5 Sîowo wstëpne 1 Poniûej znajdziecie ponad 330K1 beîkotu, który przydarzyîo mi sië kiedyô spîodziê w ramach zajëê z fizyki, jeszcze za starych, dobrych czasów nauki w ogólniaku. Nikomu nie polecam lektury tych kilkudziesiëciu kilobajtów, ale i tak nie byîo czym zapchaê dziaîu Belfer w tym numerze, wiëc nie sâdzë, ûeby zamieszczenie tego arta zrobiîo komukolwiek jakâô róûnicë. Aha - tym tekstem byî testowany 5tryb 76-kolumnowy1, kiedy dodawaîem go do nowej wersji kodu 3Necronomicona1, wiëc coô mu sië od nas naleûy, nie? 2:-) 1 Od nastëpnego numeru 3Necronomicona1 prawdopodobnie likwidujemy Belfra ze wzglëdu na brak zainteresowania czytelników, brak tekstów do tego dziaîu oraz wybitnâ niechëê czëôci skîadu redakcji (czyli mnie) do tematów edukacyjnych. 3 K O N C E P C J A K W A R K Ó W 2 (czëôê pierwsza) 6 Juû staroûytni zastanawiali sië nad budowâ otaczajâcego nas ôwiata. W V i IV w. p.n.e. greccy materialiôci - Leukippos i Demokryt wysunëli hipotezë, ûe wszystkie ciaîa skîadajâ sië z niepodzielnych czâstek, które nazwano atomami. Dopiero w wieku XVIII i na poczâtku XIX zostaîo podane naukowe sformuîowanie hipotezy atomistycznej (m.in. przez Avogadra i Daltona). Dokîadniejsza teoria budowy zwiâzków chemicznych zostaîa stworzona póúniej - w drugiej poîowie XIX w. przez Butlerowa, Kekulego oraz Mendelejewa, który odkryî prawo okresowej powtarzalnoôci wîasnoôci chemicznych pierwiastków, co ostatecznie ugruntowaîo poglâd atomowo-molekularny. Znaczny wkîad w rozwój teorii atomistycznej wnieôli Boltzmann oraz Polak - Smoluchowski. Pod sam koniec XIX w. fizyk angielski - Thomson, na podstawie doôwiadczeï z przeprowadzaniem wyîadowaï elektrycznych w gazach odkryî, ûe atom bynajmniej nie jest niepodzielny. Mianowicie okazaîo sië, ûe od atomu odrywa sië czâstka o masie prawie 2000 razy mniejszej od masy caîego atomu. Mimo to jeszcze na poczâtku XX w. nie znano wewnëtrznej budowy jâdra atomowego. Teorie byîy róûne, ale modele niezbyt dobrze speîniaîy oczekiwania. Dopiero Rutheford stworzyî i udowodniî koncepcjë budowy atomu z jâdrem w ôrodku i krâûâcym po orbicie bardzo daleko od jâdra elektronem. Prace badawcze nad tym zagadnieniem trwaîy nadal i dopiero fizyk duïski - Bohr, odkryî pewne wîasnoôci atomu, które doprowadziîy do powstania nowej gaîëzi fizyki, a mianowicie mechaniki kwantowej, która dobrze opisuje zjawiska zachodzâce w atomie. Zîoûonej struktury jâdra atomowego domyôlano sië juû od dawna. Odkryte w koïcu XIX w. zjawisko promieniotwórczoôci potwierdzaîo tâ hipotezë, gdyû jâdro ulegaîo podczas niego rozpadom i przemianom w jâdro innego typu. Dopiero jednak w wyniku odkrycia izotopów pierwiastków zostaîa ostatecznie stwierdzona zîoûonoôê jego budowy. Okazaîo sië, ûe jego w skîad wchodzâ czâstki o niemal równych masach, a róûniâce sië jedynie posiadanym îadunkiem elektrycznym. Sâ to protony (o îadunku równym îadunkowi elektronu, lecz o przeciwnym jego znaku) oraz neutrony (nie posiadajâce îadunku elektrycznego). Wydawaîo sië, ûe nowa teoria bëdzie ostateczna. Nadzieje rozwiane zostaîy juû wkrótce, kiedy to za pomocâ komory Wilsona zaczëto odkrywaê w promieniowaniu kosmicznym coraz to nowe czâstki. Dziëki zbudowaniu ogromnych akceleratorów przeprowadzano setki doôwiadczeï, w których na skutek zderzeï rozpëdzonych wiâzek czâstek powstawaîy zupeînie nowe, dotychaczas nikomu nieznane: miony, piony, kaony, hiperony. W ten sposób fizycy stanëli przed kolejnym dylematem. Czy nowo odkryte czâstki moûna uznaê za podstawowe i caîkowicie niepodzielne? A moûe i one zbudowane sâ z jeszcze mniejszych elementów? Byîo na ten temat wiele hipotez, gdyû fizycy nie mogli pogodziê sië z nieîadem panujâcym w ôwiecie czâstek elementarnych. Tym bardziej, ûe wszelkie próby stworzenia dla nich odpowiednika tablicy Mendelejewa byîy niezbyt udane. Mimo to, w celu uporzâdkowania czâstek, stworzono ich pewnâ klasyfikacjë. Przedstawia jâ poniûsze zestawienie: +-------------------+-----------------+----------------------------+ | | Spin caîkowity | Spin poîówkowy | | | (bozony) | (fermiony) | +-------------------+-----------------+----------------------------+ | Nie oddziaîujâce | foton | leptony: | | silnie | | - elektron | | | | - mezon mi (mion) | | | | - lepton tau | | | | - neutrina: | | | | * elektronowe | | | | * mionowe | | | | * leptonowe | | | | (wraz z ich antyczâstkami) | +-------------------+-----------------+----------------------------+ | Oddziaîujâce | mezony | bariony: | | silnie | - pi (piony) | - hiperony | | (hadrony) | - ro | * lambda | | | - K (kaony) | * sigma | | | - inne | * teta | | | | - nukleony | | | | * proton | | | | * neutron | +-------------------+-----------------+----------------------------+ Naleûy podkreôliê, ûe przedstawione tu czâstki elementarne to zaledwie uîamek wszystkich znanych obecnie. Skoro poznaliômy gîówny podziaî czâstek elementarnych, przejdúmy do cech, jakie sië im przypisuje. Jest ich trochë wiëcej niû byîo to w przypadku modelu atomu Bohra. Oczywiôcie nadal zachowane sâ îadunek elektryczny, masa i spin, ale dochodzâ do tego jeszcze tak egzotyczne cechy jak choêby dziwnoôê. Aby odrobinë przybliûyê to zagadnienie i powoli wprowadziê w genezë koncepcji kwarków, postaram sië pokrótce opisaê waûniejsze cechy czâstek elementarnych. Bardzo waûnâ cechâ jest czas rozpadu i choê moûe nie jest to cecha najwaûniejsza, to pozwala ona oddzieliê od czâstek elementarnych rezonanse, czyli czâstki o bardzo krótkim czasie istnienia (okoîo 10^-23 sek). Skoro juû jesteômy przy czasie ûycia, to trzeba wspomnieê o tym, ûe znaczna czëôê czâstek jest nietrwaîa i ulega samorzutnemu rozpadowi po pewnym, specyficznym dla jej typu czasie. Do czâstek trwaîych naleûâ: - foton, - neutrina, - elektron (czas ûycia powyûej 5 * 10^21 lat - uwaûany za trwaîy), - proton (czas ûycia powyûej 8 * 10^30 lat - uwaûany za trwaîy), zas do nietrwaîych wszystkie inne, w tym np.: - neutrony, - miony, - leptony tau, - kaony, - hiperony, - piony. Nastëpna nowa cecha to îadunek barionowy. Pojëcie to wprowadziî Wigner i jest ono uogólnieniem pojëcia îadunku elektrycznego. Jest to liczba kwantowa równa +1 dla nukleonów, -1 dla antynukleonów oraz 0 dla mezonów pi (czyli pionów). Liczba barionowa jest o tyle istotna, ûe w ukîadzie izolowanym pozostaje staîa, co pozwala sformuîowaê zasadë zachowania îadunku barionowego. Jest ona speîniona dla pola silnego, e-m, sîabego i grawitacyjnego. Sâdzë, ûe analogia z îadunkiem elektrycznym, czy zasadâ zachowania energii jest na tyle widoczna, ûe wyjaônia zjawisko w wystarczajâcym stopniu. Chyba tymi samymi pobudkami (tj.moûliwoôciâ prowadzenia obliczeï z uûyciem prawa zachowania) kierowali sië Zeldowicz i Konopiïski wprowadzajâc pojëcie îadunku leptonowego. Prawo zachowania îadunku leptonowego jest speînione równieû dla kaûdego typu oddziaîywaï i pozwala wyjaôniê przebieg wielu procesów (jak choêby rozpadu beta minus i plus, wychwytu elektronu, mionu, czy rozpadu mionu plus). Îadunek leptonowy wynosi +1 dla leptonów (elektronu, mionu minus i neutrina) oraz -1 dla antyleptonów (pozytonu, mionu plus i antyneutrina). Trzeciâ waûnâ cechâ czâstek elementarnych jest izospin. Jego koncepcja zostaîa opracowana przez Heisenberga. Zauwaûyî on, ûe proton i neutron majâc odmienne îadunki róûniâ sië masâ jedynie w niewielkim stopniu. Dlatego zaproponowaî model nukleonu zawierajâcy zmiennâ przybierajâcâ jedynie dwie wartoôci, z których jednâ jest proton, zaô drugâ neutron. Izospin nie ma z samym spinem nic wspólnego i jest uûyte tylko na podstawie analogii ze spinem elektronu, który przyjmuje równieû dwie wartoôci. Umownie przyjëto, ûe wartoôê izospinu równa +1/2 odpowiada protonowi, a -1/2 - neutronowi. Dla izospinu równieû istnieje prawo zachowania, które nie zaleûy od typu oddziaîywaï. Ostatniâ cechâ, którâ opiszë jest dziwnoôê. Jest to cecha o tyle dla nas ciekawa, ûe jej interpretacja w modelu kwarkowym jest nadzwyczaj prosta, co w pewnej mierze potwierdza jego sîusznoôê. Czym zatem sâ czâstki dziwne? Nazywamy tak silnie oddziaîujâce czâstki elementarne, nie tworzâce sië pojedynczo nawet wtedy, gdy wystëpujâ ku temu odpowiednie warunki energetyczne i ûyjâ 10^14 razy dîuûej niû wynika to z przesîanek teoretycznych. Dziwnoôê jest liczbâ kwantowâ opisujâcâ cechy czâstek elementarnych wzglëdem oddziaîywaï silnych i e-m. Kaûdej odmianie czâstek przypisuje sië okreôlonâ wartoôê dziwnoôci. Dobrze obrazuje to chyba poniûsze zestawienie: * S = -3 - hiperon omega minus, * S = -2 - hiperon teta minus, - hiperon teta zero, * S = -1 - hiperon lambda, - hiperon sigma plus, - hiperon sigma zero, - hiperon sigma minus, - kaon minus, - antykaon zero, * S = 0 - proton, - neutron, - pion plus, - pion zero, - pion minus, - mezon eta, * S = 1 - antyhiperon lambda, - antyhiperon sigma plus, - antyhiperon sigma zero, - antyhiperon sigma minus, - kaon plus, - kaon zero, * S = 2 - antyhiperon teta minus, - antyhiperon teta zero, * S = 3 - antyhiperon omega minus. Liczba charakteryzujâca dziwnoôê S, liczba barionowa B i îadunek czâstki wyraûony w îadunkach elementarnych powiâzane sâ ze sobâ nastëpujâcâ zaleûnoôciâ: S = 2 (Q/q - T3) - B, gdzie T3 to skîadowa izospinu. Co jest bardzo istotne - z przeprowadzonych obserwacji wiadomo, ûe speînione jest prawo zachowania dziwnoôci, co oznacza, ûe suma algebraiczna dziwnoôci czâstek przed reakcjâ i po niej jest równa. A to pozwala przewidzieê i wyjaôniê wyniki wielu doôwiadczeï. Oczywiôcie oprócz powyûszych praw zachowania speînione sâ tak fundamentalne zasady, jak zasada zachowania energii, a takûe zachowania îadunku elektrycznego i spinu (momentu pëdu). Po tym nieco przydîugim wstëpie wypadaîoby chyba choêby pokrótce napisaê coô o najwaûniejszych czâstkach elementarnych. A zaczniemy od elektronu. Elektron jest pierwszâ czâstkâ odkrytâ przez fizyków. Ma on masë okoîo 2000 razy mniejszâ od masy protonu. Jest on czâstkâ naîadowanâ ujemnie (o îadunku jednostkowym), zaô jego spin wynosi 1/2 h/2pi, czyli 1/2 h kreôlonego. Elektron jako czâstka elementarna zaliczany jest do klasy leptonów, tj.czâstek nie wykazujâcych oddziaîywaï silnych. Pomiëdzy elektronem a innymi czâstkami zachodzâ oddziaîywania sîabe, grawitacyjne i e-m. Jego antyczâstkâ jest pozyton. Pozyton odznacza sië dodatnim jednostkowym îadunkiem elektrycznym oraz masâ pokrywajâcâ sië co do 0.007% z masâ elektronu. Spin pozytonu jest równy spinowi elektronu. Gîównymi úródîami pozytonów sâ przemiany wysokoenergetycznych fal gamma na pary elektron-pozyton. Proton jest stabilnâ czâstkâ elementarnâ obdarzonâ dodatnim jednostkowym îadunkiem elektrycznym. Jego masa jest równa w przybliûeniu 2000 mas elektronu. Liczba protonów w jâdrze okreôla îadunek jâdra oraz miejsce pierwiastka w ukîadzie okresowym Mendelejewa. Proton ma spin poîówkowy równy 1/2 h/2pi, czyli 1/2 h kreôlonego. Proton zaliczany jest do barionów i bierze udziaî w oddziaîywaniach silnych, sîabych i e-m. Antyczâstkâ protonu jest antyproton. Ma on masë równâ masie protonu, îadunek równy îadunkowi protonu, lecz o odmiennym znaku oraz spin identyczny z protonem. Istnienie antyprotonu zostaîo doôwiadczalnie stwierdzone. Zgodnie z przewidywaniami w wyniku zderzenia z protonem obie czâstki anihilujâ, wyzwalajâc energië równowaûnâ masie dwóch znikajâcych czâstek. Neutron jest czâstkâ niestabilnâ i ulega rozpadowi w okresie T1/2 = 1.01 * 10^3 sek. Jego masa jest niemal równa masie protonu (dokîadniej odrobinë wiëksza) i wynosi okoîo 2000 mas elektronu. Îadunek elektryczny neutronu jest równy zeru, zaô jego spin S = 1/2 h/2pi. Îadunek batrionowy neutronu wynosi 1, îadunek leptonowy - 0, a dziwnoôê równieû 0. Zresztâ, dane te moûna znaleúê powyûej, w charakterystykach poszczególnych cech czâstek elementarnych. Neutrino to neutralna elektryczna czâstka elementarna o znikomej masie (jej masa spoczynkowa jest równa zeru). Ma poîówkowy spin równy 1/2. Istniejâ trzy odmiany neutrina - elektronowe powstajâce zawsze îâcznie z elektronem, neutrino mezonowe tworzâce sië razem z mionem oraz neutrino leptonowe, które powstaje z leptonem tau. Mimo braku îadunku, neutrino nie jest równowaûne ze swojâ antyczâstkâ. Róûniâ sië one îadunkiem leptonowym, równym +1 dla neutrin oraz -1 dla antyneutrin. Neutrino jest jedynâ znanâ czâstkâ uczestniczâcâ jedynie w oddziaîywaniach sîabych. Brak îadunku elektrycznego, momentu magnetycznego oraz zerowa wartoôê masy spoczynkowej stanowiâ znacznâ przeszkodë w rejestrowaniu tych czâstek. Mimo to, fizyka teoretyczna szybko przyswoiîa pojëcie neutrina i dopiero w dwadzieôcia lat póúniej wykryto je doôwiadczalnie. Pion (mezon pi) jest noônikiem oddziaîywaï silnych (patrz jednak niûej) na takiej samej zasadzie, na jakiej foton jest noônikiem oddziaîywaï e-m. Jest to czâstka o masie równej w przybliûeniu 300 masom elektronu. Îadunek barionowy pionu jest równy 0. Jego spin jest caîkowity i wynosi 0, zaô izospin 1. Piony sâ czâstkami nietrwaîymi i po czasie rzëdu 2.6 * 10^-8 sek (pi plus i pi minus) lub 0.8 * 10^-16 sek (pi zero). Istniejâ trzy stany îadunkowe pionu: dodatni, ujemny i neutralny, które tworzâ tzw.tryplet izospinowy. Mion jest czâstkâ elementarnâ o wîaôciwoôciach bardzo podobnych do elektronu. Naleûy do grupy leptonów i wystëpuje w dwóch stanach îadunkowych - dodatnim i ujemnym, które sâ wzglëdem siebie antyczâstkami. Masa mionu jest równa okoîo 200 masom elektronu, zaô jego spin jest poîówkowy i równy 1/2 h kreôlonego. Jest czâstkâ nietrwaîâ i po ok.2.1 * 10^-6 sek. ulega rozpadowi. Ze wzglëdu na brak oddziaîywaï silnych czâstki te wykazujâ duûâ przenikalnoôê przy przechodzeniu przez oôrodek materialny. Powolne miony mogâ byê wiâzane na orbitach atoowych tworzâc atomy mionowe. Kaon jest mezonem dziwnym o spinie zerowym. Jego masa waha sië w granicach 800-1300 mas elektronu. Jest trwaîy wzglëdem oddziaîywaï silnych i e-m. Znane sâ dwa kaony: K plus i K zero (o dziwnoôci S=1) oraz ich antyczâstki K minus i antykaon zero (o dziwnoôci S=-1). Para K plus i K zero tworzy dublet izospinowy. Mezony K plus i minus rozpadajâ sië w wyniku oddziaîywaï silnych po czasie ok.10^-8 sek. Hiperon jest barionem o dziwnoôci róûnej od zera. Masa hiperonów wynosi okoîo 2200 mas elektronu. Obecnie znane sâ nastëpujâce hiperony trwaîe wzglëdem oddziaîywaï silnych: lambda zero, trzy hadrony sigma (ujemny, dodatni i neutralny), dwa teta (ujemny i neutralny) oraz omega minus. Znanych jest równieû kilkadziesiât rezonansów hiperonowych nietrwaîych wzglëdem oddziaîywaï silnych. Wszystkie hiperony majâ spiny poîówkowe i mogâ wystëpowaê w stanie zwiâzanym z nukleonami róûnych jâder atomowych tworzâc hiperjâdro. Na tym chyba sië zatrzymamy, gdyû wîaôciwym tematem tej pracy nie miaîy byê czâstki elementarne, a wiëc szersze i bardziej wnikliwe zajmowanie sië nimi na îamach tej pracy mija sië z celem. Wszystkich zainteresowanych historiâ odkryê i badaï nad czâstkami elementarnymi oraz ich dokîadniejszâ charakterystykâ zachëcam do zapoznania sië z "Fizykâ naszych dni" autorstwa U.J.Frankfurta i A.M.Frenka. 2 (koniec czëôci pierwszej)