04.02.2021

1

Standardowy Model Budowy Materii

Czyli budowa tego co nasz otacza

Otaczająca nas „stabilna” materia składa się z:

1. Protonów

2. Neutronów

3. Elektronów

Czy istnieją jeszcze jakieś inne cząstki „elementarne” ?

Odziaływujących pomiędzy sobą poprzez oddziaływania: 1. Grawitacyjne2. Elektromagnetyczne (protony, elektrony)

Siły są długozasięgowe i maleją z kwadratem odległości

Co trzyma protony w jądrze He ???

Oddziaływanie jądrowe

NP 41215

23111 1052.5

)10(

)101.9(1067.6

Siła grawitacji

Siła elektrostatyczna NFE 230)10(

)106.1(

1085.84

1215

219

12

Co trzyma protony w jądrze He ???

FE >> P istnieje zatem jakieś inne oddziaływanie

P - P+ ++e +e

mr 15101

FE FE

04.02.2021

2

Siły jądrowe są :

a) krótkozasięgowe - ich zasięg działania jest rzędu 10-15 m,

b) niezależne od ładunku elektrycznego,

c) wykazują własność wysycenia, tzn. każdy nukleon oddziałuje tylko z ograniczoną liczbą innych nukleonów.

Oddziaływanie jądrowe Oddziaływanie jądrowe

Pion 0

Masa 268 me

p

0

pp

pp

p

t 8.4 .107 s

Oddziaływanie jądrowe - model

n n

nn

p n

n p

p n

Pion +

Masa 280 me =140 MeV

t 2.6 .108 s

W 1927 roku Heisenberg sformułował fundamentalną własnośćmechaniki kwantowej, która mówi, że niemożliwe jest dokładnerównoczesne zmierzenie energii jak i czasu. Im dokładniej określimyjedno, tym mniej wiemy o drugim.

Nazywane jest to Zasadą Nieoznaczoności Heisenberga.

Skąd się bierze się pion w protonie ?

04.02.2021

3

Zasięg oddziaływania

Energia pionu + E=mc2 = 2.4 10-11 J

Maksymalny czas życia 242 102

sE

t

Maksymalna do przebycia droga 151.4 10s c mt

Siły jądrowe są :

krótkozasięgowe - ich zasięg działania jest rzędu 10-15 m,

Czy piony są „rzeczywistymi” cząstkami ??? Nie - to są cząstki wirtualne

Jak długo może taki pion istnieć ? 1

2 Et

Oddziaływania elementarne

• oddziaływanie grawitacyjne

• oddziaływanie elektromagnetyczne

• oddziaływanie jądrowe

Otaczająca nas „stabilna” materia składa się z:

1. Protonów

2. Neutronów

3. Elektronów

Czy istnieją jeszcze jakieś inne cząstki „elementarne” ?

Odziaływujących pomiędzy sobą poprzez oddziaływania: 1. Grawitacyjne2. Elektromagnetyczne (protony, elektrony)

Siły są długozasięgowe i maleją z kwadratem odległości

Struktura nukleonu

Czy neutron jest podzielny

Swobodny neutron rozpada się średnio po 900 s

Zaobserwowano również rozpady

Neutrino elektronoweeenp

en p e antyneutrino elektronowe

04.02.2021

4

M( 80Br)c2 – M( 80Kr)c2 = 2.00 MeV

Rozpady: b minus

21

1

( )

A AZ e

A AZ Z

ZX D

Q MeV Mass X Mass D c

e

en p e

80 8035 36 eBr Kr e

Rozpady: b plus

1

21( ) 2

A AZ

A AZ Z e

ZX D

Q MeV Mass

e

X Mass D m

v

c

eenp

Q(b+) = M( 80Br)c2 – M( 80Se)c2 – 2mec2= 0.85 MeV

80 8035 34 eBr Se e

p

Czy neutron (proton) jest podzielny

Hipoteza de Broglie’a – fale materii

Długość fali materii dla elektronu o energii kinetycznej 120 eV wynosi 1.12 10-10mDługość fali materii dla elektronu o energii kinetycznej 2 GeV wynosi 5 10-15 m

Strumień elektronów o energii Ek 2 GeV

Struktura materii

04.02.2021

5

Czy neutron (proton) jest podzielny

Kwarki

bariony

0 ( )uds

04.02.2021

6

Kwarki mają niezwykłą własność - ich ładunek elektryczny jest ułamkowy,

w przeciwieństwie do protonu i elektronu, mających odpowiednie ładunki +1 i -1. Najtrudniej uchwytny kwark, prawdziwy, został odkryty w roku 1995.

Mamy sześć kwarków, pogrupowanych w trzy pary :

Górny - dolny (up/down),Powabny - dziwny (charm/strange)prawdziwy - piękny (truth/beauty). -

jednak obecnie w języku angielskim używa się innych nazw: top/bottom.

Kwarki są jednym z rodzajów cząstek materii. Większość materii, która nas otacza, jest zbudowana z protonów i neutronów, które z kolei składają się właśnie z kwarków.

31

lub32 e

Podział cząstek elementarnych.

Leptony nie posiadają struktury wewnętrznej, są niepodzielne;

3. hadrony - podlegające oddziaływaniom grawitacyjnym, elektromagnetycznym (jeżeli posiadają ładunek), słabym oraz silnym.

Grupę hadronów dzielimy na :a) mezony zbudowane z kwarka i antykwarka. Spin mezonów jest równy

zeru lub liczbie całkowitej, są one bozonami, b) bariony zbudowane z trzech kwarków. Spin barionów jest połówkowy

(1/2, 3/2...), są one fermionami.

Podział cząstek elementarnych. Podział cząstek elementarnych.

3. Hadrony

04.02.2021

7

Kwarki oprócz ładunku elektrycznego posiadają jeszcze inny rodzaj ładunku, zwany ładunkiem kolorowym. Siły pomiędzy cząstkami naładowanymi kolorowo są bardzo silne, stąd też wywodzi się nazwa przyjęta dla tego oddziaływania:

Oddziaływanie silne

Oddziaływanie silnie zespala kwarki, które tworzą hadrony. Cząstki nośnika siły nazwano gluonem ponieważ pełni on rolę bardzo mocnego kleju zespalającego kwarki("glue" w języku angielskim oznacza klej).

Oddziaływanie silne

Ładunek kolorowy zachowuje się inaczej niż ładunek elektromagnetyczny. Gluony posiadają ładunek kolorowy, co jest dość dziwne, gdyż fotony (nośniki siły ektromagnetycznej) nie mają ładunku elektromagnetycznego. Podczas gdy kwarki mają ładunek kolorowy, to całkowity ładunek kolorowycząstek złożonych z kwarków wynosi zero (są one kolorowo obojętne). Z tego powodu oddziaływanie silnie występuje tylko na bardzo małych odległościach pomiędzy kwarkami i dlatego w życiu codziennym siły tej w ogóle nie widzimy.

Jak działa ładunek kolorowy?

Oddziaływanie silne pomiędzy kwarkami w jednym protonie i kwarkami w innym protonie jądra jest wystarczająco duże, by przezwyciężyć odpychającą siłę elektromagnetyczną pomiędzy tymi protonami.

Efekt ten nazwano resztkowym oddziaływaniem silnym, i jest to właśnie to, co "skleja" (glue - ang. sklejać) jądro atomowe.

04.02.2021

8

ud + +

eeud 13

2

3

1

Oddziaływanie słabe

Oddziaływania słabe są odpowiedzialne za rozpad ciężkich kwarków i leptonów na lżejsze kwarki i leptony.

Cząstki przenoszące oddziaływanie słabe to:

bozony: W+, W- i Z0.

Cząstki W są naładowane elektrycznie, podczas gdy cząstka Z0 jest elektrycznie obojętna.