Subatomární částice

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 11. srpna 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Subatomární částice  je částice mnohem menší než atom [1] . Jsou uvažovány dva typy subatomárních částic: elementární částice , které se podle moderních teorií neskládají z jiných částic; a složené částice [2] . Částicová fyzika a jaderná fyzika studují tyto částice a jak se ovlivňují [3] . Myšlenka částice prošla zásadním přehodnocením, když experimenty ukázaly, že světlo se může chovat jako proud částic (nazývaných fotony ) a také vykazovat vlastnosti vlny. To vedlo ke vzniku konceptu duality vlna-částice, což odráží, že „částice“ na kvantovém měřítku se chovají jako částice a vlny. Další koncept, princip neurčitosti , uvádí, že některé jejich vlastnosti, jako je jejich současná poloha a hybnost, dohromady nelze přesně změřit [4] . Později se ukázalo, že dualita vlny a částice je aplikovatelná nejen na fotony, ale i na hmotnější částice [5] .

Interakce částic v rámci kvantové teorie pole jsou chápány jako vytváření a ničení kvant odpovídajících fundamentálních interakcí . Toto kombinuje fyziku částic s teorií pole .

Klasifikace

Složení

Subatomární částice jsou buď "elementární", tj. nejsou tvořeny mnoha jinými částicemi, nebo "složené" a skládají se z více než jedné elementární částice vázané dohromady.

Elementární částice Standardního modelu jsou [6] :

Všechny byly objeveny experimenty, nejnovější je pravý kvark (1995), tau neutrino (2000) a Higgsův boson (2012).

Různá rozšíření Standardního modelu předpovídají existenci gravitonové elementární částice a mnoha dalších elementárních částic, ale od roku 2019 nebyly objeveny.

Hadrony

Téměř všechny složené částice obsahují více kvarků (antikvarků) spojených dohromady gluony (se vzácnými výjimkami, jako je pozitronium a muonium ). Ty, které obsahují málo (≤ 5) [anti]kvarků, se nazývají hadrony . Kvůli vlastnosti známé jako barevné omezení se kvarky nikdy nenacházejí jednotlivě, ale vždy se nacházejí v hadronech obsahujících více kvarků. Hadrony se dělí podle počtu kvarků (včetně antikvarků) na baryony obsahující lichý počet kvarků (téměř vždy 3), z nichž nejznámější jsou proton a neutron ; a mezony , obsahující sudý počet kvarků (téměř vždy 2, jeden kvark a jeden antikvark), z nichž nejznámější jsou mezony pí a mezony k .

S výjimkou protonu a neutronu jsou všechny ostatní hadrony nestabilní a rozpadají se na jiné částice během mikrosekund nebo méně. Proton se skládá ze dvou up kvarků a jednoho down kvarku , zatímco neutron se skládá ze dvou down kvarků a jednoho up kvarku. Obvykle se vážou do atomového jádra, například jádro helia-4 se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů. Většina hadronů nežije dostatečně dlouho na to, aby vytvořily směsi podobné jádru; ty, které mohou (kromě protonu a neutronu) tvořit hyperjádra .

Statisticky

Jakákoli subatomární částice, stejně jako jakákoli částice v trojrozměrném prostoru, která se řídí zákony kvantové mechaniky, může být buď boson (s celočíselným spinem ) nebo fermion (s lichým polocelým spinem).

Ve standardním modelu mají všechny elementární fermiony spin 1/2 a jsou rozděleny na kvarky, které nesou barevný náboj , a proto cítí silnou sílu, a na leptony, které ne. Mezi elementární bosony patří kalibrační bosony (foton, W a Z, gluony) se spinem 1, zatímco Higgsův boson je jedinou elementární částicí s nulovým spinem.

Hypotetický graviton by teoreticky měl mít spin 2, ale není součástí standardního modelu. Některá rozšíření, jako je supersymetrie , předpovídají existenci dalších spin 3/2 elementárních částic, ale od roku 2019 nebyly objeveny.

Kvůli spinovým zákonům složených částic mají baryony (3 kvarky) spin 1/2 nebo 3/2 a jsou tedy fermiony; mezony (2 kvarky) mají celočíselný spin 0 nebo 1 a jsou tedy bosony.

Podle hmotnosti

Ve speciální relativitě je energie částice v klidu rovna její hmotnosti krát čtverec rychlosti světla, E = mc². To znamená, že hmotnost může být vyjádřena jako energie a naopak. Pokud existuje referenční soustava, ve které je částice v klidu, pak má kladnou klidovou hmotnost a nazývá se masivní .

Všechny složené částice jsou masivní. Baryony (což znamená "těžké") mají větší hmotnost než mezony (což znamená "střední"), které jsou zase těžší než leptony (což znamená "lehký"), ale nejtěžší lepton (částice tau) je těžší než dvě nejlehčí příchuti. baryony (nukleony). Je také zřejmé, že každá částice s elektrickým nábojem je masivní.

Když byly původně popsány v 50. letech, termíny baryony, mezony a leptony odkazovaly na hmotnosti; nicméně poté, co byl v 70. letech přijat kvarkový model, bylo zjištěno, že baryony jsou složeniny tří kvarků, mezony jsou složeniny jednoho kvarku a jednoho antikvarku a leptony jsou elementární a jsou definovány jako elementární fermiony bez barevného náboje.

Všechny bezhmotné částice (částice, jejichž invariantní hmotnost je rovna nule) jsou elementární. Patří mezi ně foton a gluon, i když ten druhý nelze izolovat.

Rozchodem

Většina subatomárních částic není stabilní. Všechny mezony, stejně jako baryony – kromě protonu – se pod vlivem silných nebo slabých interakcí rozpadají. Rozpad protonu nebyl zaznamenán, i když není známo, zda je „skutečně“ stabilní. Nabité leptony mu a tau se rozpadají ze slabé interakce; totéž pro jejich antičástice. Neutrina (a antineutrina) se nerozpadají, ale předpokládá se, že fenomén oscilací neutrin existuje i ve vakuu. Elektron a jeho antičástice, pozitron, jsou teoreticky stabilní díky zachování náboje , pokud neexistuje lehčí částice s elektrickým nábojem ≤e (což je nepravděpodobné).

Ze subatomárních částic, které nenesou barevný náboj (a lze je tedy izolovat), mohou neomezeně dlouho ve stejném stavu zůstat pouze foton, elektron, neutrino, několik atomových jader (včetně protonu) a jejich antičástice.

Další vlastnosti

Všechny pozorovatelné subatomární částice mají elektrický náboj, který je celočíselný a je násobkem elementárního náboje . Standardní modelové kvarky mají „neceločíselné“ elektrické náboje, jmenovitě násobky 1 ⁄ 3  e , ale kvarky (a další kombinace s neceločíselným elektrickým nábojem) nelze izolovat kvůli omezení . Pro baryony, mezony a jejich antičástice se náboje jednotlivých kvarků sčítají do celočíselného násobku e .

Díky práci Alberta Einsteina , Satyendry Nath Bose , Louise de Broglieho a mnoha dalších moderní vědecká teorie tvrdí, že všechny částice mají také vlnovou povahu [7] . To bylo ověřeno nejen u elementárních částic, ale také u složených částic, jako jsou atomy a dokonce i molekuly. Ve skutečnosti, podle tradičních formulací nerelativistické kvantové mechaniky , dualita vlna-částice platí pro všechny objekty, dokonce i ty makroskopické; ačkoli vlnové vlastnosti makroskopických objektů nelze detekovat kvůli jejich malým vlnovým délkám [8] .

Interakce mezi částicemi byly pečlivě studovány po mnoho staletí a chování částic při srážkách a interakcích je založeno na několika jednoduchých zákonech. Nejzákladnější z nich jsou zákony zachování energie a zachování hybnosti , které umožňují výpočty interakcí částic na škále od hvězd po kvarky.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Subatomární částice (downlink) . NTD. Získáno 5. června 2012. Archivováno z originálu 16. února 2014. 
  2. ↑ Bolonkin, Alexandr. Vesmír , lidská nesmrtelnost a budoucí lidské hodnocení  . - Elsevier , 2011. - S. 25. - ISBN 9780124158016 .
  3. ↑ Fritzsch, Harold. Elementární částice  (neopr.) . - World Scientific , 2005. - S. 11-20. - ISBN 978-981-256-141-1 . Archivováno 31. října 2020 na Wayback Machine
  4. ↑ Heisenberg, W. (1927), Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik , Zeitschrift für Physik T. 43 (3–4): 172–198 , DOI 10.10397/BF01 
  5. ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. Dualita vlnových částic molekul C60  (anglicky)  // Nature . - 2000. - Sv. 401 , č.p. 6754 . - str. 680-682 . - doi : 10.1038/44348 . — . — PMID 18494170 .
  6. ↑ Cottingham, WN; Greenwood, D.A. Úvod do standardního modelu částicové fyziky  . - Cambridge University Press , 2007. - S. 1. - ISBN 978-0-521-85249-4 . Archivováno 19. srpna 2020 na Wayback Machine
  7. ↑ Walter Greiner. Kvantová mechanika: Úvod  (neopr.) . - Springer , 2001. - S. 29. - ISBN 978-3-540-67458-0 . Archivováno 18. srpna 2020 na Wayback Machine
  8. ↑ Eisberg, R.; Resnick, R. Kvantová fyzika atomů, molekul, pevných látek, jader a částic . — 2. - John Wiley & Sons , 1985. - S. 59-60. - ISBN 978-0-471-87373-0 .  

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie