Elementaarosakeste Füüsika (1)

Sisukord

• Sissejuhatus 3
  
• Elementaarosakesed 4
  
• Mateeriaosakesed 5
  
• Vaheosakesed 5
  
• Vastastikmõju 6
  
• Värv- tugeva vastastikmõju laeng 7
  
• Antiosakesed 7
  
• Kosmilised kiired 8
  
• Kiirendid 8
  
• Osakeste detektorid 9
  
• Kokkuvõte 10
  
• Kasutatud kirjandus 11
  

Sissejuhatus
Sõnal elementaarne on kaks tähendust — lihtne ja millegi koostisosa. Elementaarosakeste puhultulevad kõne alla mõlemad tähendused. Elementaarosakesteks loetakse osakesi, mis on kõigelihtsamad, st. ise enam millestki ei koosne. Samas koosnevad teised osakesed ja lõpuks kogu ainelinemateeria elementaarosakestest.
Elementaarosakeste füüsika tegeleb aine ja kiirguse vähimate osakeste - elementaarosakeste ja nendevaheliste vastasmõjudega. Seda kutsutakse mõnel juhul ka suurte energiate füüsikaks, kuna põhiliseks uurimismeetodiks on erinevate osakeste suure kiirusega toimunud kokkupõrgete tulemuste uurimine. Selleks kasutatakse suuri osakeste kiirendeid.
Enamus niinimetatud „elementaarseid” osakesi ei ole tänapäevaste teadmiste kohaselt enam elementaarsed (st. jagamatud), vaid koosnevad veel väiksematest ning eeldatavalt tõeliselt elementaarsetest osakestest ehk kvarkidest. Seetõttu on kasutusele võetud täpsustavad terminid nagu :

Subatomaarne osake- hõlmab kõiki osakesi, mis on aatomi tuumast väiksemad.

Liitosake ehk komposiitosake- hõlmab subatomaarseid osakesi, millel on avastatud sisemine struktuur ehk mis omakorda koosenvad väiksematest osakestest.

Osakeste füüsika- kasutatakse sõna elementaarosakeste füüsika asemel, kuna osad uurimisobjektid osutusid mitte- elementaarseteks.
Kaasaegse elementaarosakeste füüsika põhiküsimusteks on osakeste masside tekkemehhanismi ja Universumi olekut määrava füüsika (sealhulgas tumeda aine ja energia) väljaselgitamine.
3
Elementaarosakesed
Esimene elementaarosake, mille olemasolu XX sajandi alguses katseliselt tõestati, on elektron (e–).Veidi hiljem avastati ka ligi 2000 korda massiivsemad tuumaosakesed prooton (p+) ja neutron (no).Päikeselt tulevast kosmilisest kiirgusest leiti vahepealse massiga osakesed — mesonid. Laineosakeon footon ehk gammakvant. Tänapäeval tuntakse erinevaid elementaarosakesi üle paarisaja . Enamus elementaarosakesi on lühikese elueaga ja lagunevad varem või hiljem mingiteks teisteksosakesteks. Tuntakse vaid nelja stabiilset osakest, mis võivad vabana eksisteerida kuitahes kaua:

(valgus)laineosake ehk footon,

elektron (e–),

prooton (p+)

neutriino
Igal elemetaarosakesel on temale vastav antiosake . Teoreetiliselt ennustati, et peab eksisteerima osake, mis on kõiges elektroni vastand - sama massiga, kuid vastandmärgilise laenguga. Osakest hakati nimetama positroniks (e+). Seejärel tõestati prootoni ehk antielektroni olemasolu ka eksperimentaalselt. Tänapäevaks on aga teada, et igale elementaarosakesele vastab antiosake. Antiosakestel on kõik suurused arvuliselt võrdsed, kuid vastasmärgilised ( mass on mõlemal positiivne). Kui osake kohtub oma antiosakesega, siis mõlemad hävinevad ja vabaneb energia footoni (valguskvandi) näeol. Nimetatud nähtust nimetatakse annihilatsiooniks. Antiosakesi tähistatakse tavaliselt lainelise joonega (~).
Elementaarosakestel on mitmesugused iseloomustavad suurused. Olulisemad neid on seisumass, elektrilaeng , spinn ja keskmine eluiga. Elemetaarosakesi on palju ja parema ülevaate saamiseks tuleb neid liigitada.
4
Mateeriaosakesed
Põhiosa fundamentaalosakestest on niinimetatud mateeriaosakesed. Neid võib nimetada aine ehituskivideks, kuigi ainult väike osa neist võtab osa meile elutähtsa stabiilse aine ehitusest. Mateeriaosakeste tabel on mitmeti sümmeetriline ning ta jaguneb kaheks: leptonid ja kvargid . Kvargid on tugeva vastastikmõjuga, leptonid aga mitte. Kõik nad alluvad nõrgale vastastikmõjule. Kvarkidest koosnevad prootonid ja neutronid . Elektron on lepton. Igal mateeriaosakesel on olemas ka antiosakene. See on osakene, mille laeng on vastupidise märgiga. Näiteks elektroni antiosakene on positron , selle mass on võrdne elektroni massiga ja laeng ka , ainult plussmärgiga. Leptonid esinevad ka iseseisvalt, see tähendab vabade osakestena . Seevastu kvargid ei saa vabana eksisteerida. Nad on alati kolmekaupa ühinenud. Kvarkide arv universumis on jääv. Nad ei teki ega kao, kuid nad muutuvad üksteiseks nõrga vastastikmõju toimel. Raskemad kvargid muutuvad iseeneslikult kergemateks.
Vaheosakesed
Vaheosakesed (ka vahebosonid ing. keeles gauge bosons) on fundamentaalse jõu vahendajad. Kõik teadaolevad vaheosakesed on fundamentaalsed (teadaoleva alamstruktuurita) bosonid (nende spinn on täisarvuline). Vaheosakesed vahendavad vastastikmõju fermionide (poolearvulise spinniga osakeste) vahel. Selleks, et kaks fermioni oleks omavahel vastasmõjus, peab üks fermion kiirgama vaheosakese (enamasti virtuaalse) ja teine fermion selle neelama. Vaheosakesed on footon e valgusosake e valguskvant (puudub seisumass, ainest footoni välja kiirgamisel hakkab ta kohe liikuma valguskiirusega ühtlaselt sirgjooneliselt, suurte masside läheduses kõverdub ka valguskiire trajektoor ) ning gluoon (ei oma elektrilaengut ega seisumassi, värviline, kannab üht värvi ja üht antivärvi, põhjustab tugevat vastastikmõju). Virtuaalne osake suudab jäävaid füüsikalisi suurusi kahe ruumipunkti vahel nii üle kanda, et ta ise pole jäävuse seadusega seotud.
5
Vastastikmõju
Kõige iseloomulikumaks liigituse aluseks on jõud ehk vastastikmõju (interaktsioon), mis osakeste vahel valitsevad.
Esiteks kõige nõrgem jõud on gravitatsioonijõud. See toimib kõigi osakeste vahel vastavalt massile ja on nii nõrk, et üksikute osakeste juures pole tema toimet võimalik mõõta. Gravitatsioon hõlmab kogu mateeriat.
Teiseks elektromagnetiline jõud, mis on elektriliste ja magnetiliste jõudude ühine pere. Kõigile elektriliselt laetud osakestele on omane elektromagnetiline vastastikmõju. Sellega on seotud ka aatomitele ja makrokehadele mõjuv jõud.
Kolmandaks palju tugevamad jõud ehk tuumajõud. Need esinevad prootonite ja neutronite vahel ja on väga lühikese mõjuraadiusega. Nii prooton kui ka neutron on liitosakesed. Nad koosnevad üliväikestest liikuvatest osakestest- kvarkidest.
Tugev vastastikmõju on jõud, mis hoiab kvarke koos. See jõud on väga tugev.
Nõrk vastastikmõju on aga jõud, mis on tuhandeid kordi nõrgem kui elektromagnetiline jõud, kuid palju tugevam kui gravitatsioonijõud. Ta on lühikese mõjuraadiusega ja toimib kõigisse osakestesse peale footoni.
Nii tugeva kui ka nõrga vastastikmõju algseteks mõjuobjektideks pole mitte prootonid ega neutronid, vaid kvargid nende sees. Vastastikmõjude tugevusi ei saa täpselt võrrelda, sest nende vahekord on erinevatel kaugustel erinev.
6
Värv- tugeva vastastikmõju laeng
Kvargid on kolmekaupa koos, sest neil on lisaks elektrilaengule veel üks täiendav laeng, milles seisnebki nende tugev vastastikmõju. Tugevat laengut nimetataksegi värvilaenguks, sest nii nagu värvuste hulgas on kolm võrdväärset põhivärvust, nii on kvarkide jaoks võimalikud kolm erinevat tugevat laengut. Niisiis , värvilaengute tähistamiseks ei aita ainult kahest märgist- plussist ja miinusest, vaid vajame kolme märki. Võime nimetada neid nii: P- punane, K-kollane ja S-sinine. Nii katsed kui ka vastav teooria kinnitavad, et igas iseseisvas elementaarosakeses peab olema korraga kõik kolm erinevat värvi. Reegel on , et kõik elementaarosakesed on valged. Ka värviteleri ekraan on valge ainult siis, kui kõik värvitäpid helendavad võrdselt. Kuna üks kvark kannab korraga ainult üht värvi, siis peabki elementaarosakeses olema kolm kvarki. Kvark ei saa olla värvitu ning ei saa ka eksisteerida vabana.
Antiosakesed
Igale fundamentaalosakesele vastab oma antiosake. Need on kõiges täpselt samasuguste omadustega, ainult kõik laengud on vastavalt vastandmärgilised. Elektroni antiosake on positron, mille mass on täpselt samasuur kui elektronil , kuid elektrilaeng on positiivne, absoluutväärtuselt aga elektroni omaga täpselt võrdne. Antikvarkidele omased värvid ei lange kvarkide omadega kokku. Need on ’vastandvärvid’. Kui osake kohtub oma antiosakesega, siis nad koos ’annihileeruvad’. Antiosake saabki tekkida koos vastava osakesega. Selle kohta on seadus, et kvarkide arv miinus antikvarkide arv on jääv. Antiprooton ja antineutron koosnevad antikvarkidest. Eriti kiiresti lagunevad osakesed, kus kvark on seotud oma enda antikvargiga. Kõigi selliste osakeste üldnimeks on mesonid. Tuntumad on piimesonid ehk piionid ja K-mesoneid.
7
Kosmilised kiired
Maailmaruumis liigub mitmesuguse suurusega kehi, nagu tähed, planeedid , kuid peale selle liigub kosmoses suurte kiirustega aatomituumi ja üksikuid elementaarosakesi, mille kõigi päritolu pole päris selge. Kui kiire osake satub Maa atmosfääri, siis ta tavaliselt põrkub õhu molekuliga ja sellest põrkest võib tekkida palju erinevaid osakesi. Need omakorda tekitavad uusi põrkeid. Nii jaotub ühe primaarse osakese energia paljude osakeste vahel – tekivad osakeste kaskaadid ehk laviinid. Hulk aeglasemaid osakesi on pärit Päikeselt, need põhjustavad virmalisi Maa atmosfääri ülakihtides. Aeglased osakesed haaratakse Maa magnetvälja poolt, mille tagajärjel nad jäävad spiraalsetele orbiitidele ümber magnetvälja jõujoonte. Lähenemisel magnetpoolusele nende liikumine aeglustub ja nad suunduvad tagasi, kuni teine magnetpoolus nad jälle tagasi peegeldab. Nii nad kontsentreeruvad Maa lähedale niinimetatud kiirgusvöönditesse, ohustades kosmoselendureid ja nende aparatuuri. Need lõksupüütud osakesed on enamuses prootonid ja elektronid.
Kiirendid
Kiirendatakse laetud osakesi (elektrone ja prootoneid), vahel ka nende antiosakesi. Kiirendamine toimub kõrgvaakumis, et vältida põrkeid õhu osakestega. Kiirendi põhiosaks on pikk õhutühi toru. Kiirendamine toimub tugevas elektriväljas, raadiolaine liigub osakestega sama kiirusega. Osakesi hoiavad koos tugeva magnetväljaga magnetläätsed. Kollaideritena ehitatud kiirendites põrkuvad kaks kiirendatud osakeste kimpu, reaktsioonis vabanev energia on u tuhat korda suurem kui kiirendatud osakeste põrkamisel vastu paigalseisvat märklauda. Lineaarkiirendi on sirge kiirendi ning tsükliline ringikujuline.
8
Osakeste detektorid
Osakeste detektor on hiiglaslik ehitus, mis koosneb kümnetest eri tüüpi detektoritest. Detektorid võimaldavad osakeste trajektoore näha, pildistada ja mõõta. Üks vanemaid ja lihtsamaid meetodeid osakeste vaatlemiseks ehk detekteerimiseks on fotoplaadi kasutamine. Plaadi valgustundlikus emulsioonis tekkinud ioonid , nagu valguski, muudavad ilmutamisel plaadi vastavad kohad tumedaks. Tulemuseks on must teraline joon, mida saab vaadelda mikroskoobiga. Üleküllastatud aurus tekib ioonide ümber udupiisakeste rada. Sellel nähtusel põhinevat detektorit kutsutakse udukambriks ehk Wilsoni kambriks. Sarnase tööpõhimõttega on ka mullikamber. Suured mullikambrid on mitme kuupmeetrise mahuga. Kuna kiirendid tekitavad sadu põrkeid sekundis ja ühes reaktsioonis võib tekkida mitukümmend osakest, siis on nende jälgede analüüsimine väga töömahukas. Kui osake ioniseerib gaasi, siis muutub see veidi elektrit juhtivaks. Kui tekitada seal elektroodide abil elektrivälja, siis hakkavad tekkinud laengud elektroodide poole liikuma. Seda on lihtne mõõda. Isolatsioonikamber ei näita osakeste täpset teed, vaid registreerib ainult nende läbilennu. Isolatsioonikambris tekkinud ioonid võidakse tõmmata ka elektrivälja abil kambri põhjale asetatud traatvõrgustikule. Triivkamber annab trajektoori punktidest kaks koordinaati, kuid teda on võimalik panna ’reetma’ ka kolmandat. Selleks tuleb arvutada ioonide võrguni triivimise aeg. Nii saame aja – projektsioonikambri. Kõige moodsamad oma töö kiiruse ja väikeste mõõdete tõttu on pooljuhtkambrid. Need kujutavad endast tuhandeid pooljuhtdioode, mille pingestatud siirdes tekib ioniseeriva osakese läbilennul lühike vooluimpulss.
Detektorid paigutatakse tugevasse magnetvälja. Neutraalsed osakesed detektoris jälgi ei jäta. Fundamentaalosakeste ja vastastikmõjude süsteem kannab standardmudeli nime.
9
Kokkuvõte
Elementaarosakesed ongi need väikseimad osakesed, mille sisemise koostise kohta puuduvad andmed,kuid millest koosneb kogu mateeria.
Osakeste tuntusega on lood samasugused kui aatomituumaga: tuntum ja tavalisem on see, mis on püsiv. Me teame, et kuigi isotoopide moodustumiseks on arvutu hulk võimalusi. Looduses neid radioaktiivsuse tõttu väga palju ei leidu. Täpselt sama lugu on ka elementaarosakeste maailmas, kus suurem hulk osakesi on sellised, mis lagunevad kiiresti juba hästituntud osakesteks. Ometi on nende tundmine oluline selleks, et mõista osakeste süsteemi ja omadusi. Analoogselt ei teaks me midagi tuuma ehitusest, kui ei õpiks seda tundma kõikvõimalikke tuumareaktsioone uurides.
10
Kasutatud kirjandus

• Füüsika õpik (12.klassile) Ain Ainsaar
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Elementaarosakeste_f%C3%BC%C3%BCsika
  
• http://www.kbfi.ee/?id=19
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Vaheosakesed
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Kvark
  
• http://en.wikipedia.org/wiki/Lepton
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Antiosake
  
• http://www.annaabi.com/otsing-antiosakesed
  
• http://www.hot.ee/osakesed/3x5.html
  

11