Kaip Dirba „Atom Smashers“

{h1}

„atom“ sutriuškintojai yra naudojami mums padėti išsiaiškinti, iš ko sudarytas reikalas. Sužinokite apie atomų smulkintuvus ir sužinokite, kaip veikia atominis skaldiklis.

XX amžiaus pradžioje mes atradome atomo struktūrą. Mes nustatėme, kad atomas buvo pagamintas iš mažesnių gabalų, vadinamų subatominės dalelės - ypač protonas, neutronas ir elektronas. Tačiau eksperimentai, atlikti XX amžiaus antroje pusėje su „atomo triukšmadariais“ ar dalelių greitintuvai, atskleidė, kad atomo subatominė struktūra buvo daug sudėtingesnė. Dalelių greitintuvai gali paimti dalelę, pavyzdžiui, elektroną, pagreitinti ją iki šviesos greičio, susidurti su atomu ir taip atrasti vidines jo dalis.

Šiame straipsnyje apžvelgsime šiuos nuostabius prietaisus ir tai, kaip jų gauti rezultatai papasakoja apie pagrindinę materijos struktūrą, jėgas, laikančias ją kartu, ir visatos ištakas!

Smashing Atomai

Dviejų auksinių pluoštų susidūrimo šoninis vaizdas reliatyvistiniame sunkiųjų jonų kolibride

Dviejų auksinių pluoštų susidūrimo šoninis vaizdas reliatyvistiniame sunkiųjų jonų kolibride

Šeštajame dešimtmetyje mokslininkai ištyrė kosminius spindulius. Kai šios labai energetinės dalelės (protonai) iš kosmoso pataikė į švino atomus (t. Y. Atomų branduolius), daugelis mažesnių dalelių buvo išpuršktos. Šios dalelės nebuvo protonai ar neutronai, bet buvo daug mažesnės. Todėl mokslininkai padarė išvadą, kad branduolys turi būti sudarytas iš mažesnių, elementarių dalelių. Prasidėjo šių dalelių paieška.

Tuo metu vienintelis būdas susidurti su energetinėmis dalelėmis su atomais buvo eiti į kalno viršūnę, kur kosminiai spinduliai buvo dažnesni, ir ten atlikti eksperimentus. Tačiau netrukus fizikai sukūrė prietaisus, vadinamus dalelių greitintuvai, arba atominių triukšmadarių. Šiuose įrenginiuose jūs pagreitinate daleles dideliu greičiu - aukšta kinetine energija - ir susiduriate jas su tiksliniais atomais. Aptikta ir išanalizuota susidūrimo metu susidariusi dalis, taip pat skleidžiama radiacija. Informacija pasakoja apie daleles, kurios sudaro atomą, ir jėgas, kurios kartu laiko atomą. Dalelių greitintuvo eksperimentas buvo apibūdinamas kaip nustatantis televizoriaus struktūrą, žiūrint į gabalus, kai jis buvo numestas iš „Empire State Building“.

Pažiūrėkime, kaip veikia dalelių greitintuvas!

Dalelių greitintuvas

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

Ar žinojai, kad tavo namuose šiuo metu yra dalelių greitintuvo tipas? Tiesą sakant, jūs tikriausiai skaitote šį straipsnį su vienu! Bet kurio televizoriaus ar kompiuterio monitoriaus elektroninis vamzdelis (CRT) yra kietųjų dalelių greitintuvas.

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

CRT paima daleles (elektronus) iš katodo, pagreitina jas ir, naudodamas elektromagnetus, vakuume keičia jų kryptį, o paskui jas ekrane suskaido į fosforo molekules. Dėl susidūrimo televizoriuje ar kompiuterio monitoriuje atsiranda apšviesta vieta arba taškas.

Dalelių greitintuvas veikia tuo pačiu būdu, išskyrus tai, kad jie yra daug didesni, dalelės juda daug greičiau (arti šviesos greičio), o susidūrimas sukelia daugiau subatominių dalelių ir įvairių rūšių branduolinę radiaciją. Daleles pagreitina elektromagnetinės bangos, esančios prietaiso viduje, panašiai kaip banglentininkas stumia jas tolyn. Kuo energingesnės galime padaryti daleles, tuo geriau matome materijos struktūrą. Tai tarsi laužymas stovo biliardo žaidime. Kai lazdelės rutulys (dalelė, į kurią įjungiama energija) pagreitėja, ji gauna daugiau energijos ir todėl gali geriau išsklaidyti rutulių stovą (išlaisvinti daugiau dalelių).

Dalelių greitintuvai yra dviejų pagrindinių tipų:

  • Linijinis - Dalelės eina žemyn ilgu tiesiu takeliu ir susiduria su taikiniu.
  • Apskritimas - Dalelės juda ratu, kol nesusiduria su taikiniu.

Kaip dirba „Atom Smashers“: smashers

Linijinio greitintuvo SLAC vaizdas iš oro: Linakas yra po žeme ir yra baltas.

Į linijiniai greitintuvai, dalelės vakuume keliauja ilgą varinį vamzdelį. Elektronai skrieja bangomis, kurias sukuria vadinami bangų generatoriai klystronai. Elektromagnetai sulaiko daleles siaurame spindulyje. Kai dalelių pluoštas smogia į taikinį tunelio gale, įvairūs detektoriai užfiksuoja įvykius - subatomines daleles ir skleidžiamą radiaciją. Šie greitintuvai yra didžiuliai ir laikomi po žeme. Linijinio akceleratoriaus pavyzdys yra linakas Stanfordo linijinio greitintuvo laboratorijoje (SLAC) Kalifornijoje, kurios ilgis yra apie 3 km.

Kaip dirba „Atom Smashers“: kaip

Ciklotrono schema

Žiediniai greitintuvai dirbk iš esmės tuos pačius darbus kaip ir linakai. Tačiau, užuot naudoję ilgą tiesinį takelį, jie daug kartų stumia daleles aplink apskritą takelį. Kiekviename praėjime magnetinis laukas sustiprinamas taip, kad dalelių pluoštas pagreitėja kiekvienu iš eilės einančiu greičiu. Kai dalelės gauna didžiausią ar norimą energiją, taikinys dedamas į pluošto kelią, detektoriuose arba šalia jų. Žiediniai greitintuvai buvo pirmoji akseleratoriaus rūšis, išrasta 1929 m. Tiesą sakant, pirmoji ciklotronas (parodyta žemiau) buvo tik 10 colių (4 colių) skersmens.

Lawrence'o ciklotronas naudojo du D formos magnetus (vadinamus Dee), atskirtus mažu tarpu. Magnetai sukūrė apskritą magnetinį lauką. Svyruojanti įtampa sukūrė elektrinį lauką per tarpą, kad kaskart paspartėtų dalelės (jonai). Kai dalelės judėjo greičiau, jų apskrito kelio spindulys tapo didesnis, kol jos nepataikė į taikinį ant atokiausio apskritimo. Lawrence'o ciklotronas buvo efektyvus, tačiau negalėjo pasiekti energijos, kurią daro šiuolaikiniai žiediniai greitintuvai.

Kaip dirba „Atom Smashers“: smashers

„Fermi“ nacionalinės greitintuvo laboratorijos vaizdas („Fermilab“)

Šiuolaikiška apskrito greitintuvo vieta klystronai ir elektromagnetai aplink apskritą vario vamzdį, kad paspartintų daleles. Daugelis žiedinių greitintuvų taip pat turi trumpą linaką, kad dalelės būtų greitinamos iš pradžių prieš įeinant į žiedą. Šiuolaikinio žiedinio akceleratoriaus pavyzdys yra Ilinojuje esanti „Fermi“ nacionalinė greitintuvo laboratorija („Fermilab“), kuri driekiasi beveik 10 kvadratinių mylių (25,6 kvadratinio km).

Pažvelkime į dalelių greitintuvą.

Dalelių greitintuvo viduje

Kaip dirba „Atom Smashers“: buvo

Visi dalelių greitintuvai, nesvarbu, ar linakai, ar žiediniai, turi šias pagrindines dalis:

  • Dalelių šaltinis - suteikia daleles, kurios bus pagreitintos
  • Varinis vamzdis - dalelių pluoštas judėja vakuume šio vamzdžio viduje
  • Klystronai - mikrobangų generatoriai, sukuriantys bangas, kuriomis važiuoja dalelės
  • Elektromagnetai (įprasti, superlaidūs) - daleles važiuodami vakuume, laikykite tik siaurą pluoštą, o prireikus taip pat nukreipkite pluoštą.
  • Tikslai - su kuo susiduria pagreitintos dalelės
  • Detektoriai - įtaisai, žiūrintys į gabalus ir radiacija, išmesta iš susidūrimo
  • Vakuuminės sistemos - pašalinkite orą ir dulkes iš akceleratoriaus vamzdžio
  • Aušinimo sistemos - pašalinkite magnetų skleidžiamą šilumą
  • Kompiuterinės / elektroninės sistemos - valdyti akceleratoriaus veikimą ir analizuoti eksperimentų duomenis
  • Skydas - apsaugo operatorius, technikus ir visuomenę nuo eksperimentų sukeliamos radiacijos
  • Stebėjimo sistemos - uždarosios grandinės televizija ir radiacijos detektoriai, norintys pamatyti, kas vyksta greitintuvo viduje (saugumo sumetimais)
  • Elektros energijos sistema - tiekia elektra visam prietaisui
  • Sandėliavimo žiedai - laikinai saugokite dalelių pluoštus, kai jie nenaudojami

Tolesniuose skyriuose mes išsamiai išnagrinėsime šias dalis, sutelkdami dėmesį į tiesinį greitintuvą, kaip antai SLAC.

Dalelių šaltinis, varinis vamzdelis ir kliztronai

SLAC elektroninio elektroninio pistoleto schema

SLAC elektroninio elektroninio pistoleto schema

Dalelių šaltinis

Dalelių šaltinis pateikia daleles, kurias reikia pagreitinti. Dalelės gali būti elektronai, protonai, pozitronai (pirmosios antimedžiagos dalelės - kaip elektronas, bet teigiamai įkrautos), jonai ir sunkiųjų atomų branduoliai, tokie kaip auksas. SLAC elektronų pistoletas naudoja lazerį elektronams numušti nuo puslaidininkio paviršiaus. Tada elektronai patenka į linako greitintuvo dalį.

SLAC metu pozitronai gali būti pagaminti šaudant elektronų pluoštui esant volframui. Susidūrimo metu sudaromos elektronų-pozitronų poros. Pozitronus galima pagreitinti, sukant akseleratoriaus viduje esančius elektrinius ir magnetinius laukus.

Varinis vamzdis

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

Ertmės variniame vamzdyje

Pagrindinė kietųjų dalelių greitintuvo struktūra yra: varinis vamzdis. Vario vamzdžio viduje yra stiprus vakuumas, per kurį dalelės keliauja. Vamzdžiai pagaminti iš vario, nes varis labai gerai veda elektrą ir magnetizmą. „SLAC linac“ vario vamzdis pagamintas iš daugiau nei 80 000 varinių cilindrų, suvaržytų kartu daugiau nei 2 myles (3,2 km)!

Varinis vamzdis yra išdėstytas taip, kad sudarytų ląstelių, vadinamų ertmės. Ertmių tarpai yra suderinti su mikrobangų bangos ilgiu. Tarpai leidžia elektriniam ir magnetiniam laukams pakartoti jų modelį kas tris ertmes. Elektronai arba pozitronai pluošte patenka per ertmes mažais ryšulėliais. Kiekvienos puokštės atvežimas yra numatytas taip, kad ji galėtų stumti iš elektrinio lauko per ertmes.

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

Linako klystrono, bangolaidžio ir vario vamzdelio diagrama

Klystronai

Klystronai pagaminkite mikrobangų krosneles, panašiai kaip virtuvės mikrobangų krosnelę, išskyrus tai, kad klystronų mikrobangų krosnelės yra apie milijoną kartų galingesnės. Klystronai sukuria mikrobangas elektronų pistoleto pagalba. Elektronai keliauja per klystroną ertmėse, kur reguliuojamas jų greitis. Kai elektronai keičia greitį klystrone, jie skleidžia radiaciją mikrobangų pavidalu. Mikrobangų krosnelės yra praleidžiamos per variniai bangolaidžiai prie akceleratoriaus varinio vamzdžio. Bangolaidžiai efektyviai nešioja bangas neprarasdami intensyvumo. Klizstronas ir bangolaidžiai yra palaikomi dideliame vakuume, kad bangos tekėtų lengviau.

Magnetai, taikiniai ir detektoriai

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

Magnetai naudojami dalelių pluoštui apriboti.

Kaip dirba „Atom Smashers“: kaip

Magnetai yra išdėstyti priešingais poliais, kad būtų galima apriboti dalelių pluoštą.

Magnetai

Magnetai, arba įprasti elektromagnetai, arba superlaidūs magnetai, yra dedami išilgai akceleratoriaus vamzdžio. Šie magnetai palaiko dalelių pluošto uždarumą ir fokusavimą.

Įsivaizduokite, kad dalelių pluoštas yra tarsi iš pistoleto apvalkalo iššautos granulės. Paprastai granulės (elektronai) linkusios išplisti. Jei granulės išsisklaido, siauroje taikinio vietoje jos nedaro daug susidūrimų. Tačiau, jei granulės yra veikiamos išorinės jėgos (magnetizmo) iki siauro kelio, tada jos sukels daugybę susidūrimų siauroje tikslinėje srityje. Kuo daugiau susidūrimų, tuo daugiau įvykių galima pastebėti atliekant bet kurį eksperimentą.

Magnetai sukuria lauką savo šerdyje. Centre, kuriame keliauja elektronai, nėra magnetinės jėgos. Jei elektronai pasislinks iš centro, jie pajus magnetinį stūmimą atgal į vidurį. Suskirstę magnetus į keletą kintamųjų polių, elektronai gali likti apriboti vamzdžio ilgiu.

Tikslai

Tikslai skiriasi atsižvelgiant į eksperimento tipą. Kai kurie taikiniai gali būti ploni metalo folijos lakštai. Kai kuriuose eksperimentuose detektorių viduje skirtingų dalelių (elektronų, pozitronų) pluoštai susiduria vienas su kitu.

Detektoriai

Detektoriai yra viena svarbiausių akceleratoriaus įrangos dalių. Jie mato daleles ir radiaciją po susidūrimo. Detektoriai būna įvairių rūšių, pradedant burbulų ir debesų kameromis ir baigiant kietojo kūno elektroniniais detektoriais. Susidūrimo laboratorijoje gali būti kelių tipų detektoriai, esantys įvairiose akceleratoriaus vietose. Pavyzdžiui, a burbulo kamera turi skystas dujas, tokias kaip skystas vandenilis. Kai iš susidūrimo išsiskyrusios dalelės praeina per kamerą, jos išgarina dalį skysčio, palikdamos burbulo pėdsaką, kaip parodyta žemiau.

Debesų kameros detektorius kameros viduje turi prisotintus garus. Kai energinė dalelė praeina pro garus, garai yra jonizuojami, sukurdami pėdsaką, panašų į tą, kurį sukuria purkštukas, judantis per debesį (išsamią informaciją žr. „Kodėl tie ilgi balti debesys susidaro už purkštukų, skraidančių aukštai virš galvos?“).

Vienas SLAC detektorius yra didelis SLAC detektorius (SLD). SLD yra didelis statinės formos kietojo kūno detektorius, kuris yra daugiau kaip šešių aukštų ir sveria daugiau nei 4000 tonų!

SLD yra daugiasluoksnis detektorius. Kiekvienas sluoksnis mato skirtingą įvykį:

Kaip dirba „Atom Smashers“: buvo

SLD viduje
  • Vertekso detektorius - nustato dalelių pėdsakų vietą
  • Drifto kamera - nustato įkrautų dalelių padėtis keliuose jų takelių taškuose. Lenkti takeliai parodo dalelės impulsą (atsižvelgiant į jo masę ir greitį).
  • Cerenkovo ​​detektorius - mato greitai judančių dalelių skleidžiamą radiaciją ir nustato dalelių greitį
  • Skystas argono kalorimetras - sustabdo didžiąją dalelių dalį ir išmatuoja jų energiją
  • Šiltas geležies kalorimetras - nustato muonus (vieną iš subatominių dalelių)
  • Magnetinė ritė - atskiria du kalorimetrus

Norėdami gauti daugiau informacijos apie kiekvienos dalies veikimą, skaitykite SLAC virtualų lankytojų centrą: detektoriai.

Vakuumo ir aušinimo sistemos

Vėsinimo vamzdžiai per varinės struktūros linaką

Vėsinimo vamzdžiai per varinės struktūros linaką

Vakuuminės sistemos

Vakuumai turi būti laikomi greitintuvuose dėl dviejų priežasčių:

  • išvengti kibirkščių sukelia oro mikrobangos, kurios sugadintų bangolaidžio ir greitintuvo struktūras
  • kad neprarastum energijos tai įvyktų, jei sija susidurtų su oro molekulėmis

Derinys sukamieji siurbliai ir šalti spąstai naudojami palaikyti žemą vakuumą (milijoninę atmosferos dalį). Rotaciniai siurbliai veikia kaip ventiliatoriai, kad pašalintų orą. Šaltuose spąstuose gaudyklės paviršiui aušinti naudojamos skystos dujos (dažniausiai azotas). Bet kokia oro ar dulkių molekulė bus pritraukta prie šalto paviršiaus ir pašalinta iš vamzdelio. Šalti spąstai turi būti laikomi šaltai, kitaip jie išleis surinktas dulkes ir oro molekules.

Kaip dirba „Atom Smashers“: dalelės

Aušinimo vamzdžiai per magnetą

Aušinimo sistemos

Elektros srovės, einančios per variklio vamzdelius akseleratoriuje, skleidžia didžiulį šilumos kiekį. Šią šilumą reikia pašalinti dėl dviejų priežasčių:

  • kad vario vamzdeliai neištirptų - tai sunaikins struktūrą
  • kad variniai vamzdeliai neišplistų - tai sugadins vakuumo tarpiklius

„SLAC“ linakas turi vandens vamzdelius, kad atvėsintų akseleratoriaus konstrukcijos varinius vamzdelius ir magnetus. Šaldantis vanduo cirkuliuoja į aušinimo bokštus virš žemės, kad būtų pašalinta šiluma. Bet kokie superlaidūs magnetai atvėsinami skystu azotu arba skystu heliu. Kadangi linakas yra po žeme, yra mažesnė sezoninio šildymo ir aušinimo tikimybė.

Atom Smasher“ kompiuteriai ir elektronika

Dalelių greitintuvo valdymo kambario vaizdas iš plataus kampo

Dalelių greitintuvo valdymo kambario vaizdas iš plataus kampo

Kompiuteriai ir elektroninės sistemos, atlikdami dalelių greitintuvo funkciją, atlieka keletą užduočių:

  • kontroliuoja dalelių šaltinį, klystronus ir magnetus, naudojamus dalelėms pagreitinti
  • stebėti spindulį
  • rinkti ir registruoti eksperimentų duomenis
  • analizuokite duomenis
  • stebėti saugos sistemas
  • avariniu atveju išjunkite sistemą

Dalelių greitintuvai turi daug kompiuterių, valdančių sistemą. Šie kompiuteriai paprastai turi greičiausio greičio mikroprocesorius, turinčius daug kompiuterio atminties ir duomenų saugyklų. Šie kompiuteriai dažnai sujungiami į tinklą. Kai kuriais atvejais kompiuterio duomenų analizę gali atlikti vietoje ar už jos ribų esantys superkompiuteriai.

Ekranas, Monitoriai, Maitinimas ir Sandėliavimas

Pagrindinis žiedas yra po betoniniu tuneliu.

Pagrindinis žiedas yra po betoniniu tuneliu.

Skydas

Kadangi pagreitėjusios dalelės yra priverstos pakeisti greitį, pakeisti kryptis ar pataikyti į taikinius, jos praranda energiją. Ši energija dažnai būna jonizuojančiosios spinduliuotės, tokios kaip rentgeno ar gama spinduliai, pavidalu. Be radiacijos, pačios dalelės, kurių energija energija, kelia pavojų žmonių sveikatai. Kad akseleratoriai veiktų, kad nepatektų radiacija, jie yra ekranuoti. Greitintuvo konstrukcijos dažnai yra požeminiuose betoniniuose tuneliuose. Betonas ir žemė apsaugo aplinką. Technikai nėra tuneliuose, kai veikia akseleratoriai, o valdymo patalpos yra ekranuotos betonu. Be to, darbuotojai nešioja radiacinius ženklelius ir yra nuolat stebimi. Dalelių greitintuvai JAV patenka į Branduolinės energetikos reguliavimo komisijos, kuri licencijuoja jų naudojimą ir reguliariai tikrina jų saugumą, jurisdikciją. Jei greitintuvas yra susijęs su universitetu, šiame procese taip pat dalyvauja universiteto radiacinės saugos tarnyba.

Monitoriai

Tuneliuose dažnai įrengti uždaros grandinės televizoriai, skirti stebėti akseleratoriaus įrangą ir matuoklius. Spinduliavimo detektoriai yra įrengti visoje akseleratoriaus konstrukcijose, kad būtų galima stebėti, ar nėra nuotėkio ekrane ir apsaugoti darbuotojus.

Elektros energijos sistemos

Kaip jūs galite atspėti iš mūsų įrangos aprašymo, dalelių greitintuvai sunaudoja daug elektros energijos. Kai kuriose vietose tai tiekiama per vietinę elektros energijos bendrovę. Kai kurie greitintuvai vietoje turi savo elektros generatorius.

Laikymo žiedai

Daugybė akseleratorių turi tiek daug pastangų, kad pagreitintų daleles eksperimentui laikymo žiedai. Sandėliavimo žiedai palaiko jau įsibėgėjusį spindulį. Pavyzdžiui, susidūrę elektronų pluoštai su pozitronų pluoštu, gali tekti laikyti vieną spindulį saugykloje, o kitą pagreitinti. Sandėliavimo žiedas turi tuos pačius komponentus kaip pagrindinis akceleratorius, tačiau turi mažiau klystronų. Dalelės važiuoja aplink žiedą padidintu greičiu, ir norint kompensuoti prarastą energiją, keičiant kryptį, reikia tik vieno ar dviejų klystronų.

Dabar, kai pamatėme, kas yra greitintuvo viduje, pažiūrėkime, ko galime išmokti iš šių įrenginių.

Subatominės dalelės

Standartinis atomo modelis

Standartinis atomo modelis

Ką mes sužinojome apie materijos struktūrą, naudodamiesi šia technologija? Kai fizikai pirmą kartą pradėjo naudoti greitintuvus šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose, jie atrado šimtus dalelių, mažesnių už tris gerai žinomas subatomines daleles - protonus, neutronus ir elektronus. Kai buvo statomi didesni greitintuvai, galintys suteikti didesnės energijos pluoštą, rasta daugiau dalelių. Dauguma šių dalelių egzistuoja tik truputį (mažiau nei milijardinę dalį) sekundės, o kai kurios dalelės susilieja, sudarydamos stabilesnes kompozicines daleles. Kai kurios dalelės dalyvauja jėgose, kurios kartu laiko atomo branduolį, o kai kurios - ne. Nagrinėjant šį sudėtingą paveikslą, a standartinis atomo modelis atsirado.

Pagal šį modelį materiją galima suskirstyti į šiuos pagrindinius elementus:

  • Fermionai - subatominės dalelės, kurios daro žinomą materiją ir antimateriją materija leptonai - elementariosios dalelės, kurios nedalyvauja palaikant branduolį (pavyzdžiai - elektronas, neutrinas) kvarkai - elementariosios dalelės, kurios dalyvauja palaikant branduolį anti-materija - priešingos kvarkų ir leptonų dalelės (antikvarkai, antileptonai)
  • Hadronai - sudėtinės dalelės (pavyzdžiai - protonas, neutronas)
  • Bosonai - dalelės, nešančios jėgas (keturi žinomi tipai)

Kitame skyriuje apžvelgsime išsamią informaciją apie šias subatomines daleles.

Jėgos

Yra keturios pagrindinės jėgos arba sąveika:

  • Stiprus - kartu laiko atomo branduolį
  • Silpnas - dalyvauja radioaktyviajame skilime
  • Elektromagnetizmas - įkrautų dalelių sąveika (elektra ir magnetizmas)
  • Gravitacija - patraukli jėga, pagrįsta mase ir atstumu

Fermionai: medžiaga ir anti-materija

Fermionai atskirti materiją (leptonai ir kvarkai) ir anti-materija.

Leptonai

Leptonai yra ypač mažos dalelės (mažiau nei 10-15 m spinduliu), kurių dydis ar vidinė struktūra nežinomi. Jie turi mažą masę, labai greitai keliauja ir juos geriausiai apibūdina bangų funkcijos. Žinomiausi leptonų pavyzdžiai yra elektronas ir neutrinas. Leptonai buvo suskirstyti į:

  • elektronų elektronų neutrinas
  • muonas-muonas neutrinas
  • tau-tau neutrinas

Kvarkai

Kvarkai yra ypač mažos dalelės (mažiau nei 10%)-15 m spinduliu), kurie dalyvauja stipriose branduolinėse jėgose. Pavienių kvarkų niekada nerasta, tikriausiai todėl, kad jie taip greitai dera tarpusavyje. Kvarkai taip pat turi trupmeninius elektros krūvius. Jie klasifikuojami taip:

  • žemyn (d) - krūvis = -1/3
  • aukštyn (u) - mokestis = +2/3
  • keista (s) - krūvis = -1/3
  • žavesys (c) - krūvis = +2/3
  • dugnas (b) - krūvis = -1/3
  • viršuje (t) - krūvis = +2/3 (masyviausias, atrastas 1995 m.)

Manoma, kad kvarkai yra pačios pagrindinės dalelės.

Antimaterija

Nelabai žinoma apie antimateriją. Pirmoji aptinkama antiageninės dalelės buvo pozitronas, kurio masė panaši į elektroną, bet turinti teigiamą krūvį. Ši dalelių fizikos sritis šiuo metu tiriama.

Hadronai, Bosonai ir Didysis sprogimas

Hadronai

Šios dalelės yra kvarkų kombinacijos. Jie turi masę ir gyvena branduolyje. Du dažniausiai pasitaikantys hadronų pavyzdžiai yra protonai ir neutronai, ir kiekvienas iš jų yra trijų kvarkų derinys:

  • Protonas = 2 kvarkai aukštyn + 1 kvarkas žemyn [+1 krūvis ant protono = (+2/3) + (+2/3) + (-1/3)]
  • Neutronas = 2 kvarkai žemyn + 1 kvarkas aukštyn [0 įkrova ant neutrono = (-1/3) + (-1/3) + (+2/3)]

Bosonai

Manoma, kad šios dalelės keičiasi, kai atsiranda jėgos. Jėga apibrėžiama kaip stūmimas ar traukimas. Bet tai nenurodo, kas tai yra iš tikrųjų ar kaip ji tarpininkauja. Richardas Feynmanas pasiūlė, kad jėgos atsiranda, kai dvi dalelės keičiasi a bozonas, arba matuoklio dalelė. Pagalvokite apie du žmones ant riedučių: Jei vienas žmogus meta kamuoliuką, o kitas jį pagauna, jis bus stumiamas į priešingas puses. Pagal šią analogiją čiuožėjai yra pagrindinės dalelės, rutulys yra jėgos nešėjas, o atstumas - jėga. Dalelių atveju mes matome jėgą, poveikį, bet ne mainus.

Yra žinomi keturi bozonai:

  • Gluonas - tarpininkauja stipriai veikiančiai jėgai, tačiau veikia tik 10 km atstumu-13 cm
  • W ir Z - tarpininkauti silpnajai jėgai (stiprioji jėga 1/10 000), bet veikti tik per 10 atstumų-15 cm
  • Fotonas - tarpininkauja elektromagnetinei jėgai (stipri 1/137 jėga) ir veikia begaliniu atstumu

Penktoji dalelė (gravitonas) buvo pasiūlytas, bet dar nerastas. Manoma, kad gravitonas tarpininkauja gravitacijai, kuri yra 10-39 stipri jėga ir veikia begaliniu atstumu.

Istoriškai Džeimsas Clerkas Maxwellas suvienijo elektrą ir magnetizmą XIX a. Kai fizikai sukonstravo galingesnius greitintuvus su aukštesne temperatūra ir energija, jie pamatė, kad tam tikros jėgos susilieja arba suvienija. Dalelių greitintuvo eksperimentai parodė, kad elektromagnetinę jėgą ir silpną jėgą galima sujungti į elektrinės jėgos jėga. Daugelis fizikų mano, kad visos jėgos kyla iš vienos seniai egzistavusios jėgos. Vadinamos teorijos, bandančios suvienyti jėgas vieningos teorijos arba grandiozinės vieningos teorijos (GUT). Tikimasi, kad GUT mums pasakys, kokia galėjo būti visata jos pradžioje. Nes greitintuvo eksperimentai imitavo, kas, manoma, yra sąlygos, egzistavusios vos sekundės dalimis po Didysis sprogimas, jie gali pateikti įrodymų, patvirtinančių ar paneigiančių įvairius VTS.

Pagal Didžiojo sprogimo teoriją:

  • Iki Didžiojo sprogimo Visata buvo nepaprastai karšta ir maža, o materija egzistavo tik kaip laisvi kvarkai.
  • Kartą įvykus sprogimui: įvyko greita infliacija ir Visata atvėso. Kvarkai sujungti į hadronus. Jėgos atsiskyrė. Susidarė medžiaga (atomai). Medžiaga sutirštėja į galaktikas, žvaigždes ir kt.

Darydami didesnius ir didesnius dalelių greitintuvus, fizikai gali imituoti tas sąlygas, kurios egzistavo per 10-43 sekundės Didžiojo sprogimo!

Ateities dalelių fizikos kryptys

Keli klausimai vis dar liko neišspręsti standartinio modelio atžvilgiu:

  • Kodėl yra trys kvarkų poros, kai atrodo, kad materijai sukurti reikia tik vienos poros?
  • Kas suteikia dalelių (taip pat atomų ir materijos) masę?
  • Kodėl viršutinė kvarkė (35 kartus didesnė už apatinę kvarką) yra tokia masyvi, palyginti su kitomis?

Tai tik keli klausimai, kurie keliami dalelių fizikos pasaulyje.

Norėdami gauti daugiau informacijos apie dalelių greitintuvus ir dalelių fiziką, skaitykite nuorodas kitame puslapyje.

Daugiau puikių nuorodų

Bendra informacija

  • Pagrindinės pajėgos
  • CNN.com: Eksperimento iššūkiai ilgalaikio fizikos modelio
  • Šiandien JAV: fizikai pateikia teoriją „nugara“

Dalelių fizikos laboratorijos

  • JAV energetikos departamentas: medžiagų ir energijos tyrinėjimas
  • „Fermi“ nacionalinė greitintuvo laboratorija („Fermilab“)
  • CERN
  • Lawrence'o Berkeley nacionalinė laboratorija
  • Brookhaveno nacionalinė laboratorija
  • Stanfordo linijinio greitintuvo centras (SLAC)
  • Argono nacionalinė laboratorija
  • „Oak Ridge“ nacionalinė laboratorija
  • Los Alamoso nacionalinė laboratorija
  • Dalelių greitintuvai visame pasaulyje

Pamokos

  • Amerikos fizikos instituto paroda: žvilgsnis į atomą
  • Kelionė


Vaizdo Papildas: .




Tyrimas


Dubajuje Kelią Pasieks Pirmieji Pasaulyje Savaeigiai „Tesla“ Taksi
Dubajuje Kelią Pasieks Pirmieji Pasaulyje Savaeigiai „Tesla“ Taksi

10 Futuristinių Technologijų „Star Trek“ Gerbėjų Mielai Matytųsi
10 Futuristinių Technologijų „Star Trek“ Gerbėjų Mielai Matytųsi

Mokslas Naujienos


Augalas Ar Gyvūnas? Paslaptingos Fosilijos Paneigia Klasifikaciją
Augalas Ar Gyvūnas? Paslaptingos Fosilijos Paneigia Klasifikaciją

Pirmagimiai Seserys Yra Konservatyvesni, Rasta Naujų Studijų
Pirmagimiai Seserys Yra Konservatyvesni, Rasta Naujų Studijų

Ar Savižudybės Yra Labiau Paplitusios Per Šventes?
Ar Savižudybės Yra Labiau Paplitusios Per Šventes?

Dvasingumas, Rastas Smegenyse
Dvasingumas, Rastas Smegenyse

Seksas Ir Sukčiavimas: Kada Tai Skaičiuojama?
Seksas Ir Sukčiavimas: Kada Tai Skaičiuojama?


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com