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 pe

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