Vad är den minsta partikeln vi vet?

Anonim

När fysikerna först kolliderade elektroner med protoner såg de att elektroner studsade av tre små hårda kärnor inuti protonen. Kärnorna kallades sedan kvarker och det visade sig vara ännu mindre partiklar som utgör protonen. Quarks är de minsta partiklar som vi har stött på i vårt vetenskapliga arbete. Upptäckten av kvarker innebar att protoner och neutroner inte var grundläggande längre.

För mer grundlig förståelse får vi ta bort en bit materia och upptäcka dess beståndsdelar genom att ta bort varje lager en efter en.

Ur ett fågelperspektiv ser materien ut stilla och dess egenskaper är lätt mätbara. Men även en 6-årig kan dra slutsatsen att de ihärdiga pelarna i hans omsorgsfullt konstruerade sandslott är summan av miljarder mikroskopiska sandkorn. Nästa fråga är

.

Vad är sandkornet?

Atomen

Överraskande gick inte teorin bra ut. De flesta texterna om elementära beståndsdelar förlorades och hämtades efter flera århundraden. Det tog nästan två årtusenden för att atomen skulle bli erkänd som ett verkligt grundläggande fysiskt objekt.

Spekulationen bekräftades slutligen på 1800-talet när kemisten John Dalton genomförde en serie geniala experiment på gaser. Medeldiametern hos en atom mätt runt 50 nano-centimeter - en miljonste av ett sandkorn. Atomen var då den minsta sak som man kände till.

Subatomära partiklar

Eftersom objekten är elektriskt neutrala, har Thomson tänkt att den negativa laddningen av elektroner måste avbrytas av en liten klump av positiv laddning där elektronerna är inbäddade. Detta var den ständigt berömda "raisin-i-pudding" -modellen.

Denna idé avvisades med rätta 1911 när Rutherford bombade en tunn bit guldfolie med alfastrålar och upptäckte att atomer var mestadels tomma, men innehöll en koncentrerad positiv central laddning. Han kallade detta centrum atomens kärna och namngav den positivt laddade partikeln en proton . Den genomsnittliga diametern hos en proton uppmättes att vara tre gånger mindre än den hos en elektron, men i form av massa är den 1837 gånger tyngre!

Han förutsåg också att elektronerna roterade runt kärnan, analog med solsystemmodellen av planeter. Storleken på avstånden mellan den centrala enheten och de som följde den i de två modellerna uppvisade dock en astronomisk skillnad.

Men firandet varade inte för länge. Snart upptäckte kemister isotoper - element som är kemiskt oskiljbara men skiljer sig åt i sina atommassor. Det verkade som om ett par isotoper innehöll samma antal protoner, men visade fortfarande en skillnad i deras totala massor.

Rutherford svarade för detta genom att föreslå närvaron av en ny fundamental partikel, något tyngre än en proton, men elektriskt neutral. Hans spekulation blev en verklighet när, i 1932, upptäckte James Chadwick denna lakoniska partikel - neutronen. Neutroner och protoner visade sig ha samma storlek och massa - ungefär 2000 gånger massan av en elektron.

Kan vi skrämma saken längre ifrån varandra? Jag menar inte är 0.00000000000001 centimeter små nog ?! Väl

.

.. inte riktigt.

Quarken

(Foto Kredit: Sökare / Youtube)

Acceleratorerna krossar subatomära partiklar i enorma hastigheter, vilket får dem att krossa sig i deras beståndsdelar. Det liknar att studera de inre mekanismerna hos en tv genom att kasta den från toppen av en 20-vånings byggnad och granska sina brutna komponenter.

När fysiker började kolliderar elektroner med protoner, såg de att elektroner studsade av tre små hårda kärnor inuti protonen. Kärnorna visade sig vara ännu mindre partiklar som utgör protonen. Dessa elementära partiklar kallas Quarks, och upptäckten av kvark betydde att protoner och neutroner inte var grundläggande längre. Vi har redan skrivit en mer detaljerad och rivande artikel som är dedikerad specifikt till egenskaperna och beteendet hos kvarkerna. Du kan hitta den här.

Men kan vi gräva något djupare?

De elementära partiklarna

Tja, till skillnad från sina kamrater, är elektronen vidhäftande att vara en verkligt grundläggande partikel. Det har motsatt sig att vara ytterligare uppdelad i mer elementära bitar. Om emellertid elektroner och kvarker är grundläggande och kvarkar ligger i protoner, hur är dess radie tre gånger större än protonens?

Radien vi tillskriver en subatomisk partikel uppstår ur vissa antaganden. När exempelvis en elektrons massenergipotential antas vara fullständigt innehållen, visar sig dess radie vara större än den hos en proton. Ett bättre tillvägagångssätt vid beräkningen av elektronens radie har erkänts som utnyttjande av proton / elektronmassförhållandena.

Med hjälp av dessa förhållanden finner vi raden av en elektron att vara cirka tio gånger mindre än vad vi tidigare trodde att den var; en miljardtedel av en miljardth centimeter eller 0.00000000000000001 cm.

Därför har jag använt ordet "genomsnitt" för att beskriva de fysikaliska egenskaperna hos dessa partiklar. Radien är en dimensionell konstruktion och har inget att göra med den faktiska radieen.

På samma sätt har vi inte haft någon tur med kvarker heller. De vägrar att vara isolerade, och även om de är, varar de inte länge. Vissa bor så lite som en miljardtedel av en miljardedel av en miljardedel av en sekund! Att skilja ett par kräver så mycket energi att det slutar bli utnyttjat för att bilda två kvarker som binder till de ursprungliga två!

Var inte förskräckt av mängden energi här. Tänk på det så här

.

du försöker bokstavligen riva ut själva verklighetens väv.

Varför vårt uppfattning om "storlek" är fel?

Ändå har forskare lyckats genomföra några snabba studier för att approximera storleken på en kvark. Det senaste jag kunde hitta approximerade det för att vara en miljardtedel av en miljardthems centimeter, som ligger i samma liga som en elektron.

Vid denna tidpunkt blir det absolut nödvändigt att inse att standardmodellen, partikelfysikens kronjuvel, beskriver inte subatomära partiklar med avseende på deras storlek eller massa utan snarare deras energier. Protonen eller neutronen har ingen fast form eller volym - dess volym är utarbetad från det utrymme där dess beståndsdelar är begränsade.

Kvarker, elektroner eller andra subatomära partiklar är bara koncentrerade energier; De har ingen särskild ordning, medan grundläggande partiklar, såsom kvarker och elektroner, anses vara punktliknande. De har ingen dimension och betraktas bokstavligen som en enda dimensionslös punkt i rymden. Att tänka på dem som poäng är bara en användbar förenkling, eftersom det inte finns bevis för det motsatta.

Modellen inom ramen för dessa överväganden har framgångsrikt tagit (hittills) allt som var känt med förvånansvärt noggrannhet. Det är känt att vara den mest exakta teorin på något område. Naturligtvis är denna antagande, som vilken som helst i vetenskapen, inte rädd för att vara förkrympad och avskedad när en ny går långt. Forskare är inte försiktiga att återvända till ritbordet, förutsatt att det finns bevis. I detta fall upptäcktes en partikel inom.