Cząstka

W fizyki , A cząstek jest organem, który jest mały w stosunku do skali układu pod uwagę. Nie ma znaczenia struktura wewnętrzna pojedynczej cząstki, tylko jej zachowanie jako całości wobec innych cząstek lub wpływów zewnętrznych. Często cząstki są wtedy rozumiane jako cząstki punktowe bez rozciągania (w sensie mas punktowych ). Cząsteczki są idealnymi obiektami . Z reguły ogranicza się tylko do pewnych właściwości rzeczywistego obiektu fizycznego, takich jak masa lub ładunek elektryczny , aby zbadać oddziaływanie, które jest związane z tą właściwością. W zależności od punktu widzenia jeden i ten sam obiekt fizyczny może być postrzegany jako cząstka lub układ cząstek. Dotyczy to w szczególności atomów, ale także jąder atomowych, a także protonów i neutronów. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, cząstki, które nie składają się już z mniejszych składników, nazywane są cząstkami elementarnymi i są opisane w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych ( patrz model standardowy ).

Słowo cząstka jest również używane jako skrót od cząstek elementarnych . Oznaczają one z jednej strony „najmniejsze elementy budulcowe materii”, które z kolei nie składają się z mniejszych cząstek, z drugiej strony odnoszą się do „cząstek wymiennych ”, takich jak foton , które przenoszą siły elementarne .

Przegląd

W mechanice kwantowej cząstkę reprezentuje funkcja falowa , której amplituda wskazuje na prawdopodobieństwo lokalizacji cząstki ( patrz perspektywa mechaniki kwantowej ).

W fizyce ciała stałego mówi się zarówno o atomach sieciowych cząstek, jak io falach, z którymi ich wzbudzenia rozchodzą się po stanie podstawowym. Prowadzi to do tego, że duża liczba zjawisk jest idealizowana jako cząstki, których zachowanie można dokładniej opisać: w opisie kwantowo-fizycznym wzbudzenia sieci krystalicznej rozumie się jako cząstki, na przykład polarony , ekscytony lub fonony. . Otwory w skądinąd całkowicie zajętych pasmach energii elektronów w półprzewodniku mają cechy cząstek i są traktowane jak cząstki naładowane dodatnio.

Terminy pokrewne

Ogólnie termin cząstka nie powinien być używany w odniesieniu do cząstek. Z drugiej strony, w niektórych obszarach te dwa terminy są używane całkowicie synonimicznie:

  • Kompozyty złożone z kilku tysięcy atomów lub cząsteczek są synonimami nanocząstek lub nanocząstek.
  • Terminy terapia cząsteczkowa i terapia cząsteczkowa są używane synonimicznie, chociaż protony i inne używane jony nazywane są cząstkami tylko w fizyce . Termin cząstka używany tutaj w medycynie pochodzi od angielskiej cząstki .

W hydrodynamiki , cząstka jest czasem elementem objętość w płynie . Chociaż ta cząstka jest „mała”, jest makroskopowa ; Innymi słowy , zawiera tak wiele cząsteczek, że oprócz właściwości mechanicznych położenia i pędu można mu również przypisać właściwości termodynamiki, takie jak ciśnienie , temperatura i entropia .

Termin „ciałko” dla cząstek jest nieaktualny. Występuje na przykład w historycznej debacie między teorią ciałek a teorią fal przy opisywaniu światła.

Rozprężny z cząstek pyłu w tym um zakresie .

Podsumowanie historyczne

W V wieku pne Chr. Democritus postulował, że materia składa się z najmniejszych, niepodzielnych jednostek. Idąc za tą myślą, John Dalton użył terminu atom (ze starogreckiego ἄτομος átomos, „niepodzielny, niepodzielny”) dla najmniejszych, jego zdaniem nierozłącznych cząstek .

Postrzeganie atomów jako nierozłącznych cząstek ma sens w chemii . Są używane jako obiekty, których tylko liczba mas jest początkowo traktowana jako własność. Jeśli uporządkujesz je według liczby masowej (nie wiedząc, że ta liczba atomowa jest jednocześnie liczbą atomową!) I weźmiesz pod uwagę właściwości chemiczne posortowanych w ten sposób pierwiastków, otrzymasz układ okresowy . To ograniczenie do indywidualnych właściwości jest istotne dla wszystkich zastosowań terminu cząstka w fizyce.

Minęło kolejne stulecie od czasów Daltona ( patrz podsumowanie historyczne pod atomem ), zanim pojawiły się wątpliwości co do niepodzielności atomów: Marie Curie uznała, że ​​jeden pierwiastek promieniotwórczy może przejść w inny; Ernest Rutherford był w stanie wykazać w swoim eksperymencie z rozpraszaniem, że złota folia bombardowana promieniowaniem alfa jest w dużej mierze przepuszczalna. Rozważając eksperyment Rutherforda, zarówno padające cząstki alfa, jak i dodatnio naładowane jądra atomowe, które utknęły w sieci, są idealizowane jako cząstki (równie dobrze mogłyby to być naładowane kule bilardowe), z których tylko kilka właściwości jest rozważanych: masa, ładunek, średnicę i prędkość. W tym doświadczeniu nie ma znaczenia, czy jądra atomowe mają inną strukturę, czy też składają się z innych, mniejszych cząstek. Tych kilka właściwości obserwowanych cząstek wystarcza do opisu eksperymentu i teoretycznego wyprowadzenia wzoru rozpraszania.

Rozważając model Bohra atomu , rozważane cząstki to elektron i jądro atomowe (składające się z jądra atomowego i ewentualnie innych elektronów). Ponownie, cząsteczki są redukowane do swoich podstawowych właściwości, ładunku i masy.

Otto Hahn , Lise Meitner i Fritz Straßmann zdołali wykazać, że kiedy atomy uranu są bombardowane neutronami, pierwiastki transuranowe (o wyższej liczbie atomowej) powstają nie tylko przez zwiększenie liczby masowej, jak zakładano wcześniej (patrz Enrico Fermi , 1934) , ale czasami ma miejsce rozszczepienie jądrowe na jądra atomowe średniej wielkości. Tutaj jądro nie może być już rozumiane jako pojedyncza cząstka, a jedynie jako złożone z nukleonów , czyli protonów i neutronów . Inne ważne cząstki w fizyce jądrowej to cząstki alfa , elektrony i neutrina . Szybko pojawia się pytanie, co utrzymuje razem protony i neutrony w jądrze, ponieważ wszystkie protony są naładowane dodatnio i powinny się wzajemnie odpychać. Tę silną interakcję tłumaczy fakt, że w chromodynamice kwantowej każdy nukleon składa się z trzech kwarków, które są utrzymywane razem przez gluony (od angielskiego do „sklejania się” kleju). Resztkowe oddziaływanie tej siły na zewnątrz nukleonów utrzymuje je razem w podobny sposób jak siły z Van der Waalsa . B. trzymać razem cząsteczki wody .

Cząstki subatomowe i model standardowy

Cząstek różni się od materiału i cząstki interakcji ( cząstki wymiany ), jak również cząstek materiału między cząstkami elementarnymi i cząstek kompozytowych.

Cząstki elementarne są opisane przez standardowy model fizyki cząstek elementarnych . Ponieważ model ten jest kwantową teorią pola, cząstki są tutaj rozumiane jako kwanty pola, tj. Jako skwantyzowane ilości energii z pól. Kwestia, czy cząstki, czy pola mają ostatecznie charakter „bardziej fundamentalny”, jest dziś nadal kontrowersyjna (2018). Jednak większość fizyków podziela teoretyczny pogląd pola kwantowego, że nie ma zlokalizowanych cząstek, a jedynie pola (i ich kwanty, które są tak rozległe przestrzennie jak samo pole).

Pola elementarne lub ich kwanty są podzielone w modelu standardowym na trzy rodziny leptonów i trzy rodziny kwarków . Leptonami (z greckiego λεπτος (leptos) „lekkie, drobne”) są elektron i jego neutrino , mion i jego neutrino, a także tau i jego neutrino. Rodziny kwarków są nazywane góra i dół , urok i dziwne , a także góra i dół .

Kwarki nie mogą występować pojedynczo w naturze, co nazywa się uwięzieniem koloru (patrz tutaj ). Raczej zawsze tworzą cząstki złożone, które nazywane są hadronami (z greckiego ἁδρός, hadrós , „grube”), aby odróżnić je od leptonów . Hadrony dzielą się na mezony (z gr. Μεσος mesos "środek") i na bariony (z gr. Βαρύς barys "ciężki"). Mezony składają się z kwarka i antykwarka, bariony składają się z trzech kwarków. Najbardziej znanymi barionami są proton i neutron.

W przypadku cząstek wymiennych Model Standardowy traktuje foton jako cząstkę wymienną oddziaływania elektromagnetycznego . Jest bardzo blisko spokrewniony z bozonami W i bozonem Z , które razem z fotonem są cząstkami wymiennymi dla oddziaływań elektrosłabych . Cząstkami wymiennymi dla silnego oddziaływania są gluony.

Spośród czterech podstawowych sił w fizyce w modelu standardowym brakuje grawitacji i jej cząstki wymiennej - grawitonu . Wyniki Modelu Standardowego bardzo dobrze zgadzają się z wynikami eksperymentów akceleratorowych. Jednak nie było jeszcze możliwe rozszerzenie tego samego formalizmu matematycznego na grawitację. To jedno z wielkich otwartych pytań w fizyce teoretycznej .

W modelu standardowym cząstki uzyskują swoją masę poprzez interakcję z polem Higgsa .

Perspektywa mechaniki kwantowej

Podczas przejścia do mechaniki kwantowej cząstki stają się falami, które opisują ich prawdopodobne położenie. Jeśli z. B. światło (lub wiązka elektronów) na podwójnej szczelinie , fala ta tworzy wzór dyfrakcyjny za szczeliną. Na papierze fotograficznym (lub ekranie) padające światło (wiązka elektronów) będzie uderzać tylko w pojedyncze punkty. Dopiero w średniej stochastycznej wielu padających fotonów (elektronów) wzór dyfrakcyjny staje się ponownie widoczny. Ta jednoczesna interpretacja fal i cząstek nazywana jest dualizmem falowo-korpuskularnym .

W przeciwieństwie do mechaniki klasycznej, w której stan cząstki jest określany przez położenie i pęd, w mechanice kwantowej nigdy nie można zmierzyć położenia i pędu dokładnie w tym samym czasie (patrz zasada nieoznaczoności Heisenberga ).

W układach wielocząstkowych cząstki są generowane ze stanu próżni przez zastosowanie operatora generacji . Takie operatory odgrywają rolę zwłaszcza w kwantowej teorii pola . Pomiędzy stanem początkowym i końcowym fizycznych, oddziałujących cząstek mogą powstać, a następnie ponownie zniknąć cząstki wirtualne , które nie spełniają żadnej relacji energia-pęd i których energia nie ma dolnej granicy.

Pojęcie cząstek w fizyce matematycznej rozciąga się od stanów w przestrzeniach Hilberta , na których rozważa się algebry operatorów, do fal, dla których można na przykład obliczyć pewne zachowanie rozpraszania: obejmuje to między innymi solitony, które są nie rozchodzące się fale.

Indywidualne dowody

  1. ↑ Konrad Kopitzki: Wprowadzenie do fizyki ciała stałego. Teubner, ISBN 3-519-13083-1 .
  2. ↑ Michael Bestehorn: Hydrodynamika i tworzenie struktur. Springer 2006, ISBN 3-540-33796-2 , przypis na stronie 13.
  3. ^ Christian Gerthsen , Hans O. Kneser , Helmut Vogel : Fizyka . Springer, ISBN 3-540-16155-4 , rozdz. 16 mechaniki kwantowej.
  4. ↑ Sous Anna-Maria Nikolaou: Atomowa teoria Demokryta i Platona Timaeusa. Studium porównawcze. Stuttgart 1998. ISBN 3-519-07661-6 . Składki na studia klasyczne, tom 112.
  5. ↑ C. Gerthsen, HO Kneser, H. Vogel: Fizyka. Springer, ISBN 3-540-16155-4 , rozdz. 12.6.1 Układ okresowy pierwiastków.
  6. ↑ C. Gerthsen, HO Kneser, H. Vogel: Fizyka. Springer, ISBN 3-540-16155-4 , rozdz. 13.1.2 Odkrycie jądra atomowego.
  7. ^ Enrico Fermi : Możliwa produkcja pierwiastka o liczbie atomowej wyższej niż 92. W: Nature. Tom 133, 1934, str. 898-899.
  8. ↑ C. Gerthsen, HO Kneser, H. Vogel: Fizyka. Springer, ISBN 3-540-16155-4 , rozdz. 13.1.6 Rozszczepienie jądrowe.
  9. ↑ Klaus Grotz i Hans V. Klapdor: Słaba interakcja w jądrze , cząsteczkach i astrofizyce. Książki do nauki Teubnera, ISBN 3-519-03035-7 .
  10. ^ Theo Mayer-Kuckuk : Fizyka jądrowa. Teubner Verlag, ISBN 3-519-13223-0 .
  11. ↑ Art Hobson: Nie ma cząstek, są tylko pola . W: Am. J. Phys. taśma 81 , nie. 3 , s. 211–223 , doi : 10.1119 / 1.4789885 ( moderne-physik.eu - j. Angielski: Nie ma cząstek, są tylko pola . 2013.).
  12. ↑ Harald Fritzsch : Cząstki elementarne. Budulec materii. CH Beck Verlag, ISBN 978-3-406-50846-2 .
  13. ^ Bogdan Povh , Klaus Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Cząstki i rdzenie. Springer Verlag, ISBN 978-3-540-68075-8 .
  14. ↑ Lee Smolin : The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, The Fall of a Science, and Co dalej. ISBN 0-618-91868-X .
  15. ↑ Philip. G. Drazin, Robin S. Johnson: Solitons. Wstęp. Cambridge University Press, ISBN 0-521-33389-X .