Odkrywanie cząstek elementarnych cześć I Grzegorz Brona Instytut Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Uniwersytet Warszawski Atomy koncepcja atomu – Demokryt z Abdery (460-380 pne) Natura – ciągły ruch.
Download ReportTranscript Odkrywanie cząstek elementarnych cześć I Grzegorz Brona Instytut Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych Uniwersytet Warszawski Atomy koncepcja atomu – Demokryt z Abdery (460-380 pne) Natura – ciągły ruch.
Slide 1
Odkrywanie cząstek
elementarnych
cześć I
Grzegorz Brona
Instytut Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych
Uniwersytet Warszawski
Slide 2
Atomy
koncepcja atomu – Demokryt z Abdery (460-380 pne)
Natura – ciągły ruch małych materialnych,
niepodzielnych i wiecznych cząstek
dowód że atomy istnieją – Albert Einstein (1905) i
Marian Smoluchowski (1906)
wielkości atomów: 0,00000001 cm = 10-8 cm
wielkości cząsteczek: nawet do kilku centymetrów (DNA)
w jednym litrze wody jest:
34 000 000 000 000 000 000 000 000 = 34*1024 cząstek
Slide 3
Ruchy Browna
Roger Brown
Można wytłumaczyć zakładając zderzenia
pyłków z cząstkami płynu
Slide 4
Pierwiastki i związki
chemiczne
W przyrodzie istnieje około 100 pierwiastków
(pierwiastek to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej)
Atomy poszczególnych pierwiastków łączą się w cząsteczki tworząc
tysiące różnych związków chemicznych
W XIX wieku Dymitr Mendelejew ułożył pierwiastki w tablicę
zgodnie z ich własnościami
-nie wszystkie pola tablicy zostały wypełnione
-nie wiadomo było dlaczego tak wygląda owa tablica
Slide 5
17 luty 1869
i
dzień dzisiejszy
Slide 6
Jak odkryto elektron?
J.J. Thomson
F el qE
F mag qvB
qE qvB
v
E
B
Slide 7
Jak odkryto elektron?
F mag qvB
qvB
F do ś
mv
R
2
mv
2
J.J. Thomson
R
q
m
v
BR
W 1897 Thomson publikuje pracę, w której donosi o odkryciu cząstki
- która zyskuje nazwę elektron. Twierdzi on, że elektrony wchodzą w skład
wszystkich atomów, a promieniowanie katodowe to właśnie owe elektrony.
Slide 8
Jak zmierzono ładunek
elementarny?
R.A. Millikan
1910 rok
Na kroplach jedynie wielokrotność ładunku 1,6*10-19 C
W przyrodzie nie istnieje swobodny ładunek mniejszy niż 1,6*10-19 C !
Masa elektronu około 9*10-31 kg
Slide 9
Jak zmierzono ładunek
elementarny?
1995 rok
R.A. Millikan
Ponad 5 milionów kropli !!!
Slide 10
Odkrycie jądra
atomowego
Model ciasta z rodzynkami: Model planetarny:
Ernest Lord Rutherford
Model planetarny - elektrony obiegają
jądro atomowe
Jak zbadać, który z tych modeli jest prawdziwy?
Slide 11
Odkrycie jądra
atomowego
Ernest Lord Rutherford
- jądro atomowe: 10-14 – 10-15 metra
- wielkość atomu: 10-10 metra
- atom prawie pusty !!!
- jądro atomowe skupia ~99,9% masy
Slide 12
Co to są izotopy
F mag qvB
F do ś
mv
2
R
mv
qB
R
Jeden pierwiastek daje kilka śladów
F el qE
F mag qvB
qE qvB
v
E
B
Jak to możliwe?
Jądra danego pierwiastka mogą
mieć różne masy !!!
IZOTOPY
Slide 13
Trzecia cegiełka
- neutron
James Chadwick
przenikają przez grube warstwy ołowiu,
bo nie mają ładunku
4
2
He 4 Be 6 C n
9
12
Wcześniej znano masy części jąder atomowych – problem z jądrem deuteru
(masa dwukrotnie większa niż masa wodoru, jednak ładunek ten sam). Problem
obchodzono zakładając, że jądro deuteru składa się z dwu protonów i jednego
elektronu. Po odkryciu neutronu problem sam się rozwiązał.
Slide 14
Atomy
Atomom możemy przypisać dwie liczby:
- liczbę atomową Z, czyli liczba protonów w jądrze atomowym (1-118)
- liczba masowa A, czyli liczba nukleonów w jądrze atomowym (1-293)
Atom = Jądro + Z*Elektronów
Jądro = Z*Protonów + (A-Z)*Neutronów
Atom
10-10 m
Jądro
10-14 m
Proton
10-15 m
Elektron <10-19 m
Slide 15
ŚWIAT JEST PROSTY I WYSTĘPUJĄ
W NIM TYLKO TRZY CZĄSTKI:
PROTON , NEUTRON , ELEKTRON
(anonimowy fizyk, 1932 rok)
okazuje się jednak, że sytuacja jest nieco bardziej
skomplikowana...
Slide 16
Antymateria
Dirac tworzy nowe równanie łączące Szczególną
Teorię Względności Einsteina z Mechaniką
Kwantową
Teoria Względności
Mechanika Kwantowa
x2 = 4
dwa rozwiązania
x=2
lub
x = -2
Można interpretować jako:
- istnieją identyczne cząstki jedne o energii dodatniej, a drugie o ujemnej
- istnieją identyczne cząstki różniące się jedynie znakami ładunków
Slide 17
Antymateria
Jak odkryć anty-cząstkę?
Wykorzystać pole magnetyczne:
F mag qvB
Zmierzyć jej tor – komora mgłowa (para blisko punktu kondensacji)
Paul Anderson (1932)
Slide 18
Krótko o akceleratorach
więcej jutro...
Jak wyprodukować nowe cząstki elementarne?
Bierzemy dwie znane nam cząstki (np. elektrony)
Rozpędzamy je do dużych prędkości
Zderzamy
Z obszaru zderzenia wylatują cząstki elementarne
(wszystko jest zgodne z zasadą zachowania energii
i pędu oraz z równaniem E=mc2)
Slide 19
Slide 20
Co musimy zmierzyć, aby uznać że
nowa cząstka jest na prawdę nowa?
Musimy poznać jej masę oraz jej ładunek
W detektorze mierzymy jej energię oraz pęd
Wzory z gimnazjum:
Ek
mv
2
2
m
p mv
F mag qvB
+
F do ś
mv
R
2
q
p
2
2Ek
p
BR
W ogólnym (relatywistycznym) przypadku, wzory są inne, ale zasada
jest ta sama
Slide 21
Zaczyna się robić ciekawie
A może cząstki te podobnie jak cząsteczki chemiczne da się złożyć
z prostszych cegiełek?
Slide 22
Cząstki Fundamentalne
W latach 60’ rodzi się koncepcja kwarków
Istniejące „ciężkie” cząstki elementarne można zbudować z trzech
(bariony) bądź dwu (mezony) kwarków
Najlżejsze kwarki to górny (up – u) oraz dolny (down – d)
neutron = udd
proton = uud
Slide 23
Ulotne neutrino
Przemiana beta – rozpad neutronu na początku wieku
opisywany przez:
n pe
Jednak okazało się, że w takim modelu energia nie jest
zachowana.Wolfgang Pauli zaproponował więc istnienie
_
dodatkowej cząstki:
Wolfgang Pauli
n p e e
Neutrino oddziałuje słabo z materią (lata świetlne w ołowiu) - Pauli nie wierzył, że
kiedykolwiek uda je się odkryć.
Zgodnie z przyjętym założeniem są to cząstki nie mające masy (dziś wiemy już, że
neutrina mają jednak niewielką masę)
Slide 24
Jak złapano neutrino
Silne źródło neutrin – bomba atomowa lub reaktor
_
Możliwa jest reakcja zgodna z równaniem:
e
neutron chwytany jest
przez jądro atomowe –
wysyłane jest światło
p ne
anihilacja – oddziaływanie materii
z antymaterią – produkowane jest
światło
oba impulsy świetlne rozdziela
pewien przedział czasu
Mamy trzy rodzaje neutrin – elektronowe, mionowe i taonowe
Slide 25
Cząstki Fundamentalne
leptony
kwarki
ładunek
-1
0
-1/3
+2/3
Pokolenie 1
e
elektron
e
neutrino
elektronowe
d
dolny
u
górny
neutrino
mionowe
s
dziwny
c
powabny
neutrino
taonowe
b
piękny
t
prawdziwy
Pokolenie 2
mion
Pokolenie 3
taon
+ ich antycząstki o przeciwnym ładunku
Slide 26
Oddziaływania
Fundamentalne
Obecnie znamy 4 oddziaływania fundamentalne:
Grawitacja:
- działa na: wszystkie obiekty
- odpowiada za: spadanie jabłek i ruch planet
- odkrycie: prehistoria
Elektromagnetyzm:
- działa na: obiekty obdarzone ładunkiem elektycznym
- odpowiada za: zjawiska elektryczne, magnetyczne, tarcie
- odkrycie: starożytni, XIX wiek
Silne Jądrowe:
- działa na: kwarki
- odpowiada za: stabilność jąder atomowych, wiązanie kwarków
- odkrycie: 1935 Hideki Yukawa
Słabe Jądrowe:
- działa na: kwarki, leptony
- odpowiada za: rozpad promieniotwórczy
- odkrycie: 1934 Enrico Fermi
Slide 27
Oddziaływania
Fundamentalne
Oddziaływania zachodzą za pośrednictwem cząstek:
Elektromagnetyczne:
foton
Silne Jądrowe:
gluon
Słabe Jądrowe:
bozony W i Z
Grawitacyjne:
grawitino
Slide 28
O czym powiem jutro
- o tym jak działają współczesne detektory
- o tym jak działają współczesne akceleratory
- o tym co właśnie budują fizycy i jak zamierzają tego używać
- o odkryciu, które być może właśnie się dokonuje
ZAPRASZAM
Odkrywanie cząstek
elementarnych
cześć I
Grzegorz Brona
Instytut Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych
Uniwersytet Warszawski
Slide 2
Atomy
koncepcja atomu – Demokryt z Abdery (460-380 pne)
Natura – ciągły ruch małych materialnych,
niepodzielnych i wiecznych cząstek
dowód że atomy istnieją – Albert Einstein (1905) i
Marian Smoluchowski (1906)
wielkości atomów: 0,00000001 cm = 10-8 cm
wielkości cząsteczek: nawet do kilku centymetrów (DNA)
w jednym litrze wody jest:
34 000 000 000 000 000 000 000 000 = 34*1024 cząstek
Slide 3
Ruchy Browna
Roger Brown
Można wytłumaczyć zakładając zderzenia
pyłków z cząstkami płynu
Slide 4
Pierwiastki i związki
chemiczne
W przyrodzie istnieje około 100 pierwiastków
(pierwiastek to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej)
Atomy poszczególnych pierwiastków łączą się w cząsteczki tworząc
tysiące różnych związków chemicznych
W XIX wieku Dymitr Mendelejew ułożył pierwiastki w tablicę
zgodnie z ich własnościami
-nie wszystkie pola tablicy zostały wypełnione
-nie wiadomo było dlaczego tak wygląda owa tablica
Slide 5
17 luty 1869
i
dzień dzisiejszy
Slide 6
Jak odkryto elektron?
J.J. Thomson
F el qE
F mag qvB
qE qvB
v
E
B
Slide 7
Jak odkryto elektron?
F mag qvB
qvB
F do ś
mv
R
2
mv
2
J.J. Thomson
R
q
m
v
BR
W 1897 Thomson publikuje pracę, w której donosi o odkryciu cząstki
- która zyskuje nazwę elektron. Twierdzi on, że elektrony wchodzą w skład
wszystkich atomów, a promieniowanie katodowe to właśnie owe elektrony.
Slide 8
Jak zmierzono ładunek
elementarny?
R.A. Millikan
1910 rok
Na kroplach jedynie wielokrotność ładunku 1,6*10-19 C
W przyrodzie nie istnieje swobodny ładunek mniejszy niż 1,6*10-19 C !
Masa elektronu około 9*10-31 kg
Slide 9
Jak zmierzono ładunek
elementarny?
1995 rok
R.A. Millikan
Ponad 5 milionów kropli !!!
Slide 10
Odkrycie jądra
atomowego
Model ciasta z rodzynkami: Model planetarny:
Ernest Lord Rutherford
Model planetarny - elektrony obiegają
jądro atomowe
Jak zbadać, który z tych modeli jest prawdziwy?
Slide 11
Odkrycie jądra
atomowego
Ernest Lord Rutherford
- jądro atomowe: 10-14 – 10-15 metra
- wielkość atomu: 10-10 metra
- atom prawie pusty !!!
- jądro atomowe skupia ~99,9% masy
Slide 12
Co to są izotopy
F mag qvB
F do ś
mv
2
R
mv
qB
R
Jeden pierwiastek daje kilka śladów
F el qE
F mag qvB
qE qvB
v
E
B
Jak to możliwe?
Jądra danego pierwiastka mogą
mieć różne masy !!!
IZOTOPY
Slide 13
Trzecia cegiełka
- neutron
James Chadwick
przenikają przez grube warstwy ołowiu,
bo nie mają ładunku
4
2
He 4 Be 6 C n
9
12
Wcześniej znano masy części jąder atomowych – problem z jądrem deuteru
(masa dwukrotnie większa niż masa wodoru, jednak ładunek ten sam). Problem
obchodzono zakładając, że jądro deuteru składa się z dwu protonów i jednego
elektronu. Po odkryciu neutronu problem sam się rozwiązał.
Slide 14
Atomy
Atomom możemy przypisać dwie liczby:
- liczbę atomową Z, czyli liczba protonów w jądrze atomowym (1-118)
- liczba masowa A, czyli liczba nukleonów w jądrze atomowym (1-293)
Atom = Jądro + Z*Elektronów
Jądro = Z*Protonów + (A-Z)*Neutronów
Atom
10-10 m
Jądro
10-14 m
Proton
10-15 m
Elektron <10-19 m
Slide 15
ŚWIAT JEST PROSTY I WYSTĘPUJĄ
W NIM TYLKO TRZY CZĄSTKI:
PROTON , NEUTRON , ELEKTRON
(anonimowy fizyk, 1932 rok)
okazuje się jednak, że sytuacja jest nieco bardziej
skomplikowana...
Slide 16
Antymateria
Dirac tworzy nowe równanie łączące Szczególną
Teorię Względności Einsteina z Mechaniką
Kwantową
Teoria Względności
Mechanika Kwantowa
x2 = 4
dwa rozwiązania
x=2
lub
x = -2
Można interpretować jako:
- istnieją identyczne cząstki jedne o energii dodatniej, a drugie o ujemnej
- istnieją identyczne cząstki różniące się jedynie znakami ładunków
Slide 17
Antymateria
Jak odkryć anty-cząstkę?
Wykorzystać pole magnetyczne:
F mag qvB
Zmierzyć jej tor – komora mgłowa (para blisko punktu kondensacji)
Paul Anderson (1932)
Slide 18
Krótko o akceleratorach
więcej jutro...
Jak wyprodukować nowe cząstki elementarne?
Bierzemy dwie znane nam cząstki (np. elektrony)
Rozpędzamy je do dużych prędkości
Zderzamy
Z obszaru zderzenia wylatują cząstki elementarne
(wszystko jest zgodne z zasadą zachowania energii
i pędu oraz z równaniem E=mc2)
Slide 19
Slide 20
Co musimy zmierzyć, aby uznać że
nowa cząstka jest na prawdę nowa?
Musimy poznać jej masę oraz jej ładunek
W detektorze mierzymy jej energię oraz pęd
Wzory z gimnazjum:
Ek
mv
2
2
m
p mv
F mag qvB
+
F do ś
mv
R
2
q
p
2
2Ek
p
BR
W ogólnym (relatywistycznym) przypadku, wzory są inne, ale zasada
jest ta sama
Slide 21
Zaczyna się robić ciekawie
A może cząstki te podobnie jak cząsteczki chemiczne da się złożyć
z prostszych cegiełek?
Slide 22
Cząstki Fundamentalne
W latach 60’ rodzi się koncepcja kwarków
Istniejące „ciężkie” cząstki elementarne można zbudować z trzech
(bariony) bądź dwu (mezony) kwarków
Najlżejsze kwarki to górny (up – u) oraz dolny (down – d)
neutron = udd
proton = uud
Slide 23
Ulotne neutrino
Przemiana beta – rozpad neutronu na początku wieku
opisywany przez:
n pe
Jednak okazało się, że w takim modelu energia nie jest
zachowana.Wolfgang Pauli zaproponował więc istnienie
_
dodatkowej cząstki:
Wolfgang Pauli
n p e e
Neutrino oddziałuje słabo z materią (lata świetlne w ołowiu) - Pauli nie wierzył, że
kiedykolwiek uda je się odkryć.
Zgodnie z przyjętym założeniem są to cząstki nie mające masy (dziś wiemy już, że
neutrina mają jednak niewielką masę)
Slide 24
Jak złapano neutrino
Silne źródło neutrin – bomba atomowa lub reaktor
_
Możliwa jest reakcja zgodna z równaniem:
e
neutron chwytany jest
przez jądro atomowe –
wysyłane jest światło
p ne
anihilacja – oddziaływanie materii
z antymaterią – produkowane jest
światło
oba impulsy świetlne rozdziela
pewien przedział czasu
Mamy trzy rodzaje neutrin – elektronowe, mionowe i taonowe
Slide 25
Cząstki Fundamentalne
leptony
kwarki
ładunek
-1
0
-1/3
+2/3
Pokolenie 1
e
elektron
e
neutrino
elektronowe
d
dolny
u
górny
neutrino
mionowe
s
dziwny
c
powabny
neutrino
taonowe
b
piękny
t
prawdziwy
Pokolenie 2
mion
Pokolenie 3
taon
+ ich antycząstki o przeciwnym ładunku
Slide 26
Oddziaływania
Fundamentalne
Obecnie znamy 4 oddziaływania fundamentalne:
Grawitacja:
- działa na: wszystkie obiekty
- odpowiada za: spadanie jabłek i ruch planet
- odkrycie: prehistoria
Elektromagnetyzm:
- działa na: obiekty obdarzone ładunkiem elektycznym
- odpowiada za: zjawiska elektryczne, magnetyczne, tarcie
- odkrycie: starożytni, XIX wiek
Silne Jądrowe:
- działa na: kwarki
- odpowiada za: stabilność jąder atomowych, wiązanie kwarków
- odkrycie: 1935 Hideki Yukawa
Słabe Jądrowe:
- działa na: kwarki, leptony
- odpowiada za: rozpad promieniotwórczy
- odkrycie: 1934 Enrico Fermi
Slide 27
Oddziaływania
Fundamentalne
Oddziaływania zachodzą za pośrednictwem cząstek:
Elektromagnetyczne:
foton
Silne Jądrowe:
gluon
Słabe Jądrowe:
bozony W i Z
Grawitacyjne:
grawitino
Slide 28
O czym powiem jutro
- o tym jak działają współczesne detektory
- o tym jak działają współczesne akceleratory
- o tym co właśnie budują fizycy i jak zamierzają tego używać
- o odkryciu, które być może właśnie się dokonuje
ZAPRASZAM