Přeskočit na obsah

Částice (fyzika)

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Částice
Standardní model elementárních částic, který popisuje základní stavební kameny hmoty a nosiče fundamentálních interakcí.
OborFyzika částic, Kvantová mechanika

Částice je ve fyzice označení pro malý, lokalizovaný objekt, kterému lze přiřadit fyzikální vlastnosti, jako je hmotnost, elektrický náboj nebo spin. Koncept částice je jedním z nejzákladnějších v celé fyzice, ale jeho chápání se dramaticky proměnilo s nástupem kvantové mechaniky. Zatímco v klasické fyzice je částice chápána jako miniaturní kulička s přesně danou polohou a hybností, v kvantovém světě vykazuje tzv. vlnově-korpuskulární dualismus, což znamená, že se může chovat jak jako částice, tak jako vlnění.

Částice se dělí do dvou hlavních kategorií:

  • Elementární částice: Jsou to fundamentální stavební kameny hmoty a interakcí, které podle současných poznatků nemají žádnou vnitřní strukturu. Patří sem například kvarky, leptony (jako elektron) a bosony (jako foton). Jejich chování a vlastnosti popisuje Standardní model částicové fyziky.
  • Složené částice (hadrony): Jsou vázané stavy elementárních částic. Nejznámějšími příklady jsou protony a neutrony, které tvoří atomové jádro a samy se skládají z kvarků.

Studium částic a jejich interakcí je předmětem částicové fyziky a jaderné fyziky. Experimenty probíhají na obřích zařízeních zvaných urychlovač částic, jako je například Large Hadron Collider v CERNu.

📜 Historie a vývoj konceptu

Myšlenka, že hmota se skládá z malých, nedělitelných částic, je velmi stará a sahá až do antického Řecka.

🏛️ Od atomismu k objevům

  • Antický atomismus: Filosofové jako Leukippos a jeho žák Démokritos v 5. století př. n. l. přišli s hypotézou, že veškerá hmota je složena z nepatrných, věčných a neměnných částic zvaných atomy (z řeckého atomos, nedělitelný), které se pohybují v prázdnotě. Tato myšlenka byla čistě filozofická a nebyla podložena experimenty.
  • Daltonova atomová teorie: Na začátku 19. století oživil myšlenku atomů anglický chemik John Dalton. Na základě chemických experimentů formuloval teorii, že prvky jsou složeny z atomů s unikátními vlastnostmi a že chemické sloučeniny vznikají jejich spojením v jednoduchých poměrech.
  • Objev elektronu: V roce 1897 objevil J. J. Thomson při studiu katodového záření elektron, první subatomární částici. Tím dokázal, že atom není nedělitelný, a navrhl tzv. "pudinkový model" atomu.
  • Objev jádra a protonu: Experimenty Ernesta Rutherforda v roce 1911 ukázaly, že atom má malé, husté, kladně nabité jádro, kolem kterého obíhají elektrony. Kladně nabitá částice v jádře byla později nazvána proton.
  • Objev neutronu: V roce 1932 objevil James Chadwick neutron, neutrální částici v atomovém jádře, čímž byl obraz základních stavebních kamenů atomu kompletní.

⚛️ Kvantová revoluce a "částicová zoo"

S rozvojem kvantové mechaniky ve 20. letech 20. století se pohled na částice radikálně změnil. Koncepty jako vlnově-korpuskulární dualismus (Louis de Broglie) a Heisenbergův princip neurčitosti ukázaly, že částice nelze popisovat jako klasické objekty.

  • Antičástice: V roce 1928 Paul Dirac formuloval relativistickou rovnici pro elektron, která předpovídala existenci jeho antičástice, pozitronu, který byl následně v roce 1932 objeven Carlem Andersonem.
  • Částicová zoo: Od 30. do 60. let 20. století bylo v experimentech s kosmickým zářením a na prvních urychlovačích objeveno obrovské množství nových, nestabilních částic (např. piony, kaony, miony). Tento chaos byl přezdíván "částicová zoo".
  • Kvarkový model: V roce 1964 navrhli Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě model, podle kterého jsou hadrony (jako protony a neutrony) složeny z ještě menších, fundamentálních částic zvaných kvarky. Tento model vnesl do "částicové zoo" řád.

Tento vývoj vyvrcholil v 70. letech 20. století formulací Standardního modelu částicové fyziky, který úspěšně popisuje všechny známé elementární částice a tři ze čtyř základních interakcí.

🔬 Klasifikace částic

Částice lze třídit podle různých kritérií, nejčastěji podle jejich složení a spinu.

⚛️ Podle složení

  • Elementární částice: Jsou považovány za bodové a bez vnitřní struktury. Jsou základními stavebními bloky vesmíru. Dělí se dále na:
  • Složené částice: Skládají se z elementárních částic. Nejvýznamnější skupinou jsou hadrony, které jsou vázány silnou interakcí.
    • Baryony: Jsou složeny ze tří kvarků (např. proton, neutron). Patří mezi fermiony.
    • Mezony: Jsou složeny z jednoho kvarku a jednoho antikvarku (např. pion, kaon). Patří mezi bosony.

Kromě hadronů existují i další složené částice, jako jsou atomová jádra, atomy a molekuly.

🌀 Podle spinu (statistika)

Spin je vnitřní moment hybnosti částice a je to čistě kvantová vlastnost. Podle hodnoty spinu se částice dělí do dvou fundamentálních skupin, které se řídí odlišnou statistikou.

  • Fermiony: Mají poločíselný spin (např. 1/2, 3/2, ...). Řídí se Fermi-Diracovou statistikou a platí pro ně Pauliho vylučovací princip. Ten říká, že dva identické fermiony nemohou zaujímat stejný kvantový stav. Tento princip je zodpovědný za strukturu atomových obalů a stabilitu hmoty. Mezi fermiony patří všechny kvarky a leptony, a tedy i složené částice jako protony a neutrony.
  • Bosony: Mají celočíselný spin (např. 0, 1, 2, ...). Řídí se Bose-Einsteinovou statistikou a nepodléhají Pauliho vylučovacímu principu. To znamená, že libovolný počet identických bosonů může být ve stejném kvantovém stavu. To umožňuje jevy jako laser nebo supratekutost. Mezi bosony patří nosiče sil (foton, gluon, W a Z bosony) a Higgsův boson.

⚙️ Standardní model elementárních částic

Standardní model je teorie, která shrnuje současné znalosti o elementárních částicích a jejich interakcích. Popisuje 17 základních částic.

🧱 Látky (Fermiony)

Fermiony jsou částice hmoty a jsou uspořádány do tří generací. Každá další generace je těžší než předchozí, ale jinak má podobné vlastnosti. Běžná hmota ve vesmíru je tvořena téměř výhradně částicemi první generace.

🤝 Nosiče síly (Kalibrační bosony)

Tyto částice zprostředkovávají fundamentální interakce mezi fermiony.

👑 Higgsův boson

  • Higgsův boson (H0): Je to částice spojená s Higgsovým polem. Interakcí s tímto polem získávají ostatní elementární částice (kromě fotonu a gluonu) svou hmotnost. Jeho existence byla potvrzena v CERNu v roce 2012.

🌌 Interakce a síly

Ve Standardním modelu jsou popsány tři ze čtyř známých fundamentálních interakcí:

1. Silná interakce: Působí mezi kvarky a je zprostředkována gluony. Je zodpovědná za držení kvarků uvnitř protonů a neutronů a také za soudržnost samotných atomových jader. Má velmi krátký dosah. 2. Elektromagnetická interakce: Působí na všechny částice s elektrickým nábojem a je zprostředkována fotony. Je zodpovědná za téměř všechny jevy v běžném životě, jako je světlo, elektřina, magnetismus a chemické vazby. Má nekonečný dosah. 3. Slabá interakce: Působí na všechny kvarky a leptony a je zprostředkována bosony W a Z. Umožňuje přeměnu jednoho typu kvarku na jiný, což je klíčové pro jaderné reakce ve hvězdách (např. Slunce) a některé formy radioaktivity. Má extrémně krátký dosah. 4. Gravitační interakce: Působí na všechny částice s hmotností a energií. Ačkoliv je v makroskopickém světě dominantní, na úrovni částic je zdaleka nejslabší. Není součástí Standardního modelu. Předpokládá se, že jejím nosičem by mohl být hypotetický graviton.

🔭 Mimo Standardní model

Standardní model je neuvěřitelně úspěšná teorie, ale není kompletní. Nedokáže vysvětlit některé pozorované jevy, což motivuje hledání nové fyziky.

  • Temná hmota: Astronomická pozorování naznačují, že asi 27 % hmoty a energie ve vesmíru tvoří neznámá "temná hmota", která neinteraguje elektromagneticky. Mohla by být tvořena dosud neobjevenými částicemi, jako jsou WIMPy nebo axiony.
  • Temná energie: Zrychlující se rozpínání vesmíru je připisováno "temné energii", která tvoří asi 68 % vesmíru. Její podstata je zcela neznámá.
  • Neutrinové oscilace: Experimenty ukázaly, že neutrina mají malou, ale nenulovou hmotnost a mohou se za letu měnit z jednoho typu na jiný. To je v rozporu s původním Standardním modelem, kde byla neutrina považována za nehmotná.
  • Supersymetrie (SUSY): Hypotetická symetrie, která ke každé známé částici (fermionu) postuluje existenci superpartnera (bosonu) a naopak. Mohla by vyřešit některé teoretické problémy Standardního modelu a poskytnout kandidáta na temnou hmotu.
  • Teorie strun: Ambiciózní teoretický rámec, který se snaží sjednotit všechny čtyři interakce, včetně gravitace. V této teorii nejsou základními entitami bodové částice, ale jednorozměrné vibrující "struny".

🧑‍🏫 Pro laiky: Co je to vlastně "částice"?

Představa částice jako miniaturní kuličky je v našem běžném světě užitečná, ale v mikrosvětě selhává. Moderní fyzika popisuje částice mnohem abstraktněji.

  • Vlna i kulička zároveň: Klíčovým konceptem je vlnově-korpuskulární dualismus. Každá částice, například elektron, se může chovat jako lokalizovaný objekt (kulička), když narazí do stínítka a zanechá jedinou tečku. Zároveň se ale může chovat jako vlna, která se může šířit prostorem, ohýbat se za rohy (difrakce) a interferovat sama se sebou, jako vlny na vodní hladině. Není to tak, že by částice byla "někdy vlna a jindy kulička" – je obojím současně. Její povaha se projeví podle toho, jaký experiment provedeme.
  • Vzrušení v poli: Nejpřesnější popis nabízí kvantová teorie pole. Podle ní je celý vesmír prostoupen neviditelnými kvantovými poli – existuje elektronové pole, fotonové pole, Higgsovo pole atd. To, co vnímáme jako částici (např. elektron), je ve skutečnosti jen lokalizované, malé "vzrušení" nebo "vibrace" v příslušném elektronovém poli. Když se dvě taková vzrušení setkají, interagují spolu, což vnímáme jako srážku částic. Tento pohled elegantně vysvětluje, jak mohou částice vznikat a zanikat – jednoduše se energie přidá do pole (vznik částice) nebo se z něj odebere (zánik částice).


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Částice_(fyzika)&oldid=14691“