[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.Jak przekonaliśmy się w poprzednim rozdziale, zgodnie z mechaniką kwantową wszystkie cząstki są też w rzeczywistości falami, przy czym ze wzrostem energii cząstki maleje długość odpowiadającej jej fali.Zatem najlepsza odpowiedź na nasze pytanie zależy od tego, jak wielka jest energia cząstek, którymi dys­ponujemy, to decyduje bowiem, jak małe odległości jesteśmy w stanie zbadać.Energię cząstek mierzymy zazwyczaj w jednostkach zwanych elektronowoltami.(Wiemy już, że Thomson używał pola elektrycznego do przyśpieszania elektronów.Energia, jaką zyskuje elektron, przecho­dząc przez pole o różnicy potencjału jednego wolta, to właśnie jeden elektronowolt).W XIX wieku naukowcy potrafili używać wyłącznie cząstek o energii rzędu paru elektrono wól to w, powstającej w reakcjach chemicznych, takich jak spalanie; dlatego uważano atomy za najmniej­sze cegiełki materii.W doświadczeniach Rutherforda cząstki alfa miały energię paru milionów elektronowoltów.Później nauczyliśmy się wy­korzystywać pole elektromagnetyczne do nadawania cząstkom jeszczewiększej energii, początkowo rzędu milionów, a później miliardów ele­ktronowoltów.Dzięki temu wiemy, że cząstki, uważane za “elementar­ne" dwadzieścia lat temu, w rzeczywistości zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek.Czy te ostatnie z kolei, jeśli dysponować będziemy jeszcze większymi energiami, okażą się złożone z jeszcze mniejszych? Jest to z pewnością możliwe, ale pewne przesłanki teoretyczne pozwa­lają obecnie sądzić, że poznaliśmy najmniejsze cegiełki materii lub że jesteśmy co najmniej bardzo bliscy tego.Dzięki omawianemu w poprzednim rozdziale dualizmowi falowo-kor-puskularnemu wszystko we wszechświecie, łącznie ze światłem i gra­witacją, można opisać, posługując się pojęciem cząstek.Cząstki ele­mentarne charakteryzują się pewną własnością, zwaną spinem.Jeśli wyobrazimy sobie cząstki elementarne jako małe bąki, to spin odpo­wiada rotacji takiego bąka.Ta analogia może być bardzo myląca, po­nieważ zgodnie z mechaniką kwantową cząstki nie mają żadnej dobrze określonej osi.Naprawdę spin mówi nam o tym, jak wygląda cząstka z różnych stron.Cząstka o zerowym spinie jest jak punkt: wygląda tak samo ze wszystkich stron (rys.17a).Cząstka o spinie l przypomina strzałkę: wygląda inaczej z każdej strony i trzeba ją obrócić o kąt pełny (360°), by ponownie wyglądała tak samo (rys.17b).Cząstka o spinie 2 przypomina dwustronną strzałkę (rys.17c): wygląda tak samo po obrocie o kąt półpełny (180°).I tak dalej, im większy spin cząstki, tym mniejszy jest kąt, o jaki trzeba ją obrócić, by wyglądała tak samo.Jak dotąd, wszystko to wydaje się dosyć proste, ale faktem zdumiewającym jest istnienie cząstek, które wcale nie wyglądają tak samo, jeśli obrócić je o kąt pełny; do tego potrzebne są dwa pełne obroty! Takie cząstki mają spin 1/2.Wszystkie znane cząstki można podzielić na dwie grupy: cząstki o spinie 1/2, z których zbudowana jest materia we wszechświecie, i czą­stki o spinie O, l lub 2, odpowiedzialne za siły między cząstkami ma­terii.Cząstki materii podlegają tak zwanej zasadzie wykluczania Pau-liego.Zasadę tę odkrył w 1925 roku austriacki fizyk Wolfgang Pauli, za co otrzymał Nagrodę Nobla w roku 1945.Pauli był fizykiem teo­retykiem najczystszego typu, powiadano, że sama jego obecność w mie­ście wystarczała, by doświadczenia się nie udawały.Zasada wyklucza­nia Pauliego stwierdza, że dwie identyczne cząstki o spinie połówko­wym nie mogą być w tym samym stanie kwantowym, to znaczy nie mogą mieć tej samej pozycji i takiej samej prędkości, określonych z do­kładnością ograniczoną przez zasadę nieoznaczoności.Zasada wyklu czania ma podstawowe znaczenie, wyjaśnia bowiem, dlaczego pod wpływem sił związanych z cząstkami o spinie O, l lub 2, cząstki materii nie tworzą stanu o ogromnej gęstości: gdyby dwie cząstki materii zna­lazły się niemal w tym samym miejscu, to miałyby bardzo różne pręd­kości i nie pozostałyby blisko siebie przez dłuższy czas.Gdyby w świe­cie nie obowiązywała zasada wykluczania, to kwarki nie tworzyłyby oddzielnych protonów i neutronów, zaś neutrony, protony i elektrony nie tworzyłyby oddzielnych atomów.Powstałaby raczej w miarę jed­norodna, gęsta “zupa".Zachowanie elektronów i innych cząstek o spinie 1/2 zrozumiano dopiero w 1928 roku, dzięki teorii zaproponowanej przez Paula Diraca, który później został wybrany Lucasian Professor matematyki w Cam­bridge (kiedyś katedra Newtona, dziś należy do mnie).Teoria Diraca była pierwszą teorią fizyczną zgodną równocześnie z zasadami mecha­niki kwantowej i szczególnej teorii względności.Wyjaśniła ona, między innymi, dlaczego elektron ma spin 1/2, to znaczy czemu nie wygląda tak samo po obrocie o jeden pełny kąt, a dopiero po dwóch takich obrotach.Teoria Diraca przewiduje także, że elektronowi powinien to­warzyszyć partner: antyelektron, zwany również pozytronem.Odkrycie pozy tronu w 1932 roku potwierdziło teorię Diraca, dzięki czemu otrzymał on Nagrodę Nobla w 1933 roku.Obecnie wiemy, że każda cząstka ma swoją antycząstkę, z którą może anihilować.(W wypadku cząstek przenoszących oddziaływanie antycząstki niczym nie różnią się od czą­stek).Mogą istnieć całe antyświaty i antyludzie, zbudowani z antycząstek.Jeśli jednak spotkasz antysiebie, nie podawaj mu ręki! Zniknęli-byście obaj w wielkim błysku światła.Pytanie, czemu istnieje o wiele więcej cząstek niż antycząstek, jest bardzo ważne i jeszcze do niego wrócimy.W mechanice kwantowej wszystkie siły lub oddziaływania między cząstkami materii przenoszone są przez cząstki o spinie całkowitym — O, l lub 2.Mechanizm oddziaływania jest prosty: cząstka materii — elektron lub kwark — emituje cząstkę przenoszącą siłę.Odrzut pod­czas emisji zmienia prędkość cząstki materii.Następnie cząstka prze­nosząca oddziaływanie zderza się z inną cząstką materii i zostaje po­chłonięta.W zderzeniu zmienia się prędkość drugiej cząstki; cały proces wymiany symuluje działanie siły między cząstkami.Jest bardzo istotne, że cząstki przenoszące oddziaływania nie pod­legają zasadzie wykluczania Pauliego.Dzięki temu liczba wymienio­nych cząstek nie jest niczym ograniczona i oddziaływania mogą być bardzo silne.Jeśli jednak wymieniane cząstki przenoszące siły mają bardzo dużą, masę, to niezwykle trudno je wyemitować i przesłać na dużą odległość [ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • swpc.opx.pl
  •