uabooks.top » Fizika » 43. Elemi részecskék
Інформація про новину
  • Переглядів: 56
  • Дата: 2-07-2020, 05:01
2-07-2020, 05:01

43. Elemi részecskék

Категорія: Fizika




Már tárgyaltuk azokat az eseteket, amikor toll és papír segítségével végeztek felfedezéseket. így történt a XIX. században is, amikor számítások által fedezték fel a Neptunuszt. A kvantummechanika és a relativitáselmélet segítségével a tudósok előre láthatják bizonyos objektumok létezését. A következőkben arról tanulhattok, milyen elemi részecskéket fedeztek fel az elméleti fizikusok.

Milyen elemi részecskék léteznek még?

A XX. század elején, az atom és az atommag felépítését, a radioaktív osztódást és a magreakciókat tanulmányozva a tudósok általában négy részecskével — elektronnal, protonnal, ne-utronnal és fotonnal — operáltak. Úgy tűnt, hogy az említett részecskék elegendó'ek a megfigyelt jelenségek leírására és megmagyarázására. Viszont a természet újabb meglepetésekkel szolgált a tudósoknak. Például a protonok neutronokkal való bombázása során tapasztaltak magyarázatához fel kellett tételezni a mezonok létezését. Ezt a részecskét elsőként Jukava Hideki (1907-1981) japán elméleti fizikus „találta” fel. A β-bomlás megfigyelései közben 1930-ban Wolfgang Ernst Pauli (1900—1958) svájci fizikus szintén kitalált egy akkor még fantomként kezelt részecskét — a neutrínót, amelynek kísérleti kimutatására húsz év múlva kerülhetett sor.

Paul Adrien Dirac (1902-1984) angol fizikus 1928-ban a két fénysebességgel mozgó elektronról szóló feladat megoldása közben arra a következtetésre jutott, hogy a természetben nem csak a szokásos részecskék, hanem azok anti-párja — antirécsecskéje — is létezik. Az elektron antirészecskéje a pozitron nevet kapta. Az anti-részecske különleges tulajdonsága az annihiláció (megsemmisülés) - a részecske teljes egészében energiává alakul át (fotonok kibocsátásával tűnik el). Mivel az elektron-pozitron párok teljes tömege fotonokká alakul át, ezért a keletkező' fotonok energiája rendkívül nagy. A pozitron kísérleti úton történő' felfedezése sok évvel létezésének megjósolása után történt: 1932-ben Carl David Anderson (1905—1991) amerikai fizikus a kozmikus sugárzás vizsgálata közben vette észre a pozitron nyomát a Wilson-kamrában.

Pozitron

A pozitron az elektron antirészecskéje.

A pozitron tömege azonos a neutron tömegével, töltésének abszolút értéke megegyezik, de ellentétes előjelű a neutron töltésével.

A pozitron létezését 1928-ban feltételezték. 1932-ben a pozitront a kozmikus sugárzás összetevőjeként fedezték fel.

Az elektron (P_-részecske) és a pozitron (p+-részecske) az atommag belsejében jöhet létre:

elektron a neutron átalakulása során keletkezik — ennek eredményeképpen proton, elektron és antine-utrínó jön létre:

pozitron a proton átalakulásával keletkezik — az eredmény: neutron, pozitron és neutrínó:

Hogyan osztályozhatók az elemi részecskék?

A XX. század 50-60-as éveiben a nagyteljesítményű gyorsítóberendezések megépítése után számtalan új elemi részecskét fedeztek fel. Ez a tény egyrészt csökkentette az új felfedezések szerepét, másik oldalról viszont felmerült a részecskék rendszerezésének szükségessége. A legegyszerűbb rendszerezési módszert ajánlották — tömegük növekedésének sorrendjében rendezték őket. Az új részecskék „teljes listáját” három csoportra osztották.

Az első csoportba csak a nulla tömegű foton került. A másodikba a könnyű részecskék kerültek, amelyeket leptonoknak neveznek (görög leptos — könnyű). A csoport egyik képviselőjét — az elektront — már jól ismeritek. A harmadik csoportba a legnehezebb részecskék kerültek, melyeket hadronoknak neveztek el (görög hadros - nagy, erős). Ezt a terminust Lev Boriszovics Okuny (1929—2015) szovjet fizikus vezette be. A csoport tagjai például a számotokra ismerős nukleonok.

Soroljatok fel olyan csoportosításokat, amelyekkel a természettudományok tanulmányozása során találkoztatok! Milyen elv szerint hozták azokat létre?

Megjegyezzük, hogy az elektromágneses kölcsönhatásban az elektromos töltéssel rendelkező részecskék vesznek részt. Az elektromágneses kölcsönhatás-hordozók a fotonok. A gyenge kölcsönhatásban a fotonok kivételével minden részecske részt vesz. A hadronokhoz tartoznak még az erős kölcsönhatásra képes részecskék is.

Az elemi részecskék más osztályzását is ajánlják (lásd a 43.1. ábrát). Kétségtelen, hogy a nagy hadronütköztető segítségével végzett megfigyelések segítségével hamarosan megtörténik az elemi részecskék új, korszerűbb osztályozása.

Mik a kvarkok?

A gyors elektronok protonoktól és neutronoktól való szóródásának tanulmányozása közben azt vették észre, hogy az elektronok nagyobb hányada a protonok és neutronok között minden elhajlás nélkül halad át, kisebb részük viszont jelentősen szétszóródik egyes csomópontokon. Hasonló eredményt kapott Rutherford is, amikor az aranyfólián áthaladó α-részecskék szóródását tanulmányozta. A hadronok ilyen viselkedésének magyarázatára 1964-ben Murray Gell-Mann (43.2. ábra) és George Zweig (szül. 1937) amerikai tudósok kidolgozták a kvarkok létezésének hipotézisét.

Kvarkoknak a tudósok a három valódi elemi részecskét nevezték el, amelyekből a hadronok állnak. Ezeket u, d és s betűvel jelölték meg (angol up - fel, down - le, strange - különös). Viszont idővel a három kvark kevésnek bizonyult a hadronok tulajdonságainak leírására. Szükségesnek látszott feltételezni még néhány kvark létezését. Ezután a hipotézisben megjelentek az antikvarkok. A modern elmélet szerint a kvarkok hadronokká egyesülése a gluonok segítségével történik (angol glue — ragasztó). Ezáltal a „valódi” elemi részecskék száma ismét nőtt.

Mellőzve a csoportosítás összes részletét, a kvarkok egyetlen jellegzetességére hívjuk fel a figyelmet. A kvarkok töltése nem egész (elemi töltésekben),

hanem tört értékű és értéke

elemi töltés. Például a

d-kvark töltése —l/3e, az м-kvarké +2/3e, az s-kvarké —l/3e. Minden nukleon három kvarkból áll: proton - két u-kvarkból és egy d-kvarkból (p=uud), a neutron - két d-kvarkból és egy и-kvarkból (n=udd).

Hogyan tovább?

A felgyülemlett nagy mennyiségű tudás ellenére a mai fizika nagyon messze áll a tökéletességtől. A neves fizikusok nagy álma volt és marad az egyetlen elmélet — az univerzum összes jelenségére magyarázatot adó, úgyne-

β

vezett „minden elmélete” megalkotása. Élete utolsó tíz évében Albert Einstein is ezzel foglalkozott. Bizonyos haladás az utóbbi években már megmutatkozott: az elemi részecskék fizikájában megalkották a Szabványmodellt — az elemi részecskék erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatását összefogó elméletet. Napjainkban a Szabványmodellt kísérletekkel egyeztetik, aminek fényes példája a nemrégiben felfedezett Higgs-bozon. Viszont a tudósok mind a mai napig nem tudják megmagyarázni a sötét anyag természetét, a nagyenergiájú kozmikus részecskék eredetét és sok egyebet. Ezért a tudósok a Szabványmodell határainak kiszélesítésére törekszenek. Tehát várjuk az új felfedezéseket!

Összegezés

A kvantummechanikában végzett elméleti fejlesztések segítségével sok elemi részecske (pozitron, neutrínó) létezését előre látták, amelyeket a későbbiekben kísérleti úton fedeztek fel.

Az elemi részecskék több csoportra oszthatók: fotonok; leptonok; hadronok. A hadronokhoz az erős kölcsönhatásra képes részecskék tartoznak, a leptonokhoz — az erős kölcsönhatásra képtelen részecskék.

A nagyenergiájú elektronok hadronokon (protonokon és neutronokon) történő szóródásának magyarázatára előterjesztették az új típusú elemi részecskék — a kvarkok létezését.

Ellenőrző kérdések

1. Mit neveznek elemi részecskének? 2. Milyen részecskét neveznek pozitronnak? Miben különbözik az elektrontól? Ki látta előre a létezését, és ki figyelte meg elsőként ezt a részecskét? 3. Milyen részecskéket neveznek leptonoknak? 4. Milyen részecskéket neveznek hadronoknak? 5. Mik a kvarkok? Milyen töltéssel rendelkeznek? Nevezzétek meg a kvarkok elméletének megalapítóit!

Nanotechnológiákat fejlesztő szakember

Emlékeztek rá, hogy mit jelent a nano- előtag? A közelmúltig kizárólag az atomfizikusok szűk köre alkalmazta ezt a terminust. Napjainkban a nanotechnológiákról szóló információ szinte az összes újságban és színes magazinban megtalálható. A nanoanyagok felhasználási köre fokozatosan szélesedik, és a nanotechnológiákat fejlesztő szakemberekre még sokáig szükség lesz. A nanoanyagok és technológiák fejlesztéséhez a fizika szinte összes ágazatában összegyűjtött tudásra szükség van: mechanikára, elektromosságra, termodinamikára, atomfizikára.

8. SZÁMÚ KÍSÉRLETI FELADAT

Téma. Radioaktív hasadás modellezése.

Cél: modellezni a radioaktív hasadást, ellenőrizni a modellen a radioaktív hasadás törvényét.

Eszközök: 128 azonos pénzérme, két papírpohár, tálca, színes ceruzák (tollak), milliméteres papír.

A MODELL LEÍRÁSA

A maghasadás — véletlenszerű esemény. Hasonló véletlenszerű esemény az érmefeldobás is, amikor „fej” vagy „írás” esik le. Ezért a radioaktív hasadás bemutatására ezt a modellt alkalmazzuk.

A radionuklid minta magjait a papírpohárban elhelyezett érmékkel modellezzük: tételezzük fel, hogy az egyben maradt magnak az „írásra” esett érme felel meg; a széthasadt magnak — a „fej” oldalú érme. Akkor az összes érme egyszeri feldobása a TU2 felezési időnek felel meg (az időnek, amely alatt a minta magjainak a fele osztódik), a dobások n száma pedig — a felezési idő periódusának, vagyis a t megfigyelési idő:

ÚTMUTATÓ A MUNKÁHOZ

Szigorúan tartsátok be a biztonsági előírásokat (lásd a tankönyv belső borítóját)! A mérések és számítások eredményeit azonnal írjátok be a táblázatba!

Előkészület a kísérlethez

1. Készítsetek három táblázatot — egyet-egyet minden dobási sorozathoz (lásd a mintát)!

2. Helyezzetek 128 érmét a papírpohárba!

Kísérlet

1. A pohárban jól keverjétek össze az érméket, majd öntsétek ki a tálcára (1. ábra)!

Számoljátok össze, hány érmén látszik a „fej”(vagyis az egyben maradt magok), hányon - az „írás”(a széthasadt magok)! Rakjátok a két halmazt külön pohárba!

2. Keverjétek össze azokat az érméket, amelyeknél „fej” volt, és újból öntsétek ki a tálcára! Ismét számoljátok össze a „fejeket”

és „írásokat”! A folyamatot addig folytassátok, ameddig egy darab „fej” marad (maximum hatszor)! Ezáltal legfeljebb nyolc dobásotok volt.

3. Ismételjétek meg a dobássorozatot (az 1-2 pontokban leírtakat) még kétszer!

Dobássorozat sorszáma (színe a grafikonon )

A kísérlet eredményeinek feldolgozása

1. Milliméteres papíron mindegyik dobássorozatra készítsétek el megfelelő színnel az N(n) függvény — az egyben maradt magok N száma és a dobások n száma közötti összefüggés - grafikonját (hasonló grafikon látható a 2. ábrán)!

2. Ugyanazokon a tengelyeken szerkesszétek meg a radioaktív hasadás törvényét kifejező N=N0 -2~n függvény grafikonját (tekintsétek úgy, hogy a radionuklidok magjainak kezdeti mennyisége iY0=128)!

A kísérlet eredményeinek elemzése

A kísérlet eredménye alapján fogalmazzatok meg következtetéseket, amelyben megmagyarázzátok, hogy miért térnek el egymástól a megszerkesztett grafikonok. Ez törvényszerűség vagy tökéletlen modellt használtunk fel? Illetve mindkét ok elfogadható?

Alkotói feladat

Tisztázzátok, hogy a radioaktív maghasadás modelljének minőségére hatással van-e az érmék számának 3-szoros megnövelése; З-szoros csökkentése?

9. SZÁMÚ KÍSÉRLETI feladat

téma. Töltött részecskék nyomvonalának megfigyelése.

Cél: megtanulni elemezni a töltött részecskék nyomvonalainak Wilson-kamra segítségével kapott fényképeit, valamint beazonosítani a részecskéket.

Eszközök: töltött részecskék nyomvonalainak fényképei, egy ív pauszpapír (erősen áttetsző papír), háromszögvonalzó.

ÚTMUTATÓ A MUNKÁHOZ

Szigorúan tartsátok be a biztonsági előírásokat (lásd a tankönyv belső borítóját)! A mérések és számítások eredményeit azonnal írjátok be a táblázatba!

Előkészület a kísérlethez

1. Idézzétek fel, hogyan határozható meg a mágneses tér részéről a mozgó töltött részecskére ható erő (Lorentz-erő) modulusa és iránya!

2. Az I. és II. nyomvonalat (1. ábra) rajzoljátok át pauszpapírra (a szükséges jelöléseket, ábrázolásokat és szerkesztéseket azon kell elvégezni)!

Kísérlet

1. Figyeljétek meg a töltött részecskék nyomvonalainak Wil-son-kamrával készített fényképét (1. ábra):

1) jelöljétek be az I. és II. részecskék kezdeti sebességét, amelyeknek az I. és II. vonal felel meg;

2) tisztázzátok, hogyan változik egyes nyomvonalak vastagsága a részecske mozgásának kezdetétől a mozgás végéig!

2. Ismerve, hogy az I. részecske protonként lett beazonosítva, és mindkét részecske a kamrában létrejött mágneses tér indukcióvektorára merőlegesen mozog, határozzátok meg:

1) az I. részecske töltésének előjelét;

2) a mágneses indukcióvektor irányát.

3. A lépték figyelembe vételével határozzátok meg a részecskék nyomvonala kezdeti szakaszainak i?i és görbületi sugarait (lásd a 2. ábrát), amihez:

1) a nyomvonalak rajzán szerkesszetek két húrt;

2) mindegyik húr középpontjába állítsatok merőlegest és jelöljétek meg azok metszéspontját;

3) mérjétek meg az O pont és a nyomvonal kezdete közötti R távolságot (a görbület sugarát)!

A kísérlet eredményeinek feldolgozása

1. Az 1. függelék Egyes részecskék fajlagos töltése táblázatából határozzátok meg az I. részecske fajlagos töltését!

2. A II. részecske fajlagos töltését számítsátok ki

képlet

segítségével!

3. Azonosítsátok be a II. részecskét a töltése alapján: határozzátok meg, milyen elem atommagja ez a részecske!

A kísérlet eredményeinek elemzése

A kísérlet eredményei alapján fogalmazzatok meg következtetéseket!

Alkotói feladat

Végezzetek pótméréseket, és határozzátok meg, hányszorosan csökkent a proton kinetikus energiája a Wilson-kamrában történt mozgása idején!

AZ ATOM- ÉS MAGFIZIKA CÍMŰ IV. FEJEZET ÖSSZEGEZÉSE

1. Felidéztétek az atom felépítését és az atommag proton-neutron modelljét.

2. Megismerkedtetek Bohr posztulátumaival, és tisztáztátok, hogy az atomban léteznek olyan alapállapotok, melyekben az atom nem sugároz energiát, az atom által kisugárzott tetszőleges energiakvantum pedig a magasabb energia-állapotból az alacsonyabb állapotba történő átmenettel kapcsolatos:

3. Felidéztétek, hogy a magban a nukleonokat magerők tarják bent, és megtudtátok, hogy a mag különálló nukleonokra történő' teljes hasadásához az atommag kötési energiájának (Ek) megfelelő' energiát kell felhasználni:

Ebben az esetben:

tömegdefektus.

4. Megtudtátok, hogy az atommag fajlagos kötési energiája:

— a magban

található nukleonok számának függvénye, ezért a könnyű atomok egyesülése (szintézise), valamint a nehéz magok hasadása során energia szabadul fel.

5. Tisztáztátok, hogy egyes kémiai elemek izotópjai mikrorészecskék sugárzásával kísérve képesek spontán más elemek atomjaivá átalakulni, megismerkedtetek

a radioaktív bomlás alaptörvényével:

6. Felidéztétek a radioaktív sugárzás különféle fajtáit, tisztáztátok azok természetét, és részletesebben megismertétek az eltolódási szabályokat.

ÖNELLENŐRZÉSRE SZOLGÁLÓ FELADATOK AZ ATOM- ÉS MAGFIZIKA CÍMŰ IV. FEJEZETHEZ

1. feladat. A hidrogénatom egyik energetikai szintről a másikra történő átmenete során egy foton sugárzott ki.

1. (1 pont) Az ábrán látható átmenetek közül melyik felel meg a foton kibocsátásának?

2. (2 pont) Az ábrán látható átmenetek közül melyikben sugároz ki vagy nyel el az atom nagyobb frekvenciájú fotont?

(2 pont) Határozzátok meg a 2,8 eV energiájú foton hullámhosszát!

4. (3 pont) Az atom planetáris modelljének segítségével határozzátok meg, mekkora lesz az elektron és az }Н hidrogén atommagja között ható Coulomb-féle és gravitációs erő! Az atom sugarát tekintsétek 5 ΊΟ-11 méternek!

2. feladat. A 10-12 mól radon-220-at tartalmazó radioaktív mintából a-részecske repül ki.

1. (1 pont) az α-részecskékkel végzett kísérletei alapján Rutherford:

a) felállította az atommag neutron-proton modelljét;

b) megmagyarázta a radioaktivitás jelenségét;

c) megmagyarázta a nukleáris láncreakció mechanizmusát;

d) felállította az atom magmodelljét.

(2 pont) Milyen mag keletkezik a radon

magjának α-bomlása során?

3. (3 pont) Hány radonatom marad a mintában 280 s múlva? A radon-220 felezési idejét tekintsétek 56 s-nak!

3. feladat A foszfort

elsőként a Joliot-Curie házaspár állította elő alumínium

sugárzása által.

1. (1 pont) Hány neutront tartalmaz az alumínium

atommagja?

a) 13; b) 14; c) 27; d) 40 2. (2 pont) A

foszfor B+-radioaktív. Milyen részecske keletkezik atommagjának

hasadása során?

a) elektron; b) neutron; c) proton; d) pozitron 3. (3 pont) Mekkora a foszfor

atommagjának kötési energiája?

4. feladat. Egy uránatom

két hasadványra történő szétesése eredményeként

közel 200 MeV energia szabadul fel.

1. (2 pont) Milyen részecskék repülnek ki az uránmagból az említett hasadás alkalmával?

a) elektronok; b) neutronok; c) protonok; d) pozitronok

2. (2 pont) Egy hasadás alatt mekkora tömeg alakul át energiává? a) я 0,2 a.t.e.; b) я 4,1 a.t.e.; c) =49 a.t.e.; d) я 38 a.t.e.

(2 pont) Mekkora energia szabadul fel az atomreaktorban az említett izotóp 19 grammjának „elégésekor”?

Válaszaitokat hasonlítsátok össze a könyv végén található megoldásokkal! Jelöljétek meg a helyes válaszokat, és számoljátok össze a megszerzett pontokat! Az eredményt osszátok el kettővel! Az így kapott szám megfelel a tanulmányi eredményeteknek.

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev

 




^