|
Dagens Science : Elementarpartikler |
14:36:27 |
 Niels Bohrs Atommodel med et skitseret kvantespring.
Niels Bohr, Atommodellens skaber.
Skematisk (klassisk) model af et kulstof atom. C for Carbon, grundstof nr. 6.
Det moderne periodiske system, i 18-søjle layout.
Standardmodellens tre generationer af stofpartikler i de tre første søjler.Gauge-bosonerne i den fjerde søjle og Higgs-bosonen i den femte. 
Gluoner formidler den stærke kernekraft (QCD) mellem kvarker i en neutron.Den stærke kernekraft skyldes udveksling af gluoner (de små kugler) mellem kvarker (up-kvark og down-kvark) og mellem gluonerne indbyrdes. |
Videnskab om: Elementarpartikler
Indholdsfortegnelse :Det klassiske (oldgræske) AtomNyere udvikling Atomkernen Alkymi og Guld Bohrs atommodel Grundbeskrivelse Uddybende beskrivelse Den klassiske atomkerne De subatomare partikler Elementarpartikler Standardmodellen Uddybende beskrivelse af standardmodellen Elementarpartikelfysik Stofpartikeltabel : Kraftpartikeltabel : Elementarpartikeltabel : Historie Vægtfylde faste metaller
Det klassiske (oldgræske) Atom 🔝Fra den græske oldtid (antikken) havde man en ide om, at alt stof bestod af noget udeleligt, som på græsk kaldes atomos – heraf navnet atom. De blev da, i princippet, klassificeret som elementarpartikler. Den første subatomare partikel, der blev opdaget, var elektronen (1897). Protonen og neutronen blev først fundet i henholdsvis 1918 og 1932.Nyere udvikling 🔝I dag omfatter elementarpartikler kvarker/antikvarker, leptoner/antileptoner samt en række kraftformidlende elementarpartikler (se længere nedenfor). De partikler, der tidligere opfattedes som elementarpartikler, kan således opbygges af de ovennævnte elementarpartikler. Ligeledes er det muligt, at ny forskning vil afsløre endnu mindre byggesten end de nuværende elementarpartikler.Atomkernen 🔝Et atom består af en kerne, atomkernen og en kappe. En atomkerne er også kendt som en nuklid. Atomets positivt ladede partikler, protoner, ligger i kernen. Sammen med protonerne er neutroner, som er neutrale. Uden på kernen er kappen, hvor atomets negative ladede partikler, elektroner, forholder sig (i form af stående bølger). Antallet af protoner og elektroner vil som udgangspunkt være det samme i et atom, som derfor vil være neutralt ladet. Protoner og neutroner kaldes tilsammen nukleoner, og de udgør kernestoffet. Kernens udstrækning er lille (af størrelsesorden 10-14 m) i forhold til atomets (af størrelsesorden 10-10 m), men alligevel er næsten alt atomets masse koncentreret i kernen. Det skyldes at en nukleon vejer knap 2.000 gange så meget som en elektron.Alkymi og Guld 🔝Antallet af protoner i en kerne fastlægger grundstoffet, mens antallet af neutroner bestemmer, hvilken isotop af det pågældende grundstof, der er tale om. Alkymisternes gamle drøm, om at omdanne bly til guld ad kemiske veje, var således dømt til at mislykkes. Grundstofomdannelse forudsætter kerneomdannelse, men kemiske reaktioner involverer alene elektronerne i kappen. I vore dage er det faktisk muligt at skabe guld, af lettere kerner ved neutronbeskydning – herved eftergøres de kerneprocesser, som forløber under en supernova – men udgiften overstiger langt udbyttet.Bohrs atommodel 🔝Grundbeskrivelse 🔝Ordet atom stammer fra det græske ord Atomos, der betyder udelelig. Ernest Rutherford, der var født i New Zealand, opstillede en model for hydrogenatomet, hvor kernen var omkredset af elektroner ligesom planeterne omkring Solen. Datidens fysiske love forudsagde, at elektronerne ikke ville blive i deres baner, men bevæge sig mod atomkernen med større og større fart og samtidig udsende lys af meget forskellige farver. Det er ikke det, man ser i lysende hydrogen – hydrogen udsender kun få forskellige farver lys, et liniespektrum.En løsning på dette problem var, at Niels Bohr i 1913 opstillede en ny model for hydrogenatomet: Atomet kan kun eksistere i nogle ganske bestemte stationære tilstande - eller med andre ord, at elektronerne holder deres stabile baner og ikke nærmer sig atomkernen. Atomet kan hoppe fra én tilstand til en anden, men ikke eksistere 'mellem' to tilstande. Når det sker udsender eller modtager atomet energi svarende til energiforskellen mellem de to stationære tilstande. Bohrs model kunne både forklare hydrogens spektrum, Rutherfords påvisning af atomkernen og andre problemer med modstrid mellem den klassiske fysik og nyere eksperimenter. Uddybende beskrivelse 🔝I slutningen af 1800-tallet og begyndelsen af 1900-tallet viste flere og flere eksperimenter, at et atom ikke var udeleligt, men bestod af en række mindre partikler. Elektronen blev opdaget i 1897 af Thomson og i 1911 påviste Rutherford atomets positive, men lille kerne. Ifølge klassisk fysik kan der ikke eksistere stabile atomer, der er opbygget af elektroner i baner om en kerne. Elektronerne vil øjeblikkeligt bevæge sig i en spiralformet bane ind mod atomkernen med større og større fart og derved udsende et kontinuert elektromagnetisk spektrum. Dette var i direkte modstrid med, at hydrogen og andre luftarter udsender et linjespektrum og ikke mindst med, at atomerne jo tydeligvis er stabile over længere tid.I 1913 opstillede Niels Bohr (1885-1962) en ny atommodel, specielt inspireret af hydrogenspektret. Atommodellen var formuleret som to postulater: Atomet kan kun eksistere i nogle ganske bestemte stationære tilstande. I hver af disse tilstande har atomet en bestemt energi. Ændringen fra en tilstand med energi E2 til en med lavere energi E1 kan ske ved, at atomet udsender en foton med en energi givet ved: h • f = E2−E1 hvor f er fotonens frekvens og h er Plancks konstant. Omvendt kan atomet tilføres den samme energi ved at absorbere en tilsvarende foton. Lys udsendes i små energiportioner: fotoner som også kaldes kvanter. Jo mindre energispringet er, desto mindre er fotonens frekvens. Omvendt giver store energispring fotonen en kortere bølgelængde og en større frekvens. Bohrs postulater kunne på enestående måde forklare hydrogens liniespektrum og dermed binde den klassiske og den moderne fysik sammen. Bohrs atommodel gav anledning til udviklingen af kvantemekanikken og på Institut for Teoretisk Fysik skabte Niels Bohr og hans medarbejderstab af internationalt førende forskere en lang række videnskabelige landvindinger. Efter Bohrs død i 1962 blev instituttet opkaldt efter ham og har siden heddet Niels Bohr Institutet. Det er den dag i dag et vigtigt center for partikelfysik, astronomi, iskerneforskning mm. Den klassiske atomkerne 🔝De subatomare partikler 🔝Subatomare partikler er alt der er mindre end atomer. Dette er blandt andet elementarpartiklerne (quarker, leptoner osv), men også sammensatte partikler som protoner og neutroner.Eksempelvis en proton eller en neutron er jo mindre end et atom, og er altså derfor subatomer i lighed med elektronen. Men en proton eller en neutron består igen af mindre dele. Elementarpartikler 🔝Elementarpartikler er de mindste universet er bygget af. De kan altså ikke deles yderligere. I øjeblikket mener man, at dette er quarkerne, leptonerne og vekselvirkningsbosonerne. Alle disse er mindre end atomer, og er derfor subatomare. Men eksempelvis en proton er jo mindre end et atom, og er altså også subatomer. Men en proton består (som tidligere nævnt) igen af mindre dele, nemlig 2 up quarks og 1 down quark. Så eftersom en proton kan opdeles yderligere, er det ikke en elementarpartikel. Men den er subatomar, da den jo er indeholdt i atomer.Elementarpartikler, er de dele af stoffet, der er mindre end atomer og atomkerner. Studiet af elementarpartiklernes fysik er studiet af materiens inderste egenskaber og de fysiske loves mest fundamentale udtryk. Antallet af kendte elementarpartikler var få indtil 1940'erne, men i 1950'erne og 1960'erne steg antallet voldsomt. Mangfoldigheden af partikler virkede meget forvirrende, men i 1970'erne indtraf et gennembrud i forståelsen af elementarpartiklernes fysik. Resultatet omtales som Standardmodellen, der er et hovedresultat af 1900-tallets fysik. Standardmodellen 🔝Standardmodellen er en teori for stoffets mest elementære bestanddele. Disse indbefatter tre generationer af elementarpartikler, hvor den første generation er bestanddelene af normalt stof. Der er to kvarker (u og d), en elektron (e) og en neutrino (ν). De næste to generationer er ustabile, tungere versioner af den første generation. Hertil kommer gauge-bosonerne, der formidler kræfterne mellem partiklerne. Gluonen (g) formidler den stærke kernekraft mellem kvarkerne. Fotonen (γ) formidler de elektromagnetiske kræfter mellem de elektrisk ladede partikler. De tre tunge bosoner (W+, W- og Z) formidler den svage kernekraft. Endeligt giver Higgs-partiklen masse til alle de andre partikler.Uddybende beskrivelse af standardmodellen 🔝Det første skridt mod standardmodellen blev taget i 1961 af Sheldon Glashow, der foreslog en måde at kombinere den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft. Denne elektrosvage teori tog sin moderne form, efter at Stephen Weinberg og Abdus Salam i 1967 tilføjede den såkaldte Higgs-mekanisme til teorien. Herefter viste Martinus Veltman og Gerard 'tHooft at teorien hang teknisk logisk sammen. En central forudsigelse af teorien var W- og Z-bosonerne. W-bosonen var allerede indirekte set og Z-bosonen blev set indirekte i 1973 af et neutrinoeksperiment på CERN kaldet Gargamelle. Disse tunge bosoner blev direkte observeret i 1983 med de forudsete masser ved CERNs Super Proton Synchrotron proton-antiproton Collider, hvilket udløste Nobelprisen til Carlo Rubbia og Simon van der Meer. En anden forudsigelse var eksistensen af en Higgs-partikel, som blev fundet ved CERNs Large Hadron Collider i 2012 og udløste Nobelprisen til Peter Higgs og Francois Englert.Teorien for den stærke kernekraft tog sin moderne form omkring 1973 under navnet Quantum Chromo Dynamics (QCD) i et samspil mellem mange forskere. Den elektrosvage teori og QCD udgør tilsammen standardmodellen. Den elektromagnetiske kraft skyldes udveksling af fotoner. Fotonen er masseløs og derfor har den elektromagnetiske kraft uendelig rækkevidde ligesom gravitationen. Kraften på en partikel er proportional med partiklens elektriske ladning. Fotoner vekselvirker ikke direkte med andre fotoner, da disse ikke bærer nogen elektrisk ladning. Den svage kernekraft skyldes udveksling af W+, W- og Z-bosoner. Disse bosoners masser beløber sig til næsten hundrede gange protonens masse, og derfor har denne kraft en uhyre kort rækkevidde. De elektrisk ladede W-bosoner laver en u-kvark om til en d-kvark, eller omvendt, når de udsendes eller modtages. De kan også lave en elektron om til en elektronagtig neutrino, eller omvendt. Den eneste kraft, en neutrino kan mærke, er den svage kernekraft. Den stærke kernekraft (QCD) skyldes udveksling af gluoner mellem kvarker og mellem gluonerne indbyrdes. Gluonen er masseløs ligesom fotonen, men alligevel er kraftens rækkevidde kun ca 10-15m. Dette hænger sammen med, at den ladning, som den stærke kernekraft virker på, findes i tre varianter, kaldet "farve". I modsætning til fotonen bærer gluonerne selv farveladning, og det er grunden til kraftens korte rækkevidde. Inden for denne rækkevidde er kraften imidlertid meget stærkere end den elektromagnetiske kraft, hvilket er grunden til, at den kan holde sammen på de positivt elektrisk ladede protoner i atomkernen. Elementarpartikelfysik 🔝Kun i elementarpartikelfysik kommer relativitetsteori og kvanteteori samtidig til fuld udfoldelse, og det er den gren af fysikken, der beskæftiger sig med de mest grundlæggende naturlove, hvorfra alle andre naturlove i princippet er afledt.Eksperimentel partikelfysik har bidraget indirekte til bl.a. udviklingen af informations- og superledningsteknologi og medicinsk udstyr. Bemærk også baryon, meson, lepton og kvark. En elementarpartikel er en partikel, der i teorien ikke kan deles i mindre bestanddele. Grundet udviklingen i vores forståelse af naturen, har betydningen ændret sig gennem historien. I dag omfatter elementarpartikler kvarker/antikvarker, leptoner/antileptoner samt en række kraftformidlende elementarpartikler (se nedenfor). De partikler, der tidligere opfattedes som elementarpartikler, kan således opbygges af de ovennævnte elementarpartikler. Ligeledes er det muligt, at ny forskning vil afsløre endnu mindre byggesten end de nuværende elementarpartikler. Stofpartikeltabel : 🔝Udover denne tabels 12 partikler, findes der også 12 antipartikler:1. Familie Elektron (e) Elektron-Neutrino (νe) Up-kvark (u) Down-kvark (d) 2. Familie Myon (μ) Myon-Neutrino (νμ) Charm-kvark (c) Strange-kvark (s) 3. Familie Tau (τ) Tau-Neutrino (ντ) Top-kvark (t) Bottom-kvark (b) Kraftpartikeltabel : 🔝(I parentes: Formodede partikler, som endnu ikke er eksperimentelt påvist)
Elementarpartikeltabel : 🔝ElektronHar en negativ elektrisk ladning. De optræder frit eller er bundet i atomer. Elektronneutrino Er uden ladning og har meget lille masse. Optræder ved radioaktivitet. Upkvark Almindeligt stof består af up- og downkvarker samt elektroner. En kvark optræder aldrig isoleret. Downkvark Protoner består af en down- og to upkvarker, og neutroner af to down- og en upkvark. Myoner Minder om elektronen, men er 300 gange tungere og radioaktivt ustabil. Myonneutrino Ligner elektronneutrinoen, men er lidt tungere, selvom den også er uhyre let. Charmkvark Vejer tre gange så meget som en proton og har positiv elektrisk ladning. Strangekvark Har negativ elektrisk ladning. Taupartikel Er 3500 gange tungere end elektronen og har en uhyre kort levetid. Tauneutrino Er uden ladning. Meget let, selvom den er lidt tungere, end de andre neutrinoer. Bottomkvark Er fire gange tungere end en proton. Dannes blandt andet ved henfald af topkvarken. Topkvark Er den tungeste elementarpartikel og vejer næsten det samme som et guldatom. Fotoner Masseløs lyspartikel, som bærer den elektromagnetiske kraft. Gluoner Binder kvarker sammen i elementarpartikler. Bærer den stærke kernekraft. W-og Z-partikler Bærer den svage kernekraft. Er på spil ved forskellige former for radioaktivitet. Graviton Menes at være bærer af tyngdekraften. Partiklens eksistens er endnu ikke blevet bekræftet af forskerne, men jagten på den er i fuld gang på CERN i Schweiz. Higgspartiklen blev med 99,99 procents sandsynlighed fundet i 2012. Partiklen giver atomernes byggesten masse. Kvarker kobler sig kraftigere til Higgspartikler, og derfor er de tungere end eksempelvis elektroner. Historie 🔝Opdagelsen af radioaktiviteten, elektronen og protonen i slutningen af 1800-t. og begyndelsen af 1900-t. havde gjort det klart, at atomet ikke er udeleligt, men at det består af en atomkerne, indeholdende protoner, med elektroner kredsende omkring. Endvidere blev partikelfysikernes nøgleredskaber, den specielle relativitetsteori og kvantefysikken, udviklet i hhv. 1905 og ca. 1925.Vægtfylde faste metaller 🔝
|
|
