Referaat elementaarosakestest (0)

Elementaarosakeste füüsika
Referaat
2011
Mis on elementaarosake ja kuidas neid liigitada?
Inglise füüsik Joseph Thomson avastas 1897. aastal esimese elementaarosakese - elektroni. Elementaarosakesteks nimetatakse ka tuuma koostisosakesi.Elementaarosakesteks loetakse osakesi, mis on kõige lihtsamad ja ise enam millestki ei koosne. Samas koosnevad teised osakesed ja lõpuks kogu aineline mateeria elementaarosakestest.
Kõige loomulikumaks liigituse aluseks on jõud ehk vastastimõjud, mis osakeste vahel valitsevad :

• Nõrgeim jõud on gravitatsioonijõud. See tõimib kõigi osakeste vahel vastavalt massile ja on nii nõrk,et üksikute osakeste juures pole tema toimet võimalik muuta. Ainult tänu sellele, et ta mõjub kuitahes kaugele ja toimib ainult tõmbavalt, muutub ta suurte kehade juures tuntavaks.Näiteks maakera.
  
• Teiseks tunneme elektromagnetilisi jõude, mis on elektriliste ja magnetiliste jõudude kooslus. Neid ei saa lahus vaadelda, sest nad lähevad üksteiseks le juba taustsüsteemi muutes. Elektromagnetiline vastastikmõju on omane kõigile elektriliselt laetud osakestele.
  
• Kolmandaks tunneme tuumajõude. Need esinevad prootonite ja neutronite vahel ning on väga lühikese mõjuraadiusega. Prooton ja neutron on tegelikult liitosakesed, mis koosnevad kvarkidest. Tugev vastastikmõju on see, mis hoiab kvarke koos. See jõud on väga tugev, sest tuumajõud on ainult tema nõrk, väljapoole põhiseoseid ulatuv kaja
  

Nõrk vastastikmõju on tuhandeid kordi väiksem kui elektromagnetilised jõud, kuid tugevam kui gravitatsioonijõud. See on väga lühikese mõjuraadiusega ja toimib kõigisse osakestesse peale footoni. Põhiliselt tingib see kõigi raskemate osakeste lagunemise kergemateks.
Vastastikmõjude ligikaudne võrdlus tuuma mõõtmete kaugusel:
(elektromagnetiline jõud on võetud võrdseks ühega)
Vastastikmõju nimetus
Gravitatsioonijõud
10-36
Elektromagnetiline jõud
1
Tugev jõud
20
Nõrk jõud
10-7
Mateeriaosakesed ja antiosakesed
Mateeriaosakesed on põhiosa fundamentaalosakestest ehk kõige alsematest osakestest.
Mateeriaosakesed on leptonid ja kvargid .

• Leptonid
  

Leptonid on nõrga vastastikmõju esindajad ning võivad esineda ka iseseisvalt. Elektrilaengut omavad leptonid (nt.elektron) osalevad elektromagnetilises vastastikmõjus. Kõik leptonid osalevad nõrgas vastastikmõjus ja see on ainus vahend elektriliselt neutraalsete leptonite ehk neutriinode jälgimiseks. Leptonid osalevad ka gravitatsioonilises vastasmõjus. Kõige tuntumad leptonid on elektronid ja neutriinod.
Leptonlaengud (tähised , , ) iseloomustavad vastavaid leptoneid. Vastavate antiosakeste leptonlaengud on vastasmärgilised. Leptonlaengud on elementaarosakeste protsessides jäävad suurused.
Lepton
Nimetus
elektron
+1
0
0
elektronneutriino
+1
0
0
müüon
0
+1
0
müüneutriino
0
+1
0
tauon
0
0
+1
tauneutriino
0
0
+1

• Kvargid
  

Kvargid on fundamentaalsed nullist erineva massiga osakesed, mis seniste katsete andmetel on sisemise struktuurita ja punktikujulised. Kvarkide arv universumis on jääv. See tähendab, et nad ei teki ega kao,vaid muutuvad üksteiseks nõrga vastastikmõju toimel. Kvargid omavad värvilaengut ning osalevad seetõttu tugevas vastastikmõjus. Tulenevalt tugeva vastasmõju eripärast ei saa kvargid eksisteerida üksinda, vaid peavad moodustama liitosakese, mille värvilaeng on neutraalne. Selliseid liitosakesi nimetatakse hadroniteks.
Et värvilaenguid on kolm (punane, sinine ja roheline) ja igale värvilaengule vastab antivärvilaeng , siis moodustavad neutraalse liitosakese kas kolm erineva värvilaenguga kvarki või värvilaengu ja selle antivärvilaenguga kvargid. Tulenevalt sellest on hadroneid on kahte tüüpi: barüonid, mis koosnevad kolmest kvargist (või kolmest antikvargist) ja mesonid , mis koosnevad kvargist ja antikvargist.

• Barüonid on fermionid, mis alluvad tugevale interaktsioonile. Barüonid jagatakse mõnikord nukleonideks ja hüperonideks; barüonide hulka kuuluvad ka resonantsosakesed. Igal barüonil on oma antiosake – antibarüon. Kõik barüonid peale prootoni ja antiprootoni on ebapüsivad osakesed, mis prootoniks või neutroniks muundudes kiirgavad mesoneid, leptoneid või footoneid . Barüonide koostises on kolm kvarki, mille spinnide ja elektrilaengute summad annavad barüonide spinni ja elektrilaengu.
  
• Igale fundamentaalosakesele vastab oma antiosake. Need on kõiges täpselt samasuguste omadustega, ainult kõik laengud on vastavalt vastandmärglised. Elektroni antiosake on positron, mille mass on täpselt sama suur, kui elektronil , kuid elektrilaeng on positiivne, absoluutväärtuselt aga elektroni omaga täpselt võrdne.Antikvarkidele omased värvid ei lange kvarkide omadega kokku, need on vastavad „vastandvärvid” : antipunane,antikollane, antisinine.
  

Sümbol
Nimetus
Kvarkstruktuur
Mass(GeV/c2)
piion
0,140
piion
0,140
piion
0,135
K+
kaaon
0,494
K-
kaaon
0,494
K0
kaaon
0,498
kaaon
0,498
Kui osake kohtub oma antiosakesega siis nad annihileeruvad ehk kaovad nii, et kogu nende mass muutub puhtaks energiaks – footoniteks. Seejuures võib sekka tekkida ka kergemaid osakese-antiosakese paare. Antiosake saabki tekkida koos vastava osakesega. Valgeid osakesi saab moodustada kvarkidest ka paarikaupa, sidudes kvargi antikvargiga, kuid need pole püsivad, sest kvarkide jäävuse seadus neid ei kaitse. Eriti kiirseti lagunevad sellised osakesed, kus kvark on seotud omaenda antikvargiga ehk mesonid. Mesonid jagunevad lõhnaga mesoniteks ja ilma lõhnata mesoniteks. Mesoni lõhna määrab ära tema koostises olevate kvarkide lõhn. Et u-kvark ja d-kvark ei kanna lõhna, siis kõik ainult seda tüüpi kvark/antikvarkidest koosnevad mesonid on lõhnatud. Samuti on lõhnatud kõik mesonid, mis koosnevad kvargist koos omaenda antikvargiga (antikvargi negatiivne lõhn tühistab kvargi lõhna). Lõhnatu meson on näiteks piion ja lõhnaga meson kaaon.
Näiteid mesonitest:
Vaheosakesed

• Footon  on elektromagnetkiirguse väikseim osake ehk  valguskvant . Footon on vaheosake, mis vahendab  elektromagnetilist vastasmõju. Footon ise oma vahendatava vastasmõju laengut ei kanna ja on elektriliselt neutraalne. Tema seisumass on 0, seetõttu liigub ta vaakumis alati valguse kiirusega C . Valguse kiirus kui universaalne füüsikaline konstant ongi defineeritud footoni liikumise kiiruse kaudu vaakumis. Footon ei saa laguneda, kuna puudub temast kergema seisumassiga osake. Teiseks ei saa footon laguneda ka põhjusel, et liikudes valguse kiirusega tema jaoks aeg seisab. Footoni jaoks toimub kiirgumine ja neeldumine samaaegselt jätmata vahepeal võimalust lagunemiseks.
  

Tavaline footon kannab energiat ja impulssi kindlas seoses ja vastavalt liikumise suunale, „ebatavaline” footon suudab jäävaid füüsikalisi suurusi kahe ruumipuhkti vahel nii üle kanda, et ta ise pole jäävuse seadusega seotud. Selliseid osakesi nimetatakse virtuaalseteks. Neid ei saa püüda, sest siis jääkski jäävuse seadus rikutuks. Osakeste füüsika lubab miatahes osakesel esineda kas reaalsena või virtuaalsena.Virtuaalsed osakesed on nähtamatud, kuid neil on väga tähtis roll. Virtuaalsete footonite poolt tekitatud elektriline tõmbumine on see, mis hoiab koos nii elektronid aatomis, aatomid molekulis kui ka molekulid kehades.

• Tugevat vastastikmõju vahendavad kvarkide vahel gluuonid. Neid in 8 erinevat tüüpi, neid ühelgi pole seisumassi ega elektrilaengut, kuid neil puudub tugev laeng. Gluutonid on „värvilised”. Vahetades gluuoneid vahetavad kvargid värvilaenguid. Selleks, et kvark ei jääks gluuonit välja kiirates ilma värvilaenguta, peab lahkuv gluuon üht värvi ära viies samas teise kohe kvargile maha jätma. Seepärat kannab gluuon sõltuvalt tüübist, korraga üht värvi ja üht antivärvi.
  

Võimalik gluuonid:

• Graviton on hüpoteetiline osake, mis vahendab gravitatsioonilist interaktsiooni . Gravitoni seisumass ja elektrilaeng 0. Analoogiliselt elektromagnetvälja vahendaja footoniga, saab ka graviton liikuda vaid valguse kiirusega. Kuna antigraviton oleks gravitoniga identne, siis on antigravitatsiooni olemasolu küsitav. 
  

Kiirendid
Kõik fundamentaalosakesed moodustavad ühtse süsteemi, sest nad saavad kindlate reeglite järgi üksteiseks muutuda. Kõik tänapäevased kiirendid on ehitatud kollaideritena ehk sellistena, kus põrkuvad vastamisi kaks kiirendatud osakeste kimpu. Sel juhul on reaktsioonist vabanev energia umbes tuhat korda suurem kui kiirendatud osakeste põrkamisel vastu paigalseisvat märklauda.
Osakeste katsetamiseks tuleb käepäraseid kergemaid osakesi paarikaupa kokku viia ja lisada neile nii palju kineetilist energiat, et saaksime vajaliku lisamassi vastavalt energia ja massi ekviavalentsuse valemile E=mc2. 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 põhiosaks pikk õhutühi toru, umbes 10 sentimeetrise läbimõõduga. Tavaliselt juhitakse osakesed läbi mitme kiirendi, sest raske on ehitada ühtset seadet laia energiapiirkonna jaoks.

• Osakesed tekitatakse gaaslahenduse abli. Kiirendamine toimub tugevas elektriväljas. Et alalisväljas saavutatav energia on piiratud, lülitatakse vajalik pinge kiirendavatele elektronidele vaid siis, kui osakeste kimp läbib just vastavat piirkonda. Moodne meetod on kiirendada osakesi kõrgsagedusväljas nii, et raadiolaine liigub osakestega sama kiirusega. Osakesed nagu ratsutaksid laine turjaljust selles piirkonnas, kus neile mõjub kiirendav väli. Laine ise pn suletud järjestikuste kera-õõnsuste ehk resonaatorite süsteemi.
  
• Teiseks kuuluvadc kiirendi juurde osakesi kooshoidvad magnetläätsed. Nende puudumisel eemalduksid ühenimeliselt laetud osakesed üksteisest ja kiir hajuks. Magnetläätsed toimivad nii nagu koondavad läätsed optikas, Konstruktsioonilt on need eriliste neljapooluseliste elektromagnetite paarid, mida kiir läbib üksteise järel.
  
• Selleks, et anda osakestele küllalt suuri energiaid, peavad kiirendi olema väga pikad. Enamik suuri kiirendeid on ehitatud ringikujulistena Nii saavad osakesed läbida samu resonaatoreid korduvalt. Sirgeid kiirendeid nimetatakse lineaarkiirenditeks, ringikujulisi aga tsüklilisteks kiirenditeks.
  

Osakeste detektorid
Kiirete osakeste põrkel tekib reaktsioonm, millest väljub hulgaliselt mitmesuguseid osakesi. Neeid on vaja identifitseerida ja nende parameetrid tuleb mõõta võimalikult täpselt. Kahjuks ei suuda ükski mikroskoop teha nähtavaks isegi mitte aatomit, rääkimata tuumast või elementaarosakesest. Kuid osakeste tee võib muutuda nähtavaks tänu sellele, et laetud osake, liikudes ained, kulutab järk-järgult oma energiat elektronide väljalöömiseks aatomitest, millest ta möödub ehk ioniseerimiseks.

• 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 teraseline 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 ehk laetud osakesi mõõtes ja võttes arvesse jäävusseadusi.
  
• Suurte kiirendite juurde kuuluvad detektorid on tohutute mõõtmetega, kaaluvad tuhandeid tonne ja koosnevad paljudest eri tüüpi detektoritest.
  

Kasutatud kirjandus

• http://et.wikipedia.org/wiki/Leptonid
  
• http://et.wikipedia.org/wiki/Kvargid
  
• http://www.hot.ee/osakesed/4.html
  
• http://www.hot.ee/osakesed/6.html
  
• http://www.hot.ee/osakesed/7.html
  
• http://www.syg.edu.ee/~peil/fyysika/elementaarosakesed.pdf
  
• Füüsika 12.klassile , Tallinn „Koolibri” 1996, Ain Ainsaar