Přeskočit na obsah

Subatomární částice

Z Infopedia

Šablona:Infobox Fyzika ``` ``` Subatomární částice je jakákoliv částice, která je menší než atom. Studium těchto částic je hlavním předmětem částicové fyziky a kvantové mechaniky. Subatomární částice se dělí do dvou základních kategorií: elementární částice, které podle současných poznatků již nelze dále dělit, a složené částice (kompozitní), které jsou tvořeny svázaným stavem několika elementárních částic.

Mezi nejznámější subatomární částice patří elektron, proton a neutron, které tvoří atomy. Zatímco elektron je elementární částicí, protony a neutrony jsou složené částice, konkrétně baryony složené z kvarků. Drtivá většina pozorovatelné hmoty ve vesmíru je tvořena právě těmito třemi částicemi. Chování a vlastnosti subatomárních částic popisuje Standardní model, nejúspěšnější teorie částicové fyziky, která však nezahrnuje gravitaci a některé další jevy, jako je temná hmota. ``` ```

⏳ Historie objevů

Představa o nedělitelných stavebních kamenech hmoty sahá až do starověkého Řecka k filozofům jako Démokritos, kteří zavedli pojem atomos (nedělitelný). Moderní vědecká cesta k subatomárním částicím však začala až na konci 19. století.

  • 1919: Objev protonu – Ernest Rutherford při ostřelování jader dusíku částicemi alfa identifikoval jádra vodíku jako základní stavební kameny ostatních jader a pojmenoval je protony.
  • 1932: Objev neutronu – James Chadwick, Rutherfordův žák, experimentálně potvrdil existenci elektricky neutrální částice v jádře, kterou nazval neutron. Tím byl dokončen základní model složení atomového jádra.
  • 50. a 60. léta 20. století: Částicová zoo – S rozvojem urychlovačů částic byla objevena celá řada nových, většinou nestabilních částic (např. piony, kaony, hyperony). Tento velký počet částic vedl k hledání hlubší struktury.
  • 1964: Kvarkový model – Murray Gell-Mann a George Zweig nezávisle na sobě navrhli teorii, že hadrony (jako protony a neutrony) nejsou elementární, ale jsou složeny z ještě menších částic, které Gell-Mann nazval kvarky.
  • 70. léta – současnost: Standardní model – Postupným teoretickým i experimentálním výzkumem byl zformulován Standardní model částic a interakcí, který sjednotil znalosti o elementárních částicích. Jeho poslední chybějící článek, Higgsův boson, byl experimentálně potvrzen v CERNu v roce 2012.

``` ```

🔬 Dělení subatomárních částic

Subatomární částice lze klasifikovat podle několika kritérií, z nichž nejdůležitější jsou jejich složení a spin.

Podle složení

Jsou to částice, které podle současných poznatků nemají vnitřní strukturu a nelze je dále dělit. Jsou považovány za základní stavební kameny hmoty a nosiče sil. Patří sem kvarky, leptony a kalibrační bosony.

Jsou to částice složené z několika elementárních částic, které jsou k sobě vázány některou ze základních interakcí. Nejběžnějšími složenými částicemi jsou hadrony.

Podle spinu (statistiky)

Spin je vnitřní moment hybnosti částice a je to čistě kvantově-mechanická vlastnost. Podle hodnoty spinu se částice dělí na dvě fundamentální skupiny, které se řídí odlišnými statistickými pravidly.

Mají poločíselný spin (např. 1/2, 3/2, ...). Řídí se Pauliho vylučovacím principem, který říká, že žádné dva identické fermiony nemohou zaujímat stejný kvantový stav. Fermiony jsou typickými "částicemi látky". Patří sem všechny kvarky a leptony.

Mají celočíselný spin (např. 0, 1, 2, ...). Neřídí se Pauliho vylučovacím principem, což znamená, že neomezený počet identických bosonů může být ve stejném kvantovém stavu. Bosony jsou typicky "nosiči sil" nebo interakcí. Patří sem fotony, gluony, bosony W a Z a Higgsův boson. ``` ```

📜 Standardní model

Standardní model je teoretický rámec popisující všechny známé elementární částice a tři ze čtyř základních interakcí ve vesmíru: elektromagnetickou, slabou a silnou. Nepopisuje gravitaci.

Elementární částice

Standardní model zahrnuje 17 elementárních částic, které lze rozdělit do dvou hlavních skupin: fermiony (částice látky) a bosony (nosiče sil a Higgsův boson).

Fermiony (částice látky)

Fermiony jsou organizovány do tří generací. Každá vyšší generace obsahuje částice s podobnými vlastnostmi jako generace předchozí, ale s vyšší hmotností. Částice z vyšších generací jsou nestabilní a rychle se rozpadají na částice první generace, která tvoří veškerou stabilní hmotu kolem nás.

Kvarky

Kvarky jsou fermiony, které podléhají silné interakci. Nikdy se nevyskytují samostatně, ale vždy ve vázaných stavech jako součást hadronů. Existuje šest typů (vůní) kvarků:

Leptony

Leptony jsou fermiony, které nepodléhají silné interakci. Existuje šest typů leptonů:

Bosony (nosiče síly)

Bosony zprostředkovávají interakce mezi fermiony.

Kalibrační bosony

Tyto bosony jsou nosiči základních sil:

Skalární boson
  • Higgsův boson (H⁰): Tato částice je excitací Higgsova pole. Interakcí s tímto polem získávají ostatní elementární částice (kromě fotonu a gluonu) svou hmotnost.

``` ```

🧱 Složené částice (Hadróny)

Hadróny jsou subatomární částice složené z kvarků a antikvarků, které jsou drženy pohromadě silnou jadernou interakcí. Dělí se na dvě hlavní skupiny.

Baryony

Baryony jsou fermiony složené ze tří kvarků (nebo tří antikvarků v případě antibaryonů). Mají poločíselný spin.

  • Nukleony: Tvoří jádra atomů.
    • Proton (p): Složení uud (dva kvarky up, jeden down). Je to jediný stabilní baryon.
    • Neutron (n): Složení udd (jeden kvark up, dva down). Volný neutron je nestabilní s poločasem rozpadu asi 15 minut.
  • Hyperony: Jsou to baryony obsahující alespoň jeden "podivný" kvark (strange). Jsou těžší než nukleony a velmi nestabilní (např. Lambda (Λ), Sigma (Σ), Xi (Ξ), Omega (Ω)).

Mezony

Mezony jsou bosony složené z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Mají celočíselný spin a jsou vždy nestabilní.

  • Pion (π): Nejlehčí mezon, zprostředkovává zbytkovou silnou interakci mezi nukleony v jádře.
  • Kaon (K): Těžší mezon obsahující "podivný" kvark.
  • Další mezony: Existuje mnoho dalších typů mezonů, včetně těch, které obsahují "půvabné" (charm) nebo "spodní" (bottom) kvarky.

``` ```

🌌 Částice mimo Standardní model

Přestože je Standardní model neuvěřitelně úspěšný, víme, že není kompletní teorií. Existuje několik jevů, které nedokáže vysvětlit, což vede k hypotézám o existenci dalších částic.

  • Temná hmota: Astronomická pozorování naznačují, že asi 27 % hmotnosti a energie vesmíru tvoří neznámá forma hmoty, která neinteraguje elektromagneticky (nevyzařuje světlo). Kandidáty na částice temné hmoty zahrnují:
    • WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles – Slabě interagující hmotné částice): Hypotetické částice, které interagují pouze prostřednictvím slabé a gravitační síly.
    • Axiony: Hypotetické velmi lehké částice navržené k řešení problému v kvantové chromodynamice.
  • Supersymetrie (SUSY): Teoretické rozšíření Standardního modelu, které předpokládá, že každá známá částice (fermion i boson) má svého "superpartnera" s odlišným spinem. Například partnerem elektronu (fermion) by byl "selektron" (boson). Tyto "sparticles" by mohly být kandidáty na temnou hmotu, ale žádná z nich nebyla dosud na urychlovačích objevena.
  • Sterilní neutrino: Hypotetický typ neutrina, který by neinteragoval ani slabou interakcí, pouze gravitací. Mohl by vysvětlit některé anomálie v neutrinových experimentech a také by mohl být součástí temné hmoty.

``` ```

💡 Pro laiky: Svět menší než atom

Představit si svět subatomárních částic je náročné, protože se chová zcela jinak než svět, který známe. Zde je několik zjednodušujících přirovnání:

  • Lego stavebnice vesmíru: Představte si, že celý vesmír je postaven z několika základních typů kostiček Lega. Těmito kostičkami jsou elementární částice – kvarky a leptony. Vše, co vidíte – stoly, hvězdy, lidé – je jen různá kombinace těchto několika málo kostek.
  • Síly jako posílání míčků: Jak na sebe částice působí? Představte si dva lidi na bruslích. Když si hodí těžkým míčem, oba se od sebe odrazí. Tento "míček" je jako boson, nosič síly. Foton (světlo) je míček pro elektromagnetickou sílu, gluon pro silnou sílu v jádře.
  • Společenští a nesnášenliví lidé (Bosony vs. Fermiony):
    • Fermiony (částice látky jako elektrony) jsou jako "nesnášenliví" jedinci. Každý musí mít své vlastní místo a nesnese, aby někdo jiný byl ve stejném stavu. Proto se elektrony v atomu skládají do různých slupek a vytvářejí tak strukturu.
    • Bosony (nosiče sil jako fotony) jsou naopak "společenští". Nevadí jim být všichni na jedné hromadě ve stejném stavu. To je důvod, proč můžeme vytvořit silný, soustředěný paprsek světla – laser.
  • Higgsovo pole jako bláto: Proč mají částice hmotnost? Představte si, že celý prostor je vyplněn neviditelným "blátem" – to je Higgsovo pole. Některé částice (jako foton) jím projdou, aniž by se zbrzdily – nemají hmotnost. Jiné částice (jako elektron nebo kvark) se v tomto blátě "brodí" a narážejí na odpor. Tento odpor vnímáme jako jejich hmotnost. Čím více interagují, tím jsou těžší.

``` ```

🧪 Vlastnosti a charakteristiky

Každá subatomární částice je definována souborem kvantových čísel, která popisují její vlastnosti.

  • Hmotnost (klidová): Vnitřní vlastnost částice, často udávaná v jednotkách megaelektronvoltů (MeV/c²). Hmotnosti elementárních částic se dramaticky liší, od téměř nulové u neutrin po velmi těžký top kvark.
  • Elektrický náboj: Určuje, jak částice interaguje s elektromagnetickým polem. Je kvantován v násobcích elementárního náboje e. Může být kladný, záporný nebo nulový. Kvarky mají zlomkové náboje (+2/3 e nebo -1/3 e), ale vždy se skládají tak, aby výsledný hadron měl celočíselný náboj.
  • Spin: Vnitřní moment hybnosti. Jak bylo zmíněno, dělí částice na fermiony (poločíselný spin) a bosony (celočíselný spin).
  • Barevný náboj: Vlastnost kvarků a gluonů, která souvisí se silnou interakcí. Nemá nic společného s vizuální barvou. Existují tři "barvy" (červená, zelená, modrá) a tři "antibarvy". Hadróny jsou vždy "bezbarvé" (kombinace všech tří barev nebo barvy a antibarvy).
  • Doba života: Většina subatomárních částic je nestabilní a samovolně se rozpadá na lehčí částice. Doba života se může pohybovat od zlomků sekundy (např. volný neutron) až po neuvěřitelně krátké okamžiky (např. top kvark). Stabilní jsou pouze proton (nebo je jeho doba života extrémně dlouhá), elektron, foton a neutrina.
  • Další kvantová čísla: Pro popis částic se používají i další charakteristiky jako izospin, podivnost, půvab, parita a další, které se zachovávají v určitých typech interakcí.

``` ```

Šablona:Aktualizováno ```

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Subatomární_částice&oldid=14056“