Czyli z czego zbudowany jest wiat
Download
1 / 29

W poszukiwaniu elementarności - PowerPoint PPT Presentation


  • 154 Views
  • Uploaded on

czyli z czego zbudowany jest świat. W poszukiwaniu elementarności. Poglądy starożytnych (bo porządny wykład musi zaczynać się od starożytnych Greków) Wczesne teorie „atomistyczne” Budowa atomu a fizyka kwantowa (tu będzie trochę trudniej)

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' W poszukiwaniu elementarności' - ipo


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Czyli z czego zbudowany jest wiat

czyli

z czego zbudowany jest świat

W poszukiwaniu elementarności

  • Poglądy starożytnych(bo porządny wykład musi zaczynać się od starożytnych

    Greków)

  • Wczesne teorie „atomistyczne”

  • Budowa atomu a fizyka kwantowa (tu będzie trochę trudniej)

  • Odkrycia cząstek subatomowych – nadmiar szczęścia (z którym nie wiadomo co

    robić)

  • Teoria kwarków

  • Elementarne składniki materii – jak to widzimy dzisiaj

Marek Kowalski


Pytanie „z czego jest zbudowany świat” intrygowało ludzi od wieków

Tales z Miletu (VII/VI p.n.e.) - "Wszystko jest z wody, z wody powstało i z wody się składa"

Anaksymenes z Miletu (VI p.n.e.) – prapierwiastkiem świata jest powietrze

Heraklit z Efezu (VI/V p.n.e.) – pierwotnym tworzywem jest ogień

  • Empedokles z Akragas (V p.n.e.) – świat zbudowany jest z czterech żywiołów

  • pierwotnych tzw. pierwiastków:

    • wody

    • ognia

    • powietrza

    • ziemi

Anaksagoras z Kladzomen (VI/V p.n.e.) – świat jest zbudowany z wielkiej liczby

małych cząstek

Demokryt z Abdery (V/IV p.n.e.) – świat zbudowany jest z jednolitych, niepodzielnych

cząstek – atomów. Pogląd ten zwalczał m. in. Platon.

Arystoteles ze Stagiry (IV p.n.e.) – pierwiastki są obdarzone charakterystycznymi cechami

Marek Kowalski


Naukę Arystotelesa przejęli Rzymianie, a później Arabowie.

W średniowieczu i w czasach Renesansu nauka Arystotelesa stała się

podstawą nauki alchemików

Arabski alchemik Dzabir Ibn Hajjan (~720 - ~813) – pierwiastkami są siarka i rtęć.

Metale można otrzymać przez zmieszanie tych dwóch.

Paracelsus (1493 – 1541) – teoria trzech pierwiastków – rtęć, siarka, sól.

Robert Boyle (1627 – 1691) – odrodzenie teorii atomistycznej – cząsteczki

składają się z atomów, będących najmniejszymi porcjami pierwiastków.

Atomistyczną teorię wyznawał także Izaak Newton.

Nowoczesną teorię atomistyczną sformułował w XIX w. John Dalton (1766 – 1844).

Realność istnienia atomów potwierdziły prace Alberta Einsteina (1879 – 1955)

i Mariana Smoluchowskiego (1872 – 1917)

Marek Kowalski


Budowa atomu
Budowa atomu Arabowie.

Sir Joseph J. Thomson (1856 – 1940)

Nagroda Nobla 1906

Thomson badał przepływ prądu elektrycznego w gazach poddanych promieniowaniu X.

Wniosek – w atomie istnieją cząstki , które wyzwalane przez promieniowanie X, są

odpowiedzialne za przepływ prądu w gazach. Cząstki te nazwano elektronami.

Thomson stwierdził, że masa elektronu jest 1000 razy mniejsza niż masa atomu wodoru.

Naprawdę ten stosunek wynosi ~2000.

Atom według Thomsona miał być kulką materii o ładunku dodatnim, w której zanurzone

są elektrony.

Marek Kowalski


Odkrycie jądra atomowego Arabowie.

Sir Ernest Rutherford (1871 – 1937)

Nagroda Nobla 1908

W roku 1911 Rutherford wykonał słynne doświadczenie z rozpraszaniem

cząstek α na foli ze złota

Większość cząstek rozpraszała się pod małymi kątami, ale 1 na 8000 rozpraszała się

pod kątem bliskim 180 stopni.

Rutherford: „To było tak, jakby piętnastocalowy pocisk, wystrzelony w kawałek bibułki,

odbił się od niej  i trafił w strzelającego”.

Marek Kowalski


Dlaczego wynik eksperymentu Rutherforda był tak niezwykły? Arabowie.

Według modelu Thomsona wszystkie cząstki

powinny przejść przez atom jak przez masło.

Wynik eksperymentu Rutherforda wskazywał na

istnienie w atomie dodatnio naładowanego jądra,

skupiającego w sobie prawie cała masę

Planetarny model atomu wg. Rutherforda

Marek Kowalski


Problemy modelu Rutherforda Arabowie.

Elektron krążący po orbicie wypromieniowuje energię,

co musi skutkować jego spadkiem na jądro.

Widmo takiego promieniowania musiało by być

ciągłe – musiałoby obejmować wszystkie częstości.

A co mówi na ten temat eksperyment?

Marek Kowalski


Atom wodoru bohra
Atom wodoru Bohra Arabowie.

Niels Bohr (1885 – 1962)

Nagroda Nobla 1922

Bohr oparł się na pracach Maxa Plancka, który wykazał, że

promieniowanie jest emitowane w porcjach (kwantach)

  • Postulaty Bohra:

    • elektron krąży po swojej orbicie bez emisji promieniowania

    • i może zajmować tylko ściśle określone orbity

    • emisja promieniowania następuje przy przejściu z orbity

    • wyższej na niższą ,przejście z orbity niższej na wyższą

    • (wzbudzenie) wymaga dostarczenia określonej porcji energii

Marek Kowalski


Krótkie podsumowanie - c Arabowie.o już wiemy?

  • Atom nie jest niepodzielny – składa się z jądra i elektronów

  • Model Bohra wyjaśnił dyskretne widmo promieniowania atomów

Czego brakuje?

  • Czy jądro atomowe składa się wyłącznie z protonów?

  • A co z izotopami? (jądra tego samego pierwiastka, różniące się masą)

Sir James Chadwick (1891 – 1974)

Nagroda Nobla 1935

1932 – odkrycie neutronu

Marek Kowalski


Promieniowanie kosmiczne – wczesne laboratorium Arabowie.

Victor F. Hess (1883 – 1964)

Nagroda Nobla 1936

Wzrost jonizacji powietrza wraz z wysokością jest spowodowany przez

promieniowanie jonizujące pochodzące spoza Ziemi (1912).

Potwierdzenie eksperymentalne - 1933

Badanie promieniowania kosmicznego

doprowadziło do odkrycia wielu nowych cząstek

Marek Kowalski


Liczba cząstek nam rośnie… Arabowie.

1932 – mamy: e- ,p, n, ale czy to wszystko?

Paul A. M. Dirac (1902 – 1984)

Nagroda Nobla 1933

Dirac przewidział istnienie antycząstek.

Carl D. Anderson (1905 – 1991)

Nagroda Nobla 1935

1932 – odkrycie pozytronu (antyelektronu)

skąd wiemy, że to pozytron?

-> zachowuje się jak elektron, ale

ma przeciwny ładunek elektryczny

-> zakrzywienie toru w polu magnetycznym

Marek Kowalski


To nadal nie wszystko… Arabowie.

Wolfgang Pauli (1900 – 1958)

Nagroda Nobla 1945

Zagadka rozpadu β (emisja e-)

Gdyby rozpad β wyglądał tak:

elektron musiałby mieć zawsze taką samą energię

(ambitni mogą policzyć).

Hipoteza Pauliego – rozpad β jest rozpadem trójciałowym –

istnieje dodatkowa cząstka, neutrino, słabo oddziaływująca

z materią. Pauli uważał, że hipoteza istnienia neutrina

to szalony pomysł teoretyka i że

nigdy nie zostanie ono odkryte.

Neutrino odkryto w 1956.

A w rzeczywistości…

Marek Kowalski


Nowa cząstka (dzisiaj nazywamy ją mionem) Arabowie.

nie pasowała do niczego.

Isidor Raabi – „kto to zamawiał ?”

Tajemnicza cząstka Yukawy…

Hideki Yukawa (1907 – 1981)

Nagroda Nobla 1949

Dla wyjaśnienia sił pomiędzy nukleonami konieczna jest

dodatkowa cząstka o masie ~200 me (1935). Yukawa nazwał

tą cząstkę „mezonem”.

W 1936 roku Anderson odkrywa w promieniowaniu kosmicznym cząstkę o masie

równej 207 masom elektronu. Czy to postulowany przez Yukawę mezon???

NIE!!! Nowa cząstka bardzo słabo oddziaływała z materią.

Marek Kowalski


Odkrycie mezonu Arabowie.π

μ

Cecil F. Powell (1903 – 1969)

Nagroda Nobla 1950

W 1946 roku Powell, Lattice i Ochciallini zaobserwowali

rozpad nowej cząstki, silnie oddziaływującej z materią.

Nowa cząstka miała masę ~270 me. To była poszukiwana

cząstka Yukawy, którą nazwano mezonem π (pionem)

Co widać na tym obrazku?

Mezon π, poruszający się z lewej do prawej

rozpada się w punkcie A na mion (μ) i jeszcze „coś”

π

A

Marek Kowalski


Odkrycie cząstek dziwnych Arabowie.

George Rochester (1908 – 2001)

Razem z Cliffordem Butlerem zaobserwowali w promieniowaniu kosmicznym

nową, nietrwałą, neutralną cząstkę, którą nazwali „V”, od topologii rozpadu.

Wkrótce potem stwierdzono, że takie cząstki żyją stosunkowo długo isą produkowane

wyłącznie w parach. Aby wytłumaczyć tą własność, nowej cząstce przypisano

cechę, nazwaną „dziwnością”.

Marek Kowalski


A potem to już się sypnęło jak z rogu obfitości… Arabowie.

Rozwój techniki akceleratorowej zaowocował odkryciem olbrzymiej liczby czastek

No i gdzie ta elementarność???

No i gdzie tu ta elementarność? Zaczęliśmy od jednego atomu, a mamy bałagan.

Marek Kowalski


Przełomowa hipoteza Gell-Manna Arabowie.

Murray Gell-Mann (1929 - )

Nagroda Nobla 1969

Wszystkie hadrony (cząstki oddziaływujące silnie) można zbudować z trzech rodzajów cząstek, nazwanych kwarkami.

Zaskakującą cechą kwarków był ich ułamkowy ładunek elektryczny!

u (up) – q = 2/3

d (down) – q = -1/3

s (strange) – q = -1/3

Z tych trzech kwarków można było złożyć wszystkie znane ówcześnie hadrony!

np proton->(uud), neutron ->(udd), Λ->(uds)

Pracę przyjęto w Physics Letters do

druku tylko dlatego, że autorem był Gell-Mann

Marek Kowalski


Sukces modelu kwarków – odkrycie cząstki Arabowie.Ω-

Model kwarków przewidywał istnienie cząstki złożonej z trzech kwarków s.

Cząstkę taką odkryto w BNL w 1964 r.

Marek Kowalski


Czy kwarki rzeczywiście istnieją? Arabowie.

Wszystkie eksperymenty poszukujące swobodnych kwarków dały wynik negatywny…

Czy kwarki są tylko obiektami matematycznymi, zbiorem liczb pozwalających

na statystyczne uszeregowanie cząstek? Taki pogląd był dość rozpowszechniony.

Ale… w 1967 – eksperymenty w Stanford (SLAC) wykazały kwarkową strukturę protonu

Ładunek elektryczny protonu jest zgrupowany w trzech obiektach o ładunkach

2/3, 2/3 i -1/3

Jerome Friedman (1930 - )

Henry Kendall (1926 – 1999)

Richard Taylor (1929 - )

Nagroda Nobla 1990

Marek Kowalski


Eksperyment Friedmana, Kendalla i Taylora wykazał jeszcze coś…

Jeżeli mamy proton o pędzie P, to zsumowany pęd wszystkich kwarków daje ½ P

Gdzie jest reszta???

Reszta, to tzw. gluony, cząstki odpowiedzialne za oddziaływania między kwarkami.

Istnienie gluonów potwierdziły eksperymenty przeprowadzone w latach 70-tych

na akceleratorze PETRA w Hamburgu.

Gluonom i kwarkom przypisano jeszcze jedną cechę, analogiczną do ładunku

elektrycznego – tzw. ładunek kolorowy, w skrócie – kolor.

O. W. Greenberg (1932 - )

Y. Nambu (1921 - )

Y. M. Han (1934 - )

Nagroda Nobla 2008

Marek Kowalski


Siła oddziaływania między kwarkami jest: coś…

Mała na niewielkich odległościach (<< 1 fm = 10-15 m)

Rośnie ze wzrostem odległości

A kwarków nadal nie widać…

Frank Wilczek (1951 - )

David Politzer (1949 - )

David Gross (1941 - )

Nagroda Nobla 2004

Skoro kwarki nie występują jako cząstki swobodne, to widocznie nie mogą…

Asymptotycznaswoboda

Marek Kowalski


I co my teraz mamy… coś…

Dublet kwarków + dodatkowy kwark s

Chyba czegoś tutaj brakuje

Oprócz elementarnych (pozbawionych struktury wewnętrznej) kwarków

mamy, również pozbawione struktury wewnętrznej e, μ, νe (ogólnie – leptony)

Dublet leptonów I generacji + mion

Tutaj też czegoś brakuje

Marek Kowalski


Druga generacja leptonów coś…

Melvin Schwartz (1932 - )

Leon Lederman (1922 - )

Jack Steinberger (1921 - )

Nagroda Nobla 1988

Odkrycie neutrina mionowego

Marek Kowalski


Druga generacja kwarków coś…

Nagroda Nobla 1976

Sam C. Ting (1936 - )

Burton Richter (1931 - )

Odkrycie czwartego kwarku (c – charm – powabny)

Teraz mamy bardzo ładną, symetryczną sytuację…

Marek Kowalski


No to żeby nam nie było za dobrze… coś…

Martin Perl (1927 - )

Nagroda Nobla 1995

Jest jeszcze jeden lepton, cięższy od już znanych – nazwano go τ

To odkrycie implikuje istnienie odpowiedniego neutrina…

A Leon Lederman odkrywa piąty kwark (b – beauty – piękny)…

Marek Kowalski


teoria coś…

eksperyment

Czy tego przypadkiem już nie braliśmy?

Zaczęliśmy od jednej generacji kwarków i leptonów, a tutaj nam się zaczęły mnożyć…

Ile ich jeszcze będzie? – Trzy, cztery, pięć?

Eksperymenty na akceleratorze LEP w CERN wykazały, że istnieją tylko trzy generacje.

Marek Kowalski


Do zbudowania całej znanej nam materii wystarczy pierwsza generacja.

Po co w takim razie istnieją dwie dodatkowe? – Nie wiadomo.

Trzecia generacja

1995 – w FERMILAB (USA) odkryto szósty kwark (t – top – szczytowy)

2000 – w FERMILAB (USA) odkryto trzecie neutrino ντ

I to są najbardziej elementarne składniki materii

Marek Kowalski


Ten zestaw trzeba jeszcze uzupełnić generacja.

Oprócz cząstek – składników materii, istnieją jeszcze cząstki odpowiedzialne

za oddziaływania między nimi.

Brakuje nam tutaj jeszcze cząstki Higgsa, która

jest odpowiedzialna za to, że cząstki mają masę.

Nie wiemy, czy cząstka Higgsa jest elementarna

(nie ma struktury).

Marek Kowalski


Podsumowanie

Podsumowanie

  • Elementarnymi składnikami materii są kwarki i leptony

  • Istnieją trzy generacje (rodziny) kwarków i leptonów (ale do zbudowania świata

    potrzebna jest tylko jedna)

  • Istnieją cząstki odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań:

    • słabych – bozony W i Z

    • elektromagnetycznych – foton

    • silnych - gluony

  • A czego jeszcze brakuje?

    • cząstki Higgsa, nadającej masę

    • grawitonu – cząstki przenoszącej oddziaływania grawitacyjne

  • Straciliśmy elegancję – był jeden, niepodzielny atom…

  • a teraz mamy:

    • 6 leptonów, 6 kwarków

    • gluony, foton, bozony W/Z

    • hipotetyczny bozon Higgsa (?)

    • hipotetyczny grawiton

  • Zyskaliśmy: te cząstki rzeczywiście są elementarne – nie maja struktury wewnętrznej

Marek Kowalski