banner_ardu-grill.PNG

et et

Tartu Hoiu-laenuühistu finantskool. Rahakool

Seksuaaltervise kool

Beebikool

Moekool

Õigusabikool

NAISELT NAISELE

MEHELT MEHELE

Toidukool

Väikelaste kool

Põhikool

Ametikool / Kutsekool

Gümnaasium

Ülikool / Kõrgkool

Liikluskool / Autokool

Elukool / Elukestev õpe



turvakood

lapsevanem-logo.gif

Elementaarosakesed ja jõud nende vahel

Lapsevanem.ee - Sisukestev õpe lapsevanemale :: Elementaarosakesed ja jõud nende vahel Matemaatika, füüsika, ajalugu, inimeseõpetus jne. Kõik selleks et abistada õppijat.Elementaarosakesed ja jõud nende vahel,Matemaatika, ekool, e-kool, füüsika, ajalugu, seks, abort

Elementaarosakesed ja jõud nende vahel
ILMAR OTS (1937)
Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi teoreetilise füüsika labori juhataja. Füüsika-matemaatikakandidaat

Millest ja kuidas on tehtud maailm? Raske kaksikküsimus, kuid pole asju, mida inimene ei tea! Ka sellele küsimusele on ikka vastused leitud, eri aegadel erisugused - lihtsamad ja keerulisemad. Vahest kõige lihtsama lahenduse andis Anaximenes Mileetosest 6. sajandil e. Kr.. Selle järgi seletuvad kõik mateeriavormid vaid ühe elemendi - õhu - tihenemise ja hõrenemisega. Kahjuks on ülilihtsal mudelil üks viga: ta pole õige! Aeg on karmilt kohelnud ka ülejäänud mikromaailma mudeleid möödanikust, ning kahtlemata ei jäta ta puutumata nüüdseidki konstruktsioone. Kuid iga muutus sisaldab alati jäävat. Aeg on inimese-uurija targemaks teinud, talle mikromaailma "vaatamiseks" ja oma mõtte kontrollimiseks unikaalsete seadmetega eksperimente võimaldanud. On tekkinud uus teadusharu - elementaarosakeste füüsika. Kõik see annab alust arvata, et nüüdismudel eelnevatest enam reaalsusele vastab.

Mikromaailma praegune mudel...
pretendeerib kogu reaalsuse seletamisele väheste struktuurita osakeste ja nendevaheliste jõudude (vastastikmõjude) kaudu. Nüüdiseksperimendi tase suudab määrata osakeste mõõtmeid, kui nad pole väiksemad kui 10-16-10-17 cm. Alla selle loetakse osakesed punktikujulisteks. Selliste punktikujuliste, praegu elementaarseiks loetavate osakeste - maailma ehituskivide - arv pole küll nii väike kui Anaximenese algelementide arv, kuid mitte ka väga suur. Kuus leptoniteks nimetatud osakest on jaotatud kolme perekonda: elektron ja elektronineutriino, müüon ja müüneutriino ning tauon ja tauneutriino. Ning nende samade perekondade vahel jaotuvad kuus kvarki: vastavalt u- ja d-kvark, s- ja c-kvark, b- ja t-kvark. Igale osakesele lisandub temale vastav antiosake, mis on sama massi ja spinniga, kuid vastasmärgiga ülejäänud osakest iseloomustavate suurustega (laengutega). Kokku teeb see (juhul kui ükski osake ja tema antiosake pole identsed) 24 elementaarset ehituskivi. Veel veerandsada aastat tagasi arvati elementaarosakesi hoopiski rohkem olevat. Tõsi, leptoneid oli küll kahe võrra vähem, sest polnud veel leitud tauoni perekonda, kuid mitteleptoneist loeti elementaarseiks oma pöörlemismomendi ehk spinni järgi kahte suurde klassi jaotatavad osakesed: poolearvulise spinniga osakesed, barüonid (prooton, neutron,l-barüonid, S-barüonid, ...) ja täisarvulise spinniga osakesed, mesonid (p-mesonid ehk piionid, h-meson, K-mesonid ehk kaaonid, …). Kokku on selliseid osakesi, mille ühisnimi on hadronid, kaugelt üle saja. Pärast kvargihüpoteesi ja selle katselist kinnitust selgus, et kõik need osakesed pole tõeliselt elementaarsed, vaid koosnevad kvarkidest, erinevad osakesed kvarkide erinevatest kombinatsioonidest. Traditsiooni tõttu nimetatakse ka neid tõeliselt mitte elementaarseid osakesi edasi elementaarosakesteks.

Meid ümbritseva tavamateeria ehitamiseks läheb vaja vaid kolme elementaarosakest: u- ja d-kvarki ning elektroni. Kvargid kombineeruvad kolmekaupa, moodustades prootoneid ja neutroneid, viimastest ehituvad aatomituumad. Tuumad koos elektronidega ühinevad aatomiteks, viimased molekulideks. Aatomitest ja molekulidest koosnevad gaasid, vedelikud ja tahkised - silmaga nähtavad makromaailma komponendid. Ülejäänud tõeliselt elementaarsed osakesed ning nendest koosnevad liitosakesed on nii-öelda eksootika - nad kas tekitatakse kiirenditega või on kosmilistes kiirtes, nende eluiga on väga väike, alates miljondikust sekundist ning ulatudes tublisti alla 10
-20
(üks jagatud ühele kahekümne nulliga!) sekundi. Erandiks on neutriinod, mille eluiga on väga pikk, kui mitte lõpmatu ja mis mängivad tavamateeria muundumistes olulist, seni veel lõpuni määratlemata, rolli.

Osakestevahelised jõud
Mis "liimib" kvargid prootoniteks ja neutroniteks, need omakorda tuumadeks?

Osakesed vastastikmõjustavad üksteist, nende vahel on jõud. Kõige elementaarsemate osakeste otsimine ja nende vahel toimivatest jõududest aru saamine on ühe eesmärgi kaks lahutamatut tahku. Mida elementaarsemad on osakesed, seda elementaarsemad peaksid olema ka jõud nende vahel. Ja, mis veelgi olulisem, osakesed ilmutavadki end meile jõudude (vastastikmõjude) kaudu.

Praeguste teadmiste järgi taanduvad kõikvõimalikud keerulised jõud maailmas neljale elementaarjõule - gravitatsioonilisele, nõrgale, elektromagnetilisele ja tugevale jõule. Igapäevaelus puutume kokku kahega neist - gravitatsioonijõuga ja elektromagnetilise jõuga. Gravitatsioonijõud hoiab meid maapinnal, elektromagnetjõud toob saatjalt signaali meie raadiotesse ja televiisoritesse, tema toimet tunneme ka siis, kui vooluvõrgu seinakontaktist "särtsu" saame. Taolisi näiteid igapäevakokkupuudetest gravitatsiooni- ja elektromagnetjõududega võib tuua väga palju: need jõud on tuntud, kuna neil on suur, lõpmatuseni küündiv mõjuraadius.

Tugeva ja nõrga jõu ulatus on väga väike, vastavalt 10
-13 ja 10-15 -10-16 cm. Nende jõudude kaudu on vastastikmõjus vaid üksteise lähedal olevad mikroobjektid. Igapäevaelus me neid jõude ei tunneta. Sellistel väga väikestel kaugustel on tugev jõud elementaarosakeste vahel ligi sada korda suurem kui elektromagnetjõud, viimane omakorda umbes tuhat korda tugevam nõrgast jõust. Gravitatsioonijõud mikroosakeste vahel on kõigist ülejäänuist hoopiski tillem: ta on ka nõrgast jõust tervelt 1034
korda väiksem. Seetõttu mikromaailma uurimisel selle mõju arvesse ei võeta.

Mis millele mõjub?
Tugev ja elektromagnetjõud on küllaldaselt tugevad osakeste kooshoidmiseks. Tugev jõud hoiab kvarke prootonites ja neutronites, need omakorda seotakse tuumades kvarkidevaheliste jääkjõudude kaudu. Elektromagnetjõud hoiavad aatomites koos tuumi ja elektrone, jääkjõud aatomites liidavad aatomeid molekulideks. Kahe osakese kohtumisel (näiteks kiirendikatses) võib tekkida veel palju teisigi, väga erinevaid kvarkide seotud seisundeid. Kõik need on aga väga lühikese elueaga, ebastabiilsed osakesed, mida nimetatakse resonantsideks. Resonantside arvamine elementaarosakeste hulka põhjustaski viimaste väga suure arvu enne kvargihüpoteesi.

Kui osakesed satuvad üksteise lähedale, ei pruugi nad alati endid üksteisega siduda. Seotud seisundid tekivad vaid siis, kui osakeste suhteline liikumisenergia ei ole suur, nii et osakeste vahel valitsevatel jõududel (kui need on tõmbejõud) on jaksu osakesi üksteise lähedale painutada ja kinni hoida. Enamikul juhtudel osakesed vaid hajuvad (põrkuvad) üksteiselt. Jõust piisab ainult osakeste esialgsete liikumissuundade muutmiseks, mitte nende kooshoidmiseks. Pärast põrget jätkavad osakesed teekonda vabadena uutes suundades. Taolisi protsesse nimetatakse osakeste elastseteks põrgeteks. Kui põrkuvate osakeste energia on küllalt suur, võib osa sellest kuluda uute osakeste tekitamiseks (massi ja energia ekvivalentsus!). Hajumisprotsesse, kus lõppolekus pole täpselt samad osakesed kui algolekus, nimetatakse mitteelastseteks põrgeteks. Kõik kolm elementaarjõudu tekitavad veel üht liiki protsesse, milles sünnivad uued osakesed. Need on osakeste lagunemisprotsessid. Lagunemisprotsesside intensiivsus määrab osakeste eluea. Tugeva jõu mõjul lagunevate osakeste eluiga on väga väike - alla 10
-20 sekundi. Selline on eespool kõne all olnud resonantside eluiga. Elektromagnetjõudude toimel lagunevate osakeste eluiga on mõnevõrra pikem. Veelgi suurem on üldjuhul eluiga osakestel, mis võivad laguneda vaid nõrga jõu toimel. Mõnel juhul (näiteks vaba neutroni korral) mõõdetakse nende eluiga juba minutitega. Nõrk jõud on liiga nõrk, et vähegi arvestatava tõenäosusega osakesi seotud seisunditena koos hoida, tema põhjustabki vaid hajumis- ja lagunemisprotsesse. Tuntuimaks nõrga jõu põhjustatud lagunemisprotsessiks on tuumade b-lagunemine, millele elementaartasandil vastab ühe kvargi muutumine teiseks ja leptonipaari (elektron+antineutriino või positron+neutriino) väljakiirgamine tuumast.

Mis tekitab jõu elementaarosakeste vahel, mille mõjul kirjeldatud protsessid toimuvad? Jõud valitsevad laengute vahel. Igale elementaarjõule vastab teda tekitav laeng: elektromagnetjõu tekitab elektrilaeng ja tema liikumine, nõrk laeng mõjutab nõrgalt teist laengut, tugev jõud valitseb tugevate ehk värvilaengute vahel. Kvargid kannavad kõiki laenguid, mistõttu tunnevad kõiki jõude ehk, nagu elementaarosakeste füüsikud ütlevad, osalevad kõikides vastastikmõjudes. Elementaarosakeste füüsikas kasutatakse sõnu "jõud" ja "vastastikmõju" tavaliselt sünonüümidena. Leptonitel tugevat laengut ei ole ja nad ei tunne tugevat jõudu. Pooltel leptonitest - neutriinodel - puudub ka elektrilaeng, ülejäänutel see on ja vastandina neutriinodele mõjub neile elektromagnetjõud. Kõikidel leptonitel on nõrk laeng ja nad osalevad nõrgas vastastikmõjus. Leptoneid nimetataksegi vahel nõrga vastastikmõju osakesteks. Gravitatsioonijõudu põhjustavaks laenguks on keha mass. Et elementaarosakeste massid on väga väikesed, ongi gravitatsioonijõud mikromaailmas väike võrreldes ülejäänud jõududega. Makromaailmas, suurte masside korral annab gravitatsioonijõud ennast üpris võimukalt tunda.

Kuidas kandub laengute mõju üksteisele?
Laengud loovad enda ümber välja, väli mõjub teistele laengutele. Elektrilaengud tekitavad elektromagnetvälja, tugevad ehk värvilaengud - värvivälja, nõrgad laengud - nõrga mõju välja. Teisisõnu, kõik laengud on neile vastavate väljade allikaiks. Erirelatiivsusteooria ütleb, et ükski mõju ei või levida valgusest kiiremini. Teisalt ütleb kvantteooria, et väljad on kvanditud, nende energia on koondunud elementaarsetesse portsjonitesse - kvantidesse. Neid asjaolusid arvestades on füüsikud loonud kvantväljateooria, kus jõud kahe osakese (laengu) vahel tekib teatud kolmandate osakeste, mõju kandjate, vahetamisel. Mõju kandjad, ehk vaheosakesed on jõuväljade kvandid, nad liiguvad kiirusega, mis ei ületa valguse kiirust.

Elektromagnetjõu kandjaks on
g
-kvant ehk footon, tugevat jõudu vahendavad kaheksa gluuoniks nimetatud osakest (glue - ingl. k. liim). Nõrka jõudu kannavad kaks elektrilaenguga ja üks laenguta osake. Neid nimetatakse nõrga jõu vahebosoniteks.

Tegelikult on kõik jõu vahendajad bosonid (täisarvulise omapöörlemismomendi ehk spinniga osakesed) spinniga üks. Erinevalt jõu kandjatest on mateeriaosakesed - leptonid ja kvargid - 1/2-spinniga fermionid (poolearvulise spinniga osakesed). Tugeva ja elektromagnetilise mõju kandjad on massita, nõrga mõju kandjad aga vägagi massiivsed. Mõju kandjate vahetamisel üks mateeriaosake kiirgab vaheosakese ja teine neelab selle.

Kvantteooria järgi toimubki vastastikmõju vaid mateeriaosakeste ja jõuväljakvantide vahel viimaste tekke- ja kadumispunktides. Nende punktide vahel liikudes ei tunne vaheosake ei oma sünnitaja ega neelaja otsest mõju. Ometi on vaheosakese vabadus oma sünni- ja surmaaktidega kitsendatud. Vabalt liikuval osakesel on tema energia ja impulsi vahel kindel seos. Vaheosakesel saab selline seos kehtida vaid juhul, kui tema tekke- ja kaduprotsessides rikutakse energia jäävuse seadust. Viimane on füüsika põhiline seadus, sellele toetudes füüsikateooria üles ehitataksegi. Asi annab aga ennast sättida. Kvantteoorias kehtivad Heisenbergi määramatuse seosed. Erijuht ühest neist ütleb, et energia ja aja määramatuse korrutis võrdub elementaarmõju - ehk Plancki konstandiga
(
DE x D
t = h).

Kui vaatame energia määramatust energia jäävuse rikkumise suurusena vaheosakese tekkel, siis aja määramatus näitab, kui kaua selline rikkumine võib kesta ehk teisisõnu, vaheosakesele antud elamisaega. Energia rikkumise suurus ja vaheosakese eluead on pöördvõrdelises sõltuvuses. Mida vähem vaheosakese sünnitamisel energia jäävust rikutakse, seda kauem võib osake elada, mida kauem ta elab, seda kaugemale jõuab sünnikohast liikuda. See kaugus ongi aga vastastikmõju ulatus. Energia jäävuse rikkumise suurus on võrdeline vaheosakese energiaga. Mida väiksema energiaga vaheosake kiiratakse, seda vähem rikutakse selles aktis energia jäävust. Massita jõu vahendaja energia võib olla kui tahes väike, tema elamisaeg lõputu ning valguse kiirusega liikudes võib ta oma eluaja jooksul katta ükskõik kui pika vahemaa. Siit tulenebki massita vahendajaga elektromagnetjõu lõpmata mõjuraadius. Öeldu peaks kehtima ka tugeva jõu kohta, kuid võrreldes
g-kvandiga on massita gluuonitel oluline lisaomadus, mille tõttu tugeva jõu mõjuraadius ei ületa barüonide ja mesonite mõõtmeid. Massiga jõuväljakvandi energia ei saa olla väiksem tema massienergiast. Selliste kvantide eluead ning selliste jõuväljadega vastastikmõju raadiused on lõplikud - seda lühemad, mida suurem on vahendaja mass. Et nõrga vastastikmõju vahendajate mass on väga suur, ongi tema mõjuraadius üpris väike. Kõik läks paika!

Eksisteerib aga ka alternatiiv. Vaheosakese tekke- ja kaduprotsessides võib energia olla jääv, vaheosake aga kannab energiat ja impulssi üksteisest sõltumatult ühelt mateeriaosakeselt teisele. Just niisugust lähenemist kasutatakse kvantväljateoorias protsesside arvutamisel. Mõlemad võimalused viivad samadele tulemustele. Mõõdetamatuid vaheprotsesse kutsuvad füüsikud virtuaalseteks protsessideks, vaheosakesi aga virtuaalseteks osakesteks.

Standardmudel
Ülaltoodu on elementaartasemel antud pilt nüüdisaja arusaamast elementaarosakestest, nende vahel valitsevatest jõududest ja jõudude põhjustatud protsessidest. Selle pildi taga olevat teadusteooriat nimetatakse elementaarosakeste Standardmudeliks. Standardmudel võtab aluseks eespool nimetatud struktuurita osakesed ja kolm jõudu nende vahel. Kuid teadusteooriaks ei piisa vaid osakeste ja nende vahel valitsevate jõudude teadmisest. Teooria peab andma eeskirja ka protsesside arvutamiseks: osakeste eluigade, põrgete tõenäosuste, põrgetel tekkinud osakeste hajumisnurkade jaotuste, seotud seisundite energiatasemete jne. jne. leidmiseks. Teooria- ja katsetulemuste võrdlemisel selgub, kas teoreetiline mudel kirjeldab adekvaatselt teatud osa loodusest või mitte.

Üldise eeskirja mikroprotsesside arvutamiseks annab kvantväljateooria. See seab kõikidele osakestele, ka mateeriaosakestele vastavusse väljad ja vaatab osakesi väljakvantidena. Välju kirjeldatakse väljafunktsioonidega, mis rahuldavad väljavõrrandeid. Väljavõrrandites on kahesuguseid liikmeid. Ühed kirjeldavad vabade osakeste liikumist, teised on väljade vastastikmõju liikmed. Kui teine osa puudub, on tegemist vaid vabade väljade võrranditega. Et ühe või teise elementaarjõu mõjul tekkivaid protsesse arvutada, peavad teada olema vastastikmõju kirjeldavate liikmete kujud väljavõrrandites. Need annab Standardmudeli (kui ühe kvantväljateooria mudeli) vastastikmõjude teooria, mida nimetatakse kalibratsiooniteooriaks. Selle loomisega on jäädvustanud end teadusajalukku kolm füüsikut - Steven Weinberg ja Sheldon Glashow USAst ning Abdus Salam Pakistanist.

Üle veerandsajandi elementaarosakeste füüsikat valitsenud Standardmudel pole seni katsega vastuollu läinud. Kuid ükski mudel ei ole igavene. Kindlasti saabub see aeg, varem või hiljem, mil katse tulemus erineb Standardmudeli ennustatust. Teadlased on selleks valmis: juba üle paarikümne aasta arendatakse uusi Standardmudelist üldisemaid teooriaid. Neid kutsutakse Standardmudeli laiendusteks.

3 / 1 9 9 8 A P R I L L HORISONT

printerisõbralik versioon esita küsimus
viimati toimetatud: 21. 04. 2005. 10:18