Tomcio -Komentuje
Komentowanie salonu. Aby nie uleciało coś co było ważne u innych blogerów Zainteresowania nauka, socjologia(z uwzględnieniem Pani Karoliny Nowickiej), gospodarka
0 obserwujących
11 notek
1985 odsłon
249 odsłon

przedruk z profesora Grzegorza Karwasza /UNIWEREK Z TORUNIA -/

autor: prf. G.Karwasz
autor: prf. G.Karwasz
Wykop Skomentuj4

Kilka  zagadnień z podsumowania  jest do  przemyślenia .

RYSUNKÓW  nie przeniosło ale  są w oryginale.

==========================================================

Wstęp :   Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych jest częścią programu klasy I wszystkich szkół ponadgimnazjalnych. Czytając jednak strony internetowe, nawet renomowanych instytucji, i słuchając studentów po kursie fizyki jądrowej, odnosi się wrażenie, że więcej jest w wyjaśnianiu kwarków i bozonów „machania rękoma” – meksykańskich kapeluszy i tłoczących się gości bufetowych, lub lagranżjanów ze spontanicznie złamaną symetrią niż zrozumienia fizyki: a raczej pojęcia naszych ograniczeń w rozumieniu tej fizyki. Temu jest poświęcona ta krótka nota. Artykuł, dla uzyskania dydaktycznej jasności, zawiera liczne naukowe uproszczenia. 

Review of Particle Physics: J. Beringer et al. (Particle Data Group) Review of Particle Physics, Phys. Rev. D 86 (2012) 010001, http://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.86.010001

Hasło do stron zastrzeżonych w spisie literatury: użytkownik: as, hasło: as

Fermiony i bozony

Zanim podejmiemy dyskusję o zoo cząstek elementarnych, w tym o bozonie Higgsa, przypomnimy podstawowe rozgraniczenie w mikro-świecie. Cząstki dzielą się na te, o spinie „połówkowym” – których spinowa liczba kwantowa wynosi ½ (czyli wartość bezwzględna spinu (√3/2)ħ a rzut na wybraną oś kwantowania ±½ħ ), i te o spinowej liczbie kwantowej całkowitej. Elektron, proton, neutron (i kwarki) są fermionami.

Bozonami są natomiast fotony, czyli cząstki światła z lasera lub żarówki – ich własny moment pędu wynosi 1. W zjawisku polaryzacji światła, polaryzator (folia polimerowa, kryształ kalcytu) wybiera określony kierunek drgań wektora natężenia pola elektrycznego. W rzeczywistości jednak światło spolaryzowane liniowo jest złożeniem dwóch fal (strumienia fotonów) spolaryzowanych kołowo w przeciwnych kierunkach. Jeden z fotonów ma spin +1, drugi -1 (jeden „kręci się” w prawo, drugi – w lewo) a wypadkowy wektor pola elektrycznego drga wzdłuż jednego kierunku.

Bozonowy charakter fotonów ujawnia się w procesie anihilacji pozytonów. Kiedy ujemny elektron spotka się ze swoją anty-cząstką – dodatnim pozytonem, całkowity spin tej pary może wynosić 0 lub 1. Anihilacja jest procesem „zamiany” masy na energię, zgodnie z równaniem E=mc2 ale w procesie tym musi być zachowany też spin. Dlatego w anihilacji powstają dwa fotony, unoszące spin +1 i -1, jeśli spin pary elektron-pozyton wynosił 0, lub trzy fotony - gdy całkowity spin pary wynosił 1 (lub -1). W procesie anihilacji z elektronami w ciele stałym całkowity pęd pary elektron-pozyton jest znikomy, więc i całkowity pęd dwóch fotonów musi wynosić w przybliżeniu zero: ulatują one prawie dokładnie pod wzajemnym kątem 180º. Z uwagi na prawo zachowania energii, każdy z nich unosi energię 511 keV, równą masie spoczynkowej elektronu.

Rys.1. Anihilacja elektronu i pozytonu w układzie zerowego spinu całkowitego (stan „singletowy”) i przy zerowym pędzie sumarycznym: powstają dwa fotony przeciwnie skierowane i o przeciwnej polaryzacji, unoszące każdy energię 511 keV. Anihilacja pozytonów służy m.in. do badania defektów w półprzewodnikach [2].

Anihilacja pozytonów wprowadza nas w ogólną metodologię badania cząstek elementarnych – zazwyczaj nie widzimy właściwej cząstki, ale ulatujące produkty jest rozpadu. A na podstawie praw zachowania (energii, pędu, momentu pędu) wnioskujemy o oryginalnej cząstce.

Spin a statystyka

Rozgraniczenie na fermiony i bozony ma zasadnicze znaczenia dla istnienia świata, w szczególności – istnienia życia, w tym człowieka. Bogactwo świata biologicznego, a przed nim chemicznego, jest zadziwiające. Dodanie jednego elektronu zamienia bezwonny, obojętny chemicznie gaz neon w super-reaktywny metal, samo-zapalający się w powietrzu – sód. W neonie, elektrony „siedzą” na dość ciasnych orbitach, na całkowicie wypełnionych powłokach. W sodzie, jeden dodany elektron „widzi” dodatnie jądro prawie zaekranowane przez pozostałe 10 elektronów – jego orbita ma duży promień (o ile o promieniu można mówić w mechanice kwantowej), i z tego powodu ogromna jest tzw. polaryzowalność atomu i niska energia jonizacji: atom sodu jest „reaktywny”.

Argumenty o orbitalach są tylko pozornie wyjaśnieniem. Nie wiemy, dlaczego nie można dodać siódmego elektronu na orbital 2p neonu (lub trzeciego na orbital 1s). Słowem kluczowym jest „zakaz Pauliego” – dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego - tak jakby elektrony znały się na zakazach...

Zakaz Pauliego „obowiązuje” nie tylko elektrony, ale wszystkie cząstki o stanie połówkowym, czyli fermiony. Odpychają się one, ale nie jest odpychanie ani elektrostatyczne ani jądrowe – one po prostu nie mogą być w tym samym miejscu. Fizycy mówią o tej samej komórce w przestrzeni fazowej) a chemicy, że więcej niż dwa elektrony nie mogą zajmować tego samego orbitalu (różnią się wówczas znakiem rzutu spinu).

Wykop Skomentuj4
Ciekawi nas Twoje zdanie! Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Salon24 news

Co o tym sądzisz?

Inne tematy w dziale