Od Demokryta do kwarków

ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 20, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
ZamKor
wspólny cel
Od Demokryta do kwarków
Juliusz Domański
Rys. 1
Jeszcze w starożytności Demokryt (rys. 1) z Abdery (ok. 460–370 r. p.n.e.) twierdził, iż
wszystko składa się z atomów, które są wieczne, niepodzielne i niezmienne1. Jednak na poparcie swej hipotezy nie mógł zaprezentować wiarygodnych dowodów. Jeszcze w XIX wieku
przedstawiano materię zupełnie inaczej. Na przykład w podręczniku z 1867 roku2 czytamy,
że własności wspólne wszystkim ciałom to: rozciągłość, nieprzenikliwość, bezwładność,
dziurkowatość, podzielność, ściśliwość, rozszerzalność, sprężystość i ciężkość.
Przełom nastąpił w 1896 roku, kiedy to Henri Becquerel odkrył dziwne promieniowanie
rudy uranowej. W 1903 roku otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla (wspólnie z Marią
Skłodowską i Piotrem Curie). W 1898 roku Ernest Rutherford w promieniowaniu radu wyróżnił dwie składowe  i  obdarzone ładunkiem elektrycznym, które odchylają się w polu
magnetycznym (rys. 2).
Rys. 2
Trzecia, nieodchylona wiązka to promieniowanie elektromagnetyczne () o bardzo małej długości fali. Nieco później
okazało się, że cząstka  jest identyczna z jądrem atomu helu. Mniej więcej w tym samym czasie Rutherford skierował
wiązkę cząstek  na cienką złotą folię. Ze zdziwieniem stwierdził, że ogromna większość cząstek  przechodziła przez
folię bez zmiany kierunku. Analiza rozproszonych cząstek (kątów rozproszenia) wykazała, że prawie cała masa atomu
i dodatni ładunek są skupione w bardzo małej objętości (jądrze atomu).
Spróbujmy sobie wyobrazić, jak „pusty” jest atom. Jądro atomu zajmuje jedynie 10−12 objętości
atomu. Przedstawmy jądro jako kulkę o średnicy 1 cm. Wówczas atom będzie miał średnicę
około 104 cm = 100 m!
Określenie „dziurkowatość” przestało więc być tak bezsensowne (choć w zupełnie innym sensie niż przyjmowano
wcześniej). Także koncepcja atomu Demokryta została w pełni potwierdzona3.
Badanie rozpadu  dało też wynik niezrozumiały przez bardzo wiele lat. W tym procesie znikała gdzieś bez śladu
część energii. Było to sprzeczne z jednym z podstawowych praw przyrody – zasadą zachowania energii. W 1931 roku
Wolfgang Pauli wysunął przypuszczenie, że w tym procesie jest emitowana jeszcze jedna cząstka – elektrycznie obojętna,
o bardzo małej (a może nawet zerowej) masie i bardzo słabo oddziałująca z materią. Ta hipotetyczna cząstka została
nazwana neutrinem4 . Trwające wiele lat jej poszukiwania nie dawały rezultatów. Bohr wysunął nawet przypuszczenie, że zasada zachowania energii nie zawsze jest spełniona. Doświadczalnie istnienie neutrina udało się potwierdzić
dopiero w 1967 roku.
Podobne poglądy głosił rzymski uczony Lukrecjusz (ok. 96–55 r. p.n.e.).
Urbański W., Zasady fizyki, wyd. Olgebranda, 1867.
3
Teorią atomistyczną budowy materii posługiwano się dużo wcześniej. I tak Daniel Bernoulli (1700–1782) wyprowadził wzór na ciśnienie gazu,
zakładając jego cząsteczkową budowę. Wielkim zwolennikiem tej teorii był John Dalton (1766–1844), który budową atomistyczną materii udowadniał odkryte przez siebie prawo stosunków wielokrotnych rządzące tworzeniem się związków chemicznych.
4
Co znaczy „mały neutron”.
1
2
Strona 1
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
R
ZamKor
Data utworzenia:
2013-04-04
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 20, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
ZamKor
wspólny cel
Pewnego wieczoru Rutherford wstąpił do swojego laboratorium. Zastał tam jednego z uczniów
pochylonego nad aparaturą.
– Co pan robi tak późno? – pyta Rutherford.
– Pracuję.
– A co pan robi w dzień?
– Oczywiście pracuję.
– I wczesnym rankiem też pan pracuje?
– Tak, panie profesorze, rano też pracuję.
Na to Rutherford po chwili zastanowienia:
– To kiedy pan myśli?
Nazwa elektron5 pojawiła się już w 1891 roku. Wprowadził ją George Stoney dla elementarnej jednostki elektryczności w procesie elektrolizy. Jako cząstka o ładunku ujemnym elektron został zaobserwowany w 1897 roku przez Johna
Thomsona. Elektron Thomsona okazał się identyczny z cząstką  w doświadczeniu Rutherforda.
W latach 1919–1924 wykonano wiele doświadczeń polegających na bombardowaniu cząstkami  różnych jąder.
W wyniku tych badań odkryto proton. Okazał się on identyczny z jądrem atomu wodoru. Neutron został odkryty
dopiero w 1932 roku przez Jamesa Chadwicka.
James Chadwick został fizykiem przez pomyłkę. Zdając na matematykę omyłkowo usiadł w grupie zdających na fizykę. Gdy go przyjęto, podobno przez nieśmiałość, pomyłki nie sprostował.
Ustalił się pogląd, że materia składa się z czterech podstawowych cząstek: protonów, neutronów, elektronów i fotonów (kwantów promieniowania elektromagnetycznego).
Jednak już w 1932 roku Carl Anderson dokonał odkrycia kolejnej cząstki – dodatniego elektronu (nazywanego
też antyelektronem lub pozytonem), a rok później Cecil Powell odkrył kolejną cząstkę mezon . Warto zauważyć, że
istnienie pozytonu zostało przewidziane na drodze rozważań teoretycznych przez Paula Diraca.
Nieco wcześniej, bo już w 1913 roku Niels Bohr przedstawił swój „planetarny” model atomu. Model ten okazał się
wprawdzie nie w pełni poprawny (został uzupełniony innymi modelami), ale odegrał dużą rolę, pomagając fizykom
w rozwiązaniu wielu problemów.
Tempo odkrywania nowych cząstek elementarnych znacznie wzrosło po drugiej wojnie światowej. Przyczyniło się
do tego powstanie reaktorów jądrowych i zbudowanie potężniejszych akceleratorów cząstek. Odkryto m.in. antyproton
(1955), antyneutron (1956) i w 1967 roku mezony + i −.
Okazuje się, że każda cząstka ma swoją antycząstkę (wyjątkiem jest tu foton, który jest swoją
własną antycząstką). Antycząstki mają taką samą masę jak cząstki, ale ładunek elektryczny
przeciwnego znaku (jeśli są to cząstki naładowane) oraz przeciwne znaki innych charakteryzujących je liczb kwantowych. Spotkanie cząstki z antycząstką kończy się ich przemianą w dwa
kwanty promieniowania gamma – w przypadku anihilacji elektronu i pozytonu, lub w inne
lżejsze cząstki oraz ich energię kinetyczną.
Pochodzi od greckiej nazwy bursztynu, który – jak wiemy – łatwo się elektryzuje. Stąd też nazwa „elektryczność”. Natomiast znaki ładunków
przyjął Benjamin Franklin (1706–1790), który obserwując iskrę przeskakującą z ciała naelektryzowanego szkłem na ciało naelektryzowane
bursztynem, przypuszczał, że na szkle powstaje nadmiar elektryczności (stąd znak +), a na bursztynie – jej niedobór (stąd znak –). Nie wiedział
jednak, że iskrę tworzą dodatnie jony gazu.
5
Strona 2
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
R
ZamKor
Data utworzenia:
2013-04-04
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 20, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
ZamKor
wspólny cel
Nie będziemy tu wymieniać następnych odkryć, jest to wręcz niemożliwe. W 1980 roku było na liście już około 70
cząstek, a w 2009 aż 1000! Jednak jedynymi cząstkami tworzącymi materię Wszechświata były nadal wyłącznie protony,
elektrony, neutrony6 i neutrina. Okazało się też, że całą plejadę cząstek tworzą trzy grupy:
1. leptony (cząstki lekkie) – elektrony, miony i neutrina;
2. mezony , , K i D (cząstki o masie pośredniej);
3. bariony (cząstki ciężkie) – protony, neutrony i hiperony.
Problem dużej liczby cząstek elementarnych został (prawdopodobnie) rozwiązany już wcześniej. W 1964 roku Murray Gell-Mann i George Zweig przedstawili (niezależnie) model budowy barionów i mezonów z bardziej podstawowych
cząstek nazwanych kwarkami7. Pierwotnie przyjęto, że są trzy: u (górny), d (dolny) oraz s (dziwny)8.
W miarę odkrywania nowych cząstek okazało się, że trzy kwarki już nie wystarczają. Dodano więc kolejne trzy.
Podobnie zwiększono liczbę rodzajów neutrin, przyporządkowując każdemu z leptonów odpowiedni rodzaj neutrin
(patrz poniższa tabela). Obecnie przyjmuje się, że kwarków jest sześć, przy czym każdemu kwarkowi odpowiada
antykwark9 o przeciwnym znaku ładunku.
Kwarki
2
3
c – powabny, Q =+
1
3
b – piękny, Q =−
u – górny, Q =+
d – dolny, Q =−
s – dziwny, Q =−
1
3
2
3
1
3
t – prawdziwy, Q =+
2
3
I tak bariony składają się z trzech kwarków, a mezony z dwóch. Oto kilka przykładów:
Cząstka
Kwarki
Ładunek
proton (Q  1)
uud
2 2 1
Q = + − =+1
3 3 3
neutron (Q  )
ddu
1 1 2
Q =− − + = 0
3 3 3
mezon  + (Q  1)
ud
2 1
Q =+ + =+1
3 3
mezon  − (Q  −1)
du
1 2
Q =− − =−1
3 3
mezon K+ (Q  1)
us
2 1
Q = + =+1
3 3
hiperon 0 (Q  0)
0 → p  −
lub
0 → n0 + 0
Również sumowanie pozostałych liczb kwantowych (o których w tym artykule nie wspominamy) daje poprawne
wyniki.
Neutrony są trwałe tylko wewnątrz jąder atomowych; swobodne neutrony ulegają rozpadowi średnio po około 15,5 minuty.
Nazwa pochodzi z fantastyczno-groteskowej powieści Jamesa Joyce’a FinnegansWake wydanej w 1939 roku.
8
Symbole pochodzą od odpowiednich nazw angielskich.
9
Oznaczyłem go poprzez podkreślenie.
6
7
Strona 3
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
R
ZamKor
Data utworzenia:
2013-04-04
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 20, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
ZamKor
wspólny cel
Obecnie za elementarne przyjmuje się następujące cząstki:
Leptony
e


e


Kwarki
d
b
u
c
s
t
Lepton  (tau) został odkryty dopiero w 1975 roku przez Martina Perla.
Istnienie kwarków potwierdzono tylko pośrednio. Bombardując protony bardzo szybkimi elektronami, badano
kąty, pod jakimi są one rozpraszane. Wyniki były jednoznaczne. Elektrony rozpraszały się nie jak od jednego obiektu,
ale jak od układu trzech. Pojedynczego kwarku nie udało się nikomu otrzymać. Być może nie jest możliwe uzyskanie
swobodnego kwarku10. Wynika to z faktu, iż siły wiążące kwarki szybko rosną wraz z odległością.
Na koniec zauważmy – wszyscy fizycy (z wyjątkiem Zweiga) wymienieni w tym artykule zostali uhonorowani
Nagrodami Nobla (fot. 1). Świadczy to o dużej wartości ich prac dla naszej wiedzy o otaczającym nas świecie.
Henri Becquerel
Nobel 1903
John Thomson
Nobel 1906
James Chadwick
Nobel 1935
Wolfgang Pauli
Nobel 1945
Cecil Powell
Nobel 1950
Ernest Rutherford
Nobel 1908
Paul Dirac
Nobel 1933
Murray Gell-Mann
Nobel 1959
Niels Bohr
Nobel 1922
Carl Anderson
Nobel 1936
Martin Perl
Nobel 1995
Fot. 1
10
W ostatnio przeprowadzonych w CERN doświadczeniach z wysokoenergetycznymi jonami ołowiu prawdopodobnie otrzymano tzw. plazmę
gluonowo-kwarkową.
Strona 4
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
R
ZamKor
Data utworzenia:
2013-04-04
ZamKor P. Sagnowski i Wspólnicy spółka jawna
ul. Tetmajera 19, 31-352 Kraków
tel. +48 12 623 25 20, faks +48 12 623 25 24
e-mail: [email protected]
ZamKor
wspólny cel
Zadania
1.
2.
Odszukaj w Internecie (lub literaturze) długość fali promieniowania gamma i porównaj z długością fal światła
widzialnego.
Narysuj model atomu helu według Bohra. W tym modelu atom to niewielkie jądro składające się z protonów
i neutronów, wokół którego krążą elektrony.
Strona 5
Dokument został pobrany z serwisu ZamKor.
Wszelkie prawa zastrzeżone.
R
ZamKor
Data utworzenia:
2013-04-04