Egy kis részecskefizika...

Évekkel ezelőtt vettem meg Hans Grassman: Picasso és a Mercedes-Benz avagy Mi a fizika? című könyvét. Aztán valahogy megfeledkeztem róla és porfogóként funkcionált a könyvespolcon. Néhány napja elővettem és elkezdtem olvasni.
Annyira megtetszett, hogy "egy szuszra" elolvastam a részecskefizikáról szóló részt.
Annyira szemléletes, hogy úgy érzem még én is megértettem.
Sőt annyira felbátorított, hogy egy "Érdekességek" címszó keretében megpróbálom összefoglalni mindazt, amit az anyag szerkezetéről jelenleg tudunk - persze nagyon leegyszerűsítve.

Az alábbi animáció szemlékteti az anyag belső szerkezetét.
A nyilakkal növelhető illetve csökkenthető a nagyítás.
(Bővebb magyarázat az alábbi leírásban található.)

Először talán "nézzünk bele" a szilárd anyag belsejébe.
Válasszunk talán egy 1 cm élhosszúságú jégkockát.
Ennek térfogata 1 cm3, tömege kb. 0,9 g és 3 x 1022 db vízmolekula "nyüzsög" benne.
Ha - képzeletben - elkezdünk "ráközelíteni" és egyre nagyobb nagyítással nézünk bele, azt láthatjuk, hogy a vízmolekulák meghatározott geometriai formában, a jégkristály meghatározott pontjain rezegnek.
Ebből az is látható, hogy a mozgás - hidegen is - "alapeleme" az anyagnak.
Ugyanakkor az is látható, hogy az "üresség" is nagyon jellemző még a szilárd anyagokra is.
Maguk a vízmolekulák úgy néznek ki, mint egy Mikiegér fej, a fej rész az oxigénatom, a két fül a két hidrogén.
Ebben a nagyításban csak a közös rendszer körül mozgó, külső elektronburkot látjuk. Kifelé ez határozza meg a víz "megjelenését", viselkedését.
A nyolc külső elektron úgy "járja körbe" a vízmolekula három atomját, hogy egy "áthatolhatatlan burkot" képezve összetartja az egészet.
Közülük hat az oxigénatomhoz, egy-egy pedig a hidrogénatomokhoz tartozik eredetileg. A vízmolekulában azonban a három atom "megosztozik" rajtuk, de nem testvériesen. A felhőben úgy oszlanak el az elektronok, hogy "mindenki jól járjon". Ez ebben az esetben azt jelenti, hogy kicsit az oxigénatom is "úgy érezheti" meg van az "általa kedvelt" nyolc külső elektronja, és a hidrogénatomok is "úgy érzik" meg van a kedvelt két elektronjuk. Vagyis a vízmolekulával "mindannyian jól járnak".
Maguk az elektronok csak akkor látszanának, ha valamilyen "szuper-szupergyors" kamerával meg tudnánk örökíteni és azután "kikockáznánk" a felvételt az értékeléshez.
Akkor valami ilyemit láthatnánk...

Hogy miért ilyen Mikiegér fej alakú a vízmolekula, az majd később derül ki.

Az igazi meglepetés akkor történik, amikor a nagyítást tovább növeljük és "belátunk" az elektronburok alá. Kiderül, hogy az anyag még annál is üresebb, mint amilyennek korábban gondoltuk.
A hidrogén esetében csak az látszik, hogy a 10-7 mm méretű atom (elektronfelhő) közepén van egy sokkal-sokkal kisebb, 10-10 mm méretű, valami. Ez a legegyszerűbb atom, a hidrogén atommagja, amely mindössze egyetlen protonból áll.
Az oxigén esetén kicsit bonyolultabb a dolog, mert a külső, vegyértékhéjon áthatolva még egy kisebb elektronfelhő található. Ebben csak két elektront láthatnánk a fentebb említett szupergyors kamerás felvételen.
Ha ebbe is belenézünk akkor 16 olyan kis valamit (nukleonokat) láthatunk, mint amiből a hidrogénatom belsejében csak egyetlen egy volt. Kicsit tüzetesebben megnézve az is kiderül, hogy ezek nem egyformák. Közülük 8 ugyanolyan, mint a hidrogén esetén, 8 viszont nem teljesen olyan.
Az oxigén magjában 8 proton és 8 neutron található.

Mielőtt tovább növelnénk a nagyítást - mert majd látni fogjuk, hogy még a nukleonokban is van valami - nézzük meg magát az atomot, kicsit részletesebben.

Ha más módszerekkel is elkezdjük vizsgálni az atomot, akkor azt tapasztalhatjuk, hogy az a valami, ami a külső felhőt alkotja és minden atomban megtalálható az negatív töltésű, pontszerű és a hidrogénatomnál csaknem 2000-szer könnyebb. Ezt nevezzük elektronnak.

Az a valami viszont, ami hidrogénatom és az oxigénatom magjában is megtalálható pozitív töltésű és tömege kb. 2000-szerese (pontosan 1836-szorosa) az elektronénak és protonnak nevezzük. Persze azért nem túl nehéz, 1,673x10-27 kg.

Az a másik, hasonló valami, amiből csak az oxigénatom magjában találhatunk 8 darabot az töltés nélküli és neutronnak nevezzük. Tömege csaknem megegyezik a protonéval, 1,675x10-27 kg.
(A látszólag felesleges neutronok nagyon lényegesek az atommag stabilitása szempontjából, csökkentik az elektromágneses kölcsönhatás taszító hatását, ami különösen a nehezebb elemek esetén már nagyon jelentős. A nehezebb elemek, még így is hajlamosak spontán hasadásra.)

Az oxigénatom magját tovább vizsgálva az is megállapítható, hogy a benne található részecskék (protonok és neutronok) nagyon erősen "ragaszkodnak egymáshoz". Ez első pillantásra érdekesnek tűnhet, hiszen a protonoknak taszítaniuk kellene egymást a töltésük miatt!
Ma már tudjuk, hogy a magrészecskéket az erős kölcsönhatás tartja össze, amit gluonoknak ("ragasztó") nevezett részecskék közvetítenek. Ez az erő 1038-szor erősebb a gravitációs erőnél, viszont csak nagyon közelről, 10-12 mm-ről hat. Ha valamilyen módon sikerül ennél messzebb húzni valamelyik protont, akkor az elektromágneses kölcsönhatás, amely azonos töltések esetén taszít, "kihajítja" a magból. Ehhez azonban nagyon nagy erő kell.
Ez az óriási erő "működteti" a Napunkat és a többi csillagot és ez nyilvánul meg az atomreaktorokban illetve a nukleáris fegyverekben.
Az elektromágneses kölcsönhatásnak viszont abban van szerepe, hogy "összetartja" az atomot és a molekulákat, hiszen különböző töltések esetén vonzó hatást fejt ki.
Ettől mozognak az elektronok az atommag körül illetve a molekulákban (pl. a vízben) a molekulát alkotó magok körül közös pályákon.
Az elektromágneses kölcsönhatást fotonok közvetítik.

Itt érdemes egy kicsit megállni ismét.
Fentebb már említettem, hogy majd magyarázatot találhatunk a vízmolekula Mikiegér fej alakjára.
Nagyon hosszan lehetne foglalkozni ezzel a témával (is), de egyrészt én ehhez kevés vagyok, másrészt csak "nagyvonalakban" tekintjük át a témát.
Induljunk ki abból, hogy jelenlegi ismereteink azt bizonyítják a részecskéknek anyagi és hullámtermészete egyaránt van.
Az elektronok úgy mozognak a mag körül, mint "térbeli állóhullámok". Ezért a külső pályák már nem gömbszimmetrikusak, hanem az elektronok bennük különböző bonyolult alakzatok mentén "sűrűsödnek". Ez (és a vízben található 3 atom kölcsönhatása) okozza a vízmolekula Mikiegér fej alakját. Ez okozza gyémánt rács (vagy a metánmolekula) tetraéderes alakját, és persze az összes többi molekula alakját, a kristályrácsok szerkezetét.

Nagyjából megvizsgáltuk tehát az atomokat és a belőlük felépülő molekulákat, akkor most "nagyítsuk tovább" képzeletbeli "mikroszkópunkat" és nézzünk bele a nukleonokba is.

Ha belelátnánk a protonba azt tapasztalnánk, hogy benne három pontszerű valami látható, amiből kettő egyforma. Két u (up - fel) kvark és egy d (down - le) kvark alkotja a protont, ezek már elemi részecskék (jelenlegi ismereteink szerint) és pontszerűek.
Ha belelátnánk a neutronba abban is azt tapasztalnánk, hogy három pontszerű valami látható, amiből kettő egyforma. A neutronban azonban u (up - fel) kvarkból van egy és d (down - le) kvarkból kettő.
Ennek oka, hogy az u kvark töltése +2/3 a d kvarké pedig -1/3. Így teljesen jól kijön a proton +1-es töltése és a semleges neutron.

Megfelelő eszközökkel vizsgálva az is látható, hogy ezek a kvarkok, még a nukleonoknál is jobban ragaszkodnak egymáshoz és ugyanazok a gluonoknak ("ragasztó") nevezett részecskék közvetítik ezt az erőt, mint a nukleonok esetén a magban.
Azt is láthatnánk, hogy az atommag is meglehetősen üres.

Az eddigieket összegezve úgy tűnik, hogy a világot alapvetően 3 (anyagi) elemi részecske (két kvark - u és d - és az elektron, valamint az erőhatást közvetítő gluonok és fotonok építi fel.

Persze ezek mellett ismerünk még több, mint 200 egyéb részecskét is. Közülük a legtöbb csak nagyon rövid ideig létezik, ezért aztán a legtöbb esetben észlelni sem egyszerű.

Két részecskét mindenképpen érdemes még megemlíteni.
Kezdjük azzal, hogy a nukleonok közül a proton az stabil és rengeteg található szabadon is belőle, pl. a Napban és a napszélben. A neutron viszont instabil és szabadon nem található csak atommagokban.
A Nap (és a többi csillag) hidrogénből héliumot "gyárt", ebből nyeri az energiáját. (Itt az atommagokról beszélünk, mert az elektron most lényegtelen.)
Ehhez mindössze protonok állnak rendelkezésre és mégis működik.
Ennek oka egy eddig nem említett kölcsönhatás az úgynevezett gyenge kölcsönhatás. Ez képes arra, hogy az u kvarkot d kvarkká alakítsa. Tehát a Nap (és a többi csillag) képes arra, hogy a hidrogén magjából, vagyis a protonból "előállítsa" magának a hélium mag "gyártásához" szükséges neutront.
Látható azonban, hogy így a megmaradási törvények sérülnének, mert "eltüntettünk" egy töltést. Ezért aztán keletkezik még egy antirészecske a pozitron. Ez azonban magában nem keletkezhet, csak elektronnal együtt. Úgy viszont megint csak probléma lenne a töltésekkel. Ezért a pozitron mellett egy neutrínó keletkezik és így minden oké. A töltés is megmaradt és a megmaradási törvények se sérültek!

Akit a többi részecskék is érdekel járjon utána...
Ha beírja a Szójegyzék keresőjébe a részecskék keresőszót lexikonom összes kapcsolódó címszava legyűjthető.

Amit még szintén meg kell említeni - bár részben már érintettem - az a kvantumeffektus.
Vannak olyan jelenségek, amelyekből már korábban is sejthető volt, hogy a részecskék és fotonok világában valami egészen másképp működik, mint "megszokott világunkban".

Az egyik ilyen jelenség a barnulás.
Akármilyen erős látható fény éri a bőrt nem történik vele semmi különös.
Egy bizonyos hullámhossz tartomány, az UV sugarak, azonban barnulást, leégést, bőrkárosodást okoznak.

A bőr csak ott barnul le, ahol UV sugarak érik...

A másik ilyen jelenséget a fotózással, fényképek nagyításával foglalkozók ismerhetik.
A sötétkamra piros fénye - nagy hullámhossza, és ebből következő kis energiája miatt - nem okoz változást a fotópapíron, egy egészen kis beszűrődő fény is megfeketíti azonban.
Mindkét jelenség azt bizonyítja, hogy a fény, vagy általánosabban az elektromágneses hullámok energiája a hullámhosszuktól függ. Az egyes anyagok (pl. a bőrben lévő bizonyos szerves anyagok, vagy a fotópapír ezüst-bromid szemcséi) csak bizonyos energia esetén változnak, ezt pedig csak meghatározott hullámhosszúságú elektromágneses hullámok közvetítik.

A foton nyugalmi tömege nulla, sebessége állandó (a fénysebesség), energiája csak a hullámhossztól függ(het).

Az elektronok - hullámtermészetük miatt - az atommag körül állóhullámot képeznek, kitöltik a rendelkezésükre álló teret és energiájuk megegyezik azzal, ami a hullámhosszukból adódik.
Gyakorlatilag a hullámhosszuktól függ az atommagtól való távolságuk. Ha az energiájuk megnő, a hullámhosszuk és a magtól való távolságuk is ugyanilyen mértékben nő.
Ezek a hullámhosszak csak az adott atomra (elemre) jellemző értéket vehetnek fel. (Ugyanúgy, mint a két végén rögzített gitárhúr esetén.)

Az ábrán látható, hogy minél nagyobb az "ugrás", annál rövidebb hullámhosszúságú (annál "kékebb") foton keletkezik.

Az "alapállapotából kitérített" atom már gerjesztett állapotban van és amikor az alapállapotára visszazuhan a "fölösleges" energiáját egy meghatározott hullámhosszúságú fotonnal adja le. Ezeket az ugrásokat az adott atomra (elemre) jellemző színű (hullámhosszúságú) fény kibocsátása kíséri. Ezt vizsgálják a színképelemzésnél.

A Gerjeszt gombra kattintva az atommag körül mozgó elektron egy nagyobb energiájú pályára ugrik, majd onnan visszazuhanva egy fotont bocsát ki. (Ez az animáció "két dimenzióban" mutatja be a jelenség elvét, mert a valóságos térbeli állóhullámot nem tudom ábrázolni.)

Szóval - nagyon, nagyon leegyszerűsítve - ilyennek ismerjük most a világot felépítő anyag szerkezetét...

Felhasznált irodalom