Elementárne častice

Kód ITMS projektu: 26110130519Gymnázium Pavla Jozefa Šafárika – moderná škola tretieho tisícročia

Vzdelávacia oblasť: Človek a príroda

Predmet Fyzika

Ročník, triedy: VIII.OA

Tematický celok: Subjadrová fyzika

Vypracoval: RNDr. Marián Koreň

Dátum: február 2013

Obsah

• Ionizujúce žiarenie• Detektory častíc• Dráhové komory• Geiger - Müllerov počítač• Urýchľovač – cyklotrón• Lineárny urýchľovač

2

• Urýchľovače vo svete• Elementárne častice•Častice polí – kalibračné bozóny•Kvarky•Štandardný model•Otvorené otázky•Zdroje

Ionizujúce žiarenie

3

Elektromagnetické žiarenie s dostatočne vysokou frekvenciou (UV, RTG, γ) na svojej dráhe ionizujú atómy látky. Takéto žiarenie nazývame ionizujúcim žiarením a podľa ionizačných účinkov ho registrujeme.

Pri zrážke odovzdá rýchlo letiaca častica atómu látkyčasť svojej kinetickej energie.

Ak je táto energia dostatočne veľká, odtrhne sa z atómu elektrón a atóm sa ionizuje.

Detektory častíc môžeme rozdeliť do troch základných skupín: 1.detektory zobrazujúce trajektóriu častice (hmlová komora) 2.detektory počítajúce častice (Geigerův - Müllerov počítač)3.kalorimetre - detektory merajúce energiu častíc.

Detektory častíc

4

Hmlová komoraPary kvapaliny (voda, etanol,..) v presýtenom staveAk prejde komorou nabitá častica, ionizuje molekuly pary, ktoré sa stávajú kondenzačnými centrami, vznikajú malé kvapôčky kvapalinyKvapôčky je možné zobraziť na fotografii

Bublinová komoraKvapalina v prehriatom staveAk prejde komorou nabitá častica, ionizuje molekuly pary, ktoré sa stávajú zárodkami bubliniekBublinky je možné zobraziť na fotografii

Hmlová komoraPary kvapaliny (voda, etanol,..) v presýtenom staveAk prejde komorou nabitá častica, ionizuje molekuly pary, ktoré sa stávajú kondenzačnými centrami, vznikajú malé kvapôčky kvapalinyKvapôčky je možné zobraziť na fotografii

Bublinová komoraKvapalina v prehriatom staveAk prejde komorou nabitá častica, ionizuje molekuly pary, ktoré sa stávajú zárodkami bubliniekBublinky je možné zobraziť na fotografii

5

Dráhové komory

Geiger – Müllerov počítač

6

Urýchľovače - cyklotrón

7

V cyklotróne sa častice urýchľujú rádovo na energiu 10MeV.

V týchto cyklotrónoch sa urýchľujúprotóny, ktoré vo vhodných jadrových reakciách vytvárajú označené atómy(jadrá) používané napríklad v PET. (Positron Emission Tomography)

Rozmer cyklotrónu je niekoľko metrov.

Urýchľovač sa skladá zo sústavy kovových trubíc, striedavo napojených na zdroj vysokofrekvenčného elektrického napätia. Častice vchádzajú do systému trubíc v mieste označenom šípkou.Dĺžky trubíc sa postupne zväčšujú, pretože rýchlosť častíc sa zväčšuje a kým častica preletí trubicou, napätie v medzere sa musí zmeniť a urýchľovať časticu v smere jej pohybu.

Lineárny urýchľovač

8

Urýchľovače vo svete

9

Ružomberský synchrotrón

Stanford Linear AcceleratorCenter (SLAC)

Large Hadron Collider LHC

Elementárne častice

10

Častice bez vnútornej štruktúry - elementárne:Leptóny: elektrón (pozitrón),

mión, tauón, neutrínaNositelia interakcií:

fotón, gluón, gravitón, W a Z bozóny

Častice zložené z kvarkov:Hadróny – silno interagujúce častice:

mezóny ( kvark – antikvark) π-mezón, D, B, F - mezónbaryóny (3 kvarky) nukleóny: p=uud, n=udd,

hyperóny: Λ, Σ, Ω - hyperón

Častice bez vnútornej štruktúry - elementárne:Leptóny: elektrón (pozitrón),

mión, tauón, neutrínaNositelia interakcií:

fotón, gluón, gravitón, W a Z bozóny

Častice zložené z kvarkov:Hadróny – silno interagujúce častice:

mezóny ( kvark – antikvark) π-mezón, D, B, F - mezónbaryóny (3 kvarky) nukleóny: p=uud, n=udd,

hyperóny: Λ, Σ, Ω - hyperón

Častice polí - kalibračné bozóny

11

Častica poľa Pole/interakcia Charakteristika Poznámka

Fotón elektromagnetické pole

častica elektromagnetickéh

o žiarenia

fos - svetlo

gravitón gravitačné pole častica gravitačného poľa

nepozorovaný

gluón silná interakcia medzi kvarkami

W a Z bozóny slabá interakcia premena častíc protón, neutrón

W - weak/slabýZ - zero

Kvarky

12

meno značka anglicky náboj e hmotnosť (MeV/c2)

Horný kvark u up +2⁄3 1,5 – 3,3

Dolný kvark d down −1⁄3 3,5 – 6,0

Pôvabný kvark c charm +2⁄3 1 160 – 1 340

Podivný kvark s strange −1⁄3 70 – 130

Vrchný kvark t top/true +2⁄3 169 100 – 173 300

Spodný kvark b botom −1⁄3 4 130 – 4 370

Štandardný model

13

Otvorené otázky

14

Štandardný model dáva odpoveď na mnohé otázky o štruktúre a stabilite hmoty. Potrebujeme na to len šesť druhov kvarkov a leptónov a štyri fundamentálne sily. Existuje ešte veľa nezodpovedaných otázok!

•Mali by sme vo svete pozorovať na základe symetrie rovnaké množstvo hmoty a antihmoty. Pozorujeme len normálnu hmotu! Prečo?•Čo tvorí "tmavú hmotu", ktorú nemôžeme vidieť, ale má vo vesmíre viditeľné gravitačné pôsobenie?•Prečo nemôže štandardný model predpovedať hmotnosti častíc?•Sú kvarky a leptóny skutočne fundamentálne častice, alebo sú tvorené z ešte menších častíc?•Prečo existujú práve tri generácie kvarkov a leptónov?•Ako do toho všetkého zapadá gravitácia?

Štandardný model dáva odpoveď na mnohé otázky o štruktúre a stabilite hmoty. Potrebujeme na to len šesť druhov kvarkov a leptónov a štyri fundamentálne sily. Existuje ešte veľa nezodpovedaných otázok!

•Mali by sme vo svete pozorovať na základe symetrie rovnaké množstvo hmoty a antihmoty. Pozorujeme len normálnu hmotu! Prečo?•Čo tvorí "tmavú hmotu", ktorú nemôžeme vidieť, ale má vo vesmíre viditeľné gravitačné pôsobenie?•Prečo nemôže štandardný model predpovedať hmotnosti častíc?•Sú kvarky a leptóny skutočne fundamentálne častice, alebo sú tvorené z ešte menších častíc?•Prečo existujú práve tri generácie kvarkov a leptónov?•Ako do toho všetkého zapadá gravitácia?

Použité zdroje

15

Fyzika pre 4. ročník gymnázií, Ján Pišút a kolektív, SPN Bratislava 2003Fyzika pre 4. ročník gymnázia, Ján Pišút a kolektív, SPN Bratislava 1991http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Geiger.pnghttp://www.oskole.sk/userfiles/image/zaida/fyzika/Ionizaciaplyn_html_mdc587f0.pnghttp://observatory.cz/static/vystavy/castice/5-komora.phphttp://www.profimedia.sk/fotografie/meranie-radioaktivity-hornin-vzorky-s-geiger-mullerov-pocitac/0002427164/http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/73/Cyklotron.jpghttp://scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/05/LHC_hall_1.jpeghttp://scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/05/doe_slac_01.jpeghttp://scienceblogs.com/startswithabang/files/2011/05/lhc-sim.jpeghttp://sk.wikipedia.org/wiki/Zoznam_element%C3%A1rnych_%C4%8Dast%C3%ADchttp://www.physik.uzh.ch/lectures/MC2009/cd/exercises/keyhole/sk/theory/main-4.htmlhttp://www.qwertasip.estranky.cz/clanky/par-slov-o-atomech.htmlhttp://www.kf.fpv.ukf.sk/ParticleAdventure/slovak/frameless/beyond_start.html