ΤΟ ΑΤΟΜΟ
Η ατομική δομή της ύλης,
σαν φιλοσοφική ιδέα τουλάχιστον, ξέρουμε ότι ξεκίνησε από τον Λεύκιππο και τον
Δημόκριτο (4ος αιώνας π.Χ.). Πέρασαν πολλοί αιώνες μέχρι τον 18ο όπου ο
Λαβουαζιέ (Antoine Laurent Lavoisier), μαζί με άλλους επιστήμονες, επιβεβαίωσαν με
πειράματα την ορθότητα αυτής της άποψης.
ΠΥΡΗΝΑΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ
Στις αρχές του 20 αιώνα, ο Ράδερφορντ (Ernest Rutherford) κατάφερε να
δείξει ότι το άτομο έχει έναν πολύ συμπαγή και σχετικά πολύ μικρό πυρήνα ενώ ο
υπόλοιπος χώρος του ατόμου φαινόταν κενός. Το βασικό πείραμα που πραγματοποίησε
ήταν ο βομβαρδισμός ενός λεπτού φύλλου χρυσού με σωματίδια α (πού σήμερα
γνωρίζομε ότι είναι πυρήνες του στοιχείου ήλιο, He) πολύ μεγάλης ταχύτητας. Ενώ λοιπόν τα πιο πολλά
από αυτά τα σωματίδια διαπερνούσαν το φύλλο με πολύ μικρές αποκλίσεις, μερικά
"γύριζαν" προς τα πίσω.
Όπως έλεγε ο ίδιος ο Ράδερφορντ, " ...
ήταν το ίδιο απίστευτο σαν να είχες πυροβολήσει ένα τσιγαρόχαρτο με ένα βλήμα
15 ιντσών και το βλήμα να γύριζε κατευθείαν πίσω και να σε χτυπούσε". Ο
πυρήνας του ατόμου είναι θετικά φορτισμένος ενώ, κατά τον Ράδερφορντ, ένα
πλήθος (αρνητικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων γέμιζε τον κενό χώρο. Έπρεπε να έρθει
ο Μπορ (Niels Bohr)
για να βάλει τα ηλεκτρόνια στη "θέση" τους, δηλαδή να περιστρέφονται
σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα (το ηλεκτρόνιο είχε ήδη
ανακαλυφθεί από τον Τόμσον (Joseph John Thomsosn) λίγα χρόνια πριν).
ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΚΑΙ ΝΕΤΡΟΝΙΑ
Νέα πειράματα, στην 2η
και 3η δεκαετία του αιώνα μας, έδωσαν τη νέα πληροφορία ότι ο πυρήνας του
ατόμου σχηματίζεται από δυο ειδών σωματίδια: το πρωτόνιο, με θετικό ηλεκτρικό
φορτίο (ίσο κατ΄ απόλυτη τιμή με αυτό του ηλεκτρονίου), και το νετρόνιο που έχει
σχεδόν την ίδια μάζα με το πρωτόνιο αλλά είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.
ΚΟΥΑΡΚ
Στην δεκαετία του '60 και
του '70 έγινε κατανοητό, αρχικά θεωρητικά και κατόπιν επιβεβαιώθηκε και
πειραματικά, ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια
αλλά αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια που ονομάστηκαν κουάρκ (quark).
Τα κουάρκ συναντώνται σε δυο είδη: το άνω (up) κουάρκ και το κάτω (down) κουάρκ, τα οποία
είναι ηλεκτρικά φορτισμένα: το άνω κουάρκ έχει φορτίο +2/3 , ενώ το κάτω κουάρκ
έχει φορτίο -1/3.
Το πρωτόνιο αποτελείται από 2 άνω κουάρκ και 1 κάτω κουάρκ,
ενώ το νετρόνιο από 2 κάτω κουάρκ και 1 άνω κουάρκ
Η 1η ΓΕΝΙΑ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ
Λαμβάνοντας υπόψιν τα
παραπάνω δεδομένα μπορούμε τώρα να περιγράψουμε όλη τη φύση, εμάς τους ίδιους,
το σύμπαν ολόκληρο. Πράγματι, η σημερινή επιστήμη της δομής της ύλης, η ΦΥΣΙΚΗΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ, χρειάζεται μόνο 4 βασικούς δομικούς λίθους για να
χτίσει τον σημερινό κόσμο.
Το άνω και το κάτω κουάρκ, το ηλεκτρόνιο και
επιπλέον ένα πολύ παράξενο σωματίδιο, το νετρίνο. Αυτό το τελευταίο είχε
προβλεφθεί από τον Πάολι (Wolfgang Pauli) από το 1930, αλλά μόνο το 1956 αποδείχθηκε και
πειραματικά η ύπαρξή του. Είναι ένα ουδέτερο ηλεκτρικά σωματίδιο με εκπληκτικά
μικρή μάζα (στη πραγματικότητα η μάζα του είναι μικρότερη από το σφάλμα που
κάνουν οι πειραματικές συσκευές και θεωρητικά το αντιμετωπίζουμε σαν να μην
έχει μάζα, κάτι τελείως αποδεκτό κατά τη ειδική θεωρία της σχετικότητας).
Το νετρίνο εμφανίζεται
σαν προϊόν της διάσπασης του νετρονίου. Το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο
ονομάζονται λεπτόνια (από την λέξη "λεπτός").
Η 2η ΚΑΙ 3η ΓΕΝΙΑ ΤΩΝ
ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ
Παρόλο που τα τέσσερα
αυτά σωματίδια σχηματίζουν την ύλη όλου του (σημερινού) σύμπαντος, στα
πειράματα που γίνονται (και, όπως πιστεύουμε, επίσης κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα
της δημιουργίας του σύμπαντος), εμφανίζονται και άλλα σωματίδια που έχουν όμως
εκπληκτικές ομοιότητες με τα τέσσερα που προαναφέραμε και που θα ονομάζουμε σαν
1η γενιά.
Πράγματι λοιπόν, εμφανίζονται άλλες 2 γενιές σωματιδίων, η κάθε μια
με 2 λεπτόνια και με 2 κουάρκ. Στη 2η γενιά έχουμε το σωματίδιο μ και το δικό
του νετρίνο (διαφορετικό από αυτό της πρώτης γενιάς) για λεπτόνια καθώς και το
γοητευτικό (charm) και το παράξενο (strange) κουάρκ με φορτία ακριβώς αντίστοιχα με τα
σωματίδια της πρώτης γενιάς.
Οι ομοιότητες συνεχίζουν
και σε άλλες ιδιότητες εκτός από τη μάζα: η 2η γενια είναι πιο βαριά από την
1η.
Στη 3η γενιά εμφανίζονται το σωματίδιο τ και το δικό του νετρίνο για
λεπτόνια και το υψηλό (top) και το χαμηλό (bottom) κουάρκ. Και πάλι η 3η γενιά εμφανίζεται ακόμα
πιο βαριά. Είναι γεγονός ότι η ύπαρξη των 3 γενιών, με πανομοιότυπα
χαρακτηριστικά, αποτελεί ένα από τα αναπάντητα ακόμα ερωτήματα της Φυσικής των
Στοιχειωδών Σωματιδίων.
Πάντως τα πειράματα συνηγορούν στην ύπαρξη τριών και
όχι περισσότερων γενιών.
...ΚΑΙ ΤΑ ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΙΔΙΑ
Επομένως θα μπορούσαμε να
πούμε ότι συνολικά 12 σωματίδια αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους του
σύμπαντος, από τη γέννησή του μέχρι σήμερα. Όχι ακριβώς!
Η σύγχρονη θεωρία που
περιγράφει τον μικρόκοσμο, η κβαντομηχανική, προβλέπει (και έχει αποδειχθεί
πειραματικά) την ύπαρξη του αντισωματίδιου: «σε κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί άλλο
ένα, με ίδια μάζα και αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο».
Έτσι ο συνολικός αριθμός των
σωματιδίων διπλασιάζεται.
Αναδημοσίευση κειμένου ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ
Μπορείς να κατεβάσεις (πατώντας πάνω τους) τα παρακάτω αρχεία, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σας αφίσες!
PDF ΤΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗ ΚΟΜΙΚ
ΤΟ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ (JPEG ΥΨΗΛΗ ΑΝΑΛΥΣΗ)
ΤΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΤΗΣ ΥΛΗΣ (JPEG)
Αν θες να πειραματιστείς κατέβασε το
PDF ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΑΠΛΑ ΥΛΙΚΑ, από την Τίνα Νάτσου, καθηγήτρια Φυσικής στη σχολή Χιλλ