Biosoft


Institutul de tehnologii bioinformationale

Aventura particulelor elementare – Partea a IV-a:Dezintegrări şi anihilări de particule

Ce este o dezintegrare? Modelul Standard explică de ce anumite particule se descompun în alte particule. Prin dezintegrare nucleară, un nucleu atomic se poate dezintegrează în nuclee mai mici. Ceea ce are logică: o grămadă de protoni şi neutroni se împart în grămăjoare mai mici de protoni şi neutroni. Dar dezintegrarea unei particule fundamentale nu poate însemna divizarea în constituenţi, pentru că „fundamental” înseamnă ca nu are constituenţi. Aici, dezintegrarea particulelor se referă la transformarea unei particule fundamentale în alte particule fundamentale. Acest tip de dezintegrare este ciudat, pentru că produşii finali nu sunt părţi componente ale particulei ce s-a descompus, ci particule cu totul noi.

Aventura particulelor elementare - Partea a IV-a:Dezintegrări şi anihilări de particule

  • Dezintegrare de nucleu (fisiune nucleară)
  • Dezintegrare de particulă elementară

În această secţiune vom discuta despre diferite tipuri de dezintegrare, cum se produc şi în ce circumstanţe o dezintegrare poate avea loc sau nu.

Radioactivitate

La sfârşitul anilor 1800, fizicianul german Wilhelm Röntgen a descoperit o rază ciudată produsă când un fascicol de electroni lovea o bucată de metal. Din moment ce erau raze de natură necunoscută, le-a numit “raze X”.

La două luni după această descoperire, fizicianul francez Henri Becquerel studia fluorescenţa, când a descoperit că plăcile fotografice erau activate în prezenţa unor minereuri, chiar dacă plăcile erau învelite în hârtie neagră. Becquerel a realizat că aceste materiale, care conţineau uranium, emiteau raze energetice fără a consuma energie.

Uimitor! Câteva elemente grele emit raze X. Câteva chiar strălucesc la întuneric. Copiii mei vor iubi lucrul acesta!

Experimentele lui Becquerel au arătat că anumite procese naturale trebuie să fie responsabile pentru eliberarea de raze X de către anumite substanţe. Acest lucru a sugerat că anumite elemente erau inerent instabile întrucât eliberau spontan diverse forme de energie. Această eliberare a particulelor energetice datorită dezintegrării nucleelor instabile de atomi este denumită radioactivitate.

Particule radioactive

În cele din urmă, oamenii de ştiinţă au identificat câteva tipuri diferite de radiaţie, particulele rezultând din dezintegrările radioactive. Cele trei tipuri de radiaţie au fost numite dupa primele litere ale alfabetulul grecesc: alfa, beta şi gama.

Particulele alfa sunt nuclee de heliu (2p, 2n).

Particulele beta sunt electroni rapizi.

Radiaţia gamma reprezintă un foton de înaltă energie.

Aceste trei forme de radiaţie pot fi diferenţiate de un câmp magnetic deoarece particulele alfa încărcate pozitiv se curbează într-o direcţie, particulele beta încărcate negativ în direcţia opusă şi radiaţia gama neutră din punct de vedere electric nu se curbează deloc. Particulele alfa pot fi oprite de o foaie de hârtie, particulele beta de aluminiu, iar radiaţia gama de un perete de plumb. Radiaţia gama poate pătrunde foarte adânc printr-un material şi astfel ea reprezintă cel mai mare pericol când se lucrează cu materiale radioactive, cu toate că toate tipurile de radiaţie sunt foarte periculoase. Din păcate, oamenilor de ştiinţă le-a trebuit mulţi ani pentru a realiza riscurile, pericolele grave ale radioactivităţii…

Bloc de plumb cu gaura (Lead Block with hole). Substanţă radioactivă (Radioactive sample).

Confuziuni despre dezintegrări radioactive

Un număr mare de elemente chimice grele au ca produs de dezintegrare un element chimic mai simplu. Dar o observaţie mai atentă asupra acestor diviziuni dezvăluie diferite surse posibile de confuzie.

Să considerăm dezintegrarea atomului de Uraniu-238.

O cantitate de uraniu-238 se va dezintegra într-un ritm constant, astfel că în aproximativ 4.460.000.000 de ani, jumătate din uraniu va dispărea. Dar nu există nici o cale de a spune când anume un anumit atom de uraniu se va dezintegra; ar putea să se dezintegreze în cinci minute sau în zece miliarde de ani. De ce se dezintegrează un atom numai conform unei probabilităţi?

Uraniu-238 are o masă de 238,0508 unităţi atomice de masă(u). Se poate dezintegra în toriu (234,0436 u) şi o particulă alfa (4,0026). Dar masa uraniului minus masa componentelor dezintegrării sale are valoarea de 0,0046 u. O parte din masă aşadar lipseşte. Unde s-a dus această masă?

O privire în interiorul nucleului

Vom răspunde la aceste întrebări în curând, dar mai întâi să analizăm natura nucleului şi mecanica cuantică.

Protonii sunt pozitivi şi din punct de vedere electric se resping unul pe celălalt. Un nucleu ar exploda dacă protonii şi neutronii nu ar fi “lipiţi” împreună de particulele gluon care influenţează fiecare parte a nucleului, Aceasta este numită forţa reziduală tare.

Gândiţi-vă la un nucleu ca la un arc strâns în formă de spirală, ce reprezintă repulsia electrică, ţinută îm frâu de o frânghie foarte mare, care reprezintă forţa reziduală. Chiar dacă există o mare energie conservată în arc, aceasta nu poate fi eliberată deoarece frânghia este prea puternică.

Dacă se poate întâmpla, se va întâmpla cu siguranţă!

Particulele subatomice nu se comportă deloc ca obiectele din fiecare zi. Nu putem spune cu exactitate ce va face o anumită particulă, ci doar ce probabilitate are o particulă de a face lucrul acela. Particulele se mişcă peste tot la fel ca şi obiectele obişnuite, au un impuls şi au de asemenea proprietăţi unei undă. Mecanica cuantică, baza matematică pentru teoriile noastre despre particule studiază comportarea particulelor în termeni probabilistici.

Protonul este cel mai probabil să fie aici … dar ar putea fi aici … sau aici … Deoarece particulele au proprietăţile de undă, este imposibil să ştim în acelaşi timp şi poziţia şi impulsul unei particule. Chiar dacă este mai uşor să privim particulele ca nişte sfere (aşa cum le-am reprezentat pe parcursul întregului site), acest lucru induce în eroare, întrucât ele sunt reprezentate mai degrabă de nişte regiuni neclare, în care se va găsi cu siguranţă particula.

Protonii şi neutronii migrează peste tot înăuntrul unui nucleu. Există o foarte mică şansă ca o conglomeraţie de doi protoni şi doi neutroni (care formează o particulă alfa) să poată în acelaşi timp să migreze în afara nucleului. Acest lucru ar putea fi posibil mai degrabă într-un nucleu mai mare, decât într-unul de dimensiuni mici.

Atunci asupra particulei alfa nu ar mai acţiona forţa reziduală tare, care o bloca în interiorul nucleului, şi asemenea unui arc lăsat liber dintr-o dată, particula alfa încărcată electric cu o sarcină electrică negativă ar zbura afară din nucleu.

Ideea că “dacă e posibil să se întâmple, se va întâmpla cu certitudine!” este o idee fundamentală a mecanicii cuantice. Pentru unii atomi există o anumită probabilitate să sufere o dezintegrare radioactivă datorită faptului că nucleul poate să existe pentru un interval foarte scurt într-o stare care îi permite să explodeze.

Timp de înjumătăţire

O canitate de uraniu se va dezintegra treptat, un nucleu, apoi altul şi tot aşa. Rata dezintegrării este exprimată de timp este nevoie pentru ca jumătate din atomii de uraniu să se dezintegreze (timp de înjumătăţire). Exact când anume se dezintegrează un anumit nucleu de uranium este complet imprevizibil, dar putem prezince exact modul în care o anumită cantitate de uraniu se va dezintegra.

“Crezi că a câştiga la loterie are şanse mici? S-o crezi tu! Eu (atomul de Uraniu 238) am şansă jumi-juma de a mă dezintegra o dată la patru miliarde de ani! (mai precis, o data la 4.460.000.000 ani!)

Este supărător să credem că şansa poate conduce proprietăţile fizice. Ca răspuns la această teorie, Einstein a spus ,,Dumnezeu nu dă cu zarul!’’ (Dar Einstein s-a înşelat.)

Masa lipsă

Încă avem nevoie să răspundem la întrebarea unde ajunge masa lipsă în urma unei dezintegreazări radioactive. Aminteşte-ţi că am spus că atunci când uraniul se dezintegrează în thorium şi o particulă alpha, se pare că 0.0046 u din masă a fost pierdută.

După cum  a spus Einstein, masa este o formă de energie!

Când un  nucleu de uraniu se dezintegreazp radioactiv, o parte din masa lui este transformată în energie cinetică (energia particulelor emise în mişcare). Această transformare a energiei este observată ca o pierdere de masă.

Mediatori de dezintegrări de particule

În timp ce nucleul unui atom se poate dezintegra într-un nucleu mai puţin masiv prin diviziune, cum se dezintegrează o particulă fundamentală în alte particule fundamentale? Particulele fundamentale nu se pot divide întrucât ele nu au constituenţi, dar ele se transformă în alte particule.

Rezultă că atunci când o particulă fundamentală se dezintegrează, ea se schimbă într-o particulă mai puţin masivă şi o particulă purtătoare de forţă (totdeauna un boson W pentru dezintegrările particulelor fundamentale). Aceste particule purtătoare de forţă se pot dezintegra la rândul lor ca alte particule. Deci, o particulă nu doar se schimbă într-un alt tip de particulă; există o particulă intermediară purtătoare de forţă care mediază dezintegreazările particulelor.

În multe cazuri, aceste particule purtătoare de forţă care trăiesc pentru un timp foarte scurt par să violeze conservarea energiei întrucât masa lor este mai mare decât energia disponibilă în reacţie. Totuşi, aceste particule trăiesc atât de puţin încât, datorită Principiului incertitudinii al lui Heisenberg, nici o regulă nu este încălcată. Particulele acestea se numesc particule virtuale.

Un cuarc charm (c) se dezintegrează într-o particulă mai puţin masivă, anume în cuarcul strange (s) şi o particulă purtătoare de forţă (bosonul W) care se dezintegrează apoi în cuarci up (u) şi down (d).

Principiul incertitudinii cuantice (Principiul lui Heisenberg)

În 1927, Werner Heisenberg a realizat că este imposibil să măsurăm exact atât poziţia unei particule, cât şi impulsul ei. Cu cât determinăm mai precis pe una dintre ele, cu atât mai puţin o ştim pe cealaltă. Acest principiu este denumit Principiul incertitudinii al lui Heisenberg şi este o proprietate fundamentală a mecanicii cuantice.

Putem să exprimăm acest principiu şi în termeni de energie şi timp: Acest lucru înseamnă că dacă o particulă trăieşte doar o perioadă foarte scurtă de timp, nu poţi afla cu precizie energia ei. O particulă care trăieşte puţin ar putea avea o energie extrem cu o mare incertitudine, ceea ce conduce la ideea particulelor virtuale.

Particule virtuale

Particulele se dezintegrează prin intermediul particulelor purtătoare de forţe. Însă în unele cazuri, o particulă poate să se descompună printr-o particulă purtătoare de forţă într-o particulă cu masa mai mare decât particular iniţială. Aceste particule care trăiesc puţin, au masă mare şi sunt purtătoare de forţă par să violeze legile conservării energiei şi masei – masa lor nu poate să apară pur şi simplu de nicăieri!

Un rezultat al principiului incertitudinii al lui Heisenberg este că aceste particule de masă mare pot să existe cu adevărat dacă ele au o durată de viaţă extrem de scurtă. Astfel, ele scapă de nevoia de a respecta conservarea energiei, care este conservată doar înainte şi după. Astfel de particule sunt numite particule virtuale.

Particulele virtuale nu violează conservarea energiei. Energia cinetică plus masa particulei iniţiale care se dezintegrează sunt egale cu masa produsele finale de dezintegrare plus energia lor cinetică. Particulele virtuale au o durată de viaţă atât de scurtă încât ele nu pot fi niciodată observate.Majoritatea proceselor ce implică particule sunt mediate de către particule purtătoare virtuale, precum dezintegrarea beta a neutronului, producerea particulelor ce conţin cuarcul charm şi dezintegrarea particule eta-c, exemple pe care le vom explora în profunzime în curând.

O dezintegrare mediată de gluon implică sarcina de culoare, dar nu sarcina electrică şi este o interacţie tare. O dezintegrare mediată de bosonii W+ şi W- implică sarcina electrică şi nu sarcina de culoare şi este o interacţie slabă.

Anihilări

Bineînţeles că anihilările nu sunt dezintegrări, dar ele au de asemenea loc prin intermediul particulelor virtuale. Într-o anihilare, o particulă de materie şi o particulă de antimaterie se anihilează complet una pe cealaltă transformându-se în energie.

Acest lucru înseamnă că ele interacţionează unele cu altele, transformând energia existenţei lor precedente într-o particulă foarte energetică purtătoare de forţă (un gluon, W/Z sau un foton). Aceste transportoare de forţă,  la rândul lor, sunt transformate în alte particule.

Destul de des, fizicienii vor anihila două particule cu energie foarte mari pentru a crea particule nou şi masive.

Dezintegrări în camera cu bule

Aceasta este o fotografie reală dintr-un detector format din o cameră cu bule când un antiproton (intrând din partea de jos a imaginii) s-a ciocnit cu un proton (în repaus) şi s-au anihilat reciproc. Opt pioni au fost produşi în această anihilare. Unul s-a dezintegrat într-un muon + şi un neutrino. Traiectoriile pionilor pozitivi şi ale pionilor negativi se curbează în sensuri opuse în câmpul magnetic, iar neutrinul neutru nu lasă nici o urmă în detector.

Camerele cu bule sunt un tip mai vechi de detector. Când particulele încărcate electric trec printr-o cameră cu bule, ele lasă în urmă un şir de bule mici în urma lor, astfel încât putem vedea traiectoriile particulelor.
Am vorbit mult despre dezintegreazări şi anihilări, deci haideţi să ne uităm la câteva exemple ale acestor procese.

Dezintegrarea nucleară beta

Un neutron (udd) se transformă într-un proton (uud), un electron şi un antineutrino. Acest fenomen este numit dezintegrare beta. (Termenul de radiaţii beta a fost folosit pentru electroni în dezintegrările nucleare d eoarece nu se ştia că aceia erau electroni!)

Cadrul 1: Neutronul (sarcina electrică 0) alcătuit din un cuarc up şi doi cuarci down

Cadrul 2: Unul dintre cuarcii down este transformat într-un cuarc up. Din moment ce cuarcul down are o sarcină de -1/3 şi cuarcul up are o sarcină de 2/3, înseamnă că procesul este mediat de o particulă W virtuală, care transportă la distanţă o sarcină de -1 (astfel sarcină se conservă!)

Cadrul 3: Noul cuarc se reuneşte departe de W- emis. Neutronul a devenit acum un proton.

Cadrul 4: Un electron şi un antineutrino apar după dispariţia bosonului virtual W-.

Cadrul 5: Protonul, electronul şi antineutrinul se îndepărtează unii de alţii. Etapele intermediare ale acestui process se petrec în aproximativ o miliardime de miliardime de miliardime se secundă şi nu sunt observabile.

Anihilări de electron şi pozitron

Când un electron şi un positron (antielectron) se ciocnesc la energie mare, ei se pot anihila pentru a produce cuarci charm care produc apoi mesoni D+ şi D-.

Cadrul 1: Electronul şi pozitronul se îndreaptă spre moartea lor sigură.

Cadrul 2: Ei se ciocnesc şi se anihilează, eliberând cantităţi uriaşe de energie.

Cadrul 3: Electronul şi pozitronul au anihilat într-un foton sau o particulă Z, ambele putând fi particule virtuale purtătoare de forţă.

Cadrul 4: Un cuarc charm şi un anticuarc charm apar prin dezintegrarea particulei virtuale purtătoare de forţă.

Cadrul 5: Ei încep să se îndepărteze unul de celălalt, întinzând câmpul forţei de culoare (câmpul gluonului) între ei.

Cadrul 6: Cuarcii se îndepărtează mai departe, răspândind mai departe câmpul forţei lor.

Cadrul 7: Energia din câmpul forţei creşte odată cu distanţa  dintre cuarci. Când există suficientă energie în câmpul forţei, energia este transformată într-un cuarc şi un anti-cuarc.

Cadrele 8-10: Cuarcii se separă în particule diferite, neutre din punct de vedere al culorii: mesonii D+ (un cuarc charm şi un cuarc anti-down) şi D- (un cuarc anti-charm şi un cuarc down).

Etapele intermediare ale acestui proces se petrec în aproximativ o miliardime de miliardime de miliardime de secundă şi nu sunt observabile.

Producţia unei perechi de cuarc top-cuarc antitop

Un cuarc (din interiorul unui proton) şi un anticuarc (dintr-un antiproton)  care se ciocnesc la energie mare se pot anihila reciproc pentru a produce un cuarc top şi un anticuarc top (sau un cuarc antitop, sau un anticuarc antitop, depinde cum vreţi să le spuneţi), care se descompun apoi în alte particule.

Cadrul 1: Unul dintre cuarcii protonului şi unul dintre anticuarcii antiprotonului se îndreaptă spre o ciocnire.

Cadrul 2: Cuarcul şi anticuarcul se ciocnesc şi se anihilează…

Cadrul 3:…în gluoni virtuali.

Cadrul 4: Un cuarc top şi un cuarc antitop apar din norul de gluoni.

Cadrul 5: Aceşti cuarci încep să se distanţeze, întinzând câmpul forţei de culoare (câmpul gluonului) între ei.

Cadrul 6: Înainte de îndepărtarea cuarcului top şi a anticuarcului,  are loc dezintegrarea lor într-un cuarc bottom şi un cuarc antibottom cu emisiunea particulelor W purtătoare de forţă.

Cadrul 7: Noul cuarc bottom şi cuarcul antibottom se reunesc departe de particulele W emise care sunt purtătoare de forţă.

Cadrul 8: Un electron şi un neutrino apar prin dezintegrarea unui boson virtual W-, iar un cuarc up şi un anticuarc down apar prin dezintegrarrea unui boson virtual W+.

Cadrul 9: Cuarcul botton şi anticuarcul bottom, electronul, neutrino, cuarcul up şi anticuarcul down se mută cu toţii departe unii de ceilalţi.

Ce este în neregulă cu imaginea? Răspuns: Am ignorat câmpul forţei de culoare care se dezvoltă pe măsură ce cuarcul b şi anticuarcul b se îndepărtează unul de celălalt. Această energie este transformată într-o altă pereche cuarc/ anticuarc; până la urmă, rămân doar particule distincte, neutre din punct de vedere al culorii (mesonii B). La fel este adevărat pentru cazul cuarcului u şi a anticuarcului d. Pentru a vedea ce s-a întâmplat cu adevărat, priviţi un proces analog din imaginea cu e+ and e- –> D+ and D-.

Etapele intermediare ale acestui proces se petrec în aproximativ o miliardime de miliardime de miliardime de de secundă şi nu sunt observabile.


August 3rd, 2009
Topic: Articole, Generale Tags: None

≡ Leave a Reply