text: Atóm je najmanjši del snovi, ki ga kemijsko ne moremo več razstaviti. Beseda izhaja iz stare grščine: : átomos - nedeljiv, iz a- - ne- + tomos - rez. Atomi so gradniki molekul in snovi kot take. Atomi se pri kemijskih reakcijah ohranjajo, že dobrih sto let pa je znano, da v resnici niso nedeljivi, ampak so sestavljeni iz še manjših delcev. Velikosti atomov so od 10 do 100 pm, v velikostnem razredu, kjer njihovega vedenja zaradi kvantnih pojavov ni mogoče napovedati z zakoni klasične mehanike. Atomi se lahko med seboj začasno povezujejo s kemičnimi vezmi in tvorijo spojine, kot so molekule in kristali. Ta sposobnost asociacije in disociacije je odgovorna za večino fizičnih sprememb, ki jih lahko opazujemo v naravi. Kemija je znanstvena veda, ki se ukvarja s preučevanjem teh sprememb. Zgradba atomov Podatomski delci Včasih so veljali atomi za nedeljive, zdaj pa vemo, da jih sestavljajo elektroni, protoni in nevtroni. Elektron je z daleč najlažji delec, ima negativen naboj in premajhen premer, da bi ga lahko izmerili z zdaj znanimi tehnikami. Do odkritja mase nevtrina je bil najlažji delec s pozitivno mirovno maso, ki so ga izmerili. V običajnih okoliščinah so elektroni vezani na pozitivno nabito jedro s privlakom, ki je posledica nasprotnega električnega naboja. Če ima atom več ali manj elektronov kot je njegovo atomsko število, postane kot celota negativno ali pozitivno nabit; nabitemu atomu pravimo ion. Protoni imajo pozitiven naboj in maso, 1836-krat večjo od elektrona (). Število protonov v atomu označujemo z njegovim atomskim številom. Protone poznamo od začetka 20. stoletja, ko je Ernest Rutherford odkril, da dušik, obstreljevan z delci alfa izvrže delec, po lastnostih enak jedru vodika. V objavi leta 1920 je jedro vodika opredelil kot podatomski delec in ga poimenoval proton. Nevtroni so brez električnega naboja in imajo maso ali 1.839-kratno maso elektrona. S tem so najmasivnejši od treh podatomskih delcev, toda vezavna energija jedra lahko njihovo maso zmanjša. Nevtroni in protoni, ki jim skupaj pravimo nukleoni, imajo podobne mere, približno (čeprav "površine" teh delcev ni mogoče natančno definirati). Nevtron je odkril angleški fizik James Chadwick leta 1932. V standardnem modelu fizike so elektroni pravi osnovni delci brez notranje zgradbe, protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz osnovnih delcev kvarkov. V atomih sta dva tipa kvarkov, ki imata vsak del električnega naboja. Protoni so sestavljeni iz dveh kvarkov Gor (vsak z nabojem +) in enega kvarka Dol (z nabojem -). Nevtroni so sestavljeni iz enega kvarka Gor in dveh kvarkov Dol. To pojasni razliko v masi in naboju obeh delcev. Kvarke drži skupaj močna jedrska sila oz. močna interakcija, ki jo posredujejo gluoni. Protone in nevtrone pa drži skupaj ostanek močne jedrske sile, ki ima največji vpliv na kratki razdalji znotraj jedra. Gluon spada v družino umeritvenih bozonov, ki so nosilci osnovnih sil. Jedro Vsi vezani protoni in nevtroni v atomu tvorijo drobno jedro, imenujemo jih s skupnim imenom nukleoni. Premer jedra znaša približno femtometra, kjer je skupno število nukleonov. To je precej manj od premera atoma, ki je v velikostnem razredu 105 fm. Nukleone veže skupaj potencial s kratkim dosegom, ki mu pravimo ostanek močne jedrske sile. Na razdaljah, manjših od 2,5 fm, je ta sila mnogo močnejša od elektrostatske sile, zaradi katere se pozitivno nabiti protoni odbijajo med seboj. Atomi istega elementa imajo enako število protonov, ki mu pravimo atomsko število. Znotraj elementa se lahko spreminja število nevtronov, kar razlikuje izotope tega elementa. Vsota števila protonov in nevtronov določa nuklid. Razmerje med številoma nevtronov in protonov določa stabilnost jedra; nekateri izotopi so zaradi nestabilnosti podvrženi radioaktivnemu razpadu. Proton, elektron in nevtron spadajo v skupino fermionov. Fermioni ubogajo Paulijevo izključitveno načelo, ki preprečuje nerazločljivim fermionom hkrati zasedati enako kvantno stanje. To pomeni, da mora imeti vsak proton v jedru drugačno kvantno stanje od ostalih protonov, to velja tudi za nevtrone v jedru in elektrone v elektronskem oblaku. Jedro z neenakomernim številom protonov in nevtronov lahko z radioaktivnim razpadom preide v nižje energetsko stanje, v katerem se števili protonov in nevtronov bolj ujemata. Posledično so atomi z enakim številom obeh delcev odpornejši proti razpadu, pri čemer pa s povečevanjem atomskega števila medsebojni odboj protonov narašča delež nevtronov, ki omogočajo ohranitev stabilnosti jedra. Število protonov in nevtronov v jedru je možno spremeniti, kar pa zaradi močne jedrske sile zahteva zelo veliko energije. Do jedrske fuzije pride, ko se več atomskih delcev združi v težje jedro, to se zgodi denimo pri visokoenergetskem trku jeder. V jedru Sonca se denimo protona združita pri vnosu energije 3 to 10 keV, kar je dovolj, da presežeta medsebojni odboj in se zlijeta v eno jedro. Obraten proces je jedrska cepitev, ob kateri se jedro razdeli v dve lažji, običajno z radioaktivnim razpadom. Jedro je možno spremeniti tudi z obstreljevanjem z visokoenergetskimi podatomskimi delci ali fotoni, ki izbijajo nukleone. Če se med obstreljevanjem spremeni število protonov, nastane drug kemični element. Če je masa jedra po fuziji manjša od vsote mas ločenih delcev, se lahko razlika odda v obliki uporabne energije, na primer žarka gama ali kinetične energije delca beta. Ta pojav opisuje Einsteinova enačba ekvivalence masa-energija (), kjer je izguba mase in hitrost svetlobe. Ta primanjkljaj je del vezavne energije novega jedra. Fuzija jeder, s katero nastanejo večja jedra z nižjim atomskim številom od železa in niklja—okrog 60 nukleonov—je običajno eksotermna, torej odda več energije kot je je potrebne za zlivanje. Zaradi tega je fuzija v zvezdah verižna reakcija. V težjih jedrih se vezavna energija na nukleon v jedru zmanjšuje, kar pomeni, da je fuzija, pri kateri nastanejo jedra z atomskim številom približno 26 ali več in atomsko maso približno 60 ali več, endotermna. Taka jedra ne morejo nastajati v reakcijah, s kakršnimi se vzdržuje hidrostatično ravnovesje zvezde. Elektronski oblak Elektrone v atomu privlačijo protoni z elektromagnetno silo. Ta veže elektrone znotraj elektrostatične potencialne jame, ki obkroža drobno jedro. Elektron lahko ubeži le s pritokom energije od zunaj. Bližje jedra kot je elektron, večja je privlačna sila in s tem tudi energija, potrebna za ubeg. Tako kot drugi delci imajo elektroni hkrati lastnosti delca in valovanja. Elektronski oblak je območje znotraj potencialne jame, kjer vsak elektron tvori nekakšen tridimenzionalen stoječ val—valovno obliko, ki se ne premika v odnosu do jedra. Ta pojav opisuje atomska orbitala, matematična funkcija, ki določa verjetnost, da se bo elektron navidez nahajal na določeni lokaciji, ko ga izmerimo. Obstaja le določna diskretna (kvantizirana) množica teh orbital okrog jedra, vse ostale možne valovne oblike se hitro spremenijo v stabilnejšo obliko. Orbitale imajo lahko enega ali več prstanov ali vozlov, med seboj se razlikujejo po velikosti, obliki in orientaciji. Vsaka orbitala ustreza energetskemu nivoju elektrona. Elektron lahko preide na višji nivo tako, da absorbira foton z dovoljšnjo energijo. S spontano emisijo lahko v nasprotni smeri preide tudi na nižji nivo, pri tem pa odda razliko v energiji kot foton. Razlike v energiji, ki odgovarjajo razlikam v energiji kvantnih stanj, so značilne za določen atom; opazujemo jih lahko kot spektralne črte. Ionizacijska energija je energija, ki je potrebna za dodajanje ali odvzem elektrona, mnogo manjša je od vezavne energije nukleonov. Za izbitje elektrona v stacionarnem stanju vodikovega atome je potrebno le 13,6 eV energije, mnogo manj kot 2.23 milijona eV za razcep jedra devterij. Atomi so električno nevtralni, če imajo enako število protonov in elektronov, sicer so pozitivno ali negativno nabiti ioni. Elektroni, ki so najdlje od jedra, lahko prehajajo med sosednjimi atomi ali si jih sosednji atomi delijo. Na ta način se tvorijo kemične vezi in nastajajo molekule ali podobne spojine, kot so ionske ali kovalentne kristalne mreže. Lastnosti Lastnosti jedra Atome najprej razvrščamo po lastnostih jedra, glavna je število protonov ali vrstno število – po definiciji pripadata katerakoli dva atoma z enakim številom protonov istemu kemičnemu elementu. Atomi z enakim številom protonov in različnim številom nevtronov pa so izotopi istega elementa. Za primer, vsi vodikovi atomi imajo natanko en proton, obstajajo pa izotopi brez nevtronov (vodik-1 ali protij, ki je daleč najpogostejši), enim nevtronom (devterij), dvema nevtronoma (tritij) ali več. Vsi znani elementi tvorijo množico z naraščajočimi vrstnimi števili od enoprotonskega vodika do oganesona s 118 protoni. Vsi znani izotopi elementov z vrstnimi števili nad 82 so radioaktivni, čeprav je radioaktivnost bizmuta (83) praktično zanemarljiva. V naravi se na Zemlji pojavlja približno 339 različnih nuklidov, od katerih 252 (približno 74 %) ni podvrženih spontanemu razpadu, zato jih imenujemo stabilni izotopi. Teoretično je takih le 90, razpada nadaljnjih 162 pa le nikoli nismo zaznali, čeprav je energetsko to možno. Vsi so formalno opredeljeni kot »stabilni«. Še nadaljnjih 34 radioaktivnih nuklidov ima razpolovni čas daljši od 100 milijonov let in so dovolj stabilni, da so prisotni že vse od nastanka Osončja. Skupaj z 252 stabilnimi izotopi jih imenujemo prvobitni nuklidi. Preostalih 53 neobstojnih nuklidov se pojavlja v naravi kot produkt razpada primordialnih nuklidov (na primer radij iz urana) ali kot produkt visokoenergetskih pojavov, kot je obstreljevanje s kozmičnimi žarki (tako nastane denimo ogljik-14). 80 elementov ima vsaj po en stabilen izotop. Praviloma imajo elementi le peščico stabilnih izotopov, povprečje je 3,2. 26 elementov ima en sam stabilen izotop, največ – 10 – pa jih ima kositer. Elementi tehnecij (43), prometij (61) in vsi nad 83 nimajo stabilnih izotopov. Stabilnost izotopov je odvisna od medsebojnega deleža protonov in nevtronov, pa tudi obstoja določenih »magičnih števil« nevtronov ali protonov, ki predstavljajo zaprte ali izpolnjene kvantne ovojnice. Te ovojnice ustrezajo energetskim nivojem v modelu jedrnih ovojnic; napolnjene ovojnice, kot je polna ovojnica 50 protonov kositra, daje nenavadno stabilnost nuklidu. Od 252 znanih stabilnih nuklidov imajo le štirje liho število protonov in hkrati liho štedvilo nevtronov: vodik-2 (devterij), litij-6, bor-10 in dušik-14. Dodatni štirje lihi-lihi radioaktivni nuklidi, ki se pojavljajo v naravi, imajo razpolovni čas več kot milijardo let: to so kalij-40, vanadij-50, lantan-138 in tantal-180m. Večina lihih-lihih jeder je zelo nestabilnih in podvrženih razpadu beta, kar pripisujemo dejstvu, da so produkti razpada sodi-sodi in zato močneje povezani . Masa Veliko večino mase atoma prispevajo protoni in nevtroni jedra. Skupno število teh delcev (nukleonov) v atomu je masno število. Masno število je pozitivno celo število brez enote. Z njim opisujemo nukleone, na primer »ogljik-12« za izotop ogljika, ki ima šest protonov in šest nevtronov. Dejansko mirovno maso atoma pogosto izražamo z enotami atomske mase (dalton, Da). Ta enota je definirana kot dvanajstina mase prostega nevtralnega atoma ogljik-12, ki znaša približno . Najlažji nuklid, vodik-1, ima atomsko maso . Atom ima atomsko maso približno enako (razlika manj kot 1 %) mastnemu številu krat atomsko masno število. Za primer, masa dušika-14 je približno 14 Da, le ogljik-12 ima po definiciji maso točno 12 Da. Najtežji stabilni atom je svinec-208 z maso . Celo najtežji atomi so mnogo prelahki, da bi jih bilo praktično opisovati neposredno, zato v kemiji namesto tega uporabljajo mole. Mol atomov elementa ima določeno število atomov (približno ). Definicija mola povezuje enoto atomske mase (u) in kilogram: en mol elementa z atomsko maso 1 u ima maso približno 1 gram (0,001 kg). Po definiciji enote atomske mase ima atom ogljika-12 atomsko maso natanko 12 Da, torej mol atomov ogljika-12 tehta natanko 0,012 kg. Zgodovina Prvi so o zgradbi snovi razmišljali že stari Grki. Raznovrstne snovi, ki jih srečujemo v vsakdanjem življenju, so sestavljene iz posamičnih atomov, ki jih je vsega nekaj deset različnih vrst. Obstoj takšnih delcev so prvi predlagali v 6. stoletju pr. n. št. grški filozofi (Demokrit, Levkip in Epikur), vendar je predlog utonil v pozabo, dokler ga ni v 18. stoletju oživil Bošković, zares pa je zaživel, ko je John Dalton predlagal njegovo uporabo v kemiji. Bošković je svojo teorijo zasnoval na Newtonovi mehaniki in jo leta 1758 objavil pod naslovom Theoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium. V njegovi teoriji so atomi točke brez notranje zgradbe, ki med seboj delujejo z odbojnimi in privlačnimi silami, odvisno od razdalje. Dalton je s teorijo o atomih pojasnil, zakaj se plini vedno spajajo v celoštevilčnih deležih. Šele Amedeo Avogadro pa je v 19. stoletju začel pravilno razlikovati med atomi in molekulami. Prvi model atoma je postavil Joseph John Thomson, ki je odkril, da atomi niso nedeljivi, marveč so sestavljeni iz manjših delcev (elektronov). Dandanes lahko atome tudi eksperimentalno opazujemo. Elektroni se ne gibljejo po tirnicah,ampak si jih predstavljamo kot elektronski oblak,ki zapolnjuje prostor okoli jedra. Sklici Bibliografija Zunanje povezave Osnovni fizikalni koncepti Kemija


source: wikipedia

text: Fotón je v fiziki osnovni delec, energijski kvant kvantiziranega elektromagnetnega polja. Navadno se ga označuje s simbolom γ (grška črka gama); v fiziki visokih energij je navadno ta oznaka za fotone visokih energij (žarke gama), ki nastajajo npr. pri jedrskih razpadih, v jedrih atomov. Fotone, ki nastanejo v elektronskem oblaku ali v okolici jedra atoma (rentgenski žarki), pa se označuje s črko X. Čeprav fotone pogosto povezujejo s svetlobo, velja ta povezava le za ozek pas vidnega dela spektra elektromagnetnega valovanja. Celo v tem delu pa se svetlobo pogosto sreča v kvantnih stanjih, ki niso čista, ampak superpozicije različnih kvantnih stanj. Superpozicije so lahko koherentne – pri tem gre za t. i. koherentno stanje, kot je denimo idealizirana laserska svetloba, ki jo seva idealni laser – ali pa kaotične – termično stanje, ki opisuje svetlobo v toplotnem ravnovesju – sevanje črnega telesa. Za sevanje fotonov v čistih stanjih so potrebni posebni aparati, imenovani mikromaserji. Ustrezna kvantna stanja se opiše s Fokovim stanjem in označi z |n>, kar pomeni n fotonov v danem stanju elektromagnetnega polja. Če je polje multimodalno, se lahko njegovo kvantno stanje opiše kot tenzorski produkt posameznih fotonskih stanj, npr. pri čemer so ki posamezni momenti stanja, nki pa število fotonov v tem stanju. Osnovne značilnosti Fotoni lahko nastanejo na različne načine, vključno s sevanjem elektronov, ko ti prehajajo med različnimi energijskimi stanji ali orbitalami. Nastanejo lahko tudi pri jedrskih procesih, izničenju delcev in antidelcev ter kakršnemkoli nihanju elektromagnetnega polja. Fotoni se razlikujejo od mnogih drugih osnovnih delcev, kot so elektroni ali kvarki, v tem da je njihova mirovna masa enaka nič. Zato se v vakuumu gibljejo s svetlobno hitrostjo c, ki je po definiciji enaka 299.792.458 m/s, oziroma približno 3 · 108 m/s. Kot vsi kvanti imajo tudi fotoni značilnosti valovanja in delcev (delčnovalovna dualnost). Fotoni se kažejo kot valovanje pri lomu ali interferenci. Kot delci lahko s snovjo reagirajo le s prenosom energije. Disperzijska zveza je linearna, sorazmernostna konstanta pa je Planckova konstanta h, kar da enostavni zvezi: kjer je W energija fotona, ν frekvenca stanja ali fotonska frekvenca, λ valovna dolžina, T pa perioda, ter velikost gibalne količine fotona G: Planckova konstanta je tako lahko energija fotona s periodo 1 s. Tako velja tudi (vektorsko): Smer gibalne količine fotona je enaka smeri njegovega gibanja, oziroma hitrosti (φ = 0°), tako da je: To se razlikuje od energije pri klasičnem valovanju, ki lahko pridobi ali izgubi poljubno količino energije. V vidni svetlobi je energija enega fotona približno 4 · 10−19 J. Ta energija je dovolj velika, da vzbudi eno molekulo v fotoreceptorski celici v očesu, in tako prispeva k vidu. Zakoni kvantne mehanike zahtevajo da so energije, gibalne količine in polarizacije fotonov le verjetne vrednosti. Tako je nemogoče napovesti katero molekulo bo foton vzbudil. Fotoni so stabilni. Njihov spin je enak 1, zato se jih uvršča med bozone. Spinu 1 načeloma ustrezajo tri projekcije: +1, 0 in -1, pri fotonih, ki se vedno gibljejo s hitrostjo svetlobe, pa srednja projekcija ni mogoča, ker zahteva opazovalni sistem, v katerem foton miruje. Ta po teoriji relativnosti ni mogoč. Fotoni imajo invariantno maso, enako nič, vendar pa imajo končno in od nič različno energijo pri hitrosti svetlobe. Kljub ničelni invariatni masi pa splošna teorija relativnosti napoveduje, da na fotone deluje gravitacija, kar je bilo tudi eksperimentalno potrjeno. Povedano velja za prazen prostor. V snovi se fotoni sklopijo z vzbujenimi stanji sredstva in se obnašajo drugače. Ko se, denimo, sklopijo s fononi ali ekscitoni, nastanejo polaroni. Njihova disperzijska zveza ni več linearna, kar pomeni, da se jim lahko pripiše določeno efektivno maso. Zategadelj je njihova hitrost v snovi počasnejša od svetlobne hitrosti. Fiziološko zaznavanje svetlobe Eno od pogostih vprašanj v fiziki je ali lahko človeško oko fiziološko zazna posamezen foton. Filtri živcev dovoljujejo, da pride signal do možganov le, če v času 100 ms dospe do mrežnice pet do devet fotonov. Drugače ima tak signal preveč svetlobnega »šuma«. Sklici Viri Zunanje povezave Jedro in osnovni delci Fizika osnovnih delcev Umeritveni bozoni Optika


text: Planckova konstánta [plánkova ~], imenovana po nemškem fiziku Maxu Plancku, je osnovna fizikalna konstanta, ki se pojavlja v enačbah kvantne mehanike za opisovanje velikosti kvantov. Navadno se jo označuje s črko h. Njena vrednost je: Pogosto se naleti tudi na okrajšavo: kjer je π Ludolfovo število, pa se prebere »ha-prečna« ali »ha-črtica«, ki se imenuje tudi reducirana Planckova konstanta. Slednjo ponekod, a redko, imenujejo tudi Diracova konstanta. je kvant vrtilne količine, vštevši spin. Vrtilna količina kateregakoli sistema, merjena glede na posebej izbrano os, je vedno celoštevilski mnogokratnik te vrednosti. Planckova konstanta se uporablja za opis kvantizacije, pojava, ki je značilen za podatomske delce kot sta elektron in foton, in kjer se določene fizikalne značilnosti pojavljajo v določenih količinah in ne v nepretrganem obsegu možnih vrednosti. Pomen velikosti Planckove konstante Izražena v enotah SI Js, je Planckova konstanta ena najmanjših fizikalnih konstant. Njena majhna vrednost kaže na izjemno majhna merila, v katerih se opazujejo kvantni pojavi. Zaradi tega v vsakdanjem življenju nismo vajeni kvantne fizike na način kot smo ga vajeni v klasični fiziki. Kvantna mehanika res preide v klasično, ko Planckova konstanta zavzame vrednost 0. V naravnih enotah je vrednost Diracove konstante enaka 1, Planckove pa 2π, kar je priročno za opis fizike na atomskem merilu, kjer prevladuje kvantnomehanski pojavi. Oktobra 2005 je nacionalni fizikalni laboratorij Združenega kraljestva (NPL) objavil prve rezultate meritev Planckove konstante z izboljšano merilno napravo. Izmerjena vrednost je: in se statistično kar precej razlikuje od trenutne vrednosti, ki jo priporoča CODATA. Začetki Planckove konstante Planckovo konstanto je Planck uvedel v zvezi s problemom sevanja idealnega črnega telesa. Osnovna predpostavka v Planckovem zakonu sevanja črnega telesa je bila, da si lahko elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja črno telo, predstavljamo kot množico harmoničnih oscilatorjev, ki imajo kvantizirano energijo v obliki: je kvantizirana energija fotonov sevanja s frekvenco ali s krožno frekvenco . Ta model se je pokazal za izjemno natančnega, vendar je za teoretično izpeljavo predstavljal razumsko oviro, saj ni bilo jasno od kod izhaja kvantizacija energije. Planck je obstoj konstante le privzel. Njegova razmišljanja so pomagala pri razvoju kvantne mehanike. Poleg predpostavk o razlagi določenih vrednosti v kvantnomehanski opredelitvi je eden od osnovnih temeljev celotne teorije komutatorska odvisnost med operatorjem lege in operatorjem gibalne količine : kjer je Kroneckerjeva delta. Planck je v začetku upal, da bo končna izpeljava Planckovega zakona za sevanje črnega telesa dala zakon pri vrednosti konstante . Tako bi lahko oscilator kot nekakšna antena z elektromagnetnim valovanjem izmenjeval energijo zvezno in poljubno. Merjenja so ga prisilila, da je pustil konstanti neko vrednost. Tako je končno uvidel, da sevanje izmenjuje energijo s steno črnega telesa le v obrokih, in imenoval jih je energijske kvante. Določil je Planckovo konstanto in Boltzmannovo konstanto: Z Boltzmannovo konstanto in z znano splošno plinsko konstanto je določil tudi Avogadrovo število, število molekul v kilomolu, ki ga tedaj še niso tako natančno poznali. Planck je predlagal, da oscilatorji lahko oddajajo energijo nezvezno, sprejemajo pa jo zvezno, saj si ni mogel predstavljati, da oscilator v neki točki skokovito absorbira kvant, ker se je po klasični predstavi elektromagnetno valovanje prej razširilo na vse strani. Planckovo konstanto je prvi izmeril Millikan leta 1913 z merjenjem zaporne napetosti . Problem neskončne energije sevanja Vsaka velika zgodba se začne z velikim problemom. Velike probleme z elektromagnetno teorijo so imeli fiziki konec 19. stoletja in v začetku 20. stoletja. Teorija sloni na predpostavki, oziroma danes že dejstvu, da se prenos energije dogaja preko elektromagnetnega valovanja. Jedro problema, je dvojna narava elektromagnetnega sevanja (EM). Sevanje se obnaša, kot bi bilo valovanje, drugič pa, kot bi bilo sestavljeno iz osnovnih delcev. Fiziki so eksperimentalno ugotovili, da je prenašalec EM energije foton. Fotone kot svetlobne kvante je leta 1905 uvedel Einstein v svojem članku O nekem hevrističnem stališču, ki zadeva nastanek in spremembo svetlobe, kjer je pojasnil fotoelektrični pojav. Po teoriji mora imeti foton maso nič. Sliši se nenavadno, toda tako kaže. Tukaj pa naletimo na jedro navzkrižja. Predpostavka, da ima foton maso nič, nas privede do zaključka, da mora biti za vsako energijo valovanja (če jo merimo s temperaturo, potem nam temperatura izraža količino energije) neskončno število fotonov oziroma valov. To pa je očitni nesmisel. Neskončno število valov nam da neskončno energijo, ne pa točno določeno količino energije. Rešitev problema Prvi človek, ki je podal teorijo, ki kaže na rešitev, je bil Planck. Zamislil si je, da bi bila lahko energija v paketih, s točno določeno vsebino (količino energije). V paketku (kvantu) imamo lahko količino energije, recimo 2, nikakor pa ne 2,2 ali pa recimo 1,96. Energija lahko nastopa le diskretno na intervalu vseh možnih energijskih stanj. Če imamo lahko količino energije od 0 pa do neskončnosti, potem ima lahko sevanje le omejeno število različnih možnih energijskih količin. Najbolje si je predstavljati številsko premico, na kateri so nanizana realna števila, v poštev pa pridejo le naravna števila. Analogija, ki pomaga razumeti naravo elektromagnetnega valovanja Predstavljajte si eno velikansko halo, v katero je natlačenih neskončno število ljudi. Halo je potrebno ogrevati. Ljudje se dogovorijo z lastnikom hale, da bodo plačevali ogrevanje. En človek lahko plača le v kovancih ali bankovcih točno določene nominalne celoštevilčne vrednosti. Drugače povedano, vsak ima denar v različnih denarnih enotah. Enote so 1 euro, 2 eura, 10 eurov, ... Ljudje se z lastnikom hale dogovorijo, da če želijo imeti v hali npr. 30 °C, morajo plačati vsak po 30 eurov (EUR v nadaljevanju) lastniku. Lastnik hale je pameten človek, ki se mu ne ljubi vračati drobiža neskončnemu številu strank, in zahteva, da tisti, ki imajo drobiž manjši od 30 EUR plačajo 30 EUR v količini drobiža, ki pač ustreza 30-tim EUR, ostali, ki imajo večje bankovce, pa plačajo s svojim bankovcem, pri tem pa jim ne vrača drobiža. Bankovci pa se ne končajo pri 500 EUR, ampak so domnevno lahko še večji (analogno s frekvenco valovanja EM). Takšno oderuštvo ni pošteno, zato si domislimo sistem, po katerem plačamo le tisti, ki imamo celo vrednost denarja , ki je manjša od zahtevanega zneska 30 EUR. Te vrednosti so 1, 2,10 in 20 EUR. Ostalih neskončno mnogo ljudi pa ne plača nič. Po tem izračunu plačajo le štirje ljudje 30 EUR in skupni znesek, ki ga odnese lastnik je 120 EUR. Zdaj pa si enako zgodbo predstavljajmo z valovi. Vsak val nosi svojo količino energije in ima svojo frekvenco (kot v prejšnjem primeru, vsak človek poseduje denar v samo eni nominalni vrednosti). Če v neki pečici na valovanje EM, recimo v štedilnik, nastavimo termostat na 250 °C, potem moramo vložiti neko količino energije, da dosežemo to temperaturo. Vendar ta količina ni neskončna, kot so se čudili fiziki svojim enačbam za EM pred Planckom, ampak je končna. Očitno, saj bi v nasprotnem primeru, prvič, ko bi vklopili pečico skurili celo Vesolje. Vsakodnevna dejstva kažejo, da je energija končna, računi na prelomu 20. stoletja pa so kazali, da bi morala biti neskončna. Absurdno navzkrižje. Prava razlaga je naslednja in je analogna primeru hale z neskončnim številom ljudi. V energijo, ki nam daje 250 °C vlagajo le valovi, ki imajo svoje frekvence manjše od zahtevane frekvence valovanja za dosego temperature 250 °C. Recimo, da je ta frekvenca 1012 Hz. Potem bodo energijo prispevali le valovi,ki imajo frekvence manjše od 1012 Hz. Niso pa to vse vrednosti na intervalu od 0 do 1012 Hz, ampak le točno določene, kot imamo točno določene kovance in ne moremo imeti 1,5 EUR v kovancu. Ostalih neskončno valov, pa energije ne prispeva, ker imajo frekvenco višjo od zahtevane. Planck je ugotovil, da je velikost kvanta odvisna od frekvence valovanja. Višja kot je frekvenca, višja je količina energije, ki jo nosijo valovi. Se pravi z višanjem frenkvence se povečuje tudi število valov, ki prispevajo k skupni energiji. Ugotovil je tudi, da je razmerje med energetsko vrednostjo kvanta in njegove frekvence, enako konstanti. Če se viša frekvenca, se viša energija paketka in razmerje ostaja enako Planckovi konstanti h. Vendar na prvi pogled bi pomislili, da frekvenca narašča zvezno (vajeni smo, da nam frekvence v običajnem življenju lahko nastopajo v vseh vrednostih, recimo 106,25 MHz za neko radijsko postajo), toda temu ni tako, ravno zaradi diskretne narave energije. Kakor kvanti, zavzema tudi frekvenca točno določene vrednosti. Dejstvo nas osupne, saj lahko vidimo vidno svetlobo v vseh mogočih odtenkih, in se nam zdi, da ni preskokov med odtenki. To je prevara. Na kvantnem nivoju obstajajo skoki. Vmes pa je »tema«. Uporaba Planckova konstanta se uporablja za opis kvantizacije. Energija W, ki jo nosi svetlobni žarek s konstantno frekvenco , ima lahko le vrednosti: Včasih se uporablja krožna frekvenca , kjer je: Obstaja več takšnih »kvantizacijskih stanj«. Še posebej zanimivo stanje vpliva na kavntizacijo vrtilne količine. Naj je J skupna vrtilna količina sistema z vrtilno invariantnostjo in Jz vrtilna količina, merjena vzdolž dane smeri. Količini lahko zavzameta le vrednosti: Tako se lahko reče, da je »kvant vrtilne količine«. Planckova konstanta se pojavlja tudi v Heisenbergovem načelu nedoločenosti. Za dano veliko število delcev v istem stanju je nedoločenost (negotovost) njihove lege in nedoločenost njihove gibalne količine (v ismi smeri) enaka: kjer je nedoločenost dana kot standardni odklon merjene količine od njene pričakovane vrednosti. Obstaja več parov fizikalno merljivih opazljivk, za katere velja podobna zveza. Diracova konstanta Diracova konstanta ali »reducirana Planckova konstanta« se od Planckove konstante razlikuje le za faktor . Planckova konstanta ima v sistemu SI enoto joule na hertz, oziroma joule na cikel na sekundo. Diracova konstanta je ista vrednost v enotah joule na radian na sekundo. Diracova konstanta je dejansko pretvorni faktor med fazo (v radianih) in akcijo (v Js) kot jo podaja Schrödingerjeva enačba. Planckova konstanta je podobno pretvorni faktor med fazo (v ciklih) in akcijo. Vse druge uporabe Planckove in Diracove konstante izhajajo iz tega. Sklici Viri Fizikalne konstante Max Planck


text: Gluoni so osnovni delci, kvanti, ki posredujejo močno jedrsko silo. Gluoni povezujejo kvarke v nukleone, kot sta proton ali nevtron, ter druge hadrone. Gluoni so električno nenabiti in imajo spin enak 1. Njihova masa je najverjetneje enaka nič. Atomsko jedro je stabilno zaradi gluonskih interakcij. V kvantni kromodinamiki, dandanes sprejeti teoriji za opis močne jedrske sile, se gluoni izmenjujejo ob interakciji delcev z različnim barvnim nabojem. Ko dva kvarka izmenjata gluon, se njuni barvi zamenjata - gluon vsebujo obenem anti-barvo starega barvnega naboja kvarka in barvo novega barvnega naboja. Ker so gluoni barvno nabiti, interagirajo tudi med seboj, kar privede do tega, da je analiza močne jedrske sile matematično precej zapletena in težka. Gluoni so bili prvič eksperimentalno zaznani v zgodnjih 80. letih 20. stoletja v pozitronsko-elektronskem trkalniku PETRA v raziskovalnem centru DESY blizu Hamburga, kjer so ob trkih elektronov in pozitronov ponekod opazili tri curke - tretji curek so pripisali temu, da je eden od nastalih kvarkov izseval gluon. Glej tudi fizika osnovnih delcev Jedro in osnovni delci Fizika osnovnih delcev Umeritveni bozoni


text: Bozóni W so osnovni delci, kvanti šibke jedrske sile. Njihov električni naboj je ±1e0, masa pa 80,4110 GeV/c2, kar je približno 80-krat več od mase protona, in enak šibki izospin. Obstajajo tri različne vrste bozonov W: pozitivno nabiti W+, negativno nabiti W- (antidelec prvega) ter električno nevtralni bozon Z. Bozone W so odkrili leta 1983 v raziskovalnem središču CERN v skupini, ki sta jo vodila Carlo Rubbia in Simon van der Meer. Slednjima je bila za to odkritje leto kasneje podeljena tudi Nobelova nagrada. Najenostavnejši zgled, pri katerem sodelujejo bozoni W, je razpad beta: Pri tem nevtron razpade na proton, elektron in elektronski antinevtrino. Vemo pa, da sta proton in nevtron nadalje sestavljena iz kvarkov, torej gre pri razpadu nevtrona pravzaprav za to, da se eden od kvarkov d, ki sestavlja nevtron pretvori v kvark u, pri čemer nastane bozon W: Bozon W zatem nadalje razpade na elektron in elektronski antinevtrino. Dejstvo, da imajo bozoni W in Z maso, je nekoliko zagonetno. Bozone W in Z namreč pravilno opisuje umeritvena teorija SU(2), vendar pa ta zahteva, da morajo biti bozoni brez mase. Tudi foton je brez mase, kar se ujema s tem, da foton in teorijo elektromagnetnega polja opisuje umeritvena teorija U(1). Zato je bilo potrebno vpeljati nekakšen mehanizem, ki spontano zlomi simetrijo SU(2), s čimer dosežemo, da imajo bozoni W in Z maso. Najbolj priljubljen mehanizem je Higgsov mehanizem, ki zahteva vpeljavo dodatnega delca, imenovanega Higgsov bozon. Obstoja slednjega do zdaj še niso uspeli eksperimentalno dokazati. Združitev umeritvene teorije SU(2), ki opisuje šibko interakcijo in bozone W in Z, elektromagnetne interakcije ter Higgsovega mehanizma je znana kot Glashow-Weinberg-Salamov model. Glashow, Weinberg in Salam so zanjo leta 1979 prejeli Nobelovo nagrado za fiziko. Dandanes je model splošno sprejet in je vgrajen v standardni model fizike delcev. Jedro in osnovni delci Umeritveni bozoni 1983 v znanosti


text: Higgsov bozon [híksov- bozón] je domnevni osnovni delec, ki ga napoveduje standardni model fizike delcev. Njegova vloga je precej osnovna: Higgsovi bozoni so nosilci Higgsovega polja, za katero se predvideva, da prežema vse Vesolje in daje vsem drugim delcem maso. Ker je Higgsovo polje skalarno, mora imeti Higgsov bozon (notranji) spin enak nič. Higgsov bozon nima električnega in barvnega naboja. Je tudi zelo nestabilen in po nastanku skoraj takoj v času 1 zeptosekunde razpade v druge delce. Če se bo izkazalo, da Higgsovi bozoni ne obstajajo, bo treba upoštevati brezhiggsovske modele. V nekaterih različicah standardnega modela lahko obstajajo različni Higgsovi bozoni. Domnevo o obstoju takega bozona je leta 1964 postavil škotski fizik Peter Ware Higgs. Do leta 2002 so v pospeševalnikih po svetu prečesali energije do 115 GeV. Čeprav so zaznali nekaj posamičnih dogodkov, ki bi jih lahko pripisali Higgsovemu bozonu, odkritja niso mogli dokončno potrditi. Predvidevajo, da bo njegov obstoj dokočno potrdil Veliki hadronski trkalnik (LHC) v raziskovalnem središču CERN. Do konca leta 2011 je vrsta eksperimentov v trkalniku pokazala, da bi Higgsov bozon lahko imel maso približno 125 GeV/c2. 4. julija 2012 sta znanstveni skupini detektorjev CMS in ATLAS neodvisno sporočili, da sta potrdili formalno odkritje prej neznanega bozona z maso med 125–127 GeV/c2, katerega vedenje se s standardno deviacijo 5 sigma »ujema« s Higgsovom bozonom. Kljub temu pa so znanstveniki previdni pri izjavah, ali gre res za Higgsov bozon. Na podlagi nadaljnjih raziskav bodo lažje definirali odkritje. V medijih Higgsov bozon pogosto imenujejo »božji delec«, kar naj bi ponazarjalo njegovo osnovno vlogo v našem razumevanju vesolja. Opombe Sklici Tiskovna konferenca CERN, 4. 7. 2012 Viri Bozoni Standardni model Peter Ware Higgs Domnevni delci Masa 2012 v znanosti


text: Fókovo stánje je poljubno stanje Fokovega prostora z dobro določenim številom delcev v vsakem stanju. Imenuje se po ruskem fiziku Vladimirju Aleksandroviču Foku. To stanje polja je zelo preprosto določiti, vendar precej težje razumeti. Zaradi preprostosti se omejimo na posamezno stanje (in s tem formalno opišemo v bistvu le harmonični oscilator). Fokovo stanje ima v tem primeru obliko |n> s celoštevilskim n. To pomeni, da obstaja n zbujenih kvantov. |0> odgovarja ničelnemu stanju (brez vzbujenih stanj) z razliko od 0, ki je ničelni vektor. Fokova stanja tvorijo najprimernejšo bazo Fokovega prostora. Določena so z naslednjimi zvezami v izrazih bozonske algebre: kjer je a (se nanaša na a†) anihilacijski (se nanaša na nastanek) Bosejevski operator. Podobne zveze veljajo tudi za fermionsko algebro. To nam omogoča, da preverimo veljavnost <a†a>=n in Var(a†a)=0, oziroma, da nam meritev števila delcev a†a v Fokovem stanju vedno da končno vrednost brez fluktuacije. Fokovo stanje ni pomembno samo kot teoretično, temveč tudi kot eksperimentalno orodje. Kvantna mehanika Vladimir Aleksandrovič Fok


text: Julian Seymour Schwinger, ameriški fizik in matematik, * 12. februar 1918, New York, New York, ZDA, † 16. julij 1994, Los Angeles, Kalifornija, ZDA. Schwinger je skupaj z drugimi fiziki oblikoval teorijo renormalizacije in napovedal pojav elektronsko-pozitronskih parov, poznan kot Schwingerjev pojav. Leta 1965 je prejel Nobelovo nagrado za svoje delo na področju kvantne elektrodinamike (QED). Življenje in delo Schwinger je že zelo zgodaj pokazal zanimanje za fiziko, objavil svoj prvi fizikalni članek pri šestnajstih in je študiral na Kolidžu mesta New York. Tukaj so mu omogočili, da je lahko razvil svoje sposobnosti. Doktoriral je leta 1939 na Univerzi Columbia, kjer je bil njegov mentor Rabi, z disertacijo O magnetnem sipanju nevtronov (On the Magnetic Scattering of Neutrons) pa je napisal že dve leti prej. Takrat še ni dobil doktorata, ker ni hodil na matematična predavanja, čeprav je po Uhlenbeckovih besedah, ki je takrat doktorandom predaval matematiko, znal vso snov tekoče. Schwinger je zatem od 1939 do 1941 delal na Univerzi Kalifornije v Berkeleyju, na koncu kot Oppenheimerjev asistent, pozneje pa je zasedel mesto na Univerzi Purdue. Med 2. svetovno vojno je od leta 1943 delal v sevalnem laboratoriju Tehnološkega inštituta Massachusettsa (MIT), kjer je teoretično pomagal razvijati radar. V tem času je začel uporabljati svoje znanje o sevanju v kvantni fiziki. Nekaj časa je delal z Wignerjem na Univerzi v Chicagu, seveda tudi zaradi tedanjih vojaških potreb. To delo v zvezi z ameriško jedrsko bombo mu ni bilo povšeči, zato se je vrnil nazaj k Uhlenbeckovi skupini v Boston. Po vojni je zapustil Univerzo Purdue in odšel na Univerzo Harvard, kjer je poučeval med letoma 1945 do 1974. Poročil se je leta 1947. V tem času je razvil pojem renormalizacije, ki je pojasnil Lambov pomik v magnetnem polju elektrona. V svojem raziskovanju fizike osnovnih delcev je ugotovil, da bodo nevtrini obstajali v več oblikah, skupaj z leptoni, kot sta elektron in mion. Pozneje je bil nezadovoljen z zapletenostjo drugih razlag preskusov v fiziki delcev in je razvil teorijo izvira (?), ki je opisovala gravitone, fotone in druge delce poenoteno. Naprej je razvijal renormalizacijske postopke ter pojme umeritvenih in relativističnih invariant - delo, ki ga je začel Fok. Leta 1974 je odšel na Univerzo Kalifornije v Los Angelesu, kjer je naprej razvijal svojo teorijo izvira. Tukaj je ustanovil odlično šolo in odlične postopke poučevalskih spretnosti, saj so trije njegovi študenti prejeli Nobelove nagrade, več kot sedemdeset pa jih je doktoriralo. Vsako njegovo predavanje nikoli ni bilo enako in njegova podajanja so enačili z umetnostjo. Bil je mentor več kot sedemdesetih doktorandov. Štirje njegovi učenci so prejeli Nobelovo nagrado, Roy Jay Glauber, Ben Roy Mottelson, Sheldon Lee Glashow in Walter Kohn (za kemijo). Sklici Glej tudi Rarita-Schwingerjeva enačba Schwinger-Dysonova enačba Schwingerjevo variacijsko načelo Zunanje povezave Življenjepis v Nobelovem muzeju Stran Univerze svetega Andreja Ameriški fiziki Ameriški matematiki Predavatelji na Univerzi Kalifornije, Berkeley Predavatelji na Univerzi Purdue Diplomiranci Univerze Columbia Ameriški Judje Judovski matematiki Judovski znanstveniki Predavatelji na Univerzi Kalifornije, Los Angeles Nobelovi nagrajenci za fiziko Prejemniki nacionalne medalje znanosti Ameriški univerzitetni učitelji


text: Fokov prostor je algebrski sestav (Hilbertov prostor), ki se uporablja v kvantni mehaniki za opis kvantnih stanj s spremenljivim ali pa neznanim številom delcev. Pojem je leta 1932 uvedel Vladimir Aleksandrovič Fok. V bistvu je Fokov prostor Hilbertov prostor, izhajajoč iz direktne vsote tenzorskega produkta Hilbertovih prostorov z enim delcem: kjer je Sν operator, ki prostoru priredi simetrijo ali antisimetrijo, in zagotavlja, da Fokov prostor posluša bozonsko (ν=+) ali fermionsko (ν=-) algebro. H je Hilbertov prostor z enim delcem. Opisuje kvantna stanja za en delec. Za opis kvantnih stanj sestavov z n delci ali superpozicij takšnih stanj potrebujemo večji Hilbertov prostor, Fokov prostor, ki vsebuje stanja za neomejeno ali spremenljivo število delcev. Fokova stanja so naravna baza takšnega prostora. Primer stanja Fokovega prostora je: in opisuje n delcev, kjer ima posamezen valovno funkcijo φ1, naslednji φ2 in tako dalje do n-tega delca, kjer je vsaka φi valovna funkcija iz Hilbertovega prostora H z enim delcem. Kadar govorimo o enem delcu v stanju φi, moramo pri tem upoštevati, da v kvantni mehaniki ne moremo ločevati enakovrednih delcev, in da so v istem Fokovem prostoru vsi delci istovetni. Za opis več vrst delcev je potrebno toliko tenzorskih produktov za vsak različen Fokov prostor. Ena najmočnejših lastnosti takšnega opisovanja je, da so stanja notranje v pravilni simetriji. Zato na primer, če bo zgornje stanje |Ψ>- fermionsko, bo enako 0, če sta dve (ali več) φi enaki, saj zaradi Paulijevega izključitvenega načela dva (ali več) fermiona ne moreta biti v istem kvantnem stanju. S konstrukcijo so stanja tudi pravilno normalizirana. Uporabna in prikladna baza za ta prostor je baza prilastitvenega števila (?). Če je |ψi> baza H, lahko označimo stanje z n0delci v stanju |ψ0>, n1 delcev v stanju |ψ1>, ..., nk delcev v stanju |ψk> z: kjer seveda pri ν=-, vsak ni zavzame le vrednosti 0 ali 1, drugače pa je stanje enako nič. Takšno stanje se imenuje Fokovo stanje. Ker |ψi> predstavljajo nespremenljiva stanja prostega polja, oziroma kjer je število delcev določeno, Fokovo stanje opisuje sestavo delcev, ki drug na drugega ne vplivajo z določenim številom. Najbolj splošno čisto stanje je linearna superpozicija Fokovih stanj. Dva najpomembnejša operatorja sta operatorja anihilacije in nastanka (?), ki preko delovanja na Fokovo stanje ustrezno odstranita ali dodata delec v pripisanemu kvantnemu stanju. Označujemo ju z in z , kjer se φ nanaša na kvantno stanje |φ>, v kateremu smo odstranili ali dodali delec. Velikokrat je prikladno, da obravnavamo stanja v bazi H, tako, da operatorja odstranita ali dodata natančno en delec v danem stanju. Služita tudi kot baza za splošnejše operatorje, ki delujejo na Fokov prostor. Na primer operator 'število delcev v stanju |φ>' je ). Opomba: Fokov prostor opiše le polja, ki ne vplivajo drug na drugega. (Glej Haagov izrek) Kvantna mehanika Vladimir Aleksandrovič Fok


text: Standardni model elektrošibke in močne interakcije je teorija fizike osnovnih delcev, ki opisuje močno, šibko in elektromagnetno osnovno silo, kot tudi osnovne delce, ki sestavljajo snov. Standardni model je teorija kvantnega polja, in je skladen tako s kvantno mehaniko kot s posebno teorijo relativnosti. Do zdaj skoraj vsa eksperimentalna preverjanja teh treh osnovnih sil potrjujejo napovedi standardnega modela. Kljub vsemu pa standardni model ni popoln opis osnovnih sil, saj ne opisuje gravitacije. Vsebina standardnega modela Standardni model vsebuje tako fermionske kot bozonske osnovne delce. Fermioni so delci s pol-celim spinom, ki se pokoravajo Paulijevemu izključitvenemu načelu, po katerem dva fermiona ne moreta biti obenem v istem kvantnem stanju. Bozoni so delci s celoštevilčnim spinom, za katere Paulijevo izključitveno načelo ne velja. Nekoliko po domače lahko povemo, da so fermioni delci, ki sestavljajo snov, bozoni pa delci, ki prenašajo sile. Podrobnejši opis o razlikah med fermioni in bozoni je v sestavku o nerazločljivih delcih. Standardni model združuje teorijo elektrošibke interakcije, ki opisuje obenem šibko in elektromagnetno interakcijo, s kvantno kromodinamiko. Obe navedeni teoriji sta umeritveni teoriji, kar pomeni, da silam med fermioni pripiše bozone, ki posredujejo ali »prenašajo« te sile. Lagrangeeva funkcija za vsako množico posredniških bozonov je invariantna na transformacijo, ki se ji pravi umeritvena transformacija, zato jim pravimo tudi umeritveni bozoni. Bozoni, ki jih vključuje standardni model, so: foton, ki posreduje elektromagnetno interakcijo bozoni W in Z, ki posredujejo šibko interakcijo osem vrst gluonov, ki posredujejo močno interakcijo; šest od njih lahko opišemo kot nosilce parov »barve« in »antibarve« (npr. »rdeča« in »anti-zelena«), preostala dva pa sta bolj zapleteni mešanici barv in antibarv Higgsov bozon, ki povzroči spontani zlom simetrije umeritvenih grup in je odgovoren za obstoj vztrajnostne mase Izkaže se, da je moč umeritvene transformacije umeritvenih bozonov povsem natančno opisati z unitarno grupo, imenovano »umeritvena grupa«. Umeritvena grupa močne interakcije je SU(3), umeritvena grupa elektrošibke interakcije pa SU(2)×U(1). Na standardni model se zato pogosto sklicujejo kot na SU(3)×SU(2)×U(1). Higgsov bozon je edini bozon v teoriji, ki ni umeritveni bozon; v teoriji ima posebno mesto, in je predmet določenih polemik. Gravitonov, bozonov, ki opisujejo gravitacijsko interakcijo, standardni model ne zajema. Znotraj standardnega modela obstoja dvanajst različnih vrst fermionov. Med delci, kot so proton, nevtron ali elektron, ki sestavljajo veliko večino snovi, je le elektron tak, ki mu standardni model priznava status osnovnega delca, medtem ko sta proton in nevtron sestavljena iz še manjših delcev, imenovanih kvarki, katere povezuje močna interakcija. Osnovni fermioni standardnega modela so: * - To ni navadni Abelov električni naboj, ki ga enostavno seštevamo, ampak oznake predstavitve grup Liejevih grup. ** - Masa je pravzaprav sklopitev med levosučnim fermionom in desnosučnim fermionom. Masa elektrona, denimo, je tako sklopitev med levosučnim elektronom in desnosučnim elektronom, ki je antidelec levosučnega pozitrona. Tudi nevtrini izkazujejo močno mešanje v sklopitvi mas, zato ne moremo striktno govoriti o tem, da sta masi levosučnega in desnosučnega elektronskega nevtrina enaki, kot nakazuje ta razpredelnica. *** - Kar se pri eksperimentih res meri, so mase barionov in hadronov in različni reakcijski preseki. Ker kvarkov zaradi omejitev kvantne kromodinamike ne moremo izolirati, so navedene mase za kvarke mase, izračunane z renormalizacijsko skalo kvantno kromodinamskega faznega prehoda. Za izračun te količine fiziki pripravijo mrežni model in s spreminjanjem mase kvarkov poskušajo doseči čim boljše ujemanje z eksperimentalnimi podatki. Ker so mase kvarkov prve generacije znatno pod območjem kvantne kromodinamike, so relativne napake precejšnje. Novejši mrežni modeli kvantne kromodinamike nakazujejo tudi precej nižje vrednosti za mase kvarkov, kot so podane v tej razpredelnici. Fermione lahko razvrstimo v tri »generacije«, pri čemer prva obsega elektron, kvarka »gor« in »dol« ter elektronski nevtrino. Vso snov, ki nas obdaja, sestavljajo delci prve generacije; delci višjih generacij hitro razpadejo v delce prve generacije, in obstajajo le zelo kratek čas v eksperimentih pri visokih energijah. Razlog za razvrstitev v generacije je podobnost med fermioni različnih generacij - edina razlika je v masi. Elektron in mion, denimo, imata oba polovični spin in nosita osnovni električni naboj, razlika pa je v tem, da ima mion približno 200-krat večjo maso. Elektron in elektronski nevtrino, kot tudi njuni sorodniki iz višjih generacij, spadata med leptone. Ti za razliko od drugih fermionov ne posedujejo količine, imenovane »barva«, in njihove interakcije (elektromagnetna in šibka) z razdaljo naglo padajo. Močna interakcija med kvarki pa se po drugi strani z razdaljo krepi, zato kvarkov ne najdemo prostih, ampak le vezane v brezbarvne kombinacije, imenovane hadroni. To so bodisi fermionski barioni, sestavljeni iz treh kvarkov (med njimi sta najbolj znana proton in nevtron), bodisi bozonski mezoni, sestavljeni iz para kvark-antikvark (zgled je pion). Masa takih agregatov presega vsoto mas posameznih kvarkov, ker zajema še njihovo vezavno energijo. Preizkusi in napovedi Standardni model je napovedal obstoj bozonov W in Z, gluonov ter kvarkov »vrh« in »čar«, še preden so bili ti delci odkriti v eksperimentu. Njihove lastnosti, kot jih je napovedal model, so bile z veliko natančnostjo eksperimentalno potrjene. Z velikim trkalnikom elektronov in pozitronov (Large Electron-Positron collider, LEP) v raziskovalnem središču CERN so preverili različne modelske napovedi razpada bozona Z, in jih v celoti potrdili. Izzivi standardnega modela Kljub velikemu uspehu standardnega modela pri razlagi eksperimentalnih rezultatov fizike delcev pa ta nikoli ni bil sprejet kot zaključena teorija osnovne fizike. Standardni model ima namreč dve pomembni pomanjkljivosti: Model vsebuje 19 prostih parametrov, kot so mase delcev (ter dodatnih 10, če štejemo še mase nevtrinov), katerih vrednosti sam model ne napoveduje, ampak jih je treba določiti s poskusom. Model ne vsebuje kvantne gravitacije. Vse odkar so razvili standardni model, je veliko fizikov poskušalo odpraviti ti pomanjkljivosti. Eden od poskusov razrešiti prvo težavo je znan kot veliko poenotenje. Tako imenovane teorije velikega poenotenja (angl. grand unification theory, GUT) so predpostavljale, da so simetrijske grupe SU(3), SU(2) in U(1), ki opisujejo posamezne interakcije, pravzavrav podgrupe neke večje simetrijske grupe. Pri velikih energijah - mnogo večjih od tistih, dosegljivih s pospeševalniki - se simetrija poenotene grupe ohranja, pri nizkih pa se reducira na SU(3)×SU(2)×U(1) v procesu, poimenovanem spontani zlom simetrije. Prvo tovrstno teorijo, v kateri sta uporabila SU(5) kot poenoteno grupo, sta leta 1974 predlagala Georgi in Glashow. Pomembna značilnost te in drugih teorij poenotenja je, da za razliko od standardnega modela napovedujejo razpad protona. V letu 1999 so v nevtrinskem observatoriju Super-Kamiokonde sporočili, da niso zaznali nobenega razpada protona, kar postavlja spodnjo mejo za razpolovni čas protona na 6.7·1032 let. Ta in podobni poskusi so ovrgli številne teorije velikega poenotenja, vključno z SU(5). Poleg navedenega obstajajo tudi kozmološki razlogi, zakaj naj bi standardni model ne bil popoln. V standardnem modelu sta snov in anti-snov zastopani simetrično. Resda lahko velikansko prevlado snovi nad anti-snovjo v Vesolju razložimo s tem, da je Vesolje pač nastalo takšno, vendar pa se večini fizikov zdi takšna razlaga vsaj ne-elegantna. Poleg tega standardni model ne ponuja mehanizma za napihovanje Vesolja, ki je poteklo ob njegovem nastanku, kar je seveda posledica tega, da ne zajema gravitacije. Tudi Higgsovega bozona, ki ga napoveduje standardni model, do leta 2002 še niso zaznali. Prvo eksperimentalno odstopanje od standardnega modela so zaznali v letu 1998, ko so raziskovalci v centru Super-Kamiokonde objavili razultate, ki so nakazovale oscilacije nevtrinov. To je nakazovalo na to, da imajo nevtrini od nič različno maso, saj delci z maso potujejo s hitrostjo svetlobe, tako da čas zanje ne teče. V opisani standardni model nevtrinov z maso ni mogoče vključiti, saj predpostavlja le »levosučne« nevtrine, katerih spin je usmerjen v smeri, nasprotni od vrtenja urinega kazalca okoli osi njihovega gibanja. Če imajo nevtrini od nič različno maso, očividno potujejo počasneje od hitrosti svetlobe, zato je mogoče nevtrino »prehiteti« z izbiro takega koordinatnega sistema, v katerem je njegova smer gibanja obrnjena, spin pa enak - tak nevtrino postane »desnosučen«. Po objavi teh rezultatov so poskusili standardni model prilagoditi tako, da dopušča nevtrine z maso, kar je ob začetnih 19 parametrih zahtevalo še dodatne. Nekaj zmede vnaša dejstvo, da novi model še vedno poimenujejo z enakim imenom: standardni model. Drugo razširitev standardnega modela predstavljajo teorije supersimetrije, ki za vsak delec v standardnem modelu predpostavljajo obstoj supersimetričnega »partnerja« z zelo veliko maso. Teorije supersimetrije obenem ponujajo tudi razrešitev problema temne snovi v Vesolju. Literatura Janez Strnad, Iz takšne so snovi kot sanje: od atomov do kvarkov, Mladinska knjiga, Ljubljana 1988. Zunanje povezave Tadej Mali, Kaj je antimaterija? Jedro in osnovni delci l


text: V matematiki se z umeritvijo označi določeno prostostno stopnjo znotraj teorije, ki ne vpliva na opazovanje. Umeritvena transformacija je tako transformacija te prostostne stopnje, ki ne spremeni nobenih opazljivih fizikalnih značilnosti. Glej tudi umeritvena teorija kvantna teorija polja Matematika


text: Osnóvni délec ali elementarni delec je subatomski delec brez podstrukture, zato ni sestavljen iz drugih delcev. Osnovne delce sestavlja 12 fermionov in 12 antifermionov (kvarki, leptoni, antikvarki, antileptoni), ki so splošno "materični delci" in "antimaterični delci" in tudi bozoni (merilni bozoni in higgs-ov bozon), ki so splošno "silni delci", ki posredujejo interakcije med fermioni. Delec, ki je sestavljen iz dveh ali več osnovnih delcev je sestavljeni delec, na primer "hadron". Hadron je delec sestavljen iz dveh ali več kvarkov povezanih z močno silo. Do zdaj je v osnovnem modelu 17 osnovnih delcev. 6 kvarkov, 6 leptonov in 5 bozonov. Med seboj se ločijo po masi, električnem naboju in spinu. Protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov, ki so povezani z močno silo. Bozoni (brez higgs-a) interaktirajo s fermioni z elektromagnetno silo, šibko silo in močno silo. Higgs-ov bozon daje Z in W bozonu (in drugim delcem) maso preko Higgs-ovega mehanizma. Higgs-ov mehanizem daje protonom in nevtronom približno 1% njihove celotne mase. Njihov obstoj je CERN potrdil 14. marca 2013.


text: Šíbka interákcija ali šíbka jêdrska síla je ena od štirih osnovnih interakcij v naravi. Običajno jo povezujemo z razpadom beta ter z njim povezano radioaktivnostjo. Kvanta šibke interakcije sta bozona W (W+ in W-) ter bozon Z (Z0). Šibka interakcija deluje na: nevtrine nabite leptone kvarke Šibka interakcija omogoča leptonom in kvarkom ter njihovim antidelcem izmenjavo energije, mase in električnega naboja - z drugimi besedami omogoča, da se en delec pretvori v drugega. Ker je njena jakost milijardokrat manjša od jakosti močne interakcije (10-18 m), je njen doseg omejen na razdalje znotraj atomskega jedra. Kratek doseg pojasni tudi velika masa kvantov šibke interakcije (okoli (about 90 Gev). Šibko interakcijo ter elektromagnetno interakcijo lahko razložimo kot dva vidika ene same elektrošibke sile. Glej tudi SU(3)×SU(2)×U(1). Jedro in osnovni delci Fizikalne sile