Słowo wstępne Poniżej znajdziecie ponad 30K bełkotu, który przydarzyło mi się kiedyś spłodzić w ramach zajęć z fizyki, jeszcze za starych, dobrych czasów nauki w ogólniaku. Nikomu nie polecam lektury tych kilkudziesięciu kilobajtów, ale i tak nie było czym zapchać działu Belfer w tym numerze, więc nie sądzę, żeby zamieszczenie tego arta zrobiło komukolwiek jakąś różnicę. Aha - tym tekstem był testowany tryb 76-kolumnowy, kiedy dodawałem go do nowej wersji kodu Necronomicona, więc coś mu się od nas należy, nie? :-) Od następnego numeru Necronomicona prawdopodobnie likwidujemy Belfra ze względu na brak zainteresowania czytelników, brak tekstów do tego działu oraz wybitną niechęć części składu redakcji (czyli mnie) do tematów edukacyjnych. K O N C E P C J A K W A R K Ó W (część pierwsza) Już starożytni zastanawiali się nad budową otaczającego nas świata. W V i IV w. p.n.e. greccy materialiści - Leukippos i Demokryt wysunęli hipotezę, że wszystkie ciała składają się z niepodzielnych cząstek, które nazwano atomami. Dopiero w wieku XVIII i na początku XIX zostało podane naukowe sformułowanie hipotezy atomistycznej (m.in. przez Avogadra i Daltona). Dokładniejsza teoria budowy związków chemicznych została stworzona później - w drugiej połowie XIX w. przez Butlerowa, Kekulego oraz Mendelejewa, który odkrył prawo okresowej powtarzalności własności chemicznych pierwiastków, co ostatecznie ugruntowało pogląd atomowo-molekularny. Znaczny wkład w rozwój teorii atomistycznej wnieśli Boltzmann oraz Polak - Smoluchowski. Pod sam koniec XIX w. fizyk angielski - Thomson, na podstawie doświadczeń z przeprowadzaniem wyładowań elektrycznych w gazach odkrył, że atom bynajmniej nie jest niepodzielny. Mianowicie okazało się, że od atomu odrywa się cząstka o masie prawie 2000 razy mniejszej od masy całego atomu. Mimo to jeszcze na początku XX w. nie znano wewnętrznej budowy jądra atomowego. Teorie były różne, ale modele niezbyt dobrze spełniały oczekiwania. Dopiero Rutheford stworzył i udowodnił koncepcję budowy atomu z jądrem w środku i krążącym po orbicie bardzo daleko od jądra elektronem. Prace badawcze nad tym zagadnieniem trwały nadal i dopiero fizyk duński - Bohr, odkrył pewne własności atomu, które doprowadziły do powstania nowej gałęzi fizyki, a mianowicie mechaniki kwantowej, która dobrze opisuje zjawiska zachodzące w atomie. Złożonej struktury jądra atomowego domyślano się już od dawna. Odkryte w końcu XIX w. zjawisko promieniotwórczości potwierdzało tą hipotezę, gdyż jądro ulegało podczas niego rozpadom i przemianom w jądro innego typu. Dopiero jednak w wyniku odkrycia izotopów pierwiastków została ostatecznie stwierdzona złożoność jego budowy. Okazało się, że jego w skład wchodzą cząstki o niemal równych masach, a różniące się jedynie posiadanym ładunkiem elektrycznym. Są to protony (o ładunku równym ładunkowi elektronu, lecz o przeciwnym jego znaku) oraz neutrony (nie posiadające ładunku elektrycznego). Wydawało się, że nowa teoria będzie ostateczna. Nadzieje rozwiane zostały już wkrótce, kiedy to za pomocą komory Wilsona zaczęto odkrywać w promieniowaniu kosmicznym coraz to nowe cząstki. Dzięki zbudowaniu ogromnych akceleratorów przeprowadzano setki doświadczeń, w których na skutek zderzeń rozpędzonych wiązek cząstek powstawały zupełnie nowe, dotychaczas nikomu nieznane: miony, piony, kaony, hiperony. W ten sposób fizycy stanęli przed kolejnym dylematem. Czy nowo odkryte cząstki można uznać za podstawowe i całkowicie niepodzielne? A może i one zbudowane są z jeszcze mniejszych elementów? Było na ten temat wiele hipotez, gdyż fizycy nie mogli pogodzić się z nieładem panującym w świecie cząstek elementarnych. Tym bardziej, że wszelkie próby stworzenia dla nich odpowiednika tablicy Mendelejewa były niezbyt udane. Mimo to, w celu uporządkowania cząstek, stworzono ich pewną klasyfikację. Przedstawia ją poniższe zestawienie: +-------------------+-----------------+----------------------------+ | | Spin całkowity | Spin połówkowy | | | (bozony) | (fermiony) | +-------------------+-----------------+----------------------------+ | Nie oddziałujące | foton | leptony: | | silnie | | - elektron | | | | - mezon mi (mion) | | | | - lepton tau | | | | - neutrina: | | | | * elektronowe | | | | * mionowe | | | | * leptonowe | | | | (wraz z ich antycząstkami) | +-------------------+-----------------+----------------------------+ | Oddziałujące | mezony | bariony: | | silnie | - pi (piony) | - hiperony | | (hadrony) | - ro | * lambda | | | - K (kaony) | * sigma | | | - inne | * teta | | | | - nukleony | | | | * proton | | | | * neutron | +-------------------+-----------------+----------------------------+ Należy podkreślić, że przedstawione tu cząstki elementarne to zaledwie ułamek wszystkich znanych obecnie. Skoro poznaliśmy główny podział cząstek elementarnych, przejdźmy do cech, jakie się im przypisuje. Jest ich trochę więcej niż było to w przypadku modelu atomu Bohra. Oczywiście nadal zachowane są ładunek elektryczny, masa i spin, ale dochodzą do tego jeszcze tak egzotyczne cechy jak choćby dziwność. Aby odrobinę przybliżyć to zagadnienie i powoli wprowadzić w genezę koncepcji kwarków, postaram się pokrótce opisać ważniejsze cechy cząstek elementarnych. Bardzo ważną cechą jest czas rozpadu i choć może nie jest to cecha najważniejsza, to pozwala ona oddzielić od cząstek elementarnych rezonanse, czyli cząstki o bardzo krótkim czasie istnienia (około 10^-23 sek). Skoro już jesteśmy przy czasie życia, to trzeba wspomnieć o tym, że znaczna część cząstek jest nietrwała i ulega samorzutnemu rozpadowi po pewnym, specyficznym dla jej typu czasie. Do cząstek trwałych należą: - foton, - neutrina, - elektron (czas życia powyżej 5 * 10^21 lat - uważany za trwały), - proton (czas życia powyżej 8 * 10^30 lat - uważany za trwały), zas do nietrwałych wszystkie inne, w tym np.: - neutrony, - miony, - leptony tau, - kaony, - hiperony, - piony. Następna nowa cecha to ładunek barionowy. Pojęcie to wprowadził Wigner i jest ono uogólnieniem pojęcia ładunku elektrycznego. Jest to liczba kwantowa równa +1 dla nukleonów, -1 dla antynukleonów oraz 0 dla mezonów pi (czyli pionów). Liczba barionowa jest o tyle istotna, że w układzie izolowanym pozostaje stała, co pozwala sformułować zasadę zachowania ładunku barionowego. Jest ona spełniona dla pola silnego, e-m, słabego i grawitacyjnego. Sądzę, że analogia z ładunkiem elektrycznym, czy zasadą zachowania energii jest na tyle widoczna, że wyjaśnia zjawisko w wystarczającym stopniu. Chyba tymi samymi pobudkami (tj.możliwością prowadzenia obliczeń z użyciem prawa zachowania) kierowali się Zeldowicz i Konopiński wprowadzając pojęcie ładunku leptonowego. Prawo zachowania ładunku leptonowego jest spełnione również dla każdego typu oddziaływań i pozwala wyjaśnić przebieg wielu procesów (jak choćby rozpadu beta minus i plus, wychwytu elektronu, mionu, czy rozpadu mionu plus). Ładunek leptonowy wynosi +1 dla leptonów (elektronu, mionu minus i neutrina) oraz -1 dla antyleptonów (pozytonu, mionu plus i antyneutrina). Trzecią ważną cechą cząstek elementarnych jest izospin. Jego koncepcja została opracowana przez Heisenberga. Zauważył on, że proton i neutron mając odmienne ładunki różnią się masą jedynie w niewielkim stopniu. Dlatego zaproponował model nukleonu zawierający zmienną przybierającą jedynie dwie wartości, z których jedną jest proton, zaś drugą neutron. Izospin nie ma z samym spinem nic wspólnego i jest użyte tylko na podstawie analogii ze spinem elektronu, który przyjmuje również dwie wartości. Umownie przyjęto, że wartość izospinu równa +1/2 odpowiada protonowi, a -1/2 - neutronowi. Dla izospinu również istnieje prawo zachowania, które nie zależy od typu oddziaływań. Ostatnią cechą, którą opiszę jest dziwność. Jest to cecha o tyle dla nas ciekawa, że jej interpretacja w modelu kwarkowym jest nadzwyczaj prosta, co w pewnej mierze potwierdza jego słuszność. Czym zatem są cząstki dziwne? Nazywamy tak silnie oddziałujące cząstki elementarne, nie tworzące się pojedynczo nawet wtedy, gdy występują ku temu odpowiednie warunki energetyczne i żyją 10^14 razy dłużej niż wynika to z przesłanek teoretycznych. Dziwność jest liczbą kwantową opisującą cechy cząstek elementarnych względem oddziaływań silnych i e-m. Każdej odmianie cząstek przypisuje się określoną wartość dziwności. Dobrze obrazuje to chyba poniższe zestawienie: * S = -3 - hiperon omega minus, * S = -2 - hiperon teta minus, - hiperon teta zero, * S = -1 - hiperon lambda, - hiperon sigma plus, - hiperon sigma zero, - hiperon sigma minus, - kaon minus, - antykaon zero, * S = 0 - proton, - neutron, - pion plus, - pion zero, - pion minus, - mezon eta, * S = 1 - antyhiperon lambda, - antyhiperon sigma plus, - antyhiperon sigma zero, - antyhiperon sigma minus, - kaon plus, - kaon zero, * S = 2 - antyhiperon teta minus, - antyhiperon teta zero, * S = 3 - antyhiperon omega minus. Liczba charakteryzująca dziwność S, liczba barionowa B i ładunek cząstki wyrażony w ładunkach elementarnych powiązane są ze sobą następującą zależnością: S = 2 (Q/q - T3) - B, gdzie T3 to składowa izospinu. Co jest bardzo istotne - z przeprowadzonych obserwacji wiadomo, że spełnione jest prawo zachowania dziwności, co oznacza, że suma algebraiczna dziwności cząstek przed reakcją i po niej jest równa. A to pozwala przewidzieć i wyjaśnić wyniki wielu doświadczeń. Oczywiście oprócz powyższych praw zachowania spełnione są tak fundamentalne zasady, jak zasada zachowania energii, a także zachowania ładunku elektrycznego i spinu (momentu pędu). Po tym nieco przydługim wstępie wypadałoby chyba choćby pokrótce napisać coś o najważniejszych cząstkach elementarnych. A zaczniemy od elektronu. Elektron jest pierwszą cząstką odkrytą przez fizyków. Ma on masę około 2000 razy mniejszą od masy protonu. Jest on cząstką naładowaną ujemnie (o ładunku jednostkowym), zaś jego spin wynosi 1/2 h/2pi, czyli 1/2 h kreślonego. Elektron jako cząstka elementarna zaliczany jest do klasy leptonów, tj.cząstek nie wykazujących oddziaływań silnych. Pomiędzy elektronem a innymi cząstkami zachodzą oddziaływania słabe, grawitacyjne i e-m. Jego antycząstką jest pozyton. Pozyton odznacza się dodatnim jednostkowym ładunkiem elektrycznym oraz masą pokrywającą się co do 0.007% z masą elektronu. Spin pozytonu jest równy spinowi elektronu. Głównymi źródłami pozytonów są przemiany wysokoenergetycznych fal gamma na pary elektron-pozyton. Proton jest stabilną cząstką elementarną obdarzoną dodatnim jednostkowym ładunkiem elektrycznym. Jego masa jest równa w przybliżeniu 2000 mas elektronu. Liczba protonów w jądrze określa ładunek jądra oraz miejsce pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa. Proton ma spin połówkowy równy 1/2 h/2pi, czyli 1/2 h kreślonego. Proton zaliczany jest do barionów i bierze udział w oddziaływaniach silnych, słabych i e-m. Antycząstką protonu jest antyproton. Ma on masę równą masie protonu, ładunek równy ładunkowi protonu, lecz o odmiennym znaku oraz spin identyczny z protonem. Istnienie antyprotonu zostało doświadczalnie stwierdzone. Zgodnie z przewidywaniami w wyniku zderzenia z protonem obie cząstki anihilują, wyzwalając energię równoważną masie dwóch znikających cząstek. Neutron jest cząstką niestabilną i ulega rozpadowi w okresie T1/2 = 1.01 * 10^3 sek. Jego masa jest niemal równa masie protonu (dokładniej odrobinę większa) i wynosi około 2000 mas elektronu. Ładunek elektryczny neutronu jest równy zeru, zaś jego spin S = 1/2 h/2pi. Ładunek batrionowy neutronu wynosi 1, ładunek leptonowy - 0, a dziwność również 0. Zresztą, dane te można znaleźć powyżej, w charakterystykach poszczególnych cech cząstek elementarnych. Neutrino to neutralna elektryczna cząstka elementarna o znikomej masie (jej masa spoczynkowa jest równa zeru). Ma połówkowy spin równy 1/2. Istnieją trzy odmiany neutrina - elektronowe powstające zawsze łącznie z elektronem, neutrino mezonowe tworzące się razem z mionem oraz neutrino leptonowe, które powstaje z leptonem tau. Mimo braku ładunku, neutrino nie jest równoważne ze swoją antycząstką. Różnią się one ładunkiem leptonowym, równym +1 dla neutrin oraz -1 dla antyneutrin. Neutrino jest jedyną znaną cząstką uczestniczącą jedynie w oddziaływaniach słabych. Brak ładunku elektrycznego, momentu magnetycznego oraz zerowa wartość masy spoczynkowej stanowią znaczną przeszkodę w rejestrowaniu tych cząstek. Mimo to, fizyka teoretyczna szybko przyswoiła pojęcie neutrina i dopiero w dwadzieścia lat później wykryto je doświadczalnie. Pion (mezon pi) jest nośnikiem oddziaływań silnych (patrz jednak niżej) na takiej samej zasadzie, na jakiej foton jest nośnikiem oddziaływań e-m. Jest to cząstka o masie równej w przybliżeniu 300 masom elektronu. Ładunek barionowy pionu jest równy 0. Jego spin jest całkowity i wynosi 0, zaś izospin 1. Piony są cząstkami nietrwałymi i po czasie rzędu 2.6 * 10^-8 sek (pi plus i pi minus) lub 0.8 * 10^-16 sek (pi zero). Istnieją trzy stany ładunkowe pionu: dodatni, ujemny i neutralny, które tworzą tzw.tryplet izospinowy. Mion jest cząstką elementarną o właściwościach bardzo podobnych do elektronu. Należy do grupy leptonów i występuje w dwóch stanach ładunkowych - dodatnim i ujemnym, które są względem siebie antycząstkami. Masa mionu jest równa około 200 masom elektronu, zaś jego spin jest połówkowy i równy 1/2 h kreślonego. Jest cząstką nietrwałą i po ok.2.1 * 10^-6 sek. ulega rozpadowi. Ze względu na brak oddziaływań silnych cząstki te wykazują dużą przenikalność przy przechodzeniu przez ośrodek materialny. Powolne miony mogą być wiązane na orbitach atoowych tworząc atomy mionowe. Kaon jest mezonem dziwnym o spinie zerowym. Jego masa waha się w granicach 800-1300 mas elektronu. Jest trwały względem oddziaływań silnych i e-m. Znane są dwa kaony: K plus i K zero (o dziwności S=1) oraz ich antycząstki K minus i antykaon zero (o dziwności S=-1). Para K plus i K zero tworzy dublet izospinowy. Mezony K plus i minus rozpadają się w wyniku oddziaływań silnych po czasie ok.10^-8 sek. Hiperon jest barionem o dziwności różnej od zera. Masa hiperonów wynosi około 2200 mas elektronu. Obecnie znane są następujące hiperony trwałe względem oddziaływań silnych: lambda zero, trzy hadrony sigma (ujemny, dodatni i neutralny), dwa teta (ujemny i neutralny) oraz omega minus. Znanych jest również kilkadziesiąt rezonansów hiperonowych nietrwałych względem oddziaływań silnych. Wszystkie hiperony mają spiny połówkowe i mogą występować w stanie związanym z nukleonami różnych jąder atomowych tworząc hiperjądro. Na tym chyba się zatrzymamy, gdyż właściwym tematem tej pracy nie miały być cząstki elementarne, a więc szersze i bardziej wnikliwe zajmowanie się nimi na łamach tej pracy mija się z celem. Wszystkich zainteresowanych historią odkryć i badań nad cząstkami elementarnymi oraz ich dokładniejszą charakterystyką zachęcam do zapoznania się z "Fizyką naszych dni" autorstwa U.J.Frankfurta i A.M.Frenka. (koniec części pierwszej)