2.3.9 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 4 (Fizika.KTU.2009)

8/7/2019 2.3.9 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 4 (Fizika.KTU.2009)

1/23

Dalels ir antidalels.

Pagal i dien samprat neturinios vidins struktros (infrastruktros), t.y. nedalomos,dalels vadinamos elementariosiomis dalelmis.

Visos dalels apibdinamos tam tikru charakteristik rinkiniu. J skaiius virija 10.

Paios svarbiausios mas, vidutin gyvavimo trukm, sukinys, elektrinis krvis irmagnetinis momentas.

Elektronas, protonas, fotonas ir neutrinai yra absoliuiai stabilios dalels ( =) jvirsmai eksperimentuose neuregistruoti.

Beveik visoms dalelms bdingos dvi fundamentalios savybs:

1) j savitarpio virsmai ir 2) dalel turi porinink antidalel.

Antidaleli egzistavim 1931 m. numat P.Dirakas. I jo reliatyvistins redingeriolygties sprendini sek, kad dalels ir antidalels mas, gyvavimo trukm ir sukinysyra vienodi.

Taip pat vienodi elektrinio krvio ir savojo magnetinio momento moduliai,taiau j enklai yra prieingi.


2/23

Dalels ir antidalels. J atsiradimas.

Mass m antidalel galima gauti apaudant taikin didels energijos dalelmis.

Pavyzdiui, elektron e ir jo antidalel e+ pozitron danai gauna vitinant elektrintdalel X (pvz., branduol), ne maesns kaip W=1.02 MeV energijos gama fotonais

Pirmj antidalel, pozitron, 1932 m. aptiko K. Andersonas, tirdamas kosminispinduli pdsakus Vilsono kameroje.

1955 m. Berklio (JAV) laboratorijoje protonais apaudant W = 6.3 GeV vario taikin,pastebtas antiprotono susidarymas.

1957 m. toje paioje laboratorijoje buvo gautas antineutronas antidalel neutronui.


3/23

Dalels ir antidalels. J anihiliacija.

Pozitronas aplinkoje, kur yra daug elektron, gyvuoja neilgai.

Suartjus su elektronu, jie abu inyksta ir virsta gama fotonais.

is procesas, eksperimentikais patvirtintas 1913m. F. olio ir . Tibo, vadinamasanihiliacija arba imediagjimu.

ios poros anihiliacija vyksta pagal itoki schem:

t.y. anihiliuojant atsiranda du, reiau trys, gama fotonai.

Elektrono ir pozitrono bendra energija 2mc2 virsta elektromagnetins spinduliuotsenergija 2h.

Teigiamo piono + antidalel yra neigiamas pionas .

Taiau kai kurios dalels yra tapatingos savo antidalelms.

Tokie yra fotonai, neutrals pionai 0

ir eta mezonai.


4/23

Dalels ir antidalels.Antimediagos samprata ir jos egzistavimo galimyb.

Antimediaga.

Teorikai tiktina hipotez, kad i antidaleli galima sudaryti materij, kuri pavadinkimeantimediaga.

Tuomet antiatomas tai i antiproton ir antineutron sudarytas antibranduolys ir apie jskriejantys antielektronai, t.y. pozitronai.

Pirmj antibranduol antideutron 1965 m. uregistravo JAV laboratorijoje.

1969 m. Serpuchovo (Rusija) proton greitintuve aptiktas izotopo antibranduolys.

Kadangi atomai ir j antiatomas anihiliuoja, tai ems slygomis jie gyvuoja trumpai irstebimi tik didels energijos greitintuvuose.

Atomo ir antiatomo energinis spektrai yra tapats. Todl antiatomo ispinduliuotasantifotonas yra tapatus atomo ispinduliuotam fotonui, nes fotonas yra tikrai neutralidalel.

Taigi, jei kur nors Visatoje ir egzistuoja antimediaga, j spektroskopikai aptiktinemanoma.


5/23

Subatomini daleli skirstymas: fotonai, leptonai, mezonai, barionai

Dalels, kuri mas maesn u atomo mas, vadinamos subatominmis.

Dabar inoma daugiau kaip 350 toki daleli.

Jos pagal j mas suskirstytos 4 grupes: fotonus, leptonus, mezonus ir barionus.

Fotonai tai viesos greiiu sklindantys elektromagnetinio lauko energijos kvantai.J rimties mas m0=0.Jiems bdingas sukinys ir jo kvantinis skaiius s=1, todl fotonai yra bozonai.Jiems negalioja Paulio draudimo principas.

Lepton grupei priklauso elektronai, miuonai, taonai, vairi ri neutrinai ir vis idaleli antidalels.

Jos yra nepasiyminios stiprija sveika dalels.

Visi leptonai dalyvauja silpnojoje sveikoje, o elektrintieji dar ir elektromagnetinje.

Vis lepton sukinio kvantinis skaiius s=1/2, todl jie yra fermionai.ioms dalelms galioja Paulio draudimo principas.


6/23


Lepton grupei priklauso:

1. Elektronai,

2. Miuonai dalels turinios tok pat krv, kaip elektrono, taiau 206.8me mass.Miuonai yra teigiamo + ir neigiamo - krvio. J gyvavimo trukm ~ 2.2*10 -6 s.Kitomis dalelmis jie virsta pagal schemas:

3. Taonai - kitaip vadinamas tau-leptonu. Dalel, turinti analogik elektronui krv,taiau 3487me mass. Miuonai yra teigiamo + ir neigiamo - krvio

J gyvavimo trukm ~ 3.4*10 -13 s.

Taonai gali virsti elektronu, neigiamu miuonu ar pionu, visuose virsmuose susidarotau neutrinas ar antineutrinas.

Todl Lepton yra 6 dalels ir atitinkanios joms 6 antidalels.

~

++ ++e

e

++ e

e

~


7/23


Lepton skaiius yra nedidelis j iviso 6.

Trys j yra elektrinti: elektronas , mionas ir taonas . Kiekvienai iai daleleiatitinka ir neutrali dalel: elektroninis neutrinas , miuoninis neutrinas ir taoninisneutrinas .

Taigi yra trys lepton eimos (kartos) trys leptoniniai dubletai: elektroninismiuoninis , taoninis .

Kiekvienam daleli dubletui atitinka antileptoninis dubletas: , ir .


8/23


Dalels, dalyvaujanios stipriojoje sveikoje, vadinamos hadronais.

Taiau visi hadronai dalyvauja darsilpnojoje ir elektromagnetinje sveikoje.Hadron grup yra pati gausiausia. J (su antidalelms) yra daugiau nei 300 daleli.

Skiria stabilius (tiksliau metastabilius) ir nestabilius hadronus.

Stabilij hadron vidutin gyvavimo trukm >> 1023 s,o nestabilij (jas vadina rezonansais) ~ 1023 - 1024 s.

Tolimesn daleli klasifikacija atliekama pagal j sukin ir priklausym statistikoms.

Hadronai, kuri sukinys yra sveikas, vadinami mezonais, o jei pusinis barionais.

Tokiu bdu yra stabils mezonai ir stabils barionai, o taip pat mezoniniai rezonansaiir barioniniai rezonansai.

Taigi, mezonai yra bozonai, o barionai fermionai.


9/23


Mezonais vadinamos tokios nestabilios dalels, kuri rimties mas didesn neielektron, bet maesn negu nukleon.

Mezonai skirstomi pionus, kaonus ir eta mezonus.

Pionai dalels, turinios elektrono ar pozitrono krv arba neutrals. Sukinio neturi.+ ir mas 273 me, gyvavimo trukm = 2.6*10-8s, o 0 264 me ir =0.8*10-8 s.

Kaonai K mezonai arba sunkieji mezonai. Yra elektringieji (K+, K-) ir neutralieji (K0).Jie skiriasi gyvavimo trukme ir virsm schema.Elektringj kaon mas mK=996.3me, o neutralij mKo=974.5me.Dl silpnosios sveikos jie suskyla pionus ir leptonus arba tik leptonus.

Eta mezonas dalel, kurios mas m=1074me, o gyvavimo trukm 10-19s.Jie suskyla pionus ir gama fotonus.


10/23


Barion grupei priklauso sunkios dalels, dalyvaujanios visose fundamentaliosiosesveikose.

J sukinio kvantinis skaiius yra pusinis, todl jie yra fermionai.

Svarbiausi barionai yra dviej tip nukleonai ir hiperonai.

Nukleonai protonai ir neutronai.

Hiperonai nestabilios dalels, kuri rimties mas didesn u nukleon.

Yra septynios besiskiriani mase ir kai kuriomis kitomis savybmis hiperon rys:

1. Liambda hiperonai (L),2. Sigma hiperonai (+, , 0),3. Ksi (, +) hiperonai,4. Omega () hiperonai.


11/23


Hadron

klasifikacija


12/23

Subatomini daleli skirstymas: fotonai, leptonai, mezonai, barionai(svarbiausi atstovai ir j svarbiausios charakteristikos: rimties mas, elektros krvis, sukinys, stabilumas).

Bendroji klasifikacija pagal gyvavimo trukm ir daleli mas (be foton).

Rodyklmis parodytos suirimo kryptys, t.y. kokias daleles suyra.


13/23

Kvark samprata

Subatomini daleli elementarumo problema ikilo tuomet, kai buvoatrasta daug hadron.

iuo metu manoma, kad tik fotonai ir leptonai nepasiymi vidine struktra ir yraelementars (fundamentals), o hadronai yra sudaryti i struktrini daleli, kuriosvadinamos kvarkais.

Patys kvarkai bandymais neaptikti. Ikelta hipotez, jog didjant atstumui tarp kvark,j sveikos energija spariai didja ir neleidia kvarkams isilaisvinti i hadron.

Todl manoma, kad kvarkai laisvajame bvyje neegzistuoja ir juos tiesiogiai registruotinemanoma.


14/23

Kvark samprata

Taiau kvark egzistavimas yra grindiamas tokiomis prielaidomis:

1. Dauguma hadron yra rezonansai, t.y. labai nestabilios dalels.

2. Didels energijos (> 5 GeV) elektron sklaida hadronais parod, kad hadron mas

pasiskirsiusi netolygiai, o diskreiai labai maose j trio srityse. ios sritysvadinamos partonais. Partonin hadron sandara yra panai branduolionukleonin sandar.

3. Sklaidos eksperimentai parod, kad nukleon elektrinis krvis ir magnetinismomentas taip pat pasiskirst netolygiai, o nuo nukleon centro j ioreksponentikai maja.

T.y. vis hadron mass ir krvio netolyg pasiskirstymas erdvje ir tai, kad jie gali suirti,rodo, kad turi vidin struktr. T.y. hadronai nra elementarios dalels.


15/23

Kvark samprata ir svarbiausios j charakteristikos

Kvarkus apibdinantys dydiai (kvantiniai skaiiai) apibdinamihadronams priskirtais kvantiniais skaiiais:

1. Sukiniu J,2. Barioniniu krviu B,3. Elektriniu krviu Q,4. Izotopiniu sukiniu T,5. Keistumu S,

6. avumu C,7. Graumu b,8. Tikrumu t .

Kvarkai yra fermionai, j mas nelygi nuliui.

Kvark elektrinis krvis yra:

barioninis krvis .

Kiekvien mezon ir nukleon pagal i teorij galima aprayti kvark sandara.


16/23

Kvark samprata

Kvark charakteristikos:

Atskleidus kvarkin hadron sandar, stipriosios sveikos neiklio piono prigimtis buvopatikslinta.


17/23

Keturi fundamentalij sveik tipai:gravitacin, silpnoji, elektromagnetin ir stiprioji.

Visus procesus, kuriuose dalyvauja dalels, slygoja j sveika arba sveikos jgos.

Sveikomis taip vadinami Visatoje egzistuojani jg lauk tipai.

Sveik tipai. Gamtoje inomos keturios fundamentalios sveikos:

1. stiprioji,2. elektromagnetin,3. silpnoji ir4. gravitacin.

Manoma, kad gamtoje egzistuoja viena-pirmin sveika, i kurios atsiranda visosketurios. Esant superdidelms energijoms erdvje, kas vyko Didiojo Sprogimo metu,visos keturios jgos buvo susijungusios vien ir palaipsniui vstant Visatai atsiskyr.


18/23

Keturi fundamentalij sveik tipai:gravitacin, silpnoji, elektromagnetin ir stiprioji.Pagrindins j charakteristikos (stiprumo konstanta, siekis ir vaidmuo gamtos reikiniams).

Stiprioji sveika bdinga dalelms, kurios vadinamos hadronais. Geriausiai inomas j

pasireikimas branduolins jgos, kurios slygoja branduoli susidarym.

Elektromagnetin sveika pasireikia tarp elektring daleli (pvz., dviej elektron irt.t.). Tai plaiausiai pasireikianti ir geriausiai itirta sveika.ios sveikos pavyzdys Kulonins jgos, slygojanios atom susidarym.Nuo j priklauso kn makroskopins savybs, daleli atsiradimas ir j anihiliacija,

Komptono ir kt. sklaidos ir t.t.

Silpnoji sveika bdinga visoms, iskyrus fotonus, dalelms. Geriausiai inomas jospasireikimas atom branduoli beta virsmai ir nestabili daleli irimas. Silpnojisveika yra vienintel gamtos jga, ardanti branduolius ir daleles.

Gravitacin sveika yra universali, t.y. bdinga visiems Visatos knams, pasireikiantikaip visuotins traukos jga.Gravitacin sveika slygoja vaigdi, planet sistem egzistavim, taiau bdamalabai silpna, mikrodaleli pasaulyje nepasireikia.

Viena sveika nuo kitos skiriasi sveikos stiprumo konstanta , veikimo siekiu R ,sveikos trukme t.


19/23


Sveikos stiprumo konstanta .

Sveik dydis skaiiuojamas bdingam atstumui, kuris prilyginamas sveikaujanidaleli komptoniniam bangos ilgiui: t.y.:

Sveikos stiprumas apibdinamas itaip: dydis lygus dviej daleli, nutolusiatstumu , sveikos energijos W() ir dalels rimties energijos mc2 santykiui:

Fundamentalij sveik stiprumai yra lygus:

ia apatiniai indeksai sveik simboliai: S- stipriosios (strong), Eelektromagnetins(electromagnetic), W- silpnosios (weak), G- gravitacins (gravitational).

Palyginkinte skirting sveikos tip stiprum.


20/23


Sveik siekis R.

Ji sieja su sveikos energijos priklausomybe nuo nuotolio tarp daleli R.

Silpnoji ir stiprioji sveikos didjant nuotoliui labai spariai (eksponentikai) maja.

Todl jos pasireikia mauose nuotoliuose, o j siekis yra baigtinio dydio.

Prieingai, elektromagnetins ir gravitacins sveik siekiai yra begalinio dydio(R=) - didjant nuotoliui tarp daleli ios sveikos maja ltai (kaip 1/r).

Stipriosios ir silpnosios sveik sieki verts nustatomos i eksperimentini duomen juos prijung, tursime itokias sieki vertes:


21/23


Sveik trukm .

ios sveikos prasm yra slygin. Sveikos trukm lygi minimaliam dalels gyvavimolaikui, kuris priklauso nuo sveikos, dl kurios dalel suyra, stiprumo.

is dydis lygus laiko tarpui, per kur sveikos neiklis greiiu vperlkia dalel:

Daleli greitis artimas viesos greiiui c, o daugumos daleli spindulys ,tai dydis apytiksliai lygus .

Ltesni daleli tas laikas didesnis. iaip sveikos laikas nra konstanta ir priklausonuo dalels ir jos energijos. Apibendrinus vairi daleli gyvavimo laikus, gautos tokiosvidutins sveik trukms verts:

Skirting sveik dydi santykis apytiksliai lygus i sveik dydiatvirktiniam santykiui.

Taigi stiprioji sveika pati greiiausia, o silpnoji liausia.


22/23


Fundamentali daleli vairi sveika aikinama j tarpusavio kaita specifinmisdalelmis sveikos virtualiniais neikliais:

1. Gliuonais - ms dien fizikos poiriu, stipriosios sveikos neikliais laikomi nepionai, o j sudaromosios dalels - gliuonai.

J yra atuoni. Gliuon mas ir elektrinis krvis lygus nuliui. Kiekvienam gliuonui

priskiriama viena spalva ir viena antispalva. Gliuon ispinduliavusio (sugrusio)kvarko tipas (t.y. aromatas) nepakinta.

2. Fotonais elektromagnetins sveikos neikliai,

3. Tarpiniais bozonais , , visi kvarkai ir leptonai sugeria (ispinduliuoja)

tarpinius bozonus, todl silpnoji sveika pasireikia tarp vis (iskyrus fotonus) daleli.

4. Gravitonais manoma, kad gravitacins sveikos neikliai yra gravitacinio laukokvantai gravitonai G. Jie yra neutrals, j mas lygi nuliui.Spjama, kad j sukinys J=2, t.y. gravitonai yra bozonai. Daleli gravitacin sveikayra labai silpna, todl gravitonai dar neaptikti.

Neikliai taip pat esti fundamentalios dalels. Gravitonas iki iol neaptiktas.


23/23


Kaip minjome kurso pradioje materija yra sudaryta i mediagos ir jg lauk.

Apibendrinus galima teigti, jog mediagos sudtiniai elementai yra fundamentalios(elementarios) dalels:

6 aromat (ir trij spalv) kvarkai ir 6 ri leptonai.

Fundamentali daleli vairi sveika (jg lauk sudtiniai elementai) aikinama jtarpusavio kaita specifinmis dalelmis 4 sveikos virtualiniais neikliais:

gliuonais, fotonais, tarpiniais bozonais ir gravitonais.

Neikliai taip pat esti fundamentalios dalels.

Documents

2.3.9 Atomo branduolys ir jo elementariosios daleles 4 (Fizika.KTU.2009)