Dobrodružství částic

1. Dobrodružství částic Zpracováno dle: http://particleadventure.org

2. Věčné otázky Lidé se odedávna ptají: „Z čeho se skládá svět?“ „Co ho drží pohromadě?“

3. Hledání podstaty Z čeho je svět? Proč má tak mnoho věcí na tomto světě stejné vlastnosti? Lidé přišli na to, že hmota tohoto světa je tvořená z několika elementárních stavebních bloků přírody. Co znamená „elementární“? Pod pojmem elemntární stavební blok rozumíme objekt, který je jednoduchý a bez struktury – tedy se už neskládá z ničeho menšího.

4. Hledání podstaty Ve starověku si lidé mysleli, že se vše na světě skládá ze 4 elementů – vzduch, voda, oheň a zem. Ve starověké Číně bylo uznávaných těchto pět základních složek hmotného vesmíru (Pinyin WU XING) : Země, Dřevo, Kov, Oheň a Voda. V Indii v Samkhya-karikas byly pěti elementy nazývané Prostor, Vzduch, Oheň, Voda, Zem.(Ishvarakrsna - 3.stol po Kr.)

5. Atom Dnes už víme, že existuje něco elementárnějšího než voda, vzduch, oheň či země .... Podle dohody je barva,podle dohody je sladkost,podle dohody je hořkost,ve skutečnosti jsou však jen atomy a prázdno. Demokritos(400 před Kr.) Okolo r.1900 si lidé mysleli, že atomy jsou prostupné kuličky s elektrickým nábojem, které poskakují uvnitř látky sem tam. Ale je atom elementární?

6. Atom

7. Otázka Proč je termín „atom“ nesprávný? V řečtině znamená atomus – nedělitelný.

8. Je jádro elementární? Protože se zdálo malé, pevné a husté, vědci si mysleli, že atomové jádro je elementární. Později objevili, že se skládá z kladně nabitých protonů (p+) a neutronů (n), které jsou bez náboje. Tak tedy, jsou protony a neutrony elementární???

9. Jsou protony a neutrony elementární? Fyzikové objevili, že se protony a neutrony skládají z ještě menších částic – kvarků. Pokud víme, kvarky jsou jako body v geometrii. Neskládají se z ničeho jiného. Po rozsáhlém testování této teorie, předpokládají nyní vědci, že kvarky a elektrony (a několik dalších věcí, které uvidíme za pár minut) jsou elementární.

10. Současný model atomu Toto je moderní model atomu Elektrony stále obíhají kolem jádra. Protony a neutrony se „vrtí“ uvnitř jádra a kvarky poskakují uvnitř protonů a neutronů. Tento obrázek je ale zcela zkreslený. Kdybychom namalovali atom v takovém měřítku, že by protony a neutrony měly 1cm v průměru, potom by elektrony a kvarky byly menší než je průměr vlasu a průměr celého atomu by byl větší než délka 30 fotbalových hřišť!!! 99,999999999999 % objemu atomu je jen prázdný prostor!!

11. Měřítko atomu Zatímco atom je maličký, jádro je 10 000x menší než atom a kvarky a elektrony jsou přinejmenším 10 000x menší než jádro. Není přesně známo, jak jsou kvarky a elektrony malé, ale jsou určitě menší než 10-18 m. Je také nakonec možné, že kvarky a elektrony nejsou elementární a ukáže se, že se skládají z jiných, ještě elementárnějších částic. (Skončí to vůbec někdy? )

12. Co hledáme? Fyzikové neustále hledají nové částice, aby porozuměli, jak funguje vesmír. Doposud bylo objeveno kolem 200 druhů částic (většina z nich není elementární). Pro přehlednost jsou pojmenovány písmeny latinské a řecké abecedy.

13. Standardní model Fyzikové vytvořili teorii nazvanou Standardní model, která vysvětluje, z čeho je svět(vesmír) a co jej drží pohromadě. Je to jednoduchá a komplexní teorie, která objasňuje všechny ty stovky částic a všechna vzájemná působení (interakce) jen pomocí: • 6 kvarků • 6 leptonů (nejznámějším z nich je elektron) • částice přenášející sílu (např. foton)

14. Standardní model Všechny známé částice se skládají z kvarků a leptonů a vzájemně na sebe působí vyměňováním částic přenášejících sílu. Standardní model je dobrá teorie. Pokusy potvrdily jeho předpoklady s úžasnou přesností a všechny předpověděné částice byly objeveny. Ale nevysvětluje všechno. Například gravitační síla není obsažena v tomto modelu.

15. Kvarky a leptony Jak už víte, vše od galaxií přes pohoří až po molekuly se skládá z kvarků a leptonů. Ale to není vše. Kvarky se chovají úplně jinak než leptony a ke každému druhu hmotné částice existuje i odpovídající druh částice antihmoty.

16. Částice a antičástice Částice antihmoty (či jen antičástice) se chovají a vypadají stejně jako jejich odpovídající hmotné částice, jen mají opačný náboj. Tak například ke kladně nabitému protonu existuje záporně nabitý antiproton. Gravitace působí na částice i antičástice stejně, protože gravitace není ovlivněna nábojem částic. Částice i antičástice mají stejný objem. Když se potká částice s antičásticí, zaniknou a přemění se v čistou energii.

17. Kvarky

18. Hadrony Podobně jako společenští sloni, existují kvarky ve skupinách s jinými kvarky a nikdy nejsou sami. Složené částice z kvarků se nazývají hadrony. Existují dvě třídy hadronů: • baryony – ze 3 kvarků (př. protony (uud) a neutrony (udd) • mesony – z 1 kvarku a 1 antikvarku (př. je pion π+)

19. Leptony Dalším typem hmotných částic jsou leptony. Existuje 6 leptonů, 3 z nich mají elektrický náboj a 3 jej nemají. Zdá se, že to jsou částice podobné bodům bez další vnitřní struktury. Nejznámější je elektron (e-). Další dva nabité leptony jsou muon (μ) a tau (τ). Ostatními leptony jsou 3 typy neutrin (υ). Nemají žádný náboj, velmi malinkatý objem a je velmi těžké je najít.

20. Leptony Kvarky jsou společenské a existují jen ve složených částicích s jinými kvarky, zatímco leptony jsou samotářské částice. Nabité leptony si můžeme představit jako „osamělé kočky“ s připojenými neutrinovými blechami, které je velmi těžké zahlédnout. Pro každý lepton existuje odpovídající antihmotový antilepton. Anti-elektron se nazývá speciálním jménem „pozitron“.

21. Zánik leptonů Těžší leptony, muon a tau, nenajdeme běžně ve hmotě. Je to z důvodu, že když se vytvoří, velmi rychle zaniknou nebo se změní na lehčí leptony. Někdy se tau lepton změní ve kvark, antikvark a tau neutrino. Elektrony a neutrina jsou stabilní a proto tyto typy běžně vidíme kolem nás. Když těžší lepton zaniká, je vždy jednou z přeměněných částic odpovídající neutrino. Dalšími mohou být kvark a jeho antikvark nebo jiný lepton a jeho antineutrino.