Cząstki i oddziaływania elementarne - Instytut Fizykiwsalejda/cze5.pdf · Podział cząstek elementarnych 9 . 10 Czy Wszechświat jest statyczny i ... docierające z gwiazd lub

1

Oddziaływanie podstawowe – rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań. Wyróżniamy cztery rodzaje oddziaływań (sił) podstawowych: • oddziaływania silne • oddziaływania elektromagnetyczne • oddziaływania słabe • oddziaływania grawitacyjne

2

Oddziaływania silne są odpowiedzialne za wiązania pomiędzy kwarkami, cząstkami elementarnymi, które tworzą neutrony lub protony oraz za wiązanie nukleonów (neutronów i protonów) w jądrze atomowym. Nośnikami oddziaływań silnych są bezmasowe cząstki zwane gluonami. Zasięg oddziaływań silnych: 10-15 m (rozmiar jądra) Oddziaływania silne są najsilniejszymi z oddziaływań elementarnych.

proton

kwarki

3

Oddziaływania elektromagnetyczne (elektryczne i magnetyczne) odpowiedzialne min. za wiązania pomiędzy jądrem a elektronami oraz za wiązania pomiędzy atomami i cząstkami. Nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych są fotony Zasięg oddziaływań elektromagnetycznych: nieskończony (1/r2) Siła oddziaływań elektromagnetycznych: 1/137 siły oddziaływań silnych

4

Oddziaływane słabe jest odpowiedzialne min. za rozpad beta. Nośnikami oddziaływań słabych są masywne czątki: bozony W+ W- i Z0

Zasięg oddziaływań słabych: 10-18 m (rozmiar protonu) Siła oddziaływań słabych: 10-13 siły oddziaływań silnych

5

Oddziaływania grawitacyjne jest odpowiedzialne za formowanie materii w skali kosmicznej (powstawanie planet, gwiazd, galaktyk itd.) Nośnikami oddziaływań grawitacyjnych są grawitony (?). Zasięg oddziaływań grawitacyjnych: nieskończony (1/r2) Siła oddziaływań grawitacyjnych: 10-40 siły oddziaływań silnych (najsłabsze z oddziaływań elementarnych)

6

Kwarki – cząstki elementarne tworzące materię. Kwarki oddziałują ze sobą za pośrednictwem gluonów.

7

Cząstki dzielą się na fermiony (o spinie połówkowym) i bozony (o spinie całkowitym) Otaczającą nas materię tworzą elektrony oraz kwarki: górny i dolny oraz neutrino elektronowe.

8

Podział cząstek elementarnych

9

10

Czy Wszechświat jest statyczny i nieskończony ? Jeśli tak to: • Patrząc na dowolny punkt nieba

napotykamy świecącą gwiazdę • Jasność nieba na którym widać

nieskończenie wiele gwiazd powinna być taka jak jasnośc powierzchni gwiazdy.

Nocne niebo nie jest jasne jak powierzchnia gwiazdy. Wszechświat nie jest statyczny i nieskończony.

R.W. Wilson i A.A. Penzias- odkrywcy mikrofalowego promieniowania tła. Nagroda Nobla 1978r.

Mikrofalowe promieniowanie tła – pozostałość po wczesnym stadium ewolucji Wszechświata

11

George Gamow współtwórca hipotezy Wielkiego Wybuchu. Przewidzaił istnienie mikrofalowego promieniowania tła

Widmo promieniowania tła zarejstrowane przez satelitę COBE oraz obserwacje Wilsona i Panzias’a

12

Fluktuacje w natężeniu promieniowania powstałego 400 tys. lat po Wielkim Wybuchu odpowiadają obecnemu rozkładowi materii we Wszechświecie

13

Edwin Hubble odkrywca zjawiska rozszerzania Wszechświata

Stała Hubble’a (nachylenie wykresu prędkości oddalania od odległości):

H0=73 km/s/Mpc (1Mpc = 106 parseka, 1 parsek= 3.086·1016 m)

Przesunięcie ku czerwieni– zjawisko polegające na tym, że linie widmowe promieniowania elektromagnetycznego docierające z gwiazd lub galaktyk są przesunięte w stronę większych długości fali (mniejszych częstotliwości). Prawo Hubble’a mówi o tym, że prędkość oddalania się galaktyk jest wprost proporcjonalna do ich odległości. Miarą szybkości oddalania jest przesuniecie ku czerwieni

14

Analogia 2D do nadmuchiwanego balonu: Współrzędne punktów na powierzchni balonu nie zmieniają się ale jednocześnie punkty oddalają się od siebie. Nie ma wyróżnionego punktu od którego oddalają się wszystkie punkty. Prędkość oddalania dwóch punktów jest proporcjonalna do odległości między nimi.

15

R

mMG

mvE

2

2

RHv

RM

R

mMG

mv

c

0

3

2

3

4

2

E>0 Wszechświat jest za mało gęsty i będzie się rozszerzał w nieskończoność E<0 Wszechświat jest zbyt gęsty i zapadnie się grawitacyjnie E=0 przypadek graniczny dla gęstości krytycznej

3272

0

32

0

/103.68

3

3

4

2

mkgG

H

R

Rm

GRHm

c

c

Masa atomu wodoru: 1.67*10-27 kg Gęstość krytyczna: ok. 5 atomów wodoru w metrze sześciennym

Gęstość Wszechświata: /c=1.020.02 Gęstość obserwowalnej materii we Wszechświecie: ok. 5%

Reszta to ciemna materia (27%) i ciemna energia (68%)

16

Zakładając, że Wszechświat rozszerza się w stałym tempie:

latsHRH

R

v

RT

RHv

1017

00

0

104.1103.41

Jeżeli R jest wystarczająco duże v>c !!! Nie jest to naruszenie szczególnej teorii względności Einsteina. To nie obiekty oddalają się od siebie zmieniając swoje współrzędne w jakiś układzie odniesienia – to przestrzeń się rozszerza. Wszechświat obserwowalny- część Wszechświata, z której docierają do nas sygnały świetlne (kula o średnicy ok. 9.3*1010 lat świetlnych). Dla porównania: rozmiar Drogi Mlecznej to ok. 105 lat świetlnych

Wielki Wybuch – koncepcja powstania Wszechświata (przestrzeni, czasu, materii, oddziaływania). Wedłuch tej koncepcji Wszechświat powstał 13.8 miliarda lat temu z obszaru o nieskończenie wielkiej gęstości (tzw. osobliwości początkowej). Początkowa temperatura Wszechświata: 1032K W miarę upływu czasu Wszechświat rozszerza się i stygnie. Obcena temperatura Wszechświata: 2.7K

17

wiek Wszechświata (s) obecny wiek Wszechświata

Wielki Wybuch

powstają kwarki i leptony

powstają protony i neutrony

powstają jądra

powstają atomy

jedna siła

dwie siły

trzy siły cztery siły

siła grawitacji

siła silna

siła słaba

siła elektromagnetyczna

grawitacja

siła silna i elektrosłaba

siła elektrosłaba

18

19