Fizica particulelor: fapte despre particulele elementare care alcătuiesc universul nostru

Ce este fizica particulelor?

Fizica particulelor este studiul universului la cea mai mică scară posibilă – cele mai elementare particule și forțe care, atunci când sunt combinate, alcătuiesc totul. Tu – împreună cu orice alt lucru viu, fiecare pete de praf și fiecare stea din cer – sunt toate făcute din aceleași particule fundamentale.

S -ar putea să vă gândiți la o particulă ca la o mică pete de praf sau la un bob de sare. Cu toate acestea, atunci când fizicienii vorbesc despre particule, ei înseamnă un lucru adolescent, mic, care este cel mai bine descris cu matematica. Particulele nu se comportă la fel ca obiectele de zi cu zi. Și sunt atât de mici încât nu le măsurăm dimensiunea în ceea ce privește lungimea sau lățimea, o măsurăm în energie. Nici măcar nu suntem siguri Dacă electronii au o dimensiune La fel – nimeni nu a reușit să -l găsească.

Unele particule sunt extrem de instabile, care durează doar fracții de secundă. Le putem crea și studia, chiar și cu vieți atât de scurte, prin instrumente precum Collider Hadron mare (LHC)un accelerator de particule uriașe care funcționează prin spargerea fasciculelor de particule unul în celălalt la aproape aceeași viteză, lumina se deplasează în vid. LHC este îngropat într-un tunel lung de 17 mile (23 de kilometri) sub Franța și Elveția, unde folosește mai mult de 10.000 de magneți puternici pentru a modela grinzile în cercuri și a le conduce unul în celălalt. Coliziunile rezultate fac particule noi și interesante.

Care este modelul standard al fizicii particulelor?

Model standard al fizicii particulelor Descrie toate particulele elementare cunoscute și trei dintre cele patru forțe cunoscute care definesc modul în care interacționează între ele: forța electromagnetică, „interacțiuni slabe” și „interacțiuni puternice”. Interacțiunile puternice sunt ceea ce ține unele particule elementare împreună, cum ar fi protonii și neutronii care alcătuiesc un centru de atom. Interacțiunile slabe sunt numite „slabe”, deoarece lucrează pe distanțe mult mai mici decât interacțiunile puternice – mai puțin decât diametrul unui singur proton.

S -ar putea să fi auzit că lumina acționează ca o undă, iar electronii acționează ca niște particule. În fizică, când ceva acționează ca un val, acționează ca un lac – are ondulări care urcă și coboară într -un mod obișnuit și este un lucru mare. Când lucrurile „acționează ca niște particule”, sunt mai mult ca o grămadă de roci foarte mici. Ai putea număra stâncile și știi exact câți sunt. Multă vreme, oamenii de știință au crezut că lucrurile au acționat ca undele sau particule, dar acest lucru nu este adevărat – peer în interiorul unui atom și lucrurile acționează ca ambele. Aceasta se numește dualitatea particulelor de undă, iar modelul standard a fost dezvoltat în parte pentru a-l explica.

Cum poate acționa ceva atât ca un obiect unic, cât și ca un val? Particulele subatomice sunt cel mai bine descrise cu matematica fuzzy. Nu știm exact unde este un electron – dar știm șansele ca acesta să fie într -un anumit moment într -o zonă generală care este inelată de o graniță. Aceste șanse sunt descrise cu o ecuație numită funcția de undă. Când măsurăm comportamentul care arată ca un obiect separat, ne concentrăm pe graniță. Când măsurăm comportamentul care arată ca un val, ne concentrăm asupra probabilității.

În 2012, oamenii de știință au descoperit Particulă de boson Higgscare este o particulă extrem de instabilă, care a dat masă tuturor particulelor cu masă imediat după Big Bang. Constatarea a fost o validare importantă a modelului standard, care a prezis existența particulei.

Cu toate acestea, modelul standard are unele găuri. Cea mai evidentă problemă este gravitația – fizicienii nu au găsit o modalitate de a încorpora gravitația în modelul standard. Este încă cel mai bun instrument pe care îl avem pentru a descrie comportamentul subatomic al particulelor – este extrem de precis, cu excepția gravitației.

Ce particule alcătuiesc un atom?

Atomii sunt alcătuiți din protoni, neutroni și electroni. Numărul de protoni, neutroni și electroni determină modul în care atomul interacționează cu alți atomi. Tabel periodic este un ghid pentru diferitele tipuri de atomi; Este plin de modele care mapează modul în care fiecare element acționează.

Numărul atomic al tabelului periodic vă spune câte protoni (particule cu sarcină electrică pozitivă) sunt în material. Sunt grupate în neutronii atomului pentru a alcătui nucleul. Neutronii nu au încărcare electrică, dar au masă. Protonii și neutronii alcătuiesc cea mai mare parte a masei unui atom.

Orbitând nucleul încărcat pozitiv sunt electroni – particule minuscule cu o sarcină negativă. Încărcarea fiecărui electron are aceeași mărime ca un proton, definită ca o sarcină electrică elementară (1 E). Numărul și poziția electronilor sunt afișate în tabelul periodic prin rândul și coloana elementului.

Ce alte tipuri de particule există?

Protonii și neutronii sunt făcuți din particule elementare chiar mai mici numite quarks. Există șase „arome” (tipuri) de quarks: în sus, în jos, farmec, ciudat, de sus și de jos. Ei formează grupuri de trei pentru a alcătui protoni și neutroni, ținuți împreună de „încărcarea lor de culoare”. Încărcarea culorilor nu are nicio legătură cu culorile pe care le vedem; Este doar un termen pentru a identifica interacțiunile care țin quark -urile împreună. Încărcarea culorilor este similară cu încărcarea electrică, dar în loc să aibă o încărcare pozitivă sau negativă, există trei „culori” pe care un quark le -ar putea avea: roșu, verde sau albastru.

Există, de asemenea, leptoni. Aceste particule elementare sunt similare cu quark -urile, dar spre deosebire de quark -uri, leptonii nu au „interacțiuni puternice”. Cu alte cuvinte, ele nu formează același tip de quark -uri de obligațiuni. Electronii sunt un tip de lepton, împreună cu Muons, Tau Leptons și Neutrinos. Muons și leptonii tau sunt instabili și se descompun în electroni. Neutrinii sunt leptoni fără sarcină electrică.

Quark -urile și leptonii sunt fermioni – particulele elementare care constituie contează. Un alt grup de particule, cunoscut sub numele de bosoni, acționează ca „transportatori de forță”. Asta înseamnă că dețin forțele care lasă particulele să interacționeze între ele. Tipurile de bosoni includ fotoni; Gluons, care ajută la legarea particulelor împreună; Z bosoni; W bosoni; Și misteriosul boson Higgs, care, în concordanță cu Higgs Field, își dă particulele masa lor.

Cine sunt câțiva fizicieni faimoși?

Satyendra Nath Bose (1 ianuarie 1894 – 4 februarie 1974) a fost un pionier al mecanicii cuantice care, împreună cu Albert Einstein, au dezvoltat un nou tip de statistici care descrie modul în care bosonii se comportă cu dualitatea particulelor de undă. Bosonii sunt numiți după el.

Chien-Shiung Wu (31 mai 1912 – 16 februarie 1997) a lucrat la Proiectul Manhattan Și au efectuat experimente de fizică pentru a studia descompunerea beta, materialele radioactive ale procesului sunt supuse pentru a deveni mai stabile. Ea nu a fost inclusă în Premiul Nobel pentru Fizică din 1957, acordat celor doi colegi de sex masculin, în ciuda furnizării primelor dovezi experimentale de descompunere beta.

Peter Higgs (29 mai 1929 – 8 aprilie 2024) a fost fizicianul responsabil pentru partea modelului standard al fizicii particulelor care explică modul în care particulele și -au obținut masa la începutul universului. Bosonul Higgs este numit după el. El a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 2013, pe care l -a împărtășit cu François Englert.

Paul Dirac (8 august 1902 – 20 octombrie 1984) a ajutat la dezvoltarea teoriei Mecanica cuantică și a împărtășit Premiul Nobel pentru fizică din 1933 cu Erwin Schrödinger. S -a dezvoltat Ecuația Diraccare descrie modul în care fermioanele acționează atât ca particule, cât și ca valuri. El a prezis și existența antimateriecare este materie cu aceeași masă și sarcina electrică opusă ca materia obișnuită.

Marie Curie (7 nov. Ne -a avansat înțelegerea structurilor atomice și a câștigat două premii Nobel – unul în fizică și unul în chimie.

Richard Feynman (11 mai 1918 – 15 februarie 1988) a lucrat la proiectul Manhattan și a dezvoltat diagramele Feynman – o modalitate de a descrie comportamentul particulelor subatomice. Lucrarea sa a extins înțelegerea mecanicii cuantice.

Obțineți cele mai fascinante descoperiri din lume livrate direct în căsuța de e -mail.