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 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

Ruchy Browna Można wytłumaczyć zakładając zderzenia Roger Brown Można wytłumaczyć zakładając zderzenia pyłków z cząstkami płynu

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

17 luty 1869 i dzień dzisiejszy

Jak odkryto elektron? J.J. Thomson

Jak odkryto elektron? J.J. Thomson 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.

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

Jak zmierzono ładunek elementarny? 1995 rok R.A. Millikan Ponad 5 milionów kropli !!!

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?

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

Co to są izotopy Jeden pierwiastek daje kilka śladów Jak to możliwe? Jądra danego pierwiastka mogą mieć różne masy !!! IZOTOPY

Trzecia cegiełka - neutron James Chadwick przenikają przez grube warstwy ołowiu, bo nie mają ładunku 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.

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

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...

Antymateria Dirac tworzy nowe równanie łączące Szczególną Teorię Względności Einsteina z Mechaniką Kwantową Teoria Względności Mechanika Kwantowa x2 = 4 x = 2 lub x = -2 dwa rozwiązania Można interpretować jako: - istnieją identyczne cząstki jedne o energii dodatniej, a drugie o ujemnej - istnieją identyczne cząstki różniące się jedynie znakami ładunków

Antymateria Jak odkryć anty-cząstkę? Wykorzystać pole magnetyczne: Zmierzyć jej tor – komora mgłowa (para blisko punktu kondensacji) Paul Anderson (1932)

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)

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: + W ogólnym (relatywistycznym) przypadku, wzory są inne, ale zasada jest ta sama

Zaczyna się robić ciekawie A może cząstki te podobnie jak cząsteczki chemiczne da się złożyć z prostszych cegiełek?

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

Ulotne neutrino Przemiana beta – rozpad neutronu na początku wieku opisywany przez: Jednak okazało się, że w takim modelu energia nie jest zachowana.Wolfgang Pauli zaproponował więc istnienie dodatkowej cząstki: Wolfgang Pauli 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)

Jak złapano neutrino Silne źródło neutrin – bomba atomowa lub reaktor Możliwa jest reakcja zgodna z równaniem: neutron chwytany jest przez jądro atomowe – wysyłane jest światło anihilacja – oddziaływanie materii z antymaterią – produkowane jest światło oba impulsy świetlne rozdziela pewien przedział czasu Mamy trzy rodzaje neutrin – elektronowe, mionowe i taonowe

Cząstki Fundamentalne leptony kwarki ładunek -1 -1/3 +2/3 Pokolenie 1 e elektron e neutrino elektronowe d dolny u górny Pokolenie 2  mion  mionowe s dziwny c powabny Pokolenie 3  taon  taonowe b piękny t prawdziwy + ich antycząstki o przeciwnym ładunku

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

Oddziaływania Fundamentalne Oddziaływania zachodzą za pośrednictwem cząstek: Elektromagnetyczne: foton Silne Jądrowe: gluon Słabe Jądrowe: bozony W i Z Grawitacyjne: grawitino

O czym powiem jutro ZAPRASZAM 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