uvod v moderno fiziko - pef.uni-lj.si · kvantna (valovna) mehanika delci obnašajo bodisi kot...

Uvod v moderno fizikoB. Golli, PeF

Vsebina

• Nadstropja v naravi, gradniki nadstropij, sile med gradniki

• Nadstropja pri obravnavi zgradbe snovi, zgradba molekul, atomov, jeder,protona in nevtrona

• Sile v naravi, lastnosti sil, osnovne in izpeljane sile

• Zakoni moderne fizike

Nadstropja v naravi

VESOLJE znacilne velikosti

jate galaksij 1022 m – 1024 m

galaksije, ozvezdja,planetni sistemi 1011 m – 1021 m

makroskopskatelesa 1 m

molekule 10−9 m

atomi 10−10 m

atomska jedra 10−14 m

nukleoni 10−15 m

2

Zakaj je smiselno govoritio nadstropjih?

Vecino pojavov lahko zadovoljivo opišemo v okviru nadstropja; to pomeni, dalahko zanemarimo dogajanja v višjih in nižjih nadstropjih, na primer:

• Kemijske lastnosti snovi so enake na Zemlji, Luni ali breztežnem prostoru.

• Na vožnjo avtomobila ne vpliva gibanje planetov okoli Sonca. [Ne velja zaastrologe ;-)]

• Na gibanje planetov dogajanja na Zemlji ne vplivajo.

• Lastnosti protonov in nevtronov so neodvisne od tega, v katerem elementuse nahajajo.

Nadstropje dolocajo:

• gradniki (na primer atomi v nadstropju molekul)

• sile (interakcije) med gradniki

• zakoni gibanja

3

Sile (interakcije) v naravi

Osnovne• gravitacijska

Deluje med vsemi delci z maso (polno energijo); vedno je privlacna.

• elektromagnetna

Deluje med nabitimi delci; lahko je privlacna (med nasprotno nabitimi) aliodbojna (enako nabitimi)

• šibka

Pri trkih in razpadih spremeni identiteto delca. Primer je razpad β

n→ p + e + ν

Pri razpadu takšnem nukleona v jedru se spremeni vrstno število elementa.

• mocna

Deluje med gradniki jeder: protoni in nevtroni ter med kvarki znotraj pro-tona in nevtrona.

4

GRADNIKI SILE ZAKONI

galaksije gravitacijasplošnarelativnost

zvezdeplaneti gravitacija

klasicnamehanika

molekulekristali

gravitacijaEM sila

klasicnafizika

atomi EM silakvantnamehanika

jedraelektroni EM sila

kvantnamehanika

protonnevtron

mocnaEM sila

relativisticnakvant. meh.

kvarki mocnakvantnakromodinamika

5

Gradniki v subatomskem svetu

Atomi so osnovni gradniki snovi, interak-cija je elektromagnetna; gravitacijska sila nevpliva na lastnosti molekul. Za pojasnitevvelike vecine lastnosti snovi notranja struk-tura atomov obicajno ni pomembna.

Jedra in elektroni gradijo atome, interakcijaje elektromagnetna. Jedra lahko vzamemo zatockasta, vpliv mocne interakcije je zanemar-ljiv.

6

Nukleoni – tockasti protoni in nevtroni se-stavljajo jedra; prevladujoci interakciji stamocna in elektromagnetna.

Kvarki gradijo nukleone; interakcija jemocna. Vpliv elektrošibke interakcije je maj-hen; vidna je pri procesih, ki ne morejo pote-kati po mocni interakciji.Poskusi ne razkrivajo notranje strukturekvarkov.

7

Lastnost sil (interakcij) v subatomskem svetu

• elektromagnetna

– privlacna med nasprotno nabitimi delci +©→ ←−©– odbojna med enako nabitimi delci ←+© +©→– Odvisnost od razdalje F ∝ r−2:

– Sila med nevtralnimi delci: −©+©→ ←−©+©Takšna sila ima zelo kratek doseg; pojema mnogo hitreje kot r−2; prak-ticno deluje le ob dotiku.

8

• elektrošibka:

posplošitev elektromagnetne. Na zelo kratkih razdaljah med delci, 10−15 m,se lastnosti EM sile spremenijo. Sila dobi primes sile, ki z razdaljo padaeksponentno.

9

• mocna:

– Odvisnost od mocnega naboja (barve) je komplicirana. Enostavna je vprimeru sile med kvarkom in antikvarkom, ki ima nasprotno barvo:

u©→ ←u©– Sila ima na majhnih razdaljah enako obliko kot elektricna sila; na vecjih

razdaljah pa prevlada sila, ki je neodvisna od razdalje:

Dva prosta kvarka bi cutila enako silo na razdalji 10−10 m kot na 1010 m!

10

• jedrska sila

Jedrska sila, tj. sila med protoni in nevtroni v atomskih jedrih, ni osnovnasila. Ker so protoni in nevtroni barvno nevtralni delci (skupni barvni na-boj je enak nic), ima sila med njimi podobno obliko kot med elektricnonevtralnimi molekulami: sila je na majhnih razdaljah privlacna, na vecjihrazdaljah pa gre zelo hitro proti nic. Deluje prakticno le ob dotiku delcev.

11

Kvantnomehanska slika sil

Kvantna elektrodinamika in kvantna kromodinamika opišeta silo med delcemaz izmenjavo tretjega delca – bozona.

• foton je bozon, ki si ga nabita delca izmenjata pri elektromagnetni interak-ciji

+© - - - - - - - - - - −©γ

Foton je delec brez mase in naboja.

• gluon je brezmasni bozon, ki si ga delca z barvnim nabojem izmenjata primocni interakciji

d© - - - - - - - - - - u©G

• šibki bozoni (W±, W0, Z) so nosilci šibke interakcije

+© - - - - - - - - - - −©W

Šibki bozon ima zelo veliko maso ( 80 krat vecja od mase vodika).

12

Zakoni (teorije) moderne fizike

• posebna teorija relativnosti

Pri velikih hitrostih delcev nadomesti klasicno mehaniko

• splošna teorija relativnosti

V mocnem gravitacijskem polju ali v primeru, ko obravnavamo vesolje kotceloto, imata prostor in cas bolj zapleteno strukturo.

• kvantna (valovna) mehanika

Delci obnašajo bodisi kot delci bodisi kot valovanje; hkrati pa se tudi ele-ktromagnetno valovanje pri nekaterih pojavih obnaša kot curek delcev –fotonov.

• relativisticna kvantna mehanika

• kvantna elektro- in kromodinamika

Interakcijo (elektromagnetno, mocno, šibko) med delci posredujejo vmesnibozoni: foton, gluon, šibki bozon

13