Price iz svijeta prirodnih nauka

Ako zelite da pisete za ovaj blog jednostavno posaljite vas tekst na mail: yukawa.hideki@hotmail.com. Ukoliko tekst bude dobar vrlo brzo ce biti objavljen. U obzir dolaze samo tekstovi iz domena prirodnih nauka.

Moderna fizika elementarnih čestica razvija se tokom poslednjih 70 godina, tačnije od 1932. godine, koja se smatra presudnom za ovu fundamentalnu oblast savremene fizike. Tokom te godine, dotadašnja slika svijeta bila je trajno izmjenjena u mnogo čemu. Igrom slučaja, upravo tokom 1932. godine u Njemačkoj, u seriji ponovljenih parlamentarnih izbora, Hitlerova nacistička partija (NSDAP) osvajala je sve veći i veći broj delegata u Rajhstagu iz izbora u izbore, što je početkom sljedeće godine dovelo do imenovanja Adolfa Hitlera za kancelara Njemačke i time, do nepovratne promene lika savremene civilizacije. U međuvremenu, tokom iste godine, u seriji velikih otkrića, u naučnim laboratorijama došlo je do drastične promjene predstave o svijetu i materiji koja ga izgrađuje. U januaru 1932. godine fizičari su znali za tri elementarne čestice: elektron, foton i proton. Već u jesen iste godine broj poznatih elementarnih čestica narastao je na pet: Džejms Čedvik (1891–1974) otkriva neutron, čime dolazi do redefinisanja strukture atomskog jezgra, dok Karl Dejvid Anderson (1905–1991) otkriva pozitron, što je prva ljudima poznata antičestica. U narednim godinama broj čestica postajao je sve veći, da bi danas bilo poznato čak 250 elementarnih čestica.

            Neke elementarne čestice smo već upoznali ( elektron, proton, neutron ). Ali, ove čestice nemaju isti stepen elementarnosti. Na primjer, nukleoni (protoni i neutroni ) su u mnogo manjem stepenu elementarni od elektrona. Pokazaće se da i protoni i neutroni imaju složenu strukturu. Uopšte, termin ,,elementarne čestica,“ kao i mnoge druge fizčke pojmove ne treba shvatiti suviše bukvalno. Oni su nasljeđeni, i koriste se, pošto nisu definisani adekvatnije.

            Pojam ,,elementarne čestica,“ ne isključuje svaki oblik strukture, odnosno da je ta čestica posljednja ,,cigla“ u strukturi materije i da se ne može transformisati u druge čestice.

            Savremena fizika je utvrdila da se i većina danas poznatih ,,elementarnih“ čestica ne ponaša elementarno, već da pod određenim uslovima imaju složenu strukturu. Zato pojam elementarna čestica ima istorijski karakter i treba ga shvatiti uslovno.

            Elementarne čestice ili neposredno izgrađuju atome, kao nukleoni i elektroni ili se javljaju kao proizvodi spontanog raspadanja drugih elementarnih čestica, a takođe i u svojim transformacijama. Naime, kao što je poznato elementarne čestice se mogu pretvarati jedne u drugu. Pri tome i za njih važi zakon održanja energije, impulsa, naelektrisanja i spina.

Početkom XX vijeka izvedeni su ogledi koji su pokazali da naelektrisani elektroskop, zatvoren u olovni sud debelih zidova, ipak poslije izvjesnog vremena razelektriše. Prva istraživanja nepoznate jonizujuće radijacije izveli su: Radeford, Kuk, Vulf, Gokel, Hes Kolherster, apotom Milken, Bote i dr. Njihova istraživanja dovela su do otkrića vanzemaljskog zračenja velike prodorne moći. To zračenje Hes je nazvao visinskim zracima, a 1925. Milken im je dao naziv koji se i danas koristi – kosmički zraci. Kosmičko porijeklo tog zračenja potvrđeno je time što na visinama do 1000 m postoji neznatno smanjenje inteziteta jonizacije atoma vazduha. Intezitet jonizacije vazduha bi se mnogo brže smanjivao sa povećanjem visine, kad bi se se uzrok tih procesa nalazio samo na Zemlji. Kada je potvrđeno da na većim visinama od 1000 metara intezitet jonizacije vazduha naglo raste, više nije bilo nikakve sumnje da kosmičko zračenje ima kosmičko porijeklo. Dalja proučavanja su pokazala da kosmičko zračenje dospjeva na Zemlju iz svih pravaca kosmičkog prostora, da intezitet tog zračenja ne zavisi od tog da li je dan ili noć, kao ni od godišnjeg doba. Izvor kosmičkog zračenja nije skocentrisan na jednom mjestu ( kao što se u početku mislilo da je Sunce ), već to zračenje dolazi iz cijelog kosmičkog prostora. Kosmički zraci skreću u magnetnom polju Zemlje i intezitet tog zračenja zavisi od geografske širine tog mjesta na Zemlji. Time je dokazano da su u sastavu kosmičkog zračenja naelektrisane čestice.

            Postoje dvije osnovne vrste kosmičkog zračenja: primarno i sekundarno zračenje. Primarno kosmičko zračenje Zemlje javlja se izvan atmosfere Zemlje. Sačinjavaju ga pretežno jezgra atoma lakih hemijskih elemenata. To su uglavnom protoni, jezgra atoma helijuma, litijuma, berilijuma, bora, ugljenika, azota i dr. Pronađena su i jezgra atoma hemijskih elemenata središnjeg dijela PSE ( gvožđe i dr.). Prosječna energija čestica primarnog kosmičkog zračenja je oko 10 GeV. Međutim, dokazano je da postoje čestice sa energijom i do 10¹¹ GeV. Hipoteze o projeklu kosmičkog zračenja uglavnom se zasnivaju na podacima o primarnim kosmičkim česticama: energiji, sastavnim komponentama, prostornom rasporedu, intezitetu itd. Smatra se da u primarnom kosmičkom zračenju naelektrisane čestice dobijaju velike energije usled ubrzanja koje one steču u džinovskim elektromagnetnim poljima zvijezda i Sunca ili u rezultantnomm elektromagnetnompolju tih nebeskih tijela. Kad naelektrisane čestice dostignu izuzetno veliku brzinu ( energiju ), one izlijeću iz sfere djelovanja tih polja u kosmička prostranstva. S obzirom na to da je riječ o magnetnim poljima kosmičkih razmjera, čestice se statistički raspoređuju kroz kosmički prostor, tako da ne postoji posebno privilegovani pravci njihovog kretanja. Utvrđena je približno ravnomjerna raspodjela u dijelu kosmičkog prostora koji je do sada proučen.                                                                                   

U interakcijama primarnog kosmičkog zračenja sa molekulima ( atomima ) Zemljine atmosfere, nastaje sekundarno kosmičko zračenje. Na visinama manjim od 20 km praktično postoje samo sekundarni kosmički zraci, koji uglavnom i dospijevaju na Zemlju. U sastavu sekundarnog kosmičkog zračenja postoje dvije osnovne komponenete: tvrda i meka komponenta. Meku koponentu čini lavina elektronsko- pozitronskih parova i fotoni koji se pojavljuju kao rezultat raspada neutralnog piona (π⁰-mezona: π⁰ → γ + γ ) i naglog kočenja ( zaustavljanja ) brzih elektrona, prilikom prolaska pored jezgra atoma vazduha. Prolazeći pored atomskog jezgra, γ-foton se transformiše u elektronsko-pozitronski par. Zaustavljanje tih čestica dovodi ponovo do obrazovanja γ-fotona itd. Procesi obrazovanja elektronsko pozitronskih parova i γ-fotona naizmjenično se smjenjuju, sve dok energija γ-fotona ne postane nedovoljna za obrazovanje tih elektronsko-pozitronskih parova. Pošto je energija prvonastalog γ-fotona veoma velika, može se pojaviti veliki broj generacija sekundarnih čestica, ali sa sve manjim i manjim energijama. Pošto prosječna energija čestica meke komponente sekundarnog kosmičkog zračenja nije velika, one se gotovo potpuno apsorbuju (zaustavljaju) olovom debljine 10 cm. Tvrdu komponentu sekundarnog kosmičkog zračenja uglavnom čine mioni. Oni pretežno nastaju u gornjim slojevima atmosfere prilikom raspada naelektrisanih piona:

π⁺ → μ⁺+ í ;  π^- → μ⁺ + í .

Naziv tvrda komponenta potiče od toga što ova komponenta ima veliku prodornu moć. Olovo debljine i nekoliko desetina centimentara ne može je potpuno zaustaviti (apsorbovati).

Istraživanja kosmičkih zraka i dalje su izuzetno interesantna i značajna. Aktuelnost tih istraživanja uvećava se time što kosmički prostori postaju sve više čovjekova životna sredina. Kosmičko zračenje se proučava pomoću raznih detektora ( jonizacionih komora, brojača, nuklearnih fotoemulzija itd. ), koji se podižu na velike visine balonima, raketama ili kosmičkim brodovima.

Otkrića i upoznavanja elementarnih čestica dobrim dijelom su vezana za kosmičko zračenje. Sve do izgradnje snažnih akceleratora za ubrzavanje naelektrisanih čestica, kosmičko zračenje je bilo jedini ( prirodni izvor čestica – projektila dovoljno velikih energija za obrazovanje raznih elementarih čestica. Stoga je većina elementarnih čestica baš okrivena u interakciji čestica kosmičkog zračenja sa jezgrima atoma specijalno pripremljene supstancije ( nuklearne emulzije i drugi detektori ). Sa izgradnjom akceleratora, koji mogu da ubrzaju naelektrisane čestice do energije od stotine GeV, kosmički zraci izgubili su početno značenje u proučavanju elementarnih čestica. Međutim oni su i dalje ostali ( i još dugo vremena će ostati ) jedini izvor čestica sa neobično velikim energijama koje se na Zemlji ne mogu dobiti. Zato pručavanje kosmičkih zraka nije izgubilo ulogu kao metoda izučavanja elementarnih čestica, njihovih uzajamnih interakcija i transformacija pri izuzetno visokim energijama.

Atomska jezgra predstavljaju relativno stabilne sisteme iako među protonima djeluju odbojne električne sile. Ta relativna stabilnost jezgara ukazuje na to da među nukleonima u jezgrima postoje uzajamna privlačna djelovanja, tzv. nuklearne sile (jake interakcije ). Pored nuklearnih sila jakih interakcija, postoje i nuklearne sile znatno slabijeg inteziteta ( slabe interakcije ) koje se manifestuju kod raspada nekih elementarnih čestica. O ovim interakcijama biće više riječi kasnije. Iako nuklearne sile nisu u potpunosti proučene, ipak se o njihovim osnovnim svojstvima može dosta pouzdano govoriti.

Nuklearne sile nisu centralne. Za njih se ne može reči da su upravljene duž prave koja spaja centre interagujućih čestica ( kao što je slučaj sa gravitacionim i električnim silama)

Nuklearne sile imaju svojstvo zasićenosti. Ono se ogleda u tome što svaki nukleon unutar jezgra interaguje samo sa onim nukleonima koji se nalaze u njegovoj neposrednoj okolini. Pri povečanju broja nukleona u jezgru, nuklearne sile se ne mjenjaju, pa je gustina svih jezgara, lakih i teških, ista.

Nuklearne sile su kratkog dometa. Zna se da je radijus dejstva tih sila relativno neobično mali. On je dimenzije reda dimenzije atomskog jezgra, tj. do 10^-15m , intezitet nuklearnih sila brzo opada, tako da na rastojanjima reda veličine 10^-14m postaje praktično jednak nuli. Kada se nukleoni nađu na veoma malim rastojanjima, nuklearne sile postaju odbojne i sprečavaju nukleone u jezgru da se spoje u homogenu sredinu.

Nuklearne sile su nezavisne od naelektrisanja. To znači da su nuklearne sile između dva protona, dva neutrona i između protona i neutrona jednakih inteziteta. To je tzv. svojstvo električne nezavisnosti.

Nuklearne sile se ne podvrgavaju zakonima običnih sila u pogledu poznatih fizičkih polja, što znači da postoji posebno polje nuklearnih sila.

Radi lakšeg snalaženja nuklearne sile označit ćemo ovako:

·        (np) sila između protona i neutrona

·        (nn) sila između dva neutrona

·        (pp) sila između dva protona

Kada je spin jedne čestice antiparalelan sa spinom druge čestice, onda je to singiletna sila. Ako su spinovi paralelni onda je to tripletna sila. Prema Paulijevom principu imamo:

¹(np), ¹(pp), ¹(np), i ³(np).

1 singiletna sila

3 tripletna sila

Eksperimenti su pokazali da postoji jednakost između nuklearnih sila singiletnog stanja odnosno:

¹(np) = ¹(pp) = ¹(np).

Ova jednakost dokazuje tezu da su nuklearne sile nezavisne od naelektrisanja.

Utvrđeno je da su različite nuklearne sile (np) za singiletno i trpletno stanje. Prema tome nuklearne sile zavise od spina.

³(np). ≠¹(np).

Važno je spomenuti da je veliku ulogu u izučavanju nuklearnih sila dao japanski fizičar Hideki Yukawa. On pretpostavlja jednu novu elementarnu česticu o kojoj će biti riječi kasnije.

    Riječ atom potiće od grčke riječi atomos što znači nedjeljiv. Do kraja XIX vijeka smatralo se da je to najjednostavnija, nedjeljiva čectica. Ovo je tačno za hemičara, jer hemijske reakcije obuhvataju tako reči samo spoljne slojeve atoma. Sasvim je drugačije za fizičara.Otkrićem elektrona, radioaktivnosti, dobijenim rezultatima u oblasti elektromagnetske svjetlosti i zračenja crnog tijela, odmah se došlo  shvatanja da je atom složena čestica, odnosno složen sistem. Iz njega potiču i elektroni i α – čestice i svjetlost pa prema tome atom mora imati složenu strukturu. Da bi se odredile karakteristične fizičke veličine u početku proučavanja pribjeglo se davanju pretpostavki o izgledu i strukturi atoma. Pretpostavljeni su tzv. modeli atoma. Jasno je da su modeli atoma izvjesna simplifikacija realnosti, često i mehaniziranje komplikovanih oblika, ali su vrlo korisni za efikasno sve veće približavanje objektivnoj realnosti mikrosvijeta.Prvi model atoma dat je prvih godina XX vijeka  predložio ga je W. Thomson (1902),  a razradio  J. J. Thomson ( 1904 ). To je tzv. Thomsonov ili statički model atoma. Prema tom modelu atom bi bio jedna sfera poluprečnika oko jednog angstrema ( 10^-10 m ) , svuda po svojoj zapremini ravnomjerno naelektrisani pozitivnim elektricitetom. U toj ravnomjerno naelektrisanoj sferi nalaze se negativno naelektrisani elektroni vrlo malih dimenzija. Ti elektroni se  kreću pretežno oscilujući oko nekih svojih ravnotežnih položaja. Ovakvimmodelom atoma nije se mogao objasniti čitav niz eksperimentalnih činjenica, prije svega atomski spektri. Drugi model atoma daje Radeford (Rutherford) 1911. godine. On sa svojim učenicima i saradnicima dolazi do zaključka da postoji pozitivno naelektrisano atomsko jezgro, koje zauzima neobično mali dio zapremine atoma, a okolo su elektroni na relativno velikim rastojanjima. Prema ovom modelu (planetarni ili dinamični ) skoro sva masa atoma skocentrisana je u jezgru atoma, a poluprečnik atoma je u stvari rastojanje između toga jezgra i elektrona koji u atomu kruže.Genijalna Radefordova inventivnost pokazala se i u tome što je pretpostavio da je atom sličan nekom malom planetarnom sistemu, gdje su elektroni analogni planetama, a jezgro Suncu. Ovakav modela atoma sa jezgrom ima velike poteškoće baš sa gledišta klasične fizike. Dinamički model može dovesti do zračenja elektromagnetske energije, pošto je kretanje ubrzano, odnosno sistem predstavlja električni dipol sa svim elementima za zračenje. Kada takav sistem zrači energiju, onda se njegova energija smanjuje, pa, prema tome, elektron bi jednostavno pao u jezgro. No s druge strane, eksperimentalno su potvrdili da postoji takva struktura atoma sa jezgrom i elektronima. Preostalo je samo da se  izmeni ili dopuni teorija i shvatanja tog modela. U tome je najznačajniju ulogu imao Nils Bor ( Niels Bohr ) uvođenjem kvantnih postulata u Radefordov  dinamički model atoma 1913. godine. Zbog toga se taj model naziva Radeford-Borov model. Tim modelom fizičari postigli vidne rezultate u atomskoj fizici. Veliki broj fizičkih veličina karakterističnih za atom, dobijeni pomoću ovog modela i odgovarajuće teorije, ni do danas nije bolje izračunato savremenim metodama. Međutim izvjestan broj veličina određen je znatno preciznije, pa čak i u drugom obliku. Osim toga savremenije shvatanje atomskih kretanja i procesi bliži su stvarnosti od navedenih.    

Svaka ljuska podjeljena je na podljuske, koje odgovaraju azimuntalnom kvantnom broju l. Za datu vrijednost n ( glavnog kvantnog broja ) l može imati samo vrijednosti 0,1,2,... n-1. podljuske su označene slovima s, p, d, f, g... Svaka podljuska sa datim l može sadržati najviše 2l+1 elektrona.

Podljuske sadrže određeni broj orbitala. Broju orbitala odgovarajuu magnetnom kvantnom broju. Obakvantni broj za date vrijednosti l može imati vrijednosti:                m = -l, -(l-1),...,-1,0,1,..., l-1, l.

Svaka orbitala ima mjesta samo za dva elektrona. Ovi elektroni ako su prisutni razlikuju se vrijednošću četvrtog kvantnog broja s, koji se naziva spin. Ovaj kvantni broj može imati samo dvije vrijednosti: ½ i – ½ . Dva elektrona koja se nalaze na istoj orbitali, pa stoga mogu imaju suprotne spinove po, Paulijevom principu isključivosti, nazivaju se spareni elektroni.  

            Paulijev princip isključivosti: Dva elektrona istog atoma ne mogu imati sva četiri kvantna broja: n, l, m, s, indentična.

            Eksperimentalno proučavanje strukture atomskog jezgra dalo je obilje podataka o prirodi jezgra. Međutim, sigurnošću se još nije ustanovila prava struktura jezgra, jer je zbog velikog broja čestica kao sastavnih djelova jezgra teorijski teško doći do odgovarajućih zakonitosti u jezgru. Poznato je, naime, da je u fizici precizno proučen sisitem dvaju tijela sa međusobnim uzajamnim dejstvom. Već sistem triju tijela ( ili čestica ) nema svoju preciznu teoriju. Za tri tijela mora se pribjegavati dosta grubim aproksimacijama. Može se pretpostaviti da se jezgro kao sistem većeg broja protona i neutrona ( u mezonskom polju ) može proučavati djelimično, a ne kao cjelina sa velikim interakcijama. I u tom smislu se preturalo pitanje strukture jezgra. Ali do danas nije izgrađena adekvatna teorija strukture atomskog jezgra koja bi objasnila bar eksperimentalne podatke do kojih se došlo. Potreba za objašnjenjem pojedinih svojstava jezgra i pojave koje su otkrivene orjentisale su istraživaće da izgrade teorijske modele, ili modele jezgra. To su uglavnom takvi sistemi poznatih sastavnih djelova jezgra koji koliko toliko daju makar i grubu sliku , po mogućnosti što tačniju, ali tako da prema svojoj strukturi omogućavaju matematičko tretiranje prema postojećim efikasnim metodima. Postoji veći broj modela atomskog jezgra kao što su: Model  kaplje, model fermionovog gasa, optički model, model alfa- čestice, model slojeva. Postoji i uopšteni model jezgra, koji predstavlja jednu vrstu sredine između modela sloja i modela kaplje. Ovi modeli se međusobno nadopunjuju i tako pokazuju kolko je fizika atomskog jezgra još u povoju.

          Jezgro atoma ili nukleus sastoji se od dvije vrste elementarnih čestica – protona i neutrona. Ove čestice se nazivaju nukleoni. Proton ( p ) je, u stvari jezgo atoma vodonika. Posjeduje pozitivno naelektrisanje od jedne elementarne količine naelektrisanja i masu u mirovanju m_p= 1,0073 u. Ovoj masi ogovara energija od 938,32 MeV, a masi elektrona u mirovanju odgovara 0,511 MeV. Neutron ( n ) je električno neutralna čestica. Njegova masa u mirovanju iznosi m_n= 1,0087 u. Ovoj masi odgovara energija od 939,5 MeV. Neutron je eksperimentalno otkrio Chadwick 1932.  U slobodnom stanju neutron je nestabilan, tj. radioaktivan i spontano se raspada, emitijući elektron i još jednu česticu, nazvanu antineutrino. Potrebno je reći da je masa antineutrina u mirovanju jednaka nuli. Redni broj elemenata Z u PSE određuje naelektrisanje jezgra +Ze. Broj Z naziva se atomski broj i određuje broj protona u jezgru. Broj nukleona u jezgru tj. zbir protona i neutrona, naziva se maseni broj i obilježava se sa A. Poluprečnik jezgra može se dovoljno tačno odrediti relacijom ( fermijima; 1 fermi ( f ) = 10^-15m ):

r = 1,2 A^1/3