Fyzika elementárních částic

elementární částice ? reálně existující objekt se skupinou vlastností, které se nemění při dějích jimiž tento objekt prochází. Ke zkoumání elementárních částic je zapotřebí zdrojů vysokého množství energie, jako je třeba kosmické záření, nebo urychlovače částic.
spin – vlastní moment hybnosti částice. Udává se v jednotkách Planckovy konstanty. Částice s poločíselným spinem se nazývají fermiony, s celočíselným bosony.
neutrino – je elektricky neutrální elementární částice patřící mezi leptony, s poločíselným spinem, stabilní. Předpokládá se klidová hmotnost rovná nule. Experimentálně se ověřuje možnost nenulové klidové hmotnosti. Neutrino při průchodu látkou s látkou slabě interaguje.
mezony -hadrony s celočíselným spinem (bosony); nestabilní, středně těžké elementární částice. Mezi mezony patří piony a kaony.
pion ? mezon p – nábojový triplet mezonů, mající náboje -e, 0, +e. Má nulový spin a klidovou energii asi 1,4.108 eV.
pozitron – b+ – e+ – kladně nabitá antičástice k elektronu. Při srážce pozitronu s elektronem vznikají fotony (anihilace).

základní rozdělení elementárních částic (podle klidové hmotnosti):
m název

0 Fotony

140 Leptony

Mezon p – pion
Mezon K – kaon

Baryony
3000 Hadrony

Zkoumání existence elementárních částic a jejich vlastností

Elementární částice jsou základní hmotné objekty tvořící látku nebo pole. Vyskytují se v kosmickém záření nebo jsou produkované v urychlovači. Každá elementární částice je charakterizována klidovou hmotností, klidovou energií, elektrickým nábojem, dobou života, spinem, magnetickým momentem, podivností, hypernábojem a izospinem T . Počet objevených elementárních částic neustále vzrůstá. Ke dnešnímu dni jich známe již několik set. Nukleony, protony, neutrony, mezony, piony apod. se zkládají ze subelementárních částic zvaných kvarky.

Působení těchto částic přirozeně nelze pozorovat smysly a proto je musíme zkoumat pomocí různých detektorů.

Nejdůležitějším detektorem je Geiger-Müllerův počítač.
V trubici naplněné plynem je katoda a anoda z tenkého drátku. Mezi nimi je udržováno elektrické pole (1000-1500 V). Částice, která trubicí proletí, ionizuje plyn, přitom se uvolní několik elektronů a ty jsou urychleny elektrickým polek k anodě. Tam získají další energii a ionizují další molekuly plynu. Po lavinovém zesílení proudu projde obvodem proudový impuls. Napětí na rezistoru klesne a tím skončí ionizace. Z toho lze usuzovat o přítomnosti částic.

Dalším detektorem je mlžná komora.
Jedná se o malou komoru, v níž jsou umístěny kapaliny jako C2H5OH a nebo H2O. Tyto kapaliny se uvedou do sytého stavu, protože tak dobře kondenzují. Projde-li komůrkou částice, ionizuje plyn, a ionty plynu pak vytvoří kondenzační jádra, na kterých se bude kondenzovat kapalina v malých kapičkách. A protože kapičky kapaliny jsou okem pozorovatelné, můžeme určit i dráhu částice.

Bublinková komora je modernější. V teto komoře je také umístěna kapalina, třeba tekutý vodík, která se uvede do stavu teploty téměř pod bodem varu. Kde potom kapalinou projde částice, vytvoří se bublinka. Tímto měřením se dá určit i druh částice.

Urychlovače částic mají význam pro výzkum vlastností částic při jaderných reakcích. Jsou to zařízení pro získávání svazků nabitých částic (elektronů, protonů, iontů) s energií vyšší než 105 eV. Částice se pohybují v trubici vyčerpané na ultravysoké vakuum a jsou urychlovány elektrickým polem (statickým, vysokofrekvenčním). Urychlovače se dělí na lineární a kruhové, kde je dráha částic zakřivena kolmým magnetickým polem. Urychlené částice se srážejí buď s jinými částicemi v pevném terči, přičemž mohou vytvářet sekundární svazky (gama záření, neutronů apod.) nebo s protiběžným svazkem (vstřícné svazky). Široké je užití například při výzkumu interakcí elementárních částic a atomových jader.

Urychlovače částic mohou vytvářet sekundární svazky, také tzv. mezonů , což jsou středně těžké elementární částice.
Mezi mezony patří piony a kaony. Existenci těchto částic předpověděl v roce 1935 japonský fyzik H. Yukawa. Mezony zprosředkovávají působení jaderných sil.

Elementární částice se vyvíjejí, zanikají a vznikají.
rovnice přeměny neutronu na jiné částice:

n ? p + e- + ue

V tomto vztahu je n ? neutron, p ? proton, e ? elektron a ue ? je antineutrino
Poločas přeměny neutronu je asi 12 minut. T @ 12 min.

Při srážkách elektronů s pozitrony, což jsou kladně nabité antičástice k elektronu, vznikají vznikají fotony (g) Tomuto procesu se říká anihilace. (Elektron e- se značí také jako b- a pozitron e+ zase jako b+.)
e- + e+ ? g + g + (g)

Při všech reakcích elementárních částic platí zákon zachování energie. Zachovává se při nich i relativistická hmotnost :
Dm = DE / c2

vlastnosti elementárních částic
klidová hmotnost m0
Existují 2 způsoby, jak se dá změřit:
a) Dá se vyvodit z produktů rozpadu
b) Dá se vyvodit aplikací Zákonů zachování

platí obecný vzorec:
X = Xa + Xx = Xy + Xb = X˘

Kdy za X si můžeme dosadit:
a) p (Zákon zachování hybnosti)
b) m (Zákon zachování hmotnosti a energie)
c) A (Zákon zachování počtu nukleonů)
d) Z (Zákon zachování elektrického náboje)

klidová energie E0

elektrický náboj
Elektrický náboj elementární částice je násobkem elementárního náboje.
Qj=Z*e, kdy e @ 1,602*10-19 C.

doba života
zákon radioaktivní přeměny:
radioaktivní přeměna (radioaktivní rozpad) – samovolná jaderná přeměna provázená emisí částic (alfa zářením,
beta zářením, gama zářením), při které se mění vlastnosti jádra (obsah nukleonů, energetický stav).

N1 = N0 . e-l t
T= ln2/l @ 0,693/l

N0 počet jader v čase 0 sekund. N1 je počet jader v čase t. l je v tomto případě rozpadová konstanta T je poločas
rozpadu. e je Eulerovo číslo.

Aktivita zářiče
což je počet radioaktivních přeměn za 1 sekundu, má značku A a jednotku SI 1 Bq (Becquerel).
Aktivita se vypočítá ze vztahu:

At = A0 . e -l t

Aktivitu 1 Bq by mělo určité množství radionuklidu, ve kterém by proběhla 1 přeměna za 1 sekundu.

Eulerovo číslo
značka e – transcendentní číslo, které je základem přirozených logaritmů. Eulerovo číslo je součtem nekonečné
řady 1 + 1/1! + 1/2! + 1/3! + …. Přibližná hodnota je 2,718 281 828 459 ….

spinové číslo ? spin
Částice s poločíselným spinem se nazývají fermiony a dělí se na Baryony, Nukleony, Hyperony, Kaony etc. Všechny tyto částice se řídí Paulliho vylučovacím principem.
Paulliho vylučovací princip
V určitém stacionárním stavu atomu určeném kvantovými čísly n, l, m se mohou současně nacházet nejvýš 2
elementární částice.
Částice s celočíselným spinem se nazývají bosony a jsou to mezony. Tyto částice se neřídí Paulliho vylučovacím principem.

magnetický moment
Magnetický moment nemá ve fyzice elementárních částic nic společného s elektrickou energií, protože se vyskytuje i u neutronu, jehož náboj je roven nule.

zobecnělý náboj
To je jedna ze zvláštních vlastností elementárních částic, která hodnotí vlastnosti silového pole okolo částice.

Typy interakcí (vazeb) mezi částicemi
1.) Nejsilnější jsou síly mezikvarkové síly, jejichž vazební energie se pohybuje kolem hodnoty neuvěřitelných 1 GeV =109 eV.
2.) Jen o trochu slabší jsou jaderné síly mezi nukleony v atomovém jádře. Dosahují hodnot 1 MeV = 106 Mev.
3.) Elektromagnetická interakce (elektrická síla) působí mezi všemi částicemi s elektrickým nábojem (elektrony, pozitrony atd.). Tyto síly už dosahují pouze ne o moc více než 10 eV.
Jejich součástí jsou Vazby chemické mezi jednotlivými atomy, které jsou ještě slabší. (Např. Vodíkové můstky) ? 1 eV.
4.) Ještě slabší jsou vazby interakce při radioaktivních přeměnách.
5.) Nejslabší (poměrově) je gravitační interakce.
(1 a 5 nepatří do přehledu vazeb mezi elementárními částicemi, ale to nevadí.)

podivnost
Značí se s. Pokud s=0 tak je částice nepodivná. Tato vlastnost vyjadřuje neochotu částice k reakcí teoreticky docela dobře možným. Podivnost se dědí a zachovává při reakcích podivných částic a dokonce i z reakce dvou částic nepodivným může vzniknout částice podivná.

hypernáboj
Hypernabitá částice je ještě podivnější než normální. Zde se podivnost úplně vymyká chápání.

izospin T
Tato vlastnost vyjadřuje poměr dvou částic, které mají stejné interakční vlastnosti, ale rozdíl náboje jadených sil P a N.

Kvarková teorie
Kvarky jsou hypotetické subelementární částice, ze kterých jsou tvořeny elementární částice. Drží je pohromadě gluonové pole. Kvarky mají vlastní náboj, který je (jak jinak) násobkem elementárního náboje.
Při náboji kvarku ˝ e je subelementární částice nepodivná, při náboji ?2/3e také, ale při náboji ?1/3e už je její podivnost zapsána hodnotou ?1. To už je podivné samo o sobě.
Kvarky jsou v takzvaném infračerveném vězení. Čím více jim dodáváte energii, tím více drží pohromadě v gluonovém poli. Chovají se přesně opačně než elementární částice. Také pro ně platí, že čím více jsou kvarky od sebe vzdálené, tím větší je síla gluonového pole.

vlastnosti kvarků
vůně
má bodové stavy kvarků d, u, s
šarm (půvab)
značí se ch