Standardní model částicové fyziky

Z WikiSkripta

(přesměrováno z Elementární částice)

Změněno.png
Elementární částice (rozdělení)
Kvarky

Standardní model[upravit | editovat zdroj]

Podle kvantové teorie pole vypracované v sedmdesátých letech (Standardní model) se veškerá hmota ve vesmíru skládá ze šesti druhů kvarků a šesti druhů leptonů, mezi nimiž mohou nastávat různé interakce; tyto interakce jsou prostředkovány tzv. výměnnými (neboli intermediálními čili zprostředkujícími) částicemi příslušného pole.

Fermiony a bosony[upravit | editovat zdroj]

Podle hodnoty spinu dělíme částice na fermiony (poločíselný spin, jejich chování lze popsat Fermiho-Diracovou statistikou a chovají se podle Pauliho vylučovacího principu, který říká, že nemohou existovat dva fermiony s úplně totožnou energetickou charakteristikou) a bosony (celočíselný spin, popsány Einstein-Boseovou statistikou). Podle tohoto dělení kvarky a leptony (tj. základní stavební částice látkové formy hmoty) patří mezi fermiony, zatímco intermediální částice fyzikálních polí patří mezi bosony; uvedeme několik příkladů:

  • fermiony (poločíselný spin):
  • bosony (celočíselný spin):
    • intermediální částice - fotony, gluony atd.,
    • některé složené částice, např. mezony.

Základní fyzikální interakce[upravit | editovat zdroj]

Tradičně fyzika uvažuje o čtyřech základních typech interakcí:

  • Elektromagnetická síla
  • Gravitace
  • Slabá interakce
  • Silná interakce

Tyto interakce dávají vzniknout následujícím polím:

Druh pole Zdroj pole Dosah Kvantum
Elektromagnetické pole elektrický náboj neomezený foton
Gravitační pole hmotnost neomezený graviton (hypotetická částice)
Silné jaderné pole barva 10-15 m gluony
Slabé jaderné pole vůně 10-18 m intermediární bosony (W+, W-, Z0)

Standardní model je založen na objevech z 60. let, které ukazují, že je možno zkombinovat elektromagnetickou sílu a slabou interakci do jedné tzv. elektroslabé interakce.

Gravitace[upravit | editovat zdroj]

Z řeckého gravis – těžký, je to obecná vlastnost všech těles.

Gravitační interakce, na rozdíl od ostatních interakcí, působí bez výjimky na všechny částice. Gravitační interakce je vždy přitažlivá a má nekonečný dosah, tzn. její účinky se nedají vyrušit. Tudíž je rozhodující silou mezi velmi vzdálenými objekty. Také ale platí, že ze všech interakcí je právě interakce gravitační tou nejslabší. Gravitační interakce působící mezi dvěma tělesy jsou tedy vždy vzájemné, což vyplývá i z třetího Newtonova zákona. Proto můžeme říci, že gravitace je obecnou vlastností všech hmotných objektů. Vzájemné silové působení dvou těles ale nedokážeme vždy pozorovat, projevuje se jen pohybový účinek síly mnohonásobně hmotnějšího tělesa na druhém, a to i přesto, že vzájemná přitažlivá síla těchto těles je shodná.

Gravitace je spojována s mnoha tématy, od struktury galaxií, vzniku černých děr, velkým třeskem, až po v praxi naprosto samozřejmé jevy jako je padání předmětů, nemožnost unést některá těžká tělesa apod.

Newtonův gravitační zákon – je nejstarší fyzikální teorie popisující gravitační interakce, je součástí klasické fyziky, tudíž se využívá především pro popis gravitačních interakcí slabých gravitačních polí a částic o nízkých rychlostech ve srovnání s rychlostí světla.

Obecná teorie relativity – popisuje gravitaci jako zakřivení časoprostoru způsobené vlastnostmi prostoru a času. Předpokládá existenci gravitačních vln (šířící se změny gravitačního pole), které se pohybují rychlostí světla. Využívá se pro silná pole a pro rychlosti blížící se rychlosti světla. Do budoucna se uvažuje o teorii kvantové gravitace, která by měla být nástupcem obecné teorie relativity a měla by propojit kvantovou fyziku, elektrodynamiku, jadernou a částicovou fyziku s gravitací (teorií o prostoru a času). Hypotetickou částicí teorie kvantové gravitace je graviton.

Elektromagnetická síla[upravit | editovat zdroj]

Jedná se o nejlépe prostudovanou silovou interakci, se kterou se běžně setkáváme například v televizorech, počítačích, radiích, při přenosu světla nebo dokonce v nás samotných v podobě nervových vzruchů. Je zodpovědná za tvar a objem těles, neboť se stará o soudržnost atomů, jejich velikost, strukturu látek a tvorbu chemických vazeb. Její působení můžeme pozorovat jako projev odporových nebo třecích sil.

Elektromagnetická síla je dalekodosahová a se vzdáleností klesá její síla kvadraticky. Působí pouze na nabité částice. Může být buď odpudivá nebo přitažlivá. Pokud má jedna částice náboj kladný a druhá záporný, vznikne síla přitažlivá, pokud mají obě částice náboj shodný, bude mezi nimi síla odpudivá. Částice ale mohou mít i neutrální elektrický náboj, potom mezi nimi elektromagnetická síla působit nebude.

O elektromagnetické síle často uvažujeme, jako kdyby byla složena ze dvou polí- elektrického a magnetického. Mezi těmito poli však existuje úzký vztah, nelze je zkoumat zcela odděleně a proto např. u elektromagnetického vlnění hovoříme o elektrické a magnetické složce, které jsou vzájemně kolmé.

Intermediálními částicemi elektromagnetické síly jsou fotony. I když elektromagnetická síla působí mezi nabitými částicemi, fotony samy o sobě žádný náboj nenesou.

Elektromagnetická interakce má svou teorii v klasické i kvantové fyzice:

V klasické fyzice elektromagnetické interakce popisuje např.:

Elektromagnetické síly v kvantovém světě popisuje kvantová elektrodynamika. Nejdůležitějším odtud pramenícím poznatkem (zejména pro biofyziku) je zjištění, že naprostá většina pozorovaných jevů (např. chemické vazby, interakce záření s hmotou atd.) je důsledkem vzájemných interakcí mezi fotony a elektrony. Tyto foton-elektronové interakce dobře znázorňují Feynmanovy diagramy.

Slabá interakce[upravit | editovat zdroj]

β rozpad neutronu

Slabých interakcí se účastní leptony a hadrony, projevují se v rozpadech neutronu či mionu. Mají velmi malý dosah 10-17 m a jejich intermediálními částicemi jsou bosony W+, W-, Z0.

Při nízkých energiích (do 20 GeV) jsou dosti slabé, proto jsou označovány jako slabé interakce. Při vyšších energiích jsou přibližně stejně silné jako elektromagnetické interakce.

Podílí se na β rozpadu neutronu, kdy za účasti bosonu W- dojde ke vzniku protonu, elektronu a elektronového antineutrina.

Slabou interakci společně s elektromagnetickou silou popisuje elektroslabá teorie.

Silná interakce[upravit | editovat zdroj]

Působí mezi kvarky, které tvoří hadrony. Její náboj se označuje jako barevný náboj. Má pouze malý dosah, řádově 10-15 m, a je nejsilnější ze základních interakcí. Zprostředkujícími částicemi této interakce jsou gluony.

Poutá k sobě nukleony (zbytková silná interakce) a je zodpovědná za velmi rychlý rozpad hadronů.

Kvantová chromodynamika (QCD) popisuje chování částic při silných interakcích.

Intermediální částice[upravit | editovat zdroj]

Základní částice hmoty[upravit | editovat zdroj]

Elementární částice[upravit | editovat zdroj]

Terminologický problém: Pojem „elementárních (základních) částic“ jako nejjednodušších stavebních prvků hmoty je závislý na stavu poznání v dané době. Postupně se tento termín používal pro hadrony (protony, neutrony…), leptony a kvarky (v rámci tzv. Standardního modelu) a s pokračujícím poznáním se tento termín může přesunout k dalším částicím, tak jak se nám budou zdát „elementárními“. Proto je lépe se pojmu „elementárních částic“ vyhnout.

Leptony a kvarky[upravit | editovat zdroj]

  1. Leptony (neinteragují se silnou jadernou silou; elektrony a elektronová neutrina, miony a mionová neutrina, tauony a tauonová neutrina).
  2. Kvarky (vůně: up, down, charm, strangeness, bottom, top; barva: červená, zelená, modrá; náboj -1/3 nebo +2/3).

Fundamentální částice mají spin ±1/2 a ke každé existuje antičástice (stejná hmotnost, opačná točivost spinu, opačný magnetický moment, náboj i barva).

Kvarky se mohou skládat v hadrony (podmínky: celočíselný náboj a bílá barva), mesony (kvark a antikvark; celočíselný spin) a baryony (3 kvarky, neceločíselný spin; proton a neutron).

Složené částice[upravit | editovat zdroj]

Hadrony[upravit | editovat zdroj]

  • mezony
  • baryony:
    • nukleony
    • hyperony

Částice alfa[upravit | editovat zdroj]

V částicové fyzice jsou za alfa částice považována jádra 4He. Částice se skládá z 2 neutronů a 2 protonů, celkový náboj této částice je +2e, značíme ji α nebo He2+. Alfa částice má nenulovou klidovou hmotnost, tudíž se pohybuje rychlostí vždy menší než rychlost světla. Proud částic α označujeme jako alfa záření, vzniká při alfa rozpadu.

Antičástice[upravit | editovat zdroj]

Antičástice je ve své podstatě „opakem” částice. Antičástice a k ní příslušná částice mají stejnou hmotnost, spin a střední dobu života, liší se od sebe elektrickým nábojem, magnetickým momentem, baryonovým a leptonovým číslem, izospinem a podivností. Antičástice se řídí stejnými fyzikálními zákony jako částice.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Antičástice.

Kvazičástice[upravit | editovat zdroj]

Kvazičástice jsou koncept především fyziky kondenzovaných látek. Nejedná se o částice v pravém slova smyslu, jde o vzruch šířící se daným prostředím, který je výhodné pro potřeby další analýzy pokládat za částici. Pomocí kvazičástic lze analyzovat některé složité fyzikální děje.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Kvazičástice.

Odkazy[upravit | editovat zdroj]

Související články[upravit | editovat zdroj]

Externí zdroje[upravit | editovat zdroj]

Použitá literatura[upravit | editovat zdroj]

  • MACHÁČEK, Martin a Zuzana FOGLAROVÁ. Encyklopedie fyziky. 1. vydání. Praha : Mladá fronta, 1999. 408 s. Kapitola 6: Kvantová fyzika. ISBN 80-204-0237-3.
  • VELTMAN, Martinus. Fakta a záhady ve fyzice elementárních částic. 1. vydání. Praha : Academia, 2007. ISBN 978-80-200-1500-6.