Subatominen hiukkanen

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 11. elokuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Subatominen hiukkanen  on hiukkanen , joka on paljon pienempi kuin atomi [1] . Tarkastellaan kahden tyyppisiä subatomisia hiukkasia: alkuainehiukkasia , jotka nykyaikaisten teorioiden mukaan eivät koostu muista hiukkasista; ja komposiittihiukkaset [2] . Hiukkasfysiikka ja ydinfysiikka tutkivat näitä hiukkasia ja niiden vuorovaikutusta [3] . Ajatus hiukkasesta pohdittiin perusteellisesti, kun kokeet osoittivat, että valo voi käyttäytyä hiukkasvirran (kutsutaan fotoneiksi ) tavoin ja osoittaa myös aallon ominaisuuksia. Tämä johti aalto-hiukkasten kaksinaisuuden käsitteen syntymiseen, mikä heijastaa sitä, että kvanttiasteikon "hiukkaset" käyttäytyvät kuten hiukkaset ja aallot. Toinen käsite, epävarmuusperiaate , sanoo, että joitain niiden ominaisuuksista, kuten niiden samanaikainen sijainti ja liikemäärä yhdessä, ei voida mitata tarkasti [4] . Myöhemmin osoitettiin, että aallon ja hiukkasen kaksinaisuus pätee fotonien lisäksi myös massiivisempiin hiukkasiin [5] .

Hiukkasten vuorovaikutukset kvanttikenttäteorian puitteissa ymmärretään vastaavien perusvuorovaikutusten kvanttien luomiseksi ja tuhoamiseksi . Tämä yhdistää hiukkasfysiikan kenttäteoriaan .

Luokitus

Koostumus

Subatomiset hiukkaset ovat joko "alkuainehiukkasia", ts. eivät koostu monista muista hiukkasista, tai "komposiitteja" ja ne koostuvat useammasta kuin yhdestä toisiinsa sitoutuneesta alkuainehiukkasesta.

Standardimallin alkuainehiukkaset ovat [6] :

Ne kaikki on löydetty kokein, viimeisimmät ovat todellinen kvarkki (1995), tau-neutrino (2000) ja Higgsin bosoni (2012).

Standardimallin erilaiset laajennukset ennustavat gravitonin alkuainehiukkasen ja monien muiden alkuainehiukkasten olemassaolon, mutta vuoteen 2019 mennessä niitä ei ole löydetty.

Hadronit

Melkein kaikki yhdistehiukkaset sisältävät useita kvarkeja (antikvarkeja), jotka ovat sitoutuneet yhteen gluonien avulla (harvinaisia ​​poikkeuksia lukuun ottamatta, kuten positronium ja muonium ). Niitä, joissa on vähän (≤ 5) [anti]kvarkeja, kutsutaan hadroneiksi . Värirajoitteeksi tunnetun ominaisuuden vuoksi kvarkeja ei koskaan löydy yksittäin, vaan niitä löytyy aina useita kvarkkeja sisältävistä hadroneista. Hadronit jaetaan kvarkkien (mukaan lukien antikvarkkien) lukumäärällä baryoneiksi , jotka sisältävät parittoman määrän kvarkkeja (melkein aina 3), joista tunnetuimmat ovat protoni ja neutroni ; ja mesonit , jotka sisältävät parillisen määrän kvarkkeja (melkein aina 2, yksi kvarkki ja yksi antikvarkki), joista tunnetuimmat ovat pi mesonit ja k mesonit .

Protonia ja neutronia lukuun ottamatta kaikki muut hadronit ovat epävakaita ja hajoavat muiksi hiukkasiksi mikrosekunneissa tai vähemmän. Protoni koostuu kahdesta ylös- ja yhdestä alas-kvarkista , kun taas neutroni koostuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista. Yleensä ne sitoutuvat yhteen atomiytimeksi, esimerkiksi helium-4- ydin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Useimmat hadronit eivät elä tarpeeksi kauan muodostaakseen ytimen kaltaisia ​​komposiitteja; ne, jotka voivat (protoni ja neutroni lukuun ottamatta) muodostaa hyperytimiä .

Tilastollisesti

Mikä tahansa subatominen hiukkanen, kuten mikä tahansa kolmiulotteisessa avaruudessa oleva hiukkanen, joka noudattaa kvanttimekaniikan lakeja, voi olla joko bosoni (kokonaisluku spin ) tai fermion (pariton puolikokonaisluku spin).

Standardimallissa kaikilla alkeisfermioneilla on spin 1/2 ja ne on jaettu kvarkeihin, jotka kantavat värivarauksen ja siksi tuntevat voimakkaan voiman, ja leptoneihin, jotka eivät. Elementaariset bosonit sisältävät mittabosonit (fotoni, W ja Z, gluonit), joiden spin 1, kun taas Higgsin bosoni on ainoa alkuainehiukkanen, jolla on nolla spin.

Hypoteettisella gravitonilla pitäisi teoriassa olla spin 2, mutta se ei ole osa standardimallia. Jotkut laajennukset, kuten supersymmetria , ennustavat ylimääräisten spin 3/2 -alkuhiukkasten olemassaolon, mutta vuoteen 2019 mennessä niitä ei ole löydetty.

Yhdistehiukkasten spinlakeista johtuen baryoneilla (3 kvarkia) on spin 1/2 tai 3/2 ja ne ovat siksi fermioneja; Mesoneilla (2 kvarkia) on kokonaisluku spin 0 tai 1 ja ne ovat siksi bosoneja.

Massan mukaan

Erityisessä suhteellisuusteoriassa hiukkasen energia levossa on yhtä suuri kuin sen massa kertaa valonnopeuden neliö, E = mc². Eli massa voidaan ilmaista energiana ja päinvastoin. Jos on vertailukehys, jossa hiukkanen on levossa, niin sillä on positiivinen lepomassa ja sitä kutsutaan massiiviksi .

Kaikki yhdistehiukkaset ovat massiivisia. Baryoneilla (tarkoittaa "raskaita") on enemmän massaa kuin mesoneilla (tarkoittaa "keskiluokkaa"), jotka puolestaan ​​ovat raskaampia kuin leptonit (tarkoittaa "kevyt"), mutta painavin leptoni (tau-hiukkanen) on painavampi kuin kaksi kevyin maku. baryonit (nukleonit). On myös selvää, että mikä tahansa hiukkanen, jolla on sähkövaraus, on massiivinen.

Kun termit baryonit, mesonit ja leptonit kuvattiin alun perin 1950-luvulla, ne tarkoittivat massoja; kuitenkin sen jälkeen, kun kvarkkimalli otettiin käyttöön 1970-luvulla, tunnustettiin, että baryonit ovat kolmen kvarkin yhdistelmät, mesonit ovat yhden kvarkin ja yhden antikvarkin yhdistelmät ja leptonit ovat alkeisaineita ja ne määritellään alkeisfermioneiksi, joilla ei ole värivarausta.

Kaikki massattomat hiukkaset (hiukkaset, joiden invariantti massa on nolla) ovat alkuainehiukkasia. Näitä ovat fotoni ja gluoni, vaikka jälkimmäistä ei voida eristää.

Eron perusteella

Useimmat subatomiset hiukkaset eivät ole pysyviä. Kaikki mesonit, samoin kuin baryonit - protonia lukuun ottamatta - hajoavat vahvojen tai heikkojen vuorovaikutusten vaikutuksesta. Protonin hajoamista ei ole kirjattu, vaikka ei tiedetä, onko se "todella" stabiili. Varautuneet leptonit mu ja tau hajoavat heikosta vuorovaikutuksesta; sama niiden antihiukkasten osalta. Neutriinot (ja antineutriinot) eivät hajoa, mutta neutriinojen värähtelyilmiön uskotaan olevan olemassa myös tyhjiössä. Elektroni ja sen antihiukkanen, positroni, ovat teoriassa stabiileja varauksen säilymisen vuoksi , ellei ole olemassa kevyempää hiukkasta, jonka sähkövaraus on ≤e (mikä on epätodennäköistä).

Subatomisista hiukkasista, jotka eivät kanna värivarausta (ja siksi voidaan eristää), vain fotoni, elektroni, neutrino, useat atomiytimet (mukaan lukien protoni) ja niiden antihiukkaset voivat pysyä samassa tilassa loputtomiin.

Muut ominaisuudet

Kaikilla havaittavilla subatomisilla hiukkasilla on sähkövaraus, joka on kokonaisluku ja alkuainevarauksen kerrannainen . Vakiomallin kvarkeilla on "ei-kokonaislukuisia" sähkövarauksia, nimittäin 1 ⁄ 3  e :n kerrannaisia , mutta kvarkeja (ja muita yhdistelmiä, joissa on ei-kokonaisluku sähkövaraus) ei voida eristää rajoittuneisuuden vuoksi . Baryoneilla, mesoneilla ja niiden antihiukkasilla kvarkkien varaukset laskevat yhteen e :n kokonaislukukerrannaiseksi .

Albert Einsteinin , Satyendra Nath Bosen , Louis de Broglien ja monien muiden työn ansiosta nykyaikainen tieteellinen teoria katsoo, että kaikilla hiukkasilla on myös aaltoluonteinen [7] . Tämä on todistettu paitsi alkuainehiukkasten, myös yhdistehiukkasten, kuten atomien ja jopa molekyylien osalta. Itse asiassa ei-relativistisen kvanttimekaniikan perinteisten muotoilujen mukaan aalto-hiukkasten kaksinaisuus koskee kaikkia objekteja, jopa makroskooppisia; vaikka makroskooppisten kohteiden aalto-ominaisuuksia ei voida havaita niiden pienten aallonpituuksien vuoksi [8] .

Hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia on tutkittu huolellisesti vuosisatojen ajan, ja hiukkasten käyttäytyminen törmäyksissä ja vuorovaikutuksissa perustuu muutamaan yksinkertaiseen lakiin. Perustavimmat niistä ovat energian säilymisen ja liikemäärän säilymisen lait , jotka mahdollistavat hiukkasten vuorovaikutusten laskemisen asteikoissa, jotka vaihtelevat tähdistä kvarkeihin.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Subatomiset hiukkaset (downlink) . NTD. Haettu 5. kesäkuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2014. 
  2. ↑ Bolonkin, Aleksanteri. Universumi , ihmisen kuolemattomuus ja tulevaisuuden ihmisen arviointi  . - Elsevier , 2011. - S. 25. - ISBN 9780124158016 .
  3. ↑ Fritzsch, Harold. Alkuainehiukkaset  (neopr.) . - World Scientific , 2005. - S. 11-20. - ISBN 978-981-256-141-1 . Arkistoitu 31. lokakuuta 2020 Wayback Machinessa
  4. ↑ Heisenberg, W. (1927), Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik , Zeitschrift für Physik T. 43 (3–4): 172–198 , DOI 10.1007/BF0139728 
  5. ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julianus; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton. C60-molekyylien aalto-hiukkaskaksoisuus  (englanti)  // Luonto . - 2000. - Voi. 401 , no. 6754 . - s. 680-682 . - doi : 10.1038/44348 . — . — PMID 18494170 .
  6. ↑ Cottingham, WN; Greenwood, D.A. Johdatus hiukkasfysiikan vakiomalliin  . - Cambridge University Press , 2007. - P. 1. - ISBN 978-0-521-85249-4 . Arkistoitu 19. elokuuta 2020 Wayback Machinessa
  7. ↑ Walter Greiner. Kvanttimekaniikka: Johdanto  (uuspr.) . - Springer , 2001. - s. 29. - ISBN 978-3-540-67458-0 . Arkistoitu 18. elokuuta 2020 Wayback Machinessa
  8. ↑ Eisberg, R.; Resnick, R. Atomien, molekyylien, kiinteiden aineiden, ytimien ja hiukkasten kvanttifysiikka . – 2. - John Wiley & Sons , 1985. - s. 59-60. — ISBN 978-0-471-87373-0 .  

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat