| Výuka > Fyzika > Dnešní pohled na strukturu hmoty |

Dnešní pohled na strukturu hmoty

Hmota

Z čeho je složen svět? Existují nejmenší částice hmoty? Platí pro ně zákony podobné zákonům makrosvěta? Tyto otázky náležejí k nejstarším, jaké kdy člověka zajímaly a vzrušovaly. Kladli si je před více než 25 stoletími ve starověkém Řecku a klade si je moderní přírodověda i dnes. Atom současné fyziky není ovšem totožný s atomem starověkých filozofů. Člověk poznal jeho stavbu a zjistil v něm neobyčejně pevné a rozměrově nepatrné jádro, složené z protonů a neutronů.

Dělení látek má své meze. Jakmile se dosáhne molekul a atomů, začne se hmota dalšímu dělení výrazně bránit, neboť veškerá soudržnost látek až do atomární úrovně je téměř výhradně elektrického původu. Každé těleso je složeno z molekul, každá molekula z atomů. Každý atom je složen z kladně nabitých jader a záporně nabitých elektronů. Jádro obsahuje kladně nabité protony a elektricky neutrální neutrony. Oba celkové náboje jsou stejně velké, takže atom se jeví jako elektricky neutrální.

Dělení atomu znamená od sebe oddělit elektricky nabité části. Toho lze využít k dalšímu dělení hmoty. Elektricky nabitý objekt (například nějaký úlomek atomu - iont, atomové jádro, proton, elektron) lze urychlit v elektrickém poli a vrhnout jej proti jinému objektu podobného druhu. Prudkými srážkami lze tak hmotu štěpit na stále menší části. Uměle vyvolané srážky iontů, atomových jader, protonů a elektronů mají ovšem mnohem zajímavější cíl, než pouhé rozbíjení hmoty. Jsou v podstatě jediným způsobem, jak lze tyto objekty studovat. Na cestě do mikrokosmu se setkáváme se stále menšími objekty, z nichž každý se zpočátku jeví jako jednoduchý a dále nedělitelný. Při podrobnějším pohledu za použití vyšší energie se však projeví jako složitý komplex menších objektů. Zkoumané objekty se ostřelují rychlejšími a průraznějšími částicemi, urychlenými například tepelným pohybem, urychlovači iontů, jader nebo elementárních částic.

Názor, že k vysvětlení struktury hmoty stačí trojice částic proton, neutron a elektron, se postupně stal neudržitelný. Ukazovalo se, že některá jádra vysílají dosud neznámé částice, které v nich nejsou obsaženy a rodí se až v okamžiku jejich vyslání. Dodnes jsou objevovány další subnukleární částice. Ze studia tří základních kamenů hmoty a částice elektromagnetického vlnění fotonu se vyvinul rozsáhlý obor, který se dnes zabývá asi 300 obtížně postižitelných a identifikovatelných objektů. Jejich zkoumání spočívá v podstatě v tom, že se částice přimějí ke srážce a její výsledky se pak vyhodnocují. Elementární částice se při srážce nerozbíjí. Na rozdíl od předmětů, s nimiž přicházíme denně do styku, jsou částice nesmírně stabilní vůči různým druhům zásahů, jako je urychlování, brždění, nárazy. Srážka částice nejen nerozbíjí, ale naopak je tvoří, a to tím více, čím je srážka prudší.

Začněme tedy studovat neobyčejné vlastnosti elementárních částic. Nejprve budeme stručně charakterizovat vlastnosti základních částic v atomu: elektronu, protonu a neutronu.

Elektrony jsou lehké záporně nabité objekty, které vytvářejí kolem těžkého kladně nabitého jádra elektronový obal. Elektronový obal má zásadní význam pro chemické vlastnosti atomu, protože určuje jeho vazebné schopnosti pro vytváření molekul. Hmotnost elektronu je 9,109.10-31 kg a jeho záporný elektrický náboj je
-1,602.10-19 C. Počet elektronů určuje chemické vlastnosti atomu. Elektrony jsou nositeli elektrického náboje.

Proton je poměrně těžká částice s hmotností 1,67.10-27 kg. Má kladný náboj, stejně velký jako má elektron. Proton a elektron se díky opačným elektrickým nábojům přitahují a jsou schopny vytvářet stabilní atom - atom vodíku.

Neutron je částice bez náboje, o necelé dvě promile těžší než proton.

Elektron a proton jsou částice stabilní. Jako volné částice existují po neomezeně dlouhou dobu. Stabilita těchto částic je základní podmínkou stability atomu a tedy i stability hmoty ve vesmíru. Je nutné připomenout, že v poslední době se vážně připouští možnost rozpadu protonu, ale průměrná doba rozpadu by měla přesahovat délku trvání našeho vesmíru.

Volný neutron se rozpadá asi po 15,25 minuty. Rozpadá se na tři stabilní částice, a to na proton, elektron a elektronové antineutrino.

Elementární částice lze klasifikovat podle nejrůznějších fyzikálních veličin, jako je hmotnost a elektrický náboj. Mnohem důležitější jsou však tzv. kvantová čísla, která nemají žádnou obdobu v makrosvětě: především spin, leptonové číslo, baryonové číslo a schopnost interakce. Každá částice je charakterizována kvantovými čísly a platí pro různé částice různé zákony zachování těchto kvantových čísel. Uvedeným kvantovým číslem je například elementární elektrický náboj. Jiným kvantovým číslem je spin. Zhruba řečeno, spin charakterizuje "vnitřní" rotační moment elementární částice. Částice s celočíselným spinem se nazývají bosony, částice s poločíselným spinem se nazývají fermiony.

Jednou ze základních vlastností hmoty je její setrvačnost pohybu. Hmota se snaž zachovat svůj pohybový stav. Brání se pohybu, je-li v klidu, brání se zastavení, pokud je v pohybu. Tuto neochotu měnit pohybový stav nazýváme setrvačnou hmotností.

Kácení model

  • Látka je složena z atomů.
  • Atom je složen z těžkého jádra a lehkého elektronového obalu.
  • Atomové jádro je složeno z protonů a neutronů, souhrnně nazývaných nukleony.
  • Nukleony jsou složeny z kvarků.
  • Kvarky jsou složeny z preonů.
  • Síly, které tyto útvary drží pohromadě, jsou zprostředkovány dalšími částicemi. Pojivem uvnitř atomu jsou fotony, pojivem nukleonů uvnitř jádra jsou mezony, pojivem kvarků uvnitř nukleonu jsou gluony.
částice symbol náboj klidová hmotnost doba života reaguje na silové působení
Elektron e- -1 1 Neomezeně G, W, E
Proton p+ +1 1836,2 Neomezeně G, W, E, S
Neutron n0 0 1838,7 918 s G, W, E, S
Foton γ 0 0 Neomezeně G, E
Neutrino ν 0 0 Neomezeně G, W
Mion µ- -1 206,77 2,2 µ G, W, E
Kladný pion π+ +1 273,13 26 ns G, W, E, S
Záporný pion π- -1 273,13 26 ns G, W, E, S
Neutrální pion π0 0 264,12 0,08 fs G, W, E, S

Z tabulky se dovídáme několik skutečností, o nichž zatím nebyla řeč. Piony jsou tří druhů, vzájemně se liší nábojem a neutrální pion také hmotností. Tvoří nábojovou trojici (triplet). Miony a piony se velmi brzy po svém vzniku rozpadají. Poslední sloupec tabulky ukazuje, na které silové interakce je částice citlivá. G označuje gravitační, E elektromagnetickou, W slabou a S silnou.

Dvojici částice - antičástice je zvykem nazývat pár. Jestliže se částice dostane do takové blízkosti ke své antičástici, že mohou vzájemně interagovat, mohou obě částice zaniknout. Tomu se říká anihilace páru. Při anihilaci vznikne jeden nebo více fotonů. Vzniku páru se říká kreace páru.

Současná klasifikace elementárních částic dělí částice do dvou velkých skupin. První z nich nazýváme hadrony, u kterých jsme si téměř jisti, že nejde o "pravé" elementární částice, neboť jsou složeny z částic ještě jednodušších - kvarků. Druhou skupinou jsou leptony. Podle současných názorů jde v tomto případě o "pravé" elementární částice bez vnitřní struktury. K leptonům patří neutrina (bez elektrického náboje a s velmi malou nebo snad nulovou klidovou hmotností), elektrony a miony (záporný jednotkový náboj a hmotnost 270 krát větší než elektron). Hadrony se rozdělují na těžké baryony a lehčí mezony. Baryony se dělí na hyperony a nukleony. Hyperony jsou vysoce nestabilní, nukleony jsou naopak vysoce stabilní a představují základní stavební kameny atomových jader. K nukleonů náleží protony (které jsou buď stabilní, nebo jejich poločas rozpadu je větší než je dosavadní věk vesmíru) a neutrony, které se rozpadají, pokud nejsou vázány v atomovém jádře, s poločasem rozpadu asi 45 minut.

 Přehled částic

Přehled částic

Kvarky

Kvarků je celá řada. Podle kvantové charakteristiky nazvané "vůně" je šest kvarků u, d, s, c, b, t. Toto označení kvarků vychází z anglických slov "up" (protonový), "down" (neutronový), "strange" (podivný), "charmed" (půvabný), "bottom" (spodní) a "top" (svrchní). Každá vůně se přitom vyskytuje ve třech "barvách", což je další kvantová charakteristika, a to červené, zelené a modré. Pravidlo pro sestavení hadronů říká, že baryon je složen ze tří kvarků, z nichž každý musí mít jinou barvu. Mezon se pak skládá z páru kvark a antikvark téže barvy (kvark má barvu, antikvark má antibarvu, proto se celkově mezon jeví jako bezbarvý).

Kvarky mají některé podivné vlastnosti. Jejich elektrický náboj představuje buď třetinu nebo dvě třetiny jednotkového náboje. Kvarky "u", "c" a "t" mají náboj +2/3, kvarky "d", "s" a "b" mají náboj -1/3. Antikvarky "u'", "c'" a "t'" mají náboj -2/3 a antikvarky "d'", "s'" a "b'" mají náboj -1/3.

Jak již bylo řečeno, mezony vznikají složením páru kvark a antikvark. Barva a antibarva se v čase spojitě mění vždy tak, aby byl mezon bezbarvý. Mezon πplus je například složen následujícím způsobem:

®lutý antikvark "d'" žlutý kvark "u"
Červený antikvark "d'" červený kvark "u"
Zelený antikvark "d'" zelený kvark "u"

Kvarková teorie je bohužel stále složitější a objevují se pochybnosti, zda jde opravdu o elementární částice.

Částice, které reagují na silnou interakci, se nazývají hadrony. Částice, které na silnou interakci nereagují jsou buď fotony anebo leptony.

Foton je elementární kvantum elektromagnetického záření. Jako vlna je foton určen svojí vlnovou délkou. Hodnota této délky může být od několika kilometrů až po délky srovnatelné s rozměry atomu nebo atomového jádra. Jako částice se foton chová při záření absolutně černého tělesa (Planckova kvantová domněnka) a při dopadu záření na povrch kovu (fotoelektrický jev). Klidová hmotnost fotonu je nulová. Foton se pohybuje rychlostí světla a nelze jej zastavit nebo dohonit jinou částicí.

Leptony mají schopnost pronikat do atomového jádra přes bariéru silné interakce a reagovat tam na jemné efekty slabé interakce. K leptonům patří elektron, elektronové neutrino, mion a mionové neutrino a pak jejich antičástice. Mion patří k záhadným objektům subnukleární fyziky. S elektronem má většinu shodných vlastností, ale odlišuje se výrazně svou hmotností a omezenou dobou života. Hmotnost částice chápeme jako důsledek jiných, základnějších vlastností, proto udivuje, že částice podobná elektronu má hmotnost asi 206 krát větší než elektron.

Podivné částice byly zpozorovány v roce 1947 na univerzitě v Manchesteru, při průchodu kosmického záření Wilsonovou mlžnou komorou. V komoře náhle končila dráha záporného pionu a nic viditelného z bodu jejího zániku nevycházelo. Záhadné však bylo, že několik centimetrů od místa zániku se objevovaly dvě dvojice drah nabitých částic ve tvaru dvou písmen V, s vrcholy směřujícími k bodu, kde zmizel pion. Měření hybností částic, které zanechaly tyto viditelné dráhy, vedlo k závěru, že v bodě zániku pionu vznikly dvě neutrální částice. Tyto částice se rozletěly různými směry a poté se každá z nich rozpadla na jednu kladně a jednu záporně nabitou částici. Celkový elektrický náboj byl tedy nulový jako před rozpadem.

Další studium ukázalo, že nově objevené částice jsou dvojího druhu. Jedny s vlastnostmi mezonů, rozpadající se na piony, druhé s vlastnostmi baryonů, rozpadající se na proton a záporný pion. První byly nazvány K-mezony (kaony) a druhé lambda-hyperony.

Podivné částice tedy vznikají z nepodivných částic působením silné interakce, která celkovou podivnost soustavy zachovává.

Jestliže srovnáme leptony s hadrony, zjistíme řadu nápadných rozdílů. Leptony jsou necitlivé vůči silné interakci, hadrony silné interakci podléhají. Leptony jsou v průměru lehčí než hadrony. Leptony se jeví jako bodové částice, hadrony mají patrný rozměr řádově 10 cm a lze u nich pozorovat prostorové rozložení elektrického náboje a dalších veličin. Leptonů je podle nynějších představ celkem 6 a stejný počet je antileptonů. Známých hadronů je více než 200.

Zajímavosti:

V současné době elektronový a pozitronový urychlovač LEP (Large Electron Positron collider) pracuje s vyššími energiemi než dříve a slouží k tvorbě dvojic bosonů W. Bosony W jsou intermediální nabité částice slabé interakce. Předchozí zařízení vytvářelo neutrální boson Z a těchto částic bylo pozorováno více než 20 miliónů. Statistickým vyhodnocením získaných měření se podařilo určit hmotnost bosonu Z na 91,1884 GeV s chybou 0,022 GeV. Citlivost detektorů je tak velká, že je ovlivněna slapovými silami Měsíce a dokonce dopadem kapek za silného deště.

Fyzikům firmy IBM se podařilo změřit elektrický odpor jednoho atomu xenonu. Elektrický odpor je obvykle charakteristikou velkého množství atomů (ve vodiči). Fyzikové IBM pomocí tunelové mikroskopie při průchodu jednoho nebo dvou atomů xenonu povrchem niklu ukázali, že vodivost může záviset na kvantovém stavu jednotlivých atomů. Elektrický odpor jednoatomového "proudu" je roven 105 ohmů, odpor dvou atomů xenonu je 107 ohmů.

Kvarková a gluonová plasma je hypotetickým stavem hmoty jader atomů, v níž kvarky a gluony, které normálně udržují pohromadě kvarky ve skupině po dvou (mezony) nebo po třech (baryony), jsou vzájemně uvolněny, podobně jako je tomu v případě ionizovaných atomů v plasmě. Tato jaderná plasma mohla existovat pouze ve velmi raném stádiu vývoje vesmíru a zřejmě bude možné ji vytvořit uměle v urychlovačích srážkami silně zahřátých jader atomů. Jedním z produktů těchto srážek (bez ohledu na to, zda plasma vznikne) jsou mezony j. Mezony j oblast srážky opouštějí. Nedávné výsledky experimentu NA50 v CERNu ukazují, že pouze asi polovina očekávaných mezonů j oblast skutečně opustí. Někteří teoretikové tuto skutečnost interpretují tak, že část mezonů Psí je absorbována prostředím, které je výrazně teplejší, než běžné prostředí jader atomů. Takové prostředí by mohlo obsahovat kvarkovou a gluonovou plasmu, která vznikla srážkami jader.

Poprvé s neutrálními atomy byl proveden experiment, při němž částice jednoho typu ochlazuje částici jiného typu. Na Univerzitě v Coloradu pomocí laseru a magnetických polí zachytili shluk atomů rubidia 87, které měly jednu ze dvou možných hodnot spinu. Spin určuje, jak se částice chová v magnetickém poli. Atomy s jednou hodnotou spinu jsou v magnetickém poli pasti omezovány méně než atomy s druhou hodnotou spinu. Proto mohou tyto atomy s jednou hodnotou spinu ochlazovat atomy s druhou hodnotou spinu tím, že odnášejí z magnetické pasti část jejich energie předávané vzájemnými srážkami atomů. Touto technikou se podařilo vytvořit z atomů rubidia 87 s jednou hodnotou spinu shluk Bose-Einsteinových kondenzátů, který představuje nový stav hmoty, v němž všechny atomy mají stejný kvantový stav. Uvedená metoda ochlazování může být použita pro výrobu Bose-Einsteinových kondenzátů různých izotopů a může sloužit k praktickému studiu rozdílů mezi fermiony a bosony.

Moderní kvantová teorie zastává názor, že vakuum v okolí elektronu je vyplněno virtuálními částicemi, které se objevují a zanikají. Zákon zachování energie není porušen, protože tyto virtuální částice existují velice krátkou dobu v souhlase s Heisenbergovým principem neurčitosti. Podobně jako je obtížné pozorovat povrch Venuše kvůli husté neprůhledné atmosféře, lze jen obtížně studovat samotný elektron, který je obklopen oblakem virtuálních částic. Japonským fyzikům se podařilo tímto oblakem alespoň částečně proniknout. Použili k tomu urychlovač TRISTAN, ve kterém prováděli srážky elektronů a pozitronů. Při těchto srážkách jevům s největší druhou mocninou momentu hybnosti odpovídají případy, v nichž se elektron a pozitron dostaly velmi blízko k sobě. Na rozdíl od silných srážek protonů s antiprotony v zařízení Fermilab kdy se k sobě kvarky dostávají na vzdálenost menší než 10 m), při srážkách elektronů s pozitrony se neprojevuje silná jaderná interakce a proto lze takové srážky studovat pomocí nevídaných elektromagnetických projevů. Ve vzdálenostech, menších než 2.10 m elektrony a pozitrony vzájemně prolínají své oblaky virtuálních částic. Japonští vědci ve spolupráci s detektorem TOPAZ tímto způsobem ukázali, že tento jev je zcela odlišný od projevů jiných sil v přírodě. Očekávaná elektromagnetická vazební konstanta, parametr, který určuje vlastní sílu elektromagnetické interakce, velmi rychle vzrůstá a dosahuje hodnot až 3337 (GeV/c).

Vědci německé laboratoře DESY v Hamburgu na urychlovači HERA ostřelovaly pomocí protonů s energií 820 GeV elektrony nebo pozitrony s energií 27,5 GeV. Při těchto velmi vysokých energiích se pozitron neodráží od protonu jako celku, ale odráží se od jeho jednotlivých kvarků. Tuto interakci lze charakterizovat pomocí dvou parametrů. Parametr x určuje část momentu hybnosti protonu, která připadá na jeden kvark. Parametr Q je druhá mocnina momentu hybnosti přeneseného mezi protonem a pozitronem. Dva vědecké týmy H1 a Zeus nyní přezkoumaly data získaná za poslední tři roky, která odpovídají vysokým hodnotám x a Q . Obě skupiny oznámily nadbytek počtu jevů s velmi vysokou hodnotou Q ve srovnání s předpovědí, která je založena na standardním modelu fyziky částic. Pro hodnotu Q vyšší než 15000 GeV skupina H1 oznámila 12 jevů, přičemž teorie předpovídá 4,7 jevu. Skupina Zeus naproti tomu oznámila, že jejich pozorovaná data v tomto případě souhlasí s teorií. Ovšem při hodnotě Q vyšší než 35000 GeV tato skupina oznámila 2 jevy, ačkoliv teorie předpovídá 0,1 jevu. Jeden z těchto jevů představuje dosud nejvyšší zjištěnou hodnotu 46000 GeV , která byla dosud pro lepton-protonovou interakci pozorována. Pokud budou zjištěná data potvrzena dalšími vzorky dat v budoucnosti, pak byl zřejmě objeven nový jev mimo rámec standardního modelu částic. Podle jedné hypotézy elektron a kvark vytvářejí "leptokvark", částici s hmotností kolem 200 GeV/c , která by mohla pomoci prokázat rozpad protonu.

Použitá literatura a zdroje:

časopis Vesmír 12/1981, str. 355-358
časopisy Physics News ročníky 1994-1997
InterNet: pdg.lbl.gov

02.09.2007, 20:47 vytvořil Administrator