Dünyanın atomlardan oluştuğunu düşünüyor musunuz?
Bir tür felaket nedeniyle, tüm bilimsel bilgiler kaybolursa ve bir sonraki nesle yalnızca bir cümle aktarılırsa, o zaman en fazla bilgiyi ifade etmek için en az kelimeyi nasıl kullanabiliriz? Bu cümlenin atomik bir hipotez olduğuna inanıyorum: tüm nesneler atomlardan yapılmıştır - bu atomlar sürekli hareket halinde olan küçük parçacıklardır. Yerden hafifçe ayrıldıklarında birbirlerini çekin ve çok sıkı olduklarında birbirlerini itin. - "Feynman Fizik Dersleri"
Bilimin popüler hale geldiği bu çağda yaşarken, pek çok insanın (bundan derinden şüphe duyuyor muyum? Aslında inanmıyorum) "maddenin atomlardan oluştuğu" şeklindeki en temel sağduyuyu bilmediğini düşünüyorum. Fakat yüz yıl önce zaten sağduyu olan bu sağduyu, gerçekten benim ve diğer fizik araştırmacılarının herhangi bir entelektüel üstünlüğe sahip olmasına izin vermiyor.Dalmak, atomu kesmek ve temel temelleri görmek için aşağı inmek zorundayız. Bu ne be? Yani ... perdeyi açtık ve atomun altında harika bir film sahneledik. Oh, evet, bu gişe rekorları kıran filmin adı "Parçacık Fiziği".
Başlangıç noktamızdan başlayalım ...
1
Atom
Şekil 1: Atom - çekirdek ve çekirdeği çevreleyen elektronlar.
Hepimiz bir atomun bir çekirdekten ve çekirdeği çevreleyen bir elektron bulutundan oluştuğunu bilebiliriz. Ayrıca, periyodik bir element tablosu üzerinde düzenlenmiş birçok farklı atom olduğunu da biliyoruz. Çekirdek pozitif yüklü + Ze'dir (burada e, bir elektron tarafından taşınan yük miktarıdır ve Z, atom numarası / proton numarasıdır). Z, çekirdekteki elektron sayısını belirler ve ayrıca periyodik tablodaki bir atom sınıfının (aynı sayıda atoma, ancak farklı sayıda nötron sayısına sahip atomlar, izotoplar) konumunu belirler.
Editörün özel hatırlatıcısı
Periyodik tablodaki element sayısı giderek soldan sağa ve yukarıdan aşağıya doğru artar. Bu dizi genellikle atomik kütlenin artmasıyla tutarlıdır. Periyodik tablodaki periyodiklik, kuantum mekaniğinin korunum kuralları ile güzel bir şekilde açıklanabilir. Bu ölçekte araştırma atom fiziğine ve tabii ki kimyasal fiziğe aittir.
Farklı atomların özelliklerine göre periyodik bir tablo oluşturabiliriz, bu bize nasıl bir ipucu veriyor? Atom (çekirdek) kesinlikle en temel parçacık değildir, altında bir şey vardır.
2
Protonlar ve Nötronlar )
Elbette çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğunu da biliyoruz. Bir protonun pozitif yükü vardır ve kütlesi 1.673 × 10-27 kg'dır; bir nötronun yükü yokken kütlesi 1.675 × 10-27 kg'dır, bu da bir protondan sadece biraz daha ağırdır. (Nötronların protonlardan biraz daha ağır olmasının nedeninin, bir elektron emen protonlar tarafından yapıldıklarını düşünen var mı? Neyse, lisedeyken çok saftım.) Protonların ve nötronların yarıçapı her ikisi de Sadece 10-15 metre. Güçlü bir nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulurlar.
Şekil 2: Soldaki resim iki yukarı kuarktan (yük: + 2 / 3e × 2) ve bir aşağı kuarktan (yük: -1 / 3e) oluşan proton yapısını gösterir; Sağdaki resim bir yukarıdan oluşan nötron yapısını gösterir. Bir kuark (yük: + 2 / 3e) ve iki aşağı kuark (yük: -1 / 3e × 2).
Bu düzeydeki araştırmalara nükleer fizik denir. Fiziğin başka bir dalı olarak esas olarak çekirdeği inceler. Nükleer fizikçiler tarafından ele alınan temel sorun, çekirdeğin yapısının bileşimi (bir grup proton ve nötron) ile nasıl açıklanacağıdır. Görüyoruz ki, çekirdek bu gişe rekorları kıran filmin kahramanı değil.
3
Kuark )
Protonlar ve nötronlar en temel olanlar değildir, kuark adı verilen nokta şeklindeki parçacıklardan oluşurlar ve kuarklar orta parçacıklar olan gluonlar değiştirilerek bir arada tutulurlar. Proton kütlesi (nötronlar), esas olarak onları bir arada tutan gluonlardan elde edilir, kuarklardan değil.
Şekil 3: Atomların, elektronların, protonların, nötronların ve kuarkların diyagramları. Atom çekirdek ve elektronlardan oluşur; çekirdek proton ve nötronlardan oluşur; protonlar ve nötronlar kuarklardan oluşur; o halde kuarklar nelerden oluşur? Bilmiyoruz.
Şu anki anlayış, kuarkların ve gluonların İç yapı . Bilim adamları kuarkların, elektronların ve diğer parçacıkların (aşağıdaki Standart Modele bakın) şu anda en temel parçacıklar olduğuna inanıyor. Parçacık fiziğinin büyük gösterisi, bu parçacıklar ile oluşturdukları parçacıklar arasındaki şikayetler hakkındadır. Fizikçi yönetmenler grubu, "Standart Model" hatasına rağmen seyirciyi tatmin eden bir gişe rekorları kırdı. Ciddi anlamda...
4
Particle Zoo )
Son yüz yılda, atomlardan çok daha fazla parçacık türü (atomun altındaki parçacıklar) keşfettik. Biz sadece ineriz
Thomson 1897'de elektronları (e-) keşfetti;
1932'de Chadwick nötron (n) 'yi keşfetti;
1932'de Anderson, pozitronu (e +) keşfetti;
1937'de kozmik ışınlarda leptonlar ve bunlarla ilişkili nötrinolar () keşfedildi;
± mezon ve K mezon 1947'de kozmik ışınlarda keşfedildi;
1950'de kozmik ışınlarda 0 mezon keşfedildi;
1950'lerde, partikül hızlandırıcılar ve çeşitli detektörler büyük ölçüde gelişti. Donanım ayakta kaldı, bu yüzden kontrolden çıktı. parçacıklar, parçacıklar, parçacıklar, parçacıklar, parçacıklar, parçacıklar gibi çeşitli yeni parçacıklar sürekli olarak keşfediliyor ... İnsanlar bir parçacık hayvanat bahçesini açtı, Çoğunluğu hadron olan 200'den fazla üye var.
Bu kadar çok parçacıkla, temel olmak imkansızdır. Gellman ve Neeman (elbette onlar için sahneyi kuran kahramanlardan burada bahsedilmeyecek) bir SU (3) teorisi ortaya attılar. Dahil. Gellman ve Zweig (ikisi de fizikte büyük boğalar!), Bu hadronların hepsinin u, d ve s kuarklarından oluştuğunu düşünerek kuark kavramını bir adım daha yaklaştırdılar. Deney bu teoriyi hemen doğruladı ve yüksek enerjili nötrinoları, içlerindeki nokta benzeri yapıların varlığını kanıtlamak için protonları ve nötronları (terime "derin esnek olmayan saçılma deneyi" denir) vurmak için kullandılar.
Şekil 4: Hadronların SU (3) simetrisi. Sol: 0 olarak seçilen iki kuarktan oluşan baryonik sekizli durumu; Sağdaki resim: Üç kuarktan oluşan, 3/2 olarak seçilen baryon çadır durumu.
1974'te Ding Zhao ve diğerleri J / parçacığını keşfettiler (yani, iki tılsım kuarkının (c) kombinasyonunun temel durumu).
Alt kuark 1979'da keşfedildi (b).
En üst kuark (t) 1994 yılında keşfedildi.
Bu arada, lepton 1975'te keşfedildi (kütle küçük değil, bir protonun kütlesinden daha büyük). Şimdiye kadar, insanlar deneylerde leptonların (e, , , e, , ) ve kuarkların (u, d, s, c, b, t) iç yapısını görmediler. Bir satır daha var. 1954'te Yang Zhenning ve Mills, Abelian olmayan ayar teorisini önerdiler.Bu temelde, Glasow, elektromanyetik eylem ile zayıf eylemi birleştirmek için birleşik elektrik zayıflığı teorisini (SU (2) L × U (1) Y) önerdi. Bu modele göre foton elektromanyetik etkiyi W ±, Z0 iletir, zayıf etkiyi iletir. W ± parçacıkları ve Z0 parçacıkları deneysel olarak 1983'te keşfedildi.
5
Standart Model )
Parçacık fiziğini tanımlayan bir dizi model var, ancak herkesi gerçekten ikna edebilecek tek bir model var: Standart Model. Standart model, elektrozayıf ve kuantum kromodinamiğinin (QCD) birleşik teorisine dayalı bir modeldir. Matematik dilinde yazmak SU (3) L × SU (2) L × U (1) Y'dir. Tabii ki, bu garip matematiksel ifadeyi önemsemiyoruz, detaylar sadece bazı insanlar için anlam ifade ediyor ve bizimle hiçbir ilgisi yok. Standart Modelin diğer tüm parçacıkları 6 kuark, 6 lepton (ve bunların karşıt parçacıklarını) ve 4 çeşit kuvvet taşıyan ortam parçacığı ile açıklayabileceğini bilmemiz gerekiyor.
Bu modelin iki unsuru vardır
(1) "Temel bileşenler"
6 kuark ve 6 lepton vardır. 3 aileye ayrılabilir ("nesiller" olarak adlandırılır!):
Birinci nesil
İkinci nesil
Üçüncü nesil
Üst kuark (u)
Cazibe kuarkı (c)
Üst kuark (t)
Aşağı kuark (d)
Tek kuark (lar)
Alt kuark (b)
Elektronik (e)
müon
tau
Elektron nötrinosu (e)
nötrino ()
nötrino ()
(2) Etkileşim
Her biri "temel yapı taşlarını" birlikte oluşturan bir veya birkaç kuvvet taşıyan parçacığa (ortam parçacığı) sahip dört tür etkileşim vardır:
Not: Yerçekimi etkileşimi parçacık fiziğinde çok önemli değildir ve burada tamlık için bahsedilmiştir. Yerçekimi eyleminde "graviton" adı verilen bir değişim parçacığı olduğuna inanılıyor, ancak şimdiye kadar keşfedilemedi.
elbette! Ayrıca önemli bir figür olan Higgs parçacığını da gözden kaçırdık. Zayıf hareket ve elektromanyetik eylemin, aynı türden eylem-elektrozayıf etkileşimin farklı tezahürleri olduğunu daha önce bahsetmiştik. Fotonların kütlesi olmadığı gibi, teorik olarak W ± ve Z0 da kütlesiz olmalıdır. Ama belli ki durum böyle değil. Bu yüzden fizikçiler W parçacıklarının ve Z parçacıklarının kütlesi olmadığını düşünerek bir mekanizma önerdiler.Laboratuarda gördüğümüz kütle şişman bir adam olan Higgs alanı ile etkileşime girerek elde edildi. . (Higgs, yaşlı adamından bir açıklama yaptı: bir ünlü, bir grup muhabir arasında yürüyordu.)
Bir teorinin doğru olup olmadığını test etmenin tek bir yolu vardır ve bu, onun tarafından bazı yeni fenomenleri tahmin etmektir.Bu fenomenler doğrulanırsa, o zaman teorinin doğru olması muhtemeldir. Higgs alan teorisi, Higgs parçacıklarının varlığını öngörür. On yıllarca süren sıkı çalışmanın ardından, Avrupa Nükleer Merkezi (CERN) nihayet 2012'de Büyük Parçacık Çarpıştırıcısı üzerindeki bu parçacığı keşfetti ve bu tahmini doğruladı. Bununla birlikte, standart model güzel olsa da, hala birçok hata var. C / P yıkımı, karanlık madde, nötrino kütlesi vb. Gibi açıklanacak çok fazla şüphe var ve devamı daha heyecan verici.
Yorumcu: Hu Wenqi
Editör: HWQ
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
