Nepatīk fizika?20

Elementārdaļiņu veidi. Sāksim no paša sākuma. Standartmodelī elementārdaļiņas iedalās 3 veidos - kvarki, leptoni un bozoni. Ja pirmajā brīdī šķiet, ka tālāk nelasīšu, tad tik traki nav, dažus svešvārdus jau nu var atcerēties. No šo veidu daļiņām sastāv pilnīgi viss eksistējošais (atgādinu - tā ir teorija tikai!). Visu 3 veidu daļiņām ir pamata atribūti, kas tad arī nosaka visu pārējo. Katrai elementārdaļiņai ir noteikta masa (mēra elektronvoltos ne gramos, bet par to vēlāk), lādiņš (intuitīvi saprotams atribūts), spins (daļiņas [kvantu] stāvokļa raksturotājs). Apskatīsim visus pēc kārtas.

Kvarki. Nosaukums radies visai nezinātniskā veidā, tāpēc nemaz negribas par to runāt. Ir 6 veidu kvarki, kas arī sagrupējas t.s. "ģimenēs", bet par to tagad nav jādomā. Mūsu ierastajai pasaulei mums intersē tikai 2 kvarki, kurus nosacīti sauc par Augšējo (Up - U) un Apakšējo (Down - D). U kvarks ir visvieglākais no visiem. To zināt būs būtiski tālākajā sarunā.
Kvarkiem kombinējoties veidojas saliktas elementārdaļiņas, kuras taisni tāpēc īsti par elementārdaļiņām saukt nevar. Daļiņas, kas veidojas no kvarkiem, sauc par hadroniem. Populārākie mums zināmie hadroni ir protoni un neitroni, kurus katru veido 3 kvarki, attiecīgi protonu 2 U kvarki un 1 D kvarks, bet neitronu 2 D kvarki un 1 U kvarks. Par cik bija teikts, ka U kvarks ir vieglāks par D kvarku, tad protons ir vieglāks par neitronu, bet starpība ir ļoti niecīga, tāpēc ķīmijā pieņemts uzskatīt, ka protonu un neitronu masa ir vienāda.
Īsi par lādiņiem. Kvarkiem ir 2 veidu lādiņi - "krāsu" lādiņš un elektriskais lādiņš. Krāsu lādiņš ir cita veida lādiņš un tam var būt 3 vērtības, nosacīti pieņem pamatkrāsas - sarkana, zila, zaļa. Protams, nekādu krāsu kvarku līmenī nav, tas tikai ērtībai. Elektriskais lādiņš ir jau mums zināmais + un -. U kvarka elektriskais lādiņš ir +2/3, bet D kvarka elektriskais lādiņš ir -1/3. Te arī rodas protona +1 pozitīvais lādiņš (2/3 + 2/3 - 1/3 = 1) un neitrona "neitrālais" lādiņš (-1/3 - 1/3 + 2/3 = 0). Visiem kvarkiem ir pusvesals spins (1/2) un daļiņas, kas veidojas no 3 kvarkiem vienmēr būs ar pusvesalu spinu - 3/2. Kvantu mehānika saka, ka tādas daļiņas nekad nevar atrasties vienā stāvoklī, kas tur izksaidro visādus kvantu brīnumus, par kuriem šobrīd arī galva nav jālauza. Ir virkne eksotisku daļiņu, kuras veido dažādas kvarku kombinācijas, ne tikai pieminētās. Šādām daļiņām ir neparastas īpašības, tās parasti ir nestabilas  un vēl visādi citādi brīnumi, kas liek aizdomāties par mistiskās pasaules neizskaidrotajām parādībām, bet ar maģiju patreiz nenodarbosimies.

Leptoni. Nosakums ar nozīmi "vājš". Korekti būtu teikt, ka šīs ir elementārdaļiņas, kas nepiedalās stiprajā mijiedarbībā, bet par cik par tādu brīnumu vēl nebija runa, tad var teikt vienkāršāk - šīs ir elementārdaļiņas, kas "nekombinējas" ar citām elementārdaļiņām un neveido citas daļiņas, bet veido jau vielu - atomus. Arī te ir leptonu grupas, bet tam nav šobrid nozīme, jo mums interesē tikai viens vispopulārākais leptons - elektrons.
Ja kvarki veidoja protonus un neitronus, kas ir atomu kodoli, tad leptoni IR, piemēram, elektrons, kas kopā ar atoma kodolu veido atomu - jebkuras vielas pamatdaļiņu. Ir arī citi leptoni, piemēram, neitrīno, bet tie mums tagad neinteresē.
Hadroni (protoni,neitroni u.c.) un leptoni(elektroni u.c.) kopā veido grupu ar nosaukumu fermioni. Visi fermioni ir vielas daļiņas vai labāk teikt, vielu veidojošas daļiņas.

Bozoni. Viss jau būtu skaisti, bet kā tad tie tur visi turās kopā? Standartmodelis saka, ka mijiedarbību jeb spēku starp daļiņām pārnes citas daļiņas, kuras sauc par bozoniem. Katram spēkam ir savas nesējdaļiņas jeb bozoni. Tātad jebkurš spēks izpaužās ka apamiņa ar daļiņām kā rezultātā vielas daļiņas pievelkas cita pie citas vai atgrūžās. Te gan parādīsies jauni svešvārdi, bet jārunā par tiem visiem. Ne tikai Standartmodlis, arī citas modernās fizikas teorijas akceptē četrus fundamentālus dabas spēkus, tikai to izpausmes dažādās teorijās var atšķirties detaļās. Pēc kārtas par visiem spēkiem tagad, šis tas sāk jau skaidroties.

Stiprais [kodol]spēks. Ja sākām ar kvarkiem, tad jāsāk ar stipro spēku. Visstiprākais no dabas spēkiem. Darbojas ļoti niecīgos attālumos, vidēja atoma kodola izmēra attālumā - ļoti mikroskopisks skaitlis. Satur kopā kvarkus protonā vai neitronā un satur kopā pašus protonus un neitronus atoma kodolā. Spēka nesējdaļiņa ir bozons, kuru sauc par gluonu (no glue - līme). Te arī jau pieminētais "krāsu" lādiņš parādās - kvarkiem ir krāsu lādiņi (katram kvarkam viena no 3 krāsām), bet gluonam ir krāsu lādiņa kombinācija. Gluonam, mijiedarbojoties ar kvarku, tiek pārnesti krāsu lādiņi, atšķirīgas krāsas pievelkās. Tā arī darbojas stiprais spēks. Gluons viens pats dabā nepastāv, tā ir virtuāla daļiņa, kas parādās tikai mijiedarbībā. Tāpat gluons mijiedarbojas ar citiem gluoniem un rada jaunus gluonus. To dabā pagrūti iztēloties, tāpēc nemaz nevajag lauzīt galvu. Tālākajā sarunā sekos vēl interesanti fenomeni, kas nav viegli iztēlojami prātā. Saliekot kopā gluona īpašības, speciālisti secina, ka tiem ir izteiktas stīgas nevis punkta īpašības. Bet par to arī vēlāk. Ejam tākāk.

Elektromagnētiskais spēks. Otrs stiprākais dabas spēks, vispopulārākais un visvieglāk prātam uzveramais. Šī spēka nesējdaļiņa ir fotons, beidzot kāds dzirdēts vārds. Darbojas bezgalīgos attālumos. Visa vieliskā pasaule, visa ķīmija, kas sevī ietver visu bioloģiju, ir tikai un vienīgi elektromagnētiskā spēka izpausme. Elektrons un protons apmainās ar fotoniem, tā veidojot atomu. Kad atomi sāk koplietot elektronus, notiek ķīmiskā reakcija, veidojas saites starp atomiem. Visa ķīmija, rupji sakot, ir elektronu koplietošana. Vai to kāds ķīmijas skolotājs kādreiz ir uzsvēris? Savukārt visa bioloģija ir ļoti sarežģīta ķīmija un nekāda vielu personificēšana nav nepieciešama. Jautājums varētu rasties, kāpēc vienos gadījumos, apmainoties ar spēka nesējdaļiņām, notiek vielas daļiņu pievielkšanās, bet citās atgrūšanās. Šis ir iztēles jautājums. Var iztēloties bumbiņas mētāšanu, bet man ienāca prātā puzzles gabaliņi - attiecīgi caurumus iztēlojas kā negatīvu lādiņu, bet tos izvirzījumus kā pozitīvu lādiņu. Pretējie savietojās - pievelkās un turās kopā labi, vienādie atgrūžas un nekādi neturas kopā. Tāpat rodas jautājums, kāpēc elektrons netiek pievilkts pie protona pavisam, ja reiz tiem ir pretēji lādiņi? Tāpēc, ka klasiskais iztēlojums, ka elektrons riņķo ap protonu ir maldinošs. Elektronu jāiztēlojas kā mākoni, kas aptver atoma kodolu. Elektrons var atrasties jebkurā brīdī jebkurā pozīcijā tajā mākonī. To gudro lietu sauc par kvantu mehāniku. Par to vēl būs saruna.
Vēl par fotoniem. Fotoni ir spēka nesējdaļiņas un tām nav masas. Pēc Einšteina, tikai daļiņa bez masas var pārvietoties ar gaismas ātrumu, ko fotoni arī dara. Fotonu plūsmai ir gan daļiņu, gan viļņu īpašības. Visapkārt nepārtraukti notiek fotonu starojumi vai kā normāli to sauc - elektromagnētiskais starojums. Radioviļņi (TV, mobilie sakari utml), mikroviļņi, infrasarkanais starojums (siltums), redzamā gaisma, ultravioletais starojums (tas, no kā iesauļojās), gamma starojums (radioaktīvais starojums) - šie visi ir elektromagnētiskie starojumi, visi ir viena veida enerģija, fotonu plūsma, tikai ar dažādiem viļņu garumiem. Jo garāks vilnis, jo vājāks starojums. Gamma starojumam ir visīsākais viļņa garums, tātad visspēcīgākais starojums, t.i., starojums ar ļoti lielu enerģiju, tāpēc arī kaitīgs. Kā rodas elektromagnētiskais starojums? No fizikas zinām, ka elektroniem ir vairāki enerģijas līmeņi. Kad elektroni maina enerģijas līmeni uz zemāku, tie izdod enerģiju - elektromagnētisko starojumu. Jo intensīvāk notiek process un jo lielāka enerģija ir elektronam, jo spēcīgāks ir elektromagnētiskais starojums, t.i., lielāka tā frekvence. Piemēram, redzamajai gaismai ir lielāka frekvence nekā siltuma starojumam, tāpat siltuma starojumam ir lielāka frekvence nekā mikroviļņu starojumam, tāpēc, lai beidz stāstīt blēņas, ka mikroviļņi ir kaitīgi. Cits jautājums ir par to, ka atsevišķas ierīces pa baru var izstarot arī kādu augstas frekvences staru, kaut ko tuvu gamma starojumam. Piemēram, vecie televizori, kur kineskopā ir augsta sprieguma strāva. Arī zibens izstaro gamma starus nelielā porcijā.
Vēl par atomu kodolu veidošanu. Par cik elektromagnētiskajam spēkam piemīt arī atgrūšanās īpašības, tad divi protoni nu nekādi nevar turēties kopā, pat stiprais spēks tos nespēj "salīmēt". Tāpēc atomu kodolu sastāva ir būtiska nozīme neitroniem. Stiprais spēks salīmē protonus ar neitroniem tā, lai neitroni ir starp protoniem. Protoni gan jūt savstarpēju atgrūšanos tāpat, bet šādā gadījumā stiprais spēks ir spēcīgāks un kodols turās kopā. Stiprais spēks pavājinās lielu atomu kodolu gadījumos kodolu ārējās daļās (atcerieties stiprā spēka darbības attālumus), bet par kodolu dalīšanos nākamajā rindkopā.

Vājais [kodol]spēks. Krietni vājāks par elektromagnētisko spēku un darbojas vēl īsākos attālumos nēkā stiprais spēks (1/1000 daļa protona diametra). Vidējam prātam visgrūtāk iztēlojamais un uztveramais spēks, šķietami pat nenozīmīgs spēks, bet ir gluži pretēji. Šim spēkam ir ļoti būtiska nozīme visa pastāvēšanā. Ezotēriķi šim spēkam pat piešķir mistisku statusu, bet lai viņi paliek pie sava. Te gan varbūt nāksies nedaudz piepūlēt smadzeni.
Šī spēka nesējdaļiņas ir W (W+ un W-) un Z bozoni un tā izpausme ir ļoti interesanta. Atcerēsimies leptonus. Teicu, ka mums interesē tikai elektrons, bet tā nav. Tagad mums interesē arī daļiņa, ko sauc par neitrīno. Precīzāk šeit runa būs par elektronu neitrīno, jo ir vēl citi, kas mums neintersē. Rupji sakot, neitrino ir tas pats, kas elektrons tikai bez lādiņa un ar niecīgu masu. Neitrīno ir daļiņas, kas "plūst" cauri visam nepārtraukti, bet tās uz vielas daļiņām iedarbojas "vāji" - t.i. - ar vājo spēku (un gravitāciju, par ko būs saruna vēlāk), bet nekādi ar stipro vai elektromagnētisko spēku. Šādas daļiņas ir ļoti grūti detektēt, jo jebkurš aparāts ir būvēts no vielas, bet neitrino ar vielu tikpat kā nemijiedarbojās. Tas iziet atomam cauri nemanīts. Bet dažos gadījumos tam tomēr izdodas ietekmēt vielas daļiņas. Normālam atoma kodolam, kur protonu un neitrionu skaits ir atbilstošs, nekas nenotiek, bet kodolā, kurā neitronu ir vairāk nekā vajag, notiek neitrona sabrukšana. Neitrons kā daļiņa ir nestabila, tas ir stabils tikai saistībā ar protonu. Šā fakta izskaidorjumi ir visai nekonkrēti. Atcerēsimies, ka neitrons bija nedaudz smagāks par protonu, jo veidots no diviem D kvarkiem, kur D kvarks ir nedaudz smagāks par U kvarku. Dabā viss tiecas ieņemt zemāko enerģijas stāvokli, t.i., sabrukt, tāpēc neitrons cenšas sabrukt par protonu. Cits skaidrojums ir, ka neitrons "jūt" protona elektromagnētisko spēku vairāk kā vājo spēku un tāpēc ir stabils kopā ar protonu. Kodolos, kur neitronu skaita attiecība pret protonu skaitu ir pārāk liela, kādi neitroni var sākt sabrukt, tā rezultātā radot pilnīgi citu vielu. Kā zināms no Mendeļējeva tabulas, tad vielu raksturo tās protonu [arī neitronu] skaits atoma kodolā. Bet kā tad tieši sabrūk? Kad neitrīno nonāk zināmā "kontaktā" ar neitronu, kuru nesaista protons, W+ bozons (pozitīvi lādēta vājā spēka nesējdaļiņa) pārceļo no neitrino uz neitronu un izmaina vienu D kvarku par U kvarku. Rezultātā rodas protons, kas paliek atoma kodolā, tiek izstarots elektrons un antineitrīno (pēdējo var neatcerēties, tas izriet no vienādojumiem). Izstarotos elektronus šāda procesa ietvaros sauc par beta starojumu, bet sabrukšanas procesu par beta sabrukšanu. Šis ir viens no radioaktīvā starojuma veidiem (atcerieties, alfa, beta un gamma starojumi), lai gan formāli alfa un beta starojumus par starojumiem nevar saukt, jo tie nav fotoni. Starojumi formāli ir tikai elektromagnētiskie starojumi, kas minēti iepriekš.
Vēl interesanti. W+ bozons ir spēka nesējdaļiņa ar visai lielu masu - tūkstoškārt lielāka nekā D kvarkam un miljards reižu lielāka nekā neitrīno. Tas vēl joprojām ir jautājums, kā neitrīno emitē W+ bozonus. Tālāk, iespējams, būs versijas par to. Vājā mijiedarbība notiek arī caur W- (protons pārtop neitronā, ja ir pietiekami enerģijas) un Z (mainās tikai skartās elementārdaļiņas enerģija) bozoniem, bet nu pagaidām būs gana par šo.

Vēl par sabrukšanu.
Droši vien dzirdēta tāda metode kā radioaktīvā oglekļa metode. Normālam ķīmiskajam elementam ogleklim ir 6 protoni un 6 neitroni. Dabā nelielā daudzumā eksistē arī citi oglekļa "paveidi" jeb izotopi, kuriem ir 6 protoni un 8 neitroni. Kā jau runāts, šie neitroni pamazām sabrūk diezgan konstantā ātrumā (ko sauc par pussabrukšanas periodu, kad puse vielas ir sabrukusi). Šādam ogleklim sabrūkot, rodas ķīmiskais elements ar 7 protoniem un 7 neitroniem un pēc tabulas redzam, ka tas ir slāpeklis. Tātad rodas pavisam cita viela!! Un to visu veica vājais kodolspēks. Līdzīgi notiek smagajos elementos, piemēram, urānā, kur protonu un neitronu skaits ir ap 234-238. Tagad, kad zinām, kā sabrūk neitroni un no iepriekšējā zinām, ka protoni atgrūžas, ja starp tiem nav neitrona, tad lielos atoma kodolos var rasties situācija, kad neitrons sabrūk par protonu, bet jaunajam protonam "blakus" atrodas cits protons, kas jauno atgrūž. Liela kodola ārējās robežās (atceramies, ka stiprais spēks darbojas vidēja kodola izmēra attālumos) esošie protoni vairāk jūt elektromagnētisko spēku nekā stipro spēku tādēļ "tuvumā" esošais jaunais protons tiek atgrūsts, un tiek atgrūsts kopā ar tam pielīmētiem pāris neitroniem un vēl vienu protonu. Tātad no lielā kodola tiek izmesti 2 protoni un 2 neitroni, kas ir hēlija atoma kodols jeb alfa daļiņa. Šādu daļiņu izmešanu un plūsmu sauc par alfa starojumu, bet procesu par alfa sabrukšanu. Kā jau iepriekš runāts, tad neitrona sabrukšana par protonu izmet elektronu, kas ir beta starojums. Alfa un beta sabrukšanas procesiem parasti seko arī gamma starojums, kas ir fotonu ar lielu enerģiju plūsma. Tāpēc, sabrūkot smagam elementam urānam, radīsies visu 3 veidu starojumi. Vieglākiem radioaktīvajiem elementiem būs beta un gamma starojumi.
Kāpēc vājais spēks ir tik būtisks? Bez šī spēka nebūtu iespējamas kodolreakcijas, nebūtu ne saules, ne zvaigžņu.