Atomas, hadronas, kvarkas – mažas, mažesnis, mažiausias?! [Mokslo populiarinimo konkursas]

O visgi paskutinis konkurso darbas atsirado tik dabar, mat vieną paskutiniu momentu atsiųstą pražiopsojau. Taigi, jūsų dėmesiui – dvidešimt aštuntasis mokslo populiarinimo konkurso tekstas. Jo autorė – KTU gimnazijos vienuoliktokė Raminta Tomkutė, o tekste pasakojama apie atomus, hadronus ir kvarkus, iš kurių susideda visa mus supanti materija. Skaitykite po kirpsniuku.

Atomas, hadronas, kvarkas – mažas, mažesnis, mažiausias?!

Raminta Tomkutė

Iš ko sudaryta materija?

Materija sudaryta iš elementariųjų dalelių, kurios neturi vidinės struktūros, t.y. negali būti skaldomos, arba mokslui dar nežinoma, ar jas galima skaldyti į dar mažesnes.  Apie mažiausias daleles, sudarančias medžiagas, buvo imta kalbėti dar senovės graikijoje. Filosofas Demokritas tvirtino, jog visa medžiaga susideda iš smulkių dalelių – atomų, besiskiriančių savo forma ir dydžiu, kurių nebeįmanoma dar labiau suskaidyti. Tiesą sakant graikų kalboje žodis atomas reiškia nedalus.

Tačiau laikui bėgant mokslas vis didesniais žingsniais žengė pirmyn. Dvidešimto amžiaus pradžioje jau buvo įrodyta, kad atomus sudaro mažesnės dalelės, mokslininkai aiškinosi, kiek tų dalelių atome yra, kaip jos susijusios tarpusavyje ir kokia jų forma. Kai kuriems fizikams atrodė, kad atomai gali būti kubo formos, nes erdvėje kubus galima talpiai jungti vieną su kitu, bet šiandien žinome, kad atomai yra sferos formos.

„Jeigu įvyktų pasaulio katastrofa ir ateities kartoms būtų galima perduoti tik vieną sakinį, tas teiginys būtų toks: visos medžiagos yra sudarytos iš atomų, nuolatos traukiančių arba stumiančių vienas kitą priklausomai nuo jų tarpusavio atstumo“

–         Richardas Feynmannas, fizikas ir Nobelio premijos laureatas

Jie tikrai yra visur ir tikrai viskas yra iš jų sudaryta. Apsidairykite aplink. Visur knibžda atomų. Ne tik kietos būsenos daiktai – sienos, stalai, sofos – bet ir oras tarp jų. Ir tų atomų yra tokia daugybė, kad to kiekio neįmanoma suvokti. Be to atomai yra be galo maži. Išsirikiavę petis į petį vienas šalia kito, už žmogaus plauko gali pasislėpti pusė milijono atomų. Atskiro atomo tokiu mąsteliu tiesiog neįmanoma įsivaizduoti. Be to, kad atomai yra tokie mažyčiai, jie dar yra ir neįtikėtinai patvarūs – jie egzistuoja taip ilgai, jog kiekvienas jus sudarantis atomas, kol tapo dalis jūsų, tikriausiai yra perėjęs per keletą žvaigždžių ir buvęs milijonu kitų organizmų dalimi. Galima pasvajoti, kad mumyse visuose yra vykusi reinkarnacija. Kai mirsime, mūsų atomai išsisklaidys ir išsiskirstys, kad būtų panaudoti kitur – kaip medžio lapo, kito gyvo organizmo, rasos lašelio ar kokio akmens dalis.

 

Ką žinome apie atomo struktūrą?

Kiekvieną atomą sudaro trijų rūšių elementariosios dalelės: neigiami elektronai, teigiami protonai ir jokio krūvio neturintys neutronai. Teigiamos ir krūvio neturinčios dalelės yra susitelkusios branduolyje, aplink kurį skrieja elektronai. Atomai su skirtingu protonų skaičiumi branduolyje yra skirtingi cheminiai elementai, o elektronai nulemia, kaip atomas reaguoja. Trumpai ir vaizdžiai tariant protonai yra atomo „tapatybė“, o elektronai – „asmenybė“.

 

Kaip atrodo atomas?

Beveik kiekvienas įsivaizduojame, kad elektronai skrieja aplink branduolį lyg planetos aplink kokią nors saulę. Toks įsivaizdavimas atsirado praeito amžiaus pradžioje ir tai buvo mokslininko Nielso Boro spėjimas. Tačiau fizikai netrukus išsiaiškino, kad viskas yra šiek tiek sudėtingiau. Kadangi elektronų judėjimą erdvėje sunku apibrėžti, laikoma, kad elektronas yra „niekur“ arba „visur vienu metu“, ir elektrono buvimo vieta apibūdinama kaip galimybė rasti tą elektroną jo judėjimo sudaromame „debesyje“.

Planetinis atomo modelis
Helio atomas. Raudonai pažymėtas branduolys, o juoda sfera aplink – elektroninis debesis
Aukso pluoštas, kuriame matomi atskiri atomai

Tačiau savaime iškyla logiškas klausimas – kodėl neigiami elektronai nenukrenta į branduolį link teigiamų protonų, arba kodėl protonai neišskrieja iš branduolio? Juk panašiai veikia magnetas, ar ne? Artinant pliusą prie minuso jie traukia vienas kitą, ar ne?

 

Kas padaro atomą tokį patvarų?

Tai viena iš keturių fundamentaliųjų jėgų, lemiančių mūsų Visatos dėsnius. O fundamentalioji jėga – sąveika tarp dalelių, kuri negali būti paaiškinta kitų sąveikų požiūriu. Egzistuoja keturios fundamentaliosios sąveikos: gravitacinė, elektromagnetinė, stiprioji ir silpnoji. Stiprioji sąveika laiko atomo daleles kartu, būtent ši jėga ir leidžia branduolyje išlikti visiems protonams. Ši jėga veikia tarp dalelių, kurios nutolusios viena nuo kitos per vieną šimtątūkstantąją dalį atomo skersmens. Todėl atomų branduoliai yra labai kompaktiški ir tankūs, ir dėl to elementai, turintys didelius, sunkius branduolius, yra tokie nepastovūs: stiprioji sąveika tiesiog neišlaiko visų tų protonų. Būtent dėl šios priežasties cheminių elementų lentelė nėra sudaryta iš begalybės elementų.

 

O ar įmanoma protonus, elektronus ir neutronus padalinti į dar mažesnes daleles?

Atsakymas – taip, tačiau tam reikia velniškai daug elektros energijos ir pinigų. 20a. Ernestas Lawrence‘as Berklio universistete (Kalifornija) pagamino įspūdingą prietaisą – ciklotroną, arba atomų skaldytuvą (taip ši įranga tuomet buvo vadinama). Šis aparatas veikia tokiu principu: smarkiai pagreitinamas protonų, ar kitokių krūvį turinčių dalelių judėjimas, tada srautas nukreipiamas į kitos rūšies daleles ir tuomet jau galima stebėti, kas vyksta tiems srautams susidūrus. Įrenginiai laikui bėgant tapo vis galingesni ir fizikai atrado daugybę dalelių, keletas iš jų: miuonų, pionų, hiperonų, mezonų, Higgso bozonų, barionų. Netgi patiems fizikams pasidarė truputį nejauku. Kartą, kai vienas studentas paklausė Enrico Fermi, žymaus mokslininko, kaip vadinasi tam tikra dalelė, šis atsakė:

„Jaunuoli, jei galėčiau prisiminti visų tų dalelių vardus, aš būčiau botanikas“

Šiandien greitintuvų pavadinimai skamba taip lyg koks transformeris vartotų juos kovos lauke: superprotonų sinchrotronas, didysis elektronų-pozitronų kolaideris, didysis hadronų kolaideris, reliatyvistinis sunkiųjų jonų kolaideris. Naudodami didžiulius energijos kiekius (kaikurie tų prietaisų veikia tik naktimis, kad žmonės gretimuose miestuose nematytų nuo aparatų nusidriekusios pašvaistės) jie gali įsukti daleles tiek, kad mažiau kaip per sekundę vienas elektronas galėtų kelis tūkstančius kartų apskrieti 27 kilometrų tunelį. Kilo būgštavimų, kad entuziazmo pagauti mokslininkai eksperimentuodami gali sukurti juodąją skylę. Tai, kad jūs dabar čia apie tai skaitote, reiškia, kad taip nenutiko.

Šiais laikais pasaulyje veikia saujelė dalelių greitintuvų. Bene garsiausias ir didžiausias iš jų Europos branduolinių tyrimų centre (CERN) veikiantis Didysis hadronų greitintuvas (LHC). Hadronais fizikai vadina protonus, neutronus ir kitas daleles, kurias valdo stiprioji branduolinė sąveika. Šis greitintuvas mokslininkams prieš keletą metų padėjo sugauti ilgai ieškotąjį Higgso bozoną, kuris paaiškina masės prigimtį. Higso bozonas tarsi suvienija masę. Manoma, kad tai yra tas dalykas, kuris laiko masę mase, kad ir ką tai bereikštų! Be jo masė kaip mat virstų energija, pagal garsiąją A. Einšteino išvestą lygtį , kur E yra yra energija, m – masė, c – šviesos greitis, kuri įrodo, kad masė gali virsti energija. Vaizdžiai tariant, masę galima vadinti koncentruota energija. O dabar inžinieriai atlieka atnaujinimo darbus ir 2015 metais vėl įjungs greitintuvą su smarkiai padidinta maksimalia energija.

Didysis hadronų greitintuvas iš vidaus, šiuo vamzdžiu bandymų metu šviesos greičiu lekia dalelės
Vaizdas po hadronų, susidūrimo. Spalvotos linijos rodo kvarkų skriejimo trajektorijas.
Didysis hadronų greitintuvas – 27km ilgio tunelis, kuriame atkuriamos pirmųjų akimirkų po didžiojo sprogimo sąlygos

Visų šių mažų dalelių tyrimai daug kainuoja. Lietuvos pajamos 2012 metais neviršijo 26 milijonų litų. O tuo tarpu CERN metinis biudžetas siekia 1,2 milijardo eurų. Šiuolaikinėje fizikoje egzistuoja keistai atvirkščias proporcingumas tarp ieškomo dalyko mažumo ir jo nustatymui reikalingos įrangos bei lėšų dydžio. CERN primena nedidelį miestą – organizacija išsidėsčiusi abipus Prancūzijos ir Šveicarijos sienos samdo tris tūkstančius darbuotojų ir užima kvadratiniais kilometrais matuojamą plotą. Mokslininkai tikisi, kad LHC padės atsakyti į šiuos klausimus:

  • Kas vyko per Didįjį sprogimą?
  • Iš ko sudaryta visata?
  • Kas yra tamsioji medžiaga, kuri palaiko galaktikų struktūrą?
  • Kokia yra gravitacinės sąveikos prigimtis?
  • Kiek egzistuoja dimensijų, kurios nuspėja superstygų teoriją, ir ar galima jas „pamatyti“?

 

Standartinis modelis

Dalelių fizika visas daleles susistemina ir pagal savybes suskirsto vadinamąjame standartiniame modelyje. Iš emės tai yra detalių rinkinys subatominio pasaulio dalelėms sudaryti. Šį standartinį modelį sudaro šeši kvarkai (iš jų sudaryti hadronai), šeši leptonai, šeši bozonai, bei trys fizinės jėgos: stiproji ir silpnoji branduolinės ir elektromagnetinė jėga.

Kaip matote apačioje, vaizdas šiek tiek gremėzdiškas, bet tai pats paprasčiausias modelis, kuris paaiškina, kas dedasi dalelių pasaulyje.

Standartinio modelio stuktūra tokia: kvarkai yra pagrindinė statybinė medžiaga, juos visus kartu laiko gliuonai. Kvarkai ir gliuonai sudaro protonus ir neutronus, atomo branduolį. Leptonai yra elektronų ir neutrinų šaltinis. Kvarkai ir leptonai kartu vadinami fermionais. Bozonai – tai dalelės, kurios sukelia ir perneša jėgą. Juos sudaro fotonai ir gliuonai.

 

Kas mūsų laukia ateityje?

Ar atrastos dalelės tikrai yra mažiausios? Ar, tarkim, 2500 metais žmonija žinos daugiau apie mus sudarančias daleles? Mokslininkai teigia, kad jau netolimoje ateityje užbaigtas standartinis modelis leis mums geriau pažinti visatą. Ir gali būti, kad vieną dieną šis modelis ateities kartoms atrodyk toks elementarus, kaip mums – periodinė cheminių elementų lentelė.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *