppenheimer. Još iste godine Anderson je ulovio tu novu česticu. Na fotografskoj ploči zapazio je trag nepoznatog gosta iz svemira(kozmičke zrake). Po otklonu u magnetskom polju bilo je sasvim nedvojbeno da je riječ o pozitivno nabijenoj čestici. Negativna bi se otklonila u drugu stranu. Zakrivljenost staze i debljina traga omogućuju da se utvrdi masa te čestice. I to je bilo u skladu s predviđanjem. Bio je to pozitron, antičestica elektrona. Mogli bismo ga zvati i antielektron.

15 Anhilacija Susret elektrona i pozitrona koban je za oba.Oba nestanu, pretvore se u zračenje. Tu pojavu zovemo anhilacija . Svaki za sebe ,i elektron i pozitron ne mogu se raspasti , ne mogu se pretvoriti u zračenje. Svaki od njih nosi električni naboj , a naboj je neuništiv,pa tako i elektron ili pozitron koji nose taj naboj. Međutim, kada se elektron i pozitron nađu zajedno ukupni je naboj jednak nuli, jer elektron je negativan, apozitron pozitivan ali jednake količine naboja.Kad su zajedno, ukupni naboj bit će jednak nuli. Zračenje će isto tako biti bez naboja , pa ništa ne spriječava da se elektron i pozitron pretvore u bljesak, jednom rječju anhiliraju (ponište) . Veza između mase i energije dat će nam energiju u koju će se pretvoriti elektron i pozitron.Sva energija čestice i antičestice prelazi u energiju zračenja.

16 Poopćenjem Diracove ideje za sve vrste polja (a ne samo elektromagnetsko) vidi se da svaka čestica ima svoju antičesticu.Tako je antiproton,proton negativng naboja, pronađen još godine, antineutron koju godinu kasnije itd. Antičestice se ne moraju međusobno razlikovati po naboju: npr. neutronu suprotna čestica, antineutron također nema naboja. Najispravnije je reći da se čestica i antičestica razlikuju u onom svojstvu koje je karakteristično za polje čija se energijska stanja promatraju. Za elektromagnetsko polje to je električni naboj, za neka druga polja to će biti neka druga fizikalana svojstva (Tablica 1.). Antičestice su, dakle fizikalna realnost i po svojoj materijalnosti su ravnopravne česticama. U tom smislu treba i tablicu 1. dopuniti pripadnim antičesticama. Međutim, pitanje zašto u našem svemiru prevladavaju čestice jedne vrste, dok se pripadne antičestice mogu proizvesti samo uz znatan potrošak energije još je bez jasnog i sveobuhvatnog odgovora.

17 Tablica1. Svojstva čestica i antičestica

18 Općenito sve antičestice navedenih čestica u svim tabelama imaju:
1.Jednako: masu ,spin, prosječno trajanje( ili vrijeme života) , shemu raspada … 2.Suprotno: naboj, magnetskimoment,moment količine gibanja, barionski broj,leptonski broj, stranost ...

19 3.Zakoni očuvanja Danas je poznato oko 200 subatomskih čestica . Svaka čestica ima i svog dvojnika antičesticu . Većina čestica je nestabilna. Vrijeme postojanja čestice naziva se srednje vrijeme života. Teža čestca će se lakše raspasti na lakše čestice pa kažemo da ima kraće vrijeme života. Međutim, ništa ne zabranjuje da se lakše čestice (potomci) opet sastanu i formiraju težu česticu. Taj proces je moguć, ali je njegova vjerojatnost mnogo manja. Samo u stanjima velike gustoće materije (npr. u unutrašnjosti zvijezda) inverzni procesi su jednako vjerojatni. Ne treba se čuditi što su čestice nestabilne. Teba se čuditi što su neke čestice stabilne!

20 Tri vrste sila izazivaju preobražaje subatomskih čestica, poštujući određena pravila→ zakone održanja(očuvanja), u daljnjem tekstu Z.O. Ako se poštuju zakoni očuvanja, vjerojatnost da će se reakcija dogoditi uvijek je različita od nule. Neće se dogoditi reakcija u kojoj bi bio bilo koji zakon narušen. Zakoni koji nam daju sigurnost što se zaista neće dogoditi mogli bi biti nazvani i „zakoni zabrane“. Veća sloboda postoji za virtualne procese kod kojih je dozvoljeno da se na trenutak naruši zakon očuvanjaenergije Najjednostavnija forma svakog zakona očuvanja je stalnost neke veličine : npr. z.o. mase i energije, z.o.količine gibanja, z.o. momenta količine gibanja, z.o.električnog naboja. Ti svi zakoni odnose se na zatvorene fizikalne sustave.

21 Osim z.o. mase i energije, količine gibanja, momenta količine gibanja i z.o.naboja postoje i z.o.novijeg datuma.To su zakoni održanja tzv. „novih kvantnih brojeva“: z.o. leptonskog naboja z.o. barionskog naboja i z.o.stranosti Oni su više računovodstveni zakoni. Naime česticama se pripisuje neki broj (npr.+1,-1,0...) s time da suma brojeva prije i nakon reakcije mora biti očuvana. Ako nije očuvan taj zbroj, tada je reakcija nemoguća.

22 Primjeri 1.     Z.O. leptonskog broja ( naboja), L Raspad τˉ leptona: τˉ → e ˉ + ν e + ν μ L : → (+1) + (-1) + (+1) →pokazuje da je relacija moguća jer je L očuvan

23 2.     Z.O. barionskog broja (naboja), B:
Kada bi u prirodi postojao samo el.naboj, kakve bi bile posljedice? Elektron se ne bi mogao raspasti,ali proton bi se mogao raspasti.To se ipak ne događa. Proton se ne raspada,on traje vječno.Nešto ga u tome sprječava. Neka veličina, neuništiva kao i el.naboj. Pri tome je savim jasno da je proton najmanja čestica s takvim nabojem, jer da ima neka još manja, proton bi se mogao raspasti u tu manju česticu ,a ostatak mase pretvorio bi se u zračenje. To svojstvo «teških» čestica zovemo barionski naboj, što dolazi od grčke riječi barios (težak).

24 Masa stvorenih čestica znatno nadmašuje mase nukleona
Masa stvorenih čestica znatno nadmašuje mase nukleona. Moralo se pretpostaviti da su one rezultat jake sile ( t ≈ s ) i da neće imati dugo trajanje. Međutim , vrijeme života je bilo mnogo dulje nego što je teorija predviđala. Bilo je reda veličine od do 10-8 s, dakle vrijeme karakteristično za slabe interakcije.Da objasne taj paradoks, izmislili su novo svojstvo koje se može pripisati česticama i nazvali ga stranost (ili čudnost). Sačuvanje stranosti je još jedan dodatni zakon očuvanja.Mogući su jedino oni raspadi gdje je očuvana stranost. Stranost bilježimo znakom S. Čestice πˉ i proton imaju stranost S = 0, dok K0 ima stranost S = +1, a čestica Λ0 ima stranost S = -1. Općenito, stranost mora biti očuvana pri elektromagnetnim i jakim nuklearnim interakcijama, a ne mora biti očuvana pri slabim nuklearnim interacijama.

25 3.     Z.O. stranosti (čudnosti),S :
Proučavanjem interakcije i kozmičkog zračenja s neutronima i protonima u atmosferi, a zatim i u akceleratorima čestica, fizičari su otkrili čestice neobičnog ponašanja, nazvane čudne ili strane čestice ( K-mezoni i hiperoni). Nove čestice su se uvijek stvarale u parovima i daljnjim raspadom pojavljivali su se tragovi u obliku slova V ( π+ i πˉ ). Reakciju možemo predočiti u obliku: πˉ + p → K0 + Λ0 S: → (+1) + (-1) Dakle,u navedenoj reakciji stranost je očuvana.

26 Pored zakona održanja postoji i algebra reakcija između čestica koja ima još dva pravila (pravila grupe): 1.) Ako postoji neka relacija onda je moguća i njezina inverzna relacija: A+B = C+D C+D = A+B 2.)  Svaka čestica može se prebaciti s jedne strane reakcijske strelice na drugu, ako se zamijeni svojom antičesticom.  Zato se pri sistematizaciji čestica treba navesti parametre koji karakteriziraju pojedinu česticu , koji su njezina osobna karta. po kojoj se one razlikuju.

27 4.Kako se otkrivaju čestice (antičestice)?
Pokusima u ubrzivačima čestica: Akceleratori (LINEARNI , CIKLOTRON) Na mjesto sudara postavlja se detektor, koji identificira čestice nastale sudarom. Najveći danas izgrađeni sudarač je LEP( Large – Positron collider) opsega 26,7 km sagrađen na švicarsko-francuskoj granici blizu Geneve. Energija čestica koje se sudaraju su reda veličine 160GeV.Nedavno je odobren projekt LHC(Large Hadron Collider) koji će omogućiti ubrzavanje protona do energije14TeV . Ti projekti su skupi pa su se države ujedinile i organizaciju CERN (Centre Europeene pour la Recherche Nucleaire),evropski centar za nuklearna istraživanja.

28 Zračni prikaz okolice Cerna i CERN

29 5.Zaključak Foton,neutrino,elektron,proton i odgovarajuće antičestice stabilne su elementarne čestice.Ostale se spontano raspadaju i pretvaraju u druge čestice, npr. mion se se spontano raspada u elektron, antineutrino i mionski neutrino.