Pohľad do vnútra hmoty a dávnej minulosti

Prírodné vedy » Fyzika

Autor: ivana123
Typ práce: Referát
Dátum: 23.01.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 2 547 slov
Počet zobrazení: 2 740
Tlačení: 324
Uložení: 318
Pohľad  do vnútra hmoty a dávnej minulosti
 
ÚVOD
Rozhodla som sa spracovať tému, ktorá nám dovoľuje nahliadnuť do vnútra hmoty a taktiež do histórie, pretože nám pomáha predstaviť si vesmír krátko po veľkom tresku.
Ľudia sa už oddávna pýtajú:  „Z čoho pozostáva svet?“
  „Čo ho drží pokope?“
„A čo vývoj vesmíru?“
Myslím si, že tak  ako mňa, aj Vás niekedy napadli tieto otázky, ale odpovedať na ne, už nie je také jednoduché, nevieme si to predstaviť.
Ak sa pozrieme okolo seba, zistíme, že hmota nás obklopuje v rôznych formách.
Ľudia prišli na to, že hmota tohto sveta je tvorená z niekoľkých elementárnych stavebných blokov prírody.
Čo znamená slovo elementárny?
Pod pojmom elementárny stavebný blok rozumieme objekt, ktorý je jednoduchý a bez štruktúry – ktorý sa už neskladá z ničoho menšieho, iba zo seba samého.
V staroveku si ľudia mysleli, že všetko na svete sa skladá zo štyroch elementov:
oheň, vzduch, voda, zem. To bola Aristotelova filozofia.
Za čias Demokrita (400 pred Kr.) bol za najmenšiu časticu považovaný atóm.
Okolo roku 1900 považovali ľudia atómy za malé guľôčky.
- Avšak fakt, že atómy by mohli byť kategorizované podľa ich rovnakých chemických vlastností – periodická tabuľka (Mendelejev) - rozhodol, že atómy nie sú elementárne.
- Navyše experimenty, ktoré „nazerali“ do vnútra atómu používajúc časticové sondy ukázali, že atóm má štruktúru a nie je iba priepustnou guľkou.
- Tieto experimenty pomohli vedcom rozhodnúť, že atóm má kladné, husté jadro a mračno elektrónov(e).
O niekoľko rokov prišli vedci na to, že jadro atómu sa skladá z protónov(p) a neutrónov(n).
Avšak ukazuje sa, že ani protóny a neutróny nie sú elementárnymi – skladajú sa z „elementárnejších“ častíc – kvarkov.
Dnes fyzici vedia, že kvarky a elektróny SÚ elementárnymi časticami.
( Avšak aj to je len otázka experimentov).
 
1. ŠTANDARDNÝ MODEL
1.1 PRIBLIŽNÝ MODEL ATÓMU
Ak by sme mali obrázok nakreslený v takej mierke, že:
- neutróny a protóny by mali priemer 1cm
- potom by priemer kvarkov a elektrónov bol menší ako hrúbka vlasu
- celý atóm by mal väčší priemer ako je dĺžka 30 futbalových ihrísk!
Navyše všetky častice v atóme (protóny, neutróny, elektróny a kvarky) sú v neustálom pohybe.
Dnes sme si istí, že elektróny a kvarky sú menšie ako 1attometer (10-18 m), pritom je ale možné, že nemajú vôbec žiadnu veľkosť. Taktiež je možné, že elektróny a kvarky nie sú elementárne, ale sú zložené z „elementárnejších“ častíc.

1.2 ELEMENTÁRNE ČASTICE
Všetka hmota vo vesmíre sa skladá z fundamentálnych častíc.
Fyzici hľadajú neobjavené častice, aby porozumeli, ako funguje vesmír. Vždy sa čudujú, ak nové častice, rovnako ako už známe častice, sú skutočne elementárne. Bolo objavených už asi 200 častíc (veľa z nich nie je elementárnych). Vedci ich pre prehľadnosť pomenovali písmenami latinskej a gréckej abecedy.

1.3 ŠTANDARDNÝ MODEL

Fyzici rozpracovali teóriu nazývanú Štandardný model, ktorá sa usiluje opísať všetku hmotu a sily vesmíru (okrem gravitácie). Jej elegancia spočíva v možnosti opísania stoviek častíc a vysvetlenia zložitých interakcií medzi týmito časticami pomocou niekoľkých elementárnych častíc a interakcií medzi nimi.
Aj keď nás obklopuje veľké množstvo rôznych typov atómov, každý z nich sa skladá z protónov, neutrónov a elektrónov. Avšak protóny a neutróny sú tvorené iba dvomi typmi  kvarkov. Protón tvoria dva kvarky up s nábojom +2/3e a jeden kvark down s nábojom -1/3e, z čoho vyplýva celkový náboj protónu +e.
Neutrón tvoria dva down kvarky a jeden up kvark, takže má náboj rovný 0.
Vidíme, že toto je dôvod, prečo má protón opačný náboj ako elektrón a je zaujímavé, keď si uvedomíme, že keby neplatilo toto, nemohol by existovať vesmír.
Štandardný model je vyčerpávajúcim preto, lebo opisuje všetky pozorované častice pomocou:
- 6 typov leptónov
- 6 typov kvarkov
- častíc prenášajúcich interakciu – 1 fotón, 8 gluónov, 3 vektorové bozóny

Ku každej hmotnej častici existuje práve jedna častica antihmoty. Najdôležitejší rozdiel medzi časticou a jej antičasticou je ten, že ich elektrické náboje majú opačné znamienka. Štandardný model zahŕňa aj tzv. Higgsovu časticu, o ktorej sa predpokladá, že je zodpovedná za hmotnosti jednotlivých častíc.

1.4 ANTIHMOTA

O antihmote po prvýkrát uvažoval fyzik Paul Dirac v roku 1928, keď mu pri výpočtoch vyšlo, že okrem elektrónu so záporným nábojom by mal existovať aj elektrón s kladným nábojom. O štyri roky neskôr túto časticu (elektrón s kladným nábojom) skutočne pozoroval vo svojich experimentoch Carl Anderson. Časticu nazvali pozitrón. Tým sa začal výskum antihmoty a jej správania sa.

1.5 ZÁKLADNÉ IDEY

- Častice prenášajúce interakciu : Každý typ elementárnej sily má svojho "nositeľa sily" - časticu, ktorá sprostredkúva interakciu. (Sem patrí napr. fotón.)
- Častice hmoty : Štandardný model hovorí, že väčšina častíc hmoty, ktoré poznáme, sa skladá z elementárnejších častíc zvaných kvarky. Je tu aj druhá skupina elementárnych častíc hmoty nazývaných leptóny (napr. elektrón je tiež leptón).
Takže existujú 2 skupiny častíc : častice, ktoré sú látkou (ako napr. elektróny, protóny, neutróny a kvarky) a častice, ktoré sú nositeľmi sily (napr. fotón).

2. ČASTICE HMOTY

Štandardný model delí kvarky a leptóny do troch skupín, takzvaných generácií. Všetka hmota, ktorú vidíme okolo seba, je zložená z up a down kvarkov a z elektrónov. Tieto tri častice patria do prvej generácie. Všetky tri generácie hrali dôležitú úlohu v ranných štádiách vesmíru, ale odvtedy sa častice z druhej a tretej generácie rozpadli na častice prvej generácie.

2.1 LEPTÓNY

Existuje 6 leptónov, z ktorých 3 majú elektrický náboj a 3 nemajú. Najznámejším nabitým leptónom je elektrón. Ďalšie dva nabité leptóny sú mión  a taón, ktoré sa podobajú elektrónu
s väčšou hmotnosťou. Všetky elektricky nabité leptóny majú záporný náboj. Ostatné 3 leptóny sú neutrína, ktoré ľahko prenikajú hmotou. Nemajú elektrický náboj a majú malú, ak vôbec nejakú, hmotnosť. Ku každému nabitému leptónu existuje jedno neutríno.
Pre každý leptón existuje antileptón, ktorý má rovnakú hmotnosť, ale opačný náboj.
Leptóny môžu existovať bez prítomnosti iných častíc, naopak kvarky len v skupinách.
V súčasnosti neexistuje žiaden náznak, že by leptóny mali nejakú vnútornú štruktúru.

2.2 KVARKY
Fyzici obyčajne hovoria o troch pároch kvarkov : horný(Up)/dolný(Down), pôvabný(Charm)/podivný(Strange) a vrchný(Top)/spodný(Bottom). Pre každý z týchto kvarkov existuje odpovedajúca antičastica - antikvark.
Náboj kvarkov nie je celočíselným násobkom elektrického náboja elektrónu, ale je 2/3 alebo  -1/3 veľkosti jeho náboja. Kvarky majú aj iný druh náboja, tzv. farebný náboj.

2.3 HADRÓNY

Kvark môže existovať len v spojení s iným kvarkom. Samostatné kvarky majú zlomkový elektrický náboj. Tieto sa však nikdy neprejavia, pretože kvark nikdy nie je osamote; kvarky tvoria častice zvané hadróny. Súčet elektrických nábojov jednotlivých kvarkov v hadróne je vždy celé číslo. Zatiaľ čo kvarky sú nositeľmi farebného náboja, hadróny sú farebne neutrálne.
Existujú dve skupiny hadrónov.
Baryóny:
- Obsahujú vždy 3 kvarky, často obsahujú aj nejaké gluóny a kvark-antikvarkové páry. Protón = uud, neutrón = udd.
- Pre každý baryón existuje zodpovedajúci antibaryón, zložený z troch antikvarkov
Mezóny:
- Skladajú sa z  kvarku a antikvarku a gluónov, ktoré ich viažu
- Príkladom je pión s elektrickým nábojom +1, ktorý sa skladá z u-kvarku a u-antikvarku.
 
3. INTERAKCIE
Zodpovedali sme otázku „Z čoho sa skladá svet?“ : Z kvarkov a leptónov.
Teraz mám ale ďalšiu otázku: „ Čo ho drží pokope?“

3.1 ŠTYRI INTERAKCIE
Vesmír, ktorý poznáme, existuje vďaka interakciám elementárnych častíc, vďaka ich rozpadu, anihilácii a vďaka silám, ktoré medzi nimi pôsobia. Rozoznávame štyri základné interakcie: silná, slabá, gravitačná a elektromagnetická.

Na objasnenie:
Sila - pôsobenie jednej častice na inú.
Interakcia – sily a rozpady, ktorým podlieha daná častica.
Interakcia neznamená to isté ako slovo sila, pretože pojem "interakcia" má širší význam.
Už mnoho rokov trápi fyzikov otázka : "Ako interagujú hmotné častice ?"
Vyzerá to tak, že všetky interakcie (aj sily) pôsobiace na hmotné častice, existujú vďaka časticiam prenášajúcim silu. Všetko, čo nazývame silou, je účinok častice prenášajúcej silu na hmotnú časticu.

3.2 GRAVITÁCIA

Gravitačná sila je pre nás možno najznámejšou, ale nie je zahrnutá do Štandardného modelu, pretože jej pôsobenie v časticovom procese je veľmi slabé. Aj keď gravitácia pôsobí na všetko, je veľmi slabá pokiaľ ide o málo hmotné objekty. Fyzici zatiaľ neobjavili časticu prenášajúcu gravitačnú silu, ale predpokladajú jej existenciu. Nazýva sa "gravitón".

3.3 ELEKTROMAGNETIZMUS
Mnoho všedných síl, ako napr. sila dlážky pôsobiaca na naše nohy, je spôsobených elektromagnetickou interakciou v látke, ktorá bráni atómom opustiť im určené miesto v materiáli. Je nutné pochopiť, že elektrický náboj (kladný a záporný) a magnetický pól (severný a južný) sú rôznym aspektom tej istej interakcie - elektromagnetizmu. Opačne nabité objekty ako elektrón a protón, sa priťahujú, kým častice s rovnakým nábojom sa odpudzujú. Časticou prenášajúcou elektromagnetickú interakciu je fotón. V závislosti od energie fotónu hovoríme o gama-lúčoch, svetle, mikrovlnách, rádiových vlnách a pod. Vynára sa jedna otázka. Atómy majú obyčajne rovnaký počet protónov a elektrónov. Sú teda elektricky neutrálne, pretože kladný protón ruší záporný elektrón. Čo ale drží atómy v molekule, keď väčšina atómov nemá elektrický náboj? Je dôležité si uvedomiť, že atóm sa skladá z elektricky nabitých zložiek. Nabité časti jedného atómu môžu interagovať s nabitými časťami druhého atómu. To dovoľuje viazanie rôznych atómov, efekt nazývaný zvyšková elektromagnetická sila. Takže elektromagnetická sila vysvetľuje všetky chemické i biologické procesy. Takže všetky tie nádherné štruktúry vo svete okolo nás existujú vďaka tomu, že elektrón a protón majú opačné náboje!

3.4 ZOSTÁVAJÚCE DVE INTERAKCIE
Hovorili sme o dvoch silách, gravitačnej a elektromagnetickej, ktoré majú na náš každodenný život najväčší vplyv. Existujú ešte ďalšie dve interakcie, ktoré nepostrehneme, pretože dosah ich pôsobenia nie je väčší ako atómové jadro.
Týmto silám vďačíme za objekty, z ktorých je tvorený svet a za rozpady, ktoré spôsobujú nestabilitu určitých častí hmoty. Pôsobia na najmenšie aj na najväčšie objekty vo vesmíre.

3.5 V
ÄZBA JADRA

Zvážme však : čím sú jadrá viazané? Očakávali by sme, že častice v jadrách atómov odpudzuje od seba elektromagnetická sila, vďaka rovnakému náboju protónov. Avšak väčšina jadier je veľmi stabilná! Aká energia bráni elektromagnetizmu "roztrhnúť" jadro?

3.6 SILNÁ INTERAKCIA

Zdá sa, že niektoré častice ( kvarky a gluóny ) majú určitý typ náboja, ktorý nie je elektromagnetický; nazýva sa farebný náboj. Sila medzi farebne nabitými časticami je veľmi silná, preto získala meno silná interakcia. Pretože táto sila viaže kvarky v hadrónoch, jej nositeľom je čudne nazývaný gluón ( z angl. :lepič, pozn. prekl.), pretože on "lepí" kvarky dokopy.
Je dôležité si uvedomiť, že farebný náboj majú iba kvarky a gluóny . Hadróny (napr. protóny a neutróny) sú farebne neutrálne, tak isto aj leptóny. Z tohto dôvodu, silná sila pôsobí len vo veľmi malom počte interakcií.
Ešte stále tu ostáva otázka, čo viaže jadro, ak silná interakcia spôsobuje len vzájomnú väzbu kvarkov. Protóny a neutróny, ako aj všetky hadróny, sú farebne neutrálne objekty. Ale pamätajme, že hadróny sú tvorené niekoľkými farebne nabitými kvarkami, takže farebne nabité kvarky jedného protónu sa môžu "zlepiť" s farebne nabitými kvarkami iného protónu, aj keď sú protóny, ako také, farebne neutrálne. Toto sa nazýva reziduálna silná interakcia a je dosť silná na to, aby prekonala elektromagnetické odpudzovanie sa dvoch protónov.

3.7 SLABÁ INTERAKCIA

Ešte jedna interakcia potrebuje vysvetlenie: slabá. Existuje 6 druhov kvarkov a 6 typov leptónov. Tak prečo je potom všetka stabilná hmota vytvorená len z dvoch najľahších kvarkov up, down a z najľahšieho leptónu, z elektrónu? Slabá interakcia zodpovedá za fakt, že sa väčšina ťažkých kvarkov a leptónov rozpadá na ľahšie kvarky a leptóny. Keď sa častica rozpadá, stratí sa a je nahradená dvomi alebo viacerými časticami. Výsledná hmotnosť produkovaných častíc je vždy menšia ako hmotnosť pôvodnej častice. Preto stabilná hmota okolo nás obsahuje iba elektróny a dva najľahšie kvarky.
Keď kvark alebo leptón menia svoj typ (napr. mión sa mení na elektrón) hovorí sa, že menia vôňu. Všetky vône sa menia vďaka slabej interakcii. Nositeľmi slabej interakcie sú W+,W- a Z bozóny. W bozóny sú elektricky nabité a Z bozón je neutrálny. Zaujímavým aspektom Štandardného modelu je, že elektromagnetická a slabá interakcia sú spojené do jednej zjednotenej interakcie zvanej elektroslabá.

4. VESMÍR
A čo má toto všetko spoločné s našou existenciou vo vesmíre?
Máme poznatky o evolúcii na Zemi, vieme ako sa ťažké elementy nevyhnutné pre život vytvárali v obrovských hviezdach a supernovách, vieme ako sa formujú galaxie a hviezdy, ako sa s ochladzovaním vesmíru formovali atómy, ich jadrá a nukleóny. Toto všetko je pomerne jednoduchá biológia, chémia a atómová, jadrová a časticová fyzika, a vracia nás späť v čase, niekde okolo bilióntiny sekundy po veľkom tresku. Toto je bod, v ktorom sa začínajú ozajstné špekulácie, pretože ďalšie experimenty si vyžadujú obrovské množstvo energie, ktoré nie sme schopní dodať.

4.1 VEĽKÝ TRESK
Čo sa dialo pred 10-9s po veľkom tresku je neisté. Poďme sa pokúsiť pochopiť, čo sa dialo vo vesmíre bilióntinu sekundy od začiatku, kedy, predpokladáme, existovalo rovnaké množstvo častíc a antičastíc. Hustota častíc vo vesmíre v tomto čase bola obrovská. Pri blízkom stretnutí častice s príslušnou antičasticou dochádza k ich vzájomnej „anihilácii“ (tj. vzájomnému zničeniu častíc). Všetka energie častice a antičastice sa pri tomto jave uvoľní vo forme elektromagnetického žiarenia, teda prúde fotónov. Opačným procesom je „materializácia“, pri ktorej páry častice-antičastice vznikajú. Tieto javy boli pozorované ako v urýchľovačoch, tak pri štúdiu kozmického žiarenia. Fotón s vysokou energiou, napr. z kozmického žiarenia, často pri interakcii s jadrom atómu úplne zmizne a z jeho energie sa zrodia dve častice, elektrón-pozitrónový  pár. Práve výsledky pozorovaní kozmického žiarenia viedli nakoniec k jednoznačnému záveru: baryónov je vo vesmíre neporovnateľne viac ako antibaryónov. Vesmír (respektíve aspoň jeho známa časť) je zložený z hmoty, nie z antihmoty. Výsledkom procesu, ktorý spôsobil túto disproporciu, je fenomén, ktorý sa nazýva „baryónová asymetria vesmíru“. Prečo k nej ale došlo? Dôsledkom anihilácie, sa mohlo stať, že by náš vesmír bol vyplnený iba žiarením, tj. fotónmi.

V súlade so všeobecnou teóriou relativity vznikol vesmír s nekonečnou teplotou a hustotou v singularite veľkého tresku. Ako sa rozpínal, znižovala sa teplota žiarenia. Už po stotine sekundy sa z energie začali vylupovať kvarky, častice, ktoré následne vytvorili základné stavebné kamene hmoty. Častice v ranom vesmíre vznikali však vždy iba v pároch. To znamená, že každú hmotnú časticu, napr. spomínaný kvark, sprevádzal jeho antičasticový protiklad, teda antikvark. Prečo však tieto páry častice-antičastice neanihilovali?

Odpovedať na túto otázku bolo pre fyzikov tvrdým orieškom. Prvú stopu, prečo v prvých desatinách sekundy existencie vesmíru nedošlo k totálnej anihilácii častíc, priniesla dvojica amerických fyzikov čínskeho pôvodu Čchen Ning Jang a Cung Tao Li, keď objavili „narušenie symetrie“.
Keď vesmír krátku chvíľu po svojom vzniku expandoval a chladol, začalo viac častíc zanikať než vznikať. Keby nebolo o niečo viac elektrónov než pozitrónov, kvarkov než antikvarkov, potom by sa obyčajné častice, ako sú elektróny a kvarky, v dnešnom vesmíre nevyskytovali. Táto počiatočná prevaha hmoty nad antihmotou bola síce nepatrná, ale zásadná. Fyzici odhadujú, že na každý trilión antičastíc pripadalo o jednu časticu naviac. To následne spôsobilo, že z tejto „zostávajúcej“ hmoty vznikli asi za tri minúty po singularite veľkého tresku ľahké jadrá, o asi milión rokov neskôr atómy a ešte neskôr vo vnútri hviezd ťažšie prvky. Pomer medzi hmotou a antihmotou je teda jednou z kľúčových počiatočných podmienok, ktoré určili ďalší vývoj nášho vesmíru. Ako to teda je? Môže to byť tak, že už na začiatku bola veľmi malá asymetria? Môže, ale filozoficky to nesedí a dá sa predpokladať, že počiatočná asymetria by veľmi rýchlo zanikla kvôli inflácií. Z toho nám vyplýva, že táto asymetria musela vzniknúť v určitom veľmi skorom štádiu.

Narušenie symetrie ukázalo, že fyzikálne zákony pre častice nie sú nutne rovnaké ako pre antičastice. Toto zistenie má veľmi podstatné dôsledky: vesmír zložený z antičastíc by sa vyvíjal inak než náš vesmír, kde nepochybne hrajú prím častice. Časticovú fyziku môžeme teraz chápať nie ako presne harmonickú „hudbu sfér“, ako dúfal britský fyzik Paul Dirac, ale ako štúdium symetrií, a to ako realizovaných, tak nerealizovaných. Ak pre súčasný vesmír sú na úrovni mikrosveta charakteristické i narušené symetrie, dokonalou symetriou sa vyznačoval zrejme len veľmi raný vesmír. Steven Weinberg k tomu poznamenal: „Dôležitosť narušených symetrií je v tom, že robí svet takým, aký je.“

Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Kľúčové slová

Vyhľadaj ďalšie študentské práce pre tieto populárne kľúčové slová:

#stopy minulosti okolo nas #mendelejev chemia #moj mikrosvet #štandardný model #elementarne castice #Periodicka tabulka #Dovnutra


Odporúčame

Prírodné vedy » Fyzika

:: KATEGÓRIE – Referáty, ťaháky, maturita:

Vygenerované za 0.014 s.
Zavrieť reklamu