Referaat: Elementaarosakeste füüsika (0)

Häädemeeste Keskkool
Elementaarosakeste füüsika
Referaat
Koostaja : Tiiu Hanson
Häädemeeste 2010
Sisukord
Sissejuhatus.................................................................................................................................3
Vastastikmõjud............................................................................................................................4
Mateeriaosakesed........................................................................................................................4
Värv – tugeva vastastikmõju laeng.............................................................................................4
Antiosakesed...............................................................................................................................5
Vaheosakesed ..............................................................................................................................5
Kosmilised kiired........................................................................................................................6
Kiirendid .....................................................................................................................................6
Osakeste detektorid.....................................................................................................................6
Kasutatud kirjandus.....................................................................................................................8
Sissejuhatus
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 nn. 'elementaarseid' osakesi ei ole tänapäevaste teadmiste kohaselt enam elementaarsed (st. jagamatud), vaid koosnevad veel väiksematest (ja eeldatavalt tõeliselt elementaarsetest) osakestest - kvarkidest. Seetõttu on kasutusele võetud täpsustavad terminid nagu:
* subatomaarne osake - mõiste, mis hõlmab kõiki osakesi, mis on aatomi tuumast väiksemad.
* liitosake, ehk komposiitosake - mõiste, mis hõlmab subatomaarseid osakesi, millel on avastatud sisemine struktuur, ehk mis koosnevad omakorda väiksematest osakestest.
* osakeste füüsika - mõiste mida kasutatakse sõna elementaarosakeste füüsika asemel, kuna osad uurimisobjektid osutusid mitte-elementaarseteks.
Elementaarosakeste eesmärgiks on elementaarosakeste süstematiseerimine ja eri vastastikmõjusid ühendav teooria.
( http://et.wikipedia.org/wiki/Elementaarosakeste_füüsika )
Vastastikmõjud
Vastastikmõjud looduses:
* Gravitatsiooniline vastastikmõju. Oma olemuselt universaalne, gravitatsioonile alluvad kõik kehad. Väljendub kehade tõmbumises
* Elektromagnetiline vastastikmõju. Gravitatsioonilisest vastastikmõjust tugevam. Toimib elektriliselt laetud kegade vahel.
* Tugev vastastikmõju. Tuumasisene mõju. Eletromagnetilisest oluliselt tugevam
*Nõrk vastastikmõju. Põhjustab aatomituumade lagunemist väga väikestel kaugustel. Nõrgem kui elektromagnetiline ja tugev vastastikmõju.
( http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:NJeG01OkbEJ:www.hwg.edu.ee/include/upload/Elementaarosakesed_12_klass.pdf+elementaarosakeste+vastastikm%C3%B5jud&hl=et&gl=ee&pid=bl&srcid=ADGEESisxMYZVQPmdkGCrONJXo9tqbeszdIOAO9K19kL2WpvS2UCTvZ_yVZAmkpf4oeJbAp1aHJ_F3FiEfuhKhQ1UEmtq_jSjtO38Qcx83osk4Bb8djbD5xk43-9ghd1uky41-NPrGm&sig=AHIEtbTBjbaPZqd9Ty-Ioxg9VK_WRxBKbw )
Nii tugeva kui ka nõrga vastastikmõju algseteks mõjuobjektideks pole mitte prootonid ja neutronid , vaid kargid nende sees. Vastastikmõjude tugevusi ei saa täpselt võrrelda, sest nende vahekord on erinevatel kaugustel erinev.
Mateeriaosakesed
Põhiosa fundamentaalosakestest on nn. Materiaalosakesed. Mateeriaosakesed jagunevad kaheks : leptonid ja kvargid . Kvargid on tugeva vastastikmõjuga osakesed, leptonid mitte. Kõik nad alluvad nõrgale vastastikmõjule, elektronmagnetilist vastastikmõju iseloomustab elektrilaeng. Leptonid võivad esineda iseseisvalt, s.t. vabade osakestena. Seevastu kvargid ei saa vabana eksisteerida. Nad on alati kolmekaupa ühinenud. Kvarkide arv universumis on jääv. See tähendab, et nad ei teki ega kao. Nad vaid muutuvad üksteiseks nõrga vastastikmõju toimel. Raskemad kvargid muutuvad iseeneslikult kergemateks, s.o. u- ja d- kvarkideks nii, et eraldub, lepton ja vastav antineutriino. (Ainsaar, Ain ; „Füüsika XII klassile“ , Tallinna Raamatutrükikoda, 1996)
Värv – tugeva vastastikmõju laeng
Värvilaeng on kvarke ja gluuoneid iseloomustav kvantarv , mis on mõneti sarnane elektrilaenguga. Värvilaengut omavad osakesed mõjutavad teineteist läbi tugeva vastasmõju. See on kõige tugevam jõud looduses ning hoiab kvarke koos liitosakestes (hadronites). Värvilaengut, selle omadusi ning tugevat vastasmõju kirjeldab füüsikateooria kvantkromodünaamika.
Värvus on kvargi omadus, millel pole absoluutselt mitte midagi pistmist silmaga nähtava värvusega. Mõistet värvus kasutatakse lihtsalt tugevale vastasmõjule reageeriva laengu omaduste näitlikustamiseks (kolm põhivärvi, mille ühendamisel saame valge värvuse). Erinevalt elektrilaengust (mida on üks) on värvilaengut kolme liiki - punane, sinine ja roheline. Igale värvile vastab tema antivärvilaeng - antipunane, antisinine ja antiroheline. Iga kvark omab ühte värvi ning iga antikvark antivärvi. Neutraalne , ehk valge on kvarkidest koosnev liitosake siis, kui ta koosneb kolmest kvargist, mis on igaüks ise värvi (selliseid osakesi nimetatakse barüonideks) või kvargist ja antikvargist, mis on sama värvi (antikvark siis antivärvi). Selliseid osakesi nimetatakse mesoniteks. Tulenevalt kvantkromodünaamika järeldustest peavad kõik vabalt eksisteerivad osakesed olema valged. ( http://et.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4rvilaeng )
Antiosakesed
Antiosake on elementaarosakese vastasosake, mille elektrilaeng ja teised kvantarvud on vastupidise märgiga (osake on omakorda antiosakese jaoks vastasosake). Antiosakese seisumass on osakese massiga võrdne. Antiosakese omadused ja käitumine on analoogilised vastava osakesega. Näiteks võib antiprooton ühineda positroniga (antielektroniga) ja moodustada antivesiniku antiaatomi. Antiaatomid võivad jälle moodustada antiaine ning antiainest võib koosneda terve universum või universumi osa. ( http://et.wikipedia.org/wiki/Antiosake )
Kui osake kohtub oma antiosakesega, siis nad koos „annihileeruvad“, s.o. kaovad nii, et kogu nende mass muutub puhtaks energiaks – footoniteks. Seejuures võib sekka tekkida ka kergemaid osakese – antiosakese paare.. Enamikul osakestes on olemas tema antiosake. Praegu teadaolevalt on ainult footon (ja (teoreetiliselt ka graviton) ilma antiosakeseta. Mõningate osakeste puhul on tema antiosake osakesest eristamatu. Sellised on näiteks kõik mesonid , mille koostises on sama kvargi kvark-antikvark paar.
Vaheosakesed
Tavaline footon kannab energiat ja impulssi kindlas seoses ja vastavalt liikumise suunale, „ebatavaline“ aga suudab jäävaid füüsikalisi suurusi kahe ruumipunkti vahel nii üle kanda, et ta ise pole jäävuse seadustega seotu. Niisugused vahendavad virtuaalsed osakesed on omased kõigile vastastikmõju liikidele. Tugevat vastastikmõju vahendavad kvarkide vahel gluuonid . Gluuoneid on kaheksa erivenat tüüpi, neist ühelgi pole seisumassi ega elektrilaengut, kuid neil ei puudu tugev laeng. Teisiti öeldes , nad on „värvilised“.
Seega on nt prootonis nii kvargid kui gluuonid, kuid kvarke on laati kolm, igal hetkel kolme erinevat värvi, gluuonite arv pole määratud, nad aina tekivad ja kaovad, vahetades kvarkide värve.
Nõrga vastastikmõju vaheosakesi on reaalsete osakestena tekitatud ainult kõige suuremate kiirendite abil. Nad on ebastabiilsed ja lagunevad kiiresti.
Kosmilised kiired
Kosmosest langeb Maale pidevalt osakesi. Primaarses ehk esmases kosmilises kiirguses on kõige rohkem prootoneid, teiseks heeliumi tuumi, ülejäänud on põhiliselt raskete elementide tuumad. Peale selle on maailmaruumis kindlasti palju neutriinosid, kuid neid on raske avastada . 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. Nad kontsentreeruvad Maa lähedale nn. Kiirgusvöönditesse, ohustades mingil määral kosmoselendureid ja nende aparatuuri. Need lõksupüütud osakesed on enamuses prootonid ja elektronid.
Kiirendid
Kiirendatakse laetud osakesi – elektrone ja prootoneid, vahel ka nende antiosakesi – positrone ja antiprootoneid. Saab ju ainult elektrilaengut elektriväljaga kiirendada. Kiirendamine toimub kõrgvaakumis, et vältida põrkeid õhu osakestega. Seepärast on kiirendi põhisosaks pikk õhutühi toru, umbes 10 cm-se läbimõõduga. Tavaliselt juhitakse osakesed läbi mitme kiirendi, sest raske on ehitada ühtset seadet laia energiapiirkonna jaoks.
Osakeste detektorid
Kiirete osakeste põrkel tekib reaktsioon , millest väljub hulgaliselt mitmesuguseid osakesi. Need on vaja identifitseerida ja nende parameetrid tuleb mõõta võimlaikult täpselt. Kahjuks ei suuda ükski mikroskoop teha nähtavaks isegi mitte aatomit, rääkimata tuumast või elementaarosakesest. Siiski on leitud mitmeid võimalusi osakeste liikumisteede vaatlmiseks. Osakese tee võib muutuda nähtavaks tänu sellele, et laetud osake, liikudes aines, kulutab järk-järgult oma energiat elektronide väljalöömiseks aatomitest, millest ta möödub, s.t. ioniseerimiseks. Nii palju ioone korraga nähtavaks teha - see pobleem on lahendatav mitmeti.Üks vanemaid ja lihtsamaid meetoteid osakeste vaatlemiseks ehk dekteerimiseks on fotoplaadi kasutamine, Plaadi valgustundlikkus emulsioonis tekkinud ioonid , nagu valguski, muudavad ilmutamisel plaadi vastavad kohad tumedaks. Tulemuseks on must teraline joon, mida saab vaadelda mikroskoobiga.
Detektorid paigutatakse tugevasse magnetvälja, et laetud osakese trajektoor temas kõverduks. See annab osakese laengu, massi ja impulsi kohta väärtuslikku infot.Neutraalsed osakesed detektoris jälgi ei jäta. Neid saab avastada reaktsiooni kinemaatikat arvutades, s.t. laetud osakesi mõõtes ja võttes arvesse jäävseadusi.
Suurte kiirendite juurde kuuluvad detektorid on tohutute mõõtmetega, kaaluvad tuhandeid tonne ja koosnevad paljudest eri tüüpi detektoritest.
Vaadeldud fundamentaalosakeste ja vastastikmõjude süsteem kannab standardmudeli nime.
Praegu otsib teadus teed edasi, et seletada standardmudeli põhiparameetreid.
(Ainsaar, Ain ; „Füüsika XII klassile“ , Tallinna Raamatutrükikoda, 1996)
Kasutatud kirjandus
* Ainsaar, Ain ; „Füüsika XII klassile“ , Tallinna Raamatutrükikoda, 1996
Internet :
* http://et.wikipedia.org/wiki/Elementaarosakeste_füüsika
* http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:NJeG01OkbEJ:www.hwg.edu.ee/include/upload/Elementaarosakesed_12_klass.pdf+elementaarosakeste+vastastikm%C3%B5jud&hl=et&gl=ee&pid=bl&srcid=ADGEESisxMYZVQPmdkGCrONJXo9tqbeszdIOAO9K19kL2WpvS2UCTvZ_yVZAmkpf4oeJbAp1aHJ_F3FiEfuhKhQ1UEmtq_jSjtO38Qcx83osk4Bb8djbD5xk43-9ghd1uky41-NPrGm&sig=AHIEtbTBjbaPZqd9Ty-Ioxg9VK_WRxBKbw
* http://et.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4rvilaeng
8