Cząstki i oddziaływania elementarne

1
Oddziaływanie podstawowe – rodzaj oddziaływania
występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do
innych oddziaływań.
Wyróżniamy cztery rodzaje oddziaływań (sił) podstawowych:
• oddziaływania silne
• oddziaływania elektromagnetyczne
• oddziaływania słabe
• oddziaływania grawitacyjne
2
Oddziaływania silne są odpowiedzialne za wiązania pomiędzy
kwarkami, cząstkami elementarnymi, które tworzą neutrony lub
protony oraz za wiązanie nukleonów (neutronów i protonów) w jądrze
atomowym.
Nośnikami oddziaływań silnych są bezmasowe cząstki zwane gluonami.
Zasięg oddziaływań silnych: 10-15 m (rozmiar jądra).
Oddziaływania silne są najsilniejszymi z oddziaływań elementarnych.
kwarki
proton
3
Oddziaływania elektromagnetyczne (elektryczne i magnetyczne)
odpowiedzialne min. za wiązania pomiędzy jądrem a elektronami oraz
za wiązania pomiędzy atomami i cząstkami.
Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych są fotony.
Zasięg oddziaływań elektromagnetycznych: nieskończony (1/r2).
Siła oddziaływań elektromagnetycznych: 1/137 siły oddziaływań silnych.
4
Oddziaływane słabe jest odpowiedzialne min. za rozpad beta.
Nośnikami oddziaływań słabych są masywne czątki: bozony W+ W- i Z0
Zasięg oddziaływań słabych: 10-18 m (rozmiar protonu).
Siła oddziaływań słabych: 10-13 siły oddziaływań silnych.
5
Oddziaływania grawitacyjne jest odpowiedzialne za formowanie materii
w skali kosmicznej (powstawanie planet, gwiazd, galaktyk itd.).
Nośnikami oddziaływań grawitacyjnych są grawitony (?).
Zasięg oddziaływań grawitacyjnych: nieskończony (1/r2).
Siła oddziaływań grawitacyjnych: 10-40 siły oddziaływań silnych
(najsłabsze z oddziaływań elementarnych).
6
Kwarki – cząstki elementarne
tworzące materię. Kwarki
oddziałują ze sobą za
pośrednictwem gluonów.
7
Cząstki dzielą się na fermiony (o spinie połówkowym) i bozony (o spinie
całkowitym).
Otaczającą nas materię tworzą elektrony oraz kwarki: górny i dolny oraz
neutrino elektronowe.
8
Podział cząstek elementarnych
9
Czy Wszechświat jest statyczny i
nieskończony ?
Jeśli tak to:
• Patrząc na dowolny punkt nieba
napotykamy świecącą gwiazdę
• Jasność nieba na którym widać
nieskończenie wiele gwiazd powinna
być taka jak jasnośc powierzchni
gwiazdy.
Nocne niebo nie jest jasne jak
powierzchnia gwiazdy.
Wszechświat nie jest statyczny i
nieskończony.
10
Mikrofalowe promieniowanie tła – pozostałość
po wczesnym stadium ewolucji Wszechświata
R.W. Wilson i A.A. Penziasodkrywcy mikrofalowego
promieniowania tła.
Nagroda Nobla 1978r.
George Gamow współtwórca
hipotezy Wielkiego Wybuchu.
Przewidzaił istnienie
mikrofalowego promieniowania
tła.
Widmo promieniowania tła
zarejstrowane przez satelitę COBE
oraz obserwacje Wilsona i Panzias’a
11
Fluktuacje w natężeniu promieniowania powstałego 400 tys. lat po Wielkim
Wybuchu odpowiadają obecnemu rozkładowi materii we Wszechświecie
12
Edwin Hubble odkrywca
zjawiska rozszerzania
Wszechświata
Przesunięcie ku czerwieni– zjawisko
polegające na tym, że linie widmowe
promieniowania elektromagnetycznego
docierające z gwiazd lub galaktyk są
przesunięte w stronę większych długości
fali (mniejszych częstotliwości).
Prawo Hubble’a mówi o tym, że prędkość
oddalania się galaktyk jest wprost
proporcjonalna do ich odległości.
Miarą szybkości oddalania jest
przesuniecie ku czerwieni.
Stała Hubble’a (nachylenie wykresu prędkości
oddalania od odległości):
H0=73 km/s/Mpc
(1Mpc = 106 parseka, 1 parsek= 3.086·1016 m)
13
Analogia 2D do nadmuchiwanego balonu:
Współrzędne punktów na powierzchni balonu nie zmieniają się ale jednocześnie punkty
oddalają się od siebie.
Nie ma wyróżnionego punktu od którego oddalają się wszystkie punkty.
Prędkość oddalania dwóch punktów jest proporcjonalna do odległości między nimi.
14
E
2
mv
mM
G
2
R
2
mv
mM
G
2
R
4 3
M  R  c
3
v  H0R
E>0 Wszechświat jest za mało gęsty i będzie się
rozszerzał w nieskończoność
E<0 Wszechświat jest zbyt gęsty i zapadnie się
grawitacyjnie
E=0 przypadek graniczny dla gęstości krytycznej
4
m R 3  c
G 3
R
m H 0 R 
2
3H 02
c 
 9.5 10  27 kg / m 3
8G
2
Masa atomu wodoru: 1.67*10-27 kg
Gęstość krytyczna: ok. 5 atomów wodoru w metrze
sześciennym
Gęstość Wszechświata: /c=1.020.02
Gęstość obserwowalnej materii we Wszechświecie: ok. 5%
Reszta to ciemna materia (27%) i ciemna energia (68%)
15
Zakładając, że Wszechświat rozszerza się w stałym tempie:
v  H0R
R
R
1
T 

 4.3 1017 s  1.4 1010 lat
v H0R H0
Jeżeli R jest wystarczająco duże v>c !!!
Nie jest to naruszenie szczególnej teorii względności Einsteina.
To nie obiekty oddalają się od siebie zmieniając swoje współrzędne
w jakiś układzie odniesienia – to przestrzeń się rozszerza.
Wszechświat obserwowalny- część Wszechświata, z której docierają
do nas sygnały świetlne (kula o średnicy ok. 9.3*1010 lat świetlnych).
Dla porównania: rozmiar Drogi Mlecznej to ok. 105 lat świetlnych.
16
Wielki Wybuch – koncepcja powstania
Wszechświata (przestrzeni, czasu,
materii, oddziaływania). Wedłuch tej
koncepcji Wszechświat powstał 13.8
miliarda lat temu z obszaru o
nieskończenie wielkiej gęstości (tzw.
osobliwości początkowej).
Początkowa temperatura Wszechświata:
1032K.
W miarę upływu czasu Wszechświat
rozszerza się i stygnie.
Obcena temperatura Wszechświata:
2.7K.
17
promień
Wszechświata
<1 Wszechświat otwarty:
ciągła ekspansja


c
=1 Wszechświat płaski:
spowalniająca ekspansja
>1 Wszechświat zamknięty:
Wielka Zapaść
czas
18
powstają
protony i
neutrony
powstają kwarki i
leptony
powstają jądra
powstają atomy
grawitacja
siła grawitacji
siła silna
siła słaba
jedna
siła
Wielki Wybuch
siła silna i
elektrosłaba
dwie
siły
siła elektrosłaba
trzy
siły
wiek Wszechświata (s)
siła elektromagnetyczna
cztery siły
obecny
wiek Wszechświata
19
20