Αρχική Σελίδα > Οι Φυσικές Επιστήμες στις αρχές του 21ου αιώνα. Μέρος Τέταρτο. Κβαντικά φαινόμενα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, στο ισχυρό πυρηνικό και το ασθενές πυρηνικό πεδίο

Οι Φυσικές Επιστήμες στις αρχές του 21ου αιώνα. Μέρος Τέταρτο. Κβαντικά φαινόμενα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, στο ισχυρό πυρηνικό και το ασθενές πυρηνικό πεδίο

της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας Χημικού

Ένα ποιήμα του Γιάννη Ρίτσου

έρχεται δώρο ,

από την περασμένη χιλιετία,

στα παιδιά της κβαντικής πραγματικότητας

Η σύγχρονη αντίληψη για τον μαγνητισμό έχει ως αρχή ότι όλα τα μαγνητικά φαινόμενα προκύπτουν στην πραγματικότητα από σχετικιστικά φαινόμενα, που προκύπτουν από σχετική κίνηση μεταξύ του παρατηρητή και των φορτισμένων σωματιδίων. (Βικιπαίδεια)

Στον κόσμο των κβαντικών σωματιδίων που βρεθήκαμε όπου συναντάμε ταυτόχρονα ηλεκτρικά φορτία και ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ή σωματίδια και κβάντα,

καλό είναι να θυμηθούμε και να δούμε κάποια βασικά πράγματα , όπως τα μαγνητικά, ηλεκτρικά, ή ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα

Ακόμα το ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το κβάντο και τα σωματίδια που φέρουν ηλεκτρικό ή μαγνητικό φορτίο

και πως μπορούν να ενταχθούν ή να συσχετιστούν μεταξύ τους και με τα κβαντικά φαινόμενα.

Στο κεφάλαιο αυτό έδωσα κάποιες ενδεικτικές περιπώσεις αλληλοεπίδρασης σωματιδίων (συμπεριλαμβανομένου και του ηλεκτρονίου που το περνάμε σαν ηλεκτρικό ρεύμα και παύει να μας προβληματίζει η συμπεριφορά του σαν σωματίδιο.

,Συγκέντρωσα όσες πληροφορίες μπόρεσα που να ερμηνεύουν την συμπεριφορά τους και τις αλληλοεπίδρασεις τους

Σε ορισμένες περιπτώσεις έδωσα κάποιες δικές μου σκέψεις για κάποια φαινόμενα πάντα βέβαια με επιφύλαξη για προφανείς λόγους

Α. Ας ξεκαθαρίσουμε ορισμένες γενικές απορίες ...

Πότε επικρατεί το κυματικό μοντέλο και πότε το σωματιδιακό

Στο κυματικό μοντέλο έχουμε διάδοση που δεν περιλαμβάνει ανταλλαγή στην ενέργεια μεταξύ φωτονίων ηλεκτρονίων ή ατόμων. Αντίθετα παρατηρούνται κυματικά φαινόμενα της συμβολής της διάθλασης, και ανάκλασης.

Στον σωματιδιακό τύπο μπορεί να έχουμε ανταλλαγή ενέργειας και ανελαστική κρούση

Ποιος είναι ο τρόπος που παράγονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα;

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παράγονται από επιταχυνόμενα ηλεκτρικά φορτία.

Κατά αντίστοιχο τρόπο, ηλεκτρομαγνητικά κύματα δημιουργούνται επίσης, όταν ένα ηλεκτρόνιο κάποιου ατόμου χάνει μέρος της ενέργειάς του και μεταπίπτει σε χαμηλότερη τροχιά ή ενεργειακή στάθμη κοντά στον πυρήνα (Βικιπαίδεια)

Υπάρχει πάντα αλληλεπίδραση σωματιδίων- σωματιδίων και κβάντων-σωματιδίων και υπό ποιες είναι οι προυποθέσεις;

Έχει αποδειχθεί ότι η αλληλεπίδραση σωματιδίων, εξαρτάται από τις διαστάσεις τους και το μήκος κύματος και την ενέργειά τους, εάν πρόκειται για κβάντα.

1. Στην κρυσταλλογραφία λ.χ. δεν αλληλοεπιδρούν. δεν παίρνουμε αποτελέσματα στην φασματοσκοπία από τις ορατές ακτινοβολίες με λ από 4-7.10^{-7 m}

Αντίθετα έχουμε αποτελέσματα που είναι φαινόμενα περίθλασης και συμβολής, που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση φωτονίων Χ με άτομα του κρυσταλλικού πλέγματος.(κυματιδιακή συμπεριφορά)

Κρυσταλλογραφούμε μόνο εάν χρησιμοποιηθούν οι ακτίνες Χ με μήκος κύματος από 0,1 έως 25. 10^{-10 m .}Που είναι συγκρίσιμο με αυτό των ακμών των κρυστάλλων. Παράδειγμα στο διαμάντι η απόσταση C-C είναι 1,54 10^{-10 m}. και η μοναδιαία κυψελίδα 3,57.10^{-10 m}

2. Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για την επίδραση ενός φωτονίου Χ σε ένα ηλεκτρόνιο (με ανελασική κρούση - σωματιδιακή συμπεριφορά)

Το φωτόνιο σε ορισμένες περιπτώσεις εκδιώκει το ηλεκτρόνιο του ατόμου και το καθιστά ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Για να συμβεί αυτό πρέπει το φωτόνιο να έχει μια ελάχιστη τιμή ενέργειας (ενέργεια εξαγωγής =h f₀)

Πότε τα κβάντα είναι ανιχνεύσιμα;

Εξαρτάται από την ενέργειά τους. Η ιδέα του φωτονίου επινοήθηκε πρώτα στην μελέτη του ορατού φωτός. Στην περιοχή των ακτινοβολιών Χ η ενέργεια των φωτονίων είναι αρκετά μεγάλη ώστε ανιχνεύονται και μεμονωμένα φωτόνια. Ένα φωτόνιο ακτινοβολίας γ είναι ένα γεγονός με σημαντική ενέργεια και παρατηρείται σε πολλούς ανιχνευτές.

Γενικά η ιδέα του φωτονίου κυριαρχεί όσο επικρατούν μεγαλύτερες συχνότητες και τότε τα φωτόνια και γίνονται ευκολότερα ανιχνεύσιμα

Αντίθετα τα κυματικά φαινόμενα, (περίθλαση, συμβολή) γίνονται λιγότερο φανερά

Ένας ανιχνευτής δέκτης τηλεπικοινωνίας ανιχνεύει περίπου 10¹⁰ φωτόνια/δευτερόλεπτο

Ενέργεια κβάντου ραδιοκυμάτων 0-10^-6 eV και συχνότητα 0-300 ΜΗz

Ενέργεια φωτονίου (κβάντο ορατής ακτινοβολίας) 1,6 - 3,2 eV και συχνότητα 400-800THz

Ενέργεια κβάντου ακτινοβολίας Χ 1200 eV - 2,4 ·10 ⁵ eV και συχνότητα 3· 10 ¹⁷Hz - 5· 10 ¹⁹ Hz

Ενέργεια κβάντουακτινοβολίας γ είναι 10^-14 eV και συχνότητα

Τότε τα κβάντα των ραδιοκυμάτων δεν είναι εύκολα ανιχνεύσιμα λόγω την χαμηλής τους συχνότητας και ενέργειας

Αντίθετα σε περιοχές χαμηλών συχνοτήτων και ενέργειας (ραδιοκύματα) , δεν ανιχνεύονται εύκολα φωτόνια και έχουμε κυματική συμπεριφορά της ακτινοβολίας

Οι ραδιοηλεκτρολόγοι εξακολουθούν να χρησιµοποιούν στους υπολογισµούς τους την κλασική Η/Μ θεωρία η οποία δίνει αξιόπιστες προβλέψεις στις χαµηλές συχνότητες

Πότε όμως επικρατεί το κυματικό μοντέλο και πότε το σωματιδιακό

Στο κυματικό μοντέλο εχουμε διάδοση που δεν περιλαμβάνει ανταλλαγή στην ενέργεια μεταξύ φωτονίων, ηλεκτρονίων ή ατόμων. Αντίθετα παρατηρούνται κυματικά φαινόμενα της συμβολής της διάθλασης, και ανάκλασης.

Στο σωματιακό μοντέλο παρατηρούμε ανελαστικές κρούσεις μεταξύ ηλεκτρονίωνι φωτονίων κ.α.

Ποιες είναι οι συνέπειες επενέργειας φωτονίων διαφόρων ενεργειών στα ηλεκτρόνια;

Διαφέρουν ανάλογα με την συχνόητα

Για φωτόνια υψηλών ενεργειών όπως των ακτίνων Χ έχουμε καταστροφή των βιολογικών ιστών. Διαταράσσουν την ενέργεια των μοριακών τροχιακών.

Η ενέργειά τους είναι 1000πλάσια και άνω της ενέργειας των δεσμών C_C και C-N τους οποίους καταστρέφουν με αποτέλεσμα την διάλυση του DNA που έχει τέτοιους δεσμούς κυρίως.

Στα μέταλλα έχουμε εξαγωγή φωτοηλεκτρονίων

Για φωτόνια ορατού με ενέργεια περίπου 2,5 eV, προκαλούνται χημικές μεταβολές λόγω εξαγωγής ηλεκτρονίων σε φωτοευαίσθητα υλικά (φωτογραφική πλάκα, αμφιβληστροειδή χιτώνα στο μάτι, χλωροφύλλη)

Κοσμική ακτινοβολία από το διάστημα, που περιλαμβάνει ακτινοβολία α, β, γ, και πυρήνες ηλίου αντιδρούν με άτομα του αέρα και παράγουν δεκάδες εκατομύρια δευτερογενή ηλεκτρόνια

Τι γίνεται με τα φωτόνια χαμηλών συχνοτήτων (όπως των ραδιοεπικοινωνιών);

Παρατηρείται μια συνεχής μεταφορά ενέργειας από το κύμα προς την ύλη με την μορφή θερμότητας.

Πότε τα σωματίδια μπορούν να αλληλοεπιδράσουν

Όταν μπορούν να κάνουν σύζευξη. Όταν ένα σωματίδιο μπορεί να κάνει σύζευξη τότε έχει την δυνατότητα να εκπέμψει ή να απορροφήσει ένα άλλο τα σωματίδια, αυτά ονομάζονται συζευγμένα. (παράδειγμα το ηλεκτρόνιο και το φωτόνιο )

Β Ορισμένες περιπτώσης αλληλεπίδρασης σωματιδίων στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

Αλληλεπίδραση φωτονίων υψηλών ενεργειών µε φωτόνια (δίδυμη γένεση)

Όταν η ενέργεια της σύγκρουσης στο κέντρο ορµής των δύο φωτονίων υπερβαίνει τα 2m c_e , τότε είναι δυνατόν να παραχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Η διαδικασία αυτή δρα και ως µηχανισµός απορρόφησης ακτινοβολίας γ υψηλών ενεργειών

Αντίστροφος σκεδασµός Compton

Αντίστροφος σκεδασµός Compton γιατί σε αυτή την περίπτωση, σχετικιστικά ηλεκτρόνια συγκρούονται και σκεδάζουν φωτόνια χαµηλής ενέργειας προσδίδοντάς τους επιπλέον ενέργεια με αποτέλεσμα την αύξηση της συχνότητας των φωτονίων (σωματιδιακή συμπεριφορά)

είναι τα ηλεκτρόνια που χάνουν ενέργεια αντί για τα φωτόνια.

Αλληλοεπιδράσεις ηλεκτρονίων με ποζιτρόνια. Εξαϋλωση ποζιτρoνίων

Εξαϋλωση ποζιτρoνίων: Ποζιτρόνια εξαϋλώνονται µε ηλεκτρόνια και ανάλογα µε την ενέργεια που έχουν κατά τη στιγµή αυτή δηµιουργούνται είτε φωτόνια στην χαρακτηριστική ενέργεια των 511 keV είτε φωτόνια συνεχούς φάσµατος ακτίνων γ.

Αλληλεπίδραση φωτονίων υψηλών ενεργειών µε µαγνητικά πεδία

Πρόκειται για τη διαδικασία κατά την οποία φωτόνια υψηλών ενεργειών παράγουν ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων καθώς διασχίζουν µαγνητικές δυναµικές γραµµές.

Γ. Κλασσικές θεωρητικές γνώσεις ηλεκτρισμού και μαγνητισμού στις οποίες διαπιστώνουμε την αλληλοεπίδραση σωματιδίων

Πείραμα του Oersted

Επίδραση κινούμενου φορτίου σε "ακίνητα " φορτία και προσανατολισμός των δεύτερων στον χώρο

Μια απλή εξήγηση θα μπορούσε να είναι η εξής:

Στο κλασσικό πείραμα του Oersted ενας ρευματοφόρος αγωγός δημιουργεί μαγνητικό πεδίο γύρω του. Προφανώς το ηλεκτρικό φορτίο σταθερής έντασης επηρρεάζει τυχόν ηλεκτρόνια μετάλλων που θα βρεθούν στο πεδίο που δημιουργεί και αυτό τότε το είδαν τότε σαν ένα νέο ανεξάτητο φαινόμενο και το ονόμασαν τον Μαγνητισμό

Μήπως όμως τελικά έχουμε να κάνουμε με δυνάμεις ηλεκτρικών φορτίων και μόνο; Των φορτίων

αυτών που διαρρέουν τους ρευματοφόρους αγωγούς , πάνω σε άλλα φορτία που βρίσκονται μέσα στο μέταλλο και τα οποία κινούνται σε νέες θέσεις ώστε να ισιρροπήσουν οι δυνάμεις που εμφανίζονται λόγω του πεδίου που δημιουργεί ο αγωγός;

Το ίδιο παράδειγμα για τον ηλεκτρομαγνήτη στον οποίο ( με την ίδια λογική) ο "μαγνητισμός" οφείλεται αποκλειστικά στο ηλεκτρικό πεδίο του αγωγού και στα ηλεκτρικα φορτία του μετάλλου που επαναπροσδιορίζουν την θέση τους έως ότου ισορροπήσουν.

Επιταχυνόμενο φορτίο , επαγωγικά ρεύματα και ηλεκτρομαγνητικά κύματα

Η δημιουργία ρευμάτων από μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (Επαγωγικά ) είναι κι εδώ ένα θέμα που το δεχόμαστε χωρίς επαρκείς φυσικές εξηγήσεις από τηνσύνηθη βιβλιογραφία, δηλαδή,σαν κάτι που αναντίρρητα συμβαίνει και που αποδεικνύεται κυρίως πειραματικά.

Επαγωγικά φαινόμενα

Αν προσπαθήσουμε να δώσουμε και εδώ μια λογική ερμηνεία στα επαγωγικά φαινόμενα ,το απλούστερο που μπορούμε να σκεφτούμε είναι το εξής:

Κατά το απλό πείραμα του ραβδόμορφου μαγνήτη που πηγαινοέρχεται μέσα στις σπείρες προφανώς, με την μετακίνηση του μαγνήτη στις σπείρες η θέση των προσανατολισμένων φορτίων του αλλάζει σε σχέση με τα ηλεκτρικά φορτία του σύρματος (ελεύθερα ηλεκτρόνια του μετάλλου) τα οποία τώρα δέχονται διαφορετικές δυνάμεις και βέβαια θα αλλάξουν θέση ώστε να ισορροπήσουν σττην νέα κατάσταση. Επομένως οι ηλεκτρικές δυνάμεις που ασκούνται σύμφωνα με τον νόμο του Coulomb $F_c=k\frac{|q_1\cdot q_2|}{r^2}$ είναι αυτές που μετακινούν ηλεκτρόνια στις σπείρες του μετάλλου και αυτό μεταφράζεται σε ηλεκτρικό ρεύμα βέβαια.

Θα έχουμε κίνηση φορτίων εφόσον αλλάζει η ισορροπία των δυνάμεων που ασκούνται και αυτό θα δώσει τα ρεύματα που παρατηρούμε στο αμπερόμετρο στο πείραμα κατά την κίνηση της ράβδου που τα ονομάζουμε επαγωγικά ρεύματα

Σκεδασμός Compton με εισερχόµενο φωτόνιο (σκληρών ακτίνων Χ) που συγκρούεται µε στατικό ηλεκτρόνιο

Κατά τον σκεδασµό Compton το εισερχόµενο φωτόνιο συγκρούεται µε το στατικό ηλεκτρόνιο και του µεταφέρει µέρος της ενέργειας και της ορµής του.

Η απώλεια ενέργειας του φωτονίου αντιστοιχεί στη µετρούµενη αύξηση του µήκους κύµατός του και ελάττωση της συχνότητας του (σωματιδιακή συμπεριφορά)

Δ. Ας θυμηθούμε,

τον τρόπο που παράγονται τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα θα περιμένουμε το πείραμα αυτό να δώσει και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Η αλλαγή στην ταχύτητα (επιτάχυνση) των ηλεκτρικών φορτίων των αγωγών είναι προφανής και σύμφωνα με τα γνωστά τα αυξομειούμενα ρεύματα παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Αυτό ακριβώς με μια ανάλογη διάταξη συμβαίνει και στην κεραία που είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό δίπολο κατάλληλο ώστε να δημιουργεί επαγωγικά ρευμάτα Η κεραία έχει τέτοια κατασκευή ώστε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται εκεί διαχέονται στον χώρο

Ορισμένα στοιχεία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου

Δυναμικό ηλεκτρικού πεδίου

Η μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου είναι 9,109389 x 10^-31 kg και η ισοδύναμη ενέργεια 81,87110 x 10^-15 J

ή 0,5109993 MeV/s

E. Η Ιδέα του Yukawa

Οι φυσικοί των πρώτων δεκαετιών του περασμένου αιώνα προσπάθησαν να βρουν τα κοινά σημεία μεταξύ των διαφορων πεδίων και να δώσουν ικανοποιητικές εξηγήσεις για την άσκηση δυνάμεων μέσα σε αυτά. Στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο η ανταλλαγή φωτονίων (που είναι μποζόνιο, δηλαδή δυνητικά και χωρίς μάζα ηρεμίας σωματίδιο) μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων έχουμε μια θεωρία που έγινε αποδεκτή και ισχύει έως σήμερα.

Κατά ανάλογο τρόπο και γενικεύοντας, ο YUKAWA διατύπωσε μια ιδέα την εξής

Η ανταλλαγή ενός σώματος με μάζα ισοδυναμεί με άσκηση δύναμης μικρής εμβέλειας

(Ο μηχανισμός των δυνάμεων ανταλλαγής προτάθηκε από τον Heisenbεrg το 1932)

Πως συγκρατώνται τα νουκλεόνια μέσα σον πυρήνα και πότε ένα σωματίδιο μπορεί να διαφύγει από τον πυρήνα

Προσπαθώντας να ερμηνεύσει τις δυνάμεις που συγκρατούν τα σωματίδια του πυρήνα (πρωτόνια και νετρόνια) πρότεινε ένα δυνητικό σωματίδιο ανταλλαγής για τα σωματίδια του πυρήνα, που ταυτοποιήθηκε αργότερα σαν πιόνιο. (Το πιόνιο είναι ένα δυνητικό σωματίδιο που εντάσσεται στην κατηγορία μεσόνια , τα οποία δημιουργούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ) . Η ταχύτητά του θεωρήθηκε δεδομένη και ίση με την C του φωτόνιου

Το πιόνιο ανταλλαγής είναι μη ανιχνεύσιμο και μπορεί να είναι ουδέτερο ή φορτισμένο

Το δυναμικό των νουκλεονίων του πυρήνα προτάθηκε από τον yukawa είναι το ακόλουθο

Ακόμα : Για να διαφύγει ένα σωματίδιο α από τον πυρήνα πρέπει να περάσει το ενεργειακό φράγμα που σχηματίζεται στο περιφεριακά στον πυρήνα καθώς εκεί επιδρούν οι ηλεκτρικές κια οι δυνάμεις του ισχυρού πυρηνικού πεδίου ταυτόχρονα

ας γενικεύσουμε...

στην ύλη διακρίνουμε σωματίδια που

Είναι τα φερμιόνια (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια) που αποτελούνται από κουαρκς και λεπτόνια. Αυτά διακρίνονται από σταθερότητα, ορισμένα έχουν ηλεκτρικό φορτίο άλλα όχι, υπακούουν σε κβαντικούς κανόνες όπως η απαγορευτική αρχή του Παολι και αποτελούν δoμικά στοιχεία της ύλης

Σε κβαντικούς κανόνες που προσδιορίζουν την τοποθέτησή τους υπακούουν και τα φερμιόνια μέσα στον πυρήνα των ατόμων, που κατανέμονται μέσα στον πυρήνα σύμφωνα με τους κβαντικούς αριθμούς τους

Και τα μποζόνια που δημιουργούνται και καταστρέφονται ελεύθερα εάν υπάρχει διαθέσιμη ενέργεια, είναι περισσότερο εφήμερα, και λειτουργούν σαν κβάντα πεδίου. Θεωρούνται σαν η κόλλα που συγκρατεί την ύλη.

Πολλά σωματίδια μπορούν να συσχετιστούν μεταξύ τους με δυνάμεις αλληλοεπίδρασης ή και να απορροφήσουν το ένα το άλλο ανάλογα την περίπτωση. Τα λέμε τότε συνζευγμένα

κβαντική θεωρία πεδίου

Οι θεωρίες περί των κβάντων συνοψίζονται στην κβαντική θεωρία πεδίου που εισάγει την ιδέα πολλών δυνητικών φωτονίων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται διαρκώς, σε μια δραστηριότητα που δεν μπορει να γίνουν υπολογισμοι (απειριστικές ποσότητες).

ΣΤ. Κβαντική ηλεκτροδυναμική. ολοκληρώθηκε το 1947

(όταν έχουμε κβάντα τα φωτόνια)

φερμιόνιο: το ηλεκτρόνιο

μποζόνιο: το φωτόνιο

ιδιότητα :το ηλεκτρικό φορτίο

αποτέλεσμα μεταφοράς ενέργειας και ορμής μεταξύ ηλεκτρονίων,

Όλα τα παράδειγματα που είδαμε παραπάνω αναφέρονται στο ηλεκτρικο πεδίο . Κατ αρχή όταν ένα σωματίδιο έχει δυνατότητα να εκπέμψει ή να απορροφήσει ένα άλλο τα σωματίδια, αυτά ονομάζονται συζευγμένα. Η ένταση της σύζευξης για τον ηλεκτρομαγνητισμό υπολογίζεται από τον τύπο a=2πe² /hc (εδώ τα σωματίδια που συζευγνυνται είναι το φερμιόνιο - ηλεκτρόνιο και το μποζόνιο- φωτόνιο). Στην κβαντική ηλεκτροδυναμική το φωτόνιο συζεύγνυται πάντα με ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο.

Τα φωτόνια κινούνται με την ταχύτητα του φωτός και είναι ίσως η μόνη κβαντική ταχύτητα που έχουν γίνει σοβαροί υπολογισμοί με αποτέλεσμα. Για τις ταχύτητες που μπορεί να κινούνται άλλα μποζόνια δεχόμαστε αξιωματικά την ίδια ταχύτητα των φωτονίων.

Αλληλοεπιδράσεις σωματιδίων, ( εκτός από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ), έχουμε

Στον πυρήνα του ατόμου με την ισχυρή πυρηνική αλληλοεπίδραση και την ασθενή πυρηνική αλληλοεπίδραση

Υπάρχει επίσης και η αλληλεπίδραση σωματιδίων με μάζα στο βαρυτικό πεδίο

Ζ. Κβαντική χρωμοδυναμική (όταν έχουμε την ιδιότητα χρώμα)

(όταν έχουμε κβάντα τα φωτόνια)

φερμιόνιο: το κουαρκ

μποζόνιο: το γλοιόνιο

ιδιότητα :το χρώμα

αποτέλεσμα : σταθερότητα των πρωτονίων και νετρονίων με ισχυρές δυνάμεις αλληλοεπίδρασης

Ποια είναι τα υποπυρηνικά σωματίδια

Τα υποπυρηνικά σωματίδια που γνωρίσαμε τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από ακόμα μικρότερα στοιχειώδη τα κουαρκς και τα λεπτόνια που είναι άλλα με φορίο και άλλα χωρίς. Τα κουάρκς και τα λεπτόνια όταν συνδέονται σχηματίζουν τα πρωτόνια, νετρόνια , και ηλεκτρόνια.

Εκτός από το φορτίο διακρίνεται μια άλλη ιδιότητα που είναι δύσκολο να περιγράψουμε με σαφήνεια και απλά την δεχόμαστε

αυτή η ιδιότητα είναι ΤΟ ΧΡΩΜΑ

(καμμία σχέση με τα χρώματα που βλέπουμε απλά το ονόμασαν έτσι)

Στην κβαντική χρωμοδυναμική έχουμε μικρότερα φερμιόνια τα κουαρκς ενώ τα κβάντα ονομάζονται αλληλοεπίδρασης είναι τα γλοιόνια που ανακαλύφθηκαν το 1976. Η αλληλοεπίδραση συμβαίνει διότι τα σωματίδια διαθέτουν την ιδιότητα χρώμα

Η ανταλλαγή των κβάντων γλουονίων συγκρατεί ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους τα κουαρκς που δημιουργούν τα σταθερά υποπυρηνικά σωματίδια πρωτόνια και νετρόνια

Η ισχυρή πυρηνική αλληλοεπίδραση συμβαίνει με στόχο την σύζευξη των κουαρκς (φερμιόνια) ώστε να σχηματίσουν τα μεγαλύτερα σωματίδια του πυρήνα (πρωτόνια και νετρόνια . Η ιδιότητα που προκαλεί την σύζευξη λέγεται χρώμα δεν μπορεί να την περιγράψουμε ακόμη, αλλά λειτουργεί ανάλογα με το ηλεκτρικό φορτίο στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

Παρ ότι τα κουάρκς που τα απαρτίζουν, μπορεί να είναι ηλεκτρικά ομόνυμα και να υπάρχει και ηλεκτρική απωθητική δύναμη , οι δυνάμεις που συγκρατουν τα νουκλεοτίδια του πυρήνα, δεν έχουν σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές (οι οποίες είναι πολύ μικρότερες και οι δυνάμεις του ισχυρού πυρηνικού πεδίου, τις υπερκαλύπτουν ) .

Τα γλοιόνια δεν είναι ενός είδους αλλά παρουσιάζονται οκτώ παραλλαγές που φτιάχνοναι συνδυάζοντας τα χρώματα και αντιχρώματα

Τα γλοιόνια, έχουν μια ιδιόμορφη συμπεριφορά (διαφορετική σε πολλά από τα φωτόνια)

Αναπαράγονται κατά την διαδρομή τους και η δύναμη που ασκούν αυξάνεται. Έτσι ανισταθμίζεται η μείωση της δύναμης λόγω της αύξησης απόστασης

Η αναπαραγωγή δεν συναντάται στα φωτόνια (κβάντα στο ηλεκτρικό πεδίο). Διότι τα γλοιόνια φέρουν την ιδιότητα χρώμα ενώ τα φωτόνια δεν φέρουν την ιδιότητα ηλεκτρικό φορτίο. Η ανταλλαγή των γλουονίων αλλάζει το χρώμα των κουαρκς εφόσον βέβαια τα γλοιόνια συμμετέχουν στην ιδιότητα χρώμα.

Η. Ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση (ο μετασχημαισμός των κουαρκς και των φερμιονίων)

Με την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση ένα κουαρκ μπορεί να μετασχηματιστεί σε ένα άλλο κουαρκ ή ένα νετρόνια μπορεί να μετασχηματιστεί σε ένα πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο

φερμιόνιο: το κουαρκ, τα λεπτόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια

μποζόνιο: τα W και Z ( βαριά μποζόνια μεγάλης μάζας)

ιδιότητα : ο λόγος των πρωτονίων/νετρονίων δεν είναι ο βέλτιστος

το αριστερόστροφο spin

αποτέλεσμα : μεταστοιχίωση των ατόμων και εκπομπή ακτινοβολίας β

Λόγω της βαρύτητας των μποζόνιων η αλληλοεπίδραση είναι τοπικά περιορισμένη σε απόσταση 1/1000 της διαμέτρου του πυρήνα του ατόμου

Ιδιέταιρα για τα νουκλεόνια (πρωόνια και νετρόνια έχουμε τις εξής περιπτώσεις)

1. Διάσπαση πρωτονίου (1956). Εάν υπάρχει περίσσεια πρωτονίων είναι δυνατόν ένα πρωτόνιο να διασπαστεί σε ένα ουδέτερο νετρόνιο και ένα θετικό ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο)

2. Διάσπαση νετρονίων. Συνήθως εάν στον πυρήνα υπάρχουν αρκετά νετρόνια ένα νετρόνιο μπορεί να διασπαστεί σε ένα θετικό πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο (αρνητικό)

Από τις διασπάσεις β και α δημιουργήθηκαν τα χημικά στοιχεία του σύμπαντος. Το άζωτο ο άνθρακας, το οξυγόνο και κάποια άλλα στοιχεία που σχηματίζουν χημικές ενώσεις δημιουργήθηκαν σο εσωτερικό των άστρων, ενώ τα βαρύτερα όταν ένας αστέρας με πολύ μεγάλη μάζα εκραγεί βίαια ως σουπερνόβα. Τα δυο ελαφρύτερα στοιχεία, το υδρογόνο και το ήλιον δημιουργήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν μετά την μεγάλη έκρηξη. Διασπάσεις β συμβαίνουν συνήθως όταν ο λόγος πρωτονίων νετρονίων του πυρήνα δεν είναι ο βέλτιστος.

Η ταχύτητα στο ισχυρό και ασθενές πυρηνικό πεδίο

Το "απαραβίαστο" όριο της ταχύτητας των φωτονίων που ορίστηκε στις αρχές του περασμένου αιώνα.

Κβαντική μη τοπικότητα : Τα επαναστατικά πειράματα του (Ερβν Λάσζλο) διαβάζουμε :

Πειράματα που έγιναν στη δεκαετία του 1980 από τον Αλαίν Ασπέ (Alain Aspect) και τους συνεργάτες του, και επαναλήφθηκαν από τον Νίκολας Γκίζιν (Nicolas Gisin) το 1997, δείχνουν ότι η ταχύτητα με την οποία μεταδίδεται το φαινόμενο είναι ασύλληπτη. Στα πειράματα του Ασπέ η επικοινωνία ανάμεσα σε σωματίδια που απέχουν δώδεκα μέτρα εκτιμήθηκε ότι χρειάστηκε λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, δηλαδή ήταν γύρω στις είκοσι φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός στον άδειο χώρο, και στο πείραμα του Γκίζιν σωματίδια που απείχαν δέκα χιλιόμετρα εμφανίστηκαν να επικοινωνούν 20.000 φορές ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, το υποτιθέμενο απαραβίαστο όριο ταχύτητας της θεωρίας της σχετικότητας.

Γενικά, το να έχουμε στον περιορισμένο χώρο του πυρήνα ταχύτητες πολύ μεγαλύτερες από αυτές των φωτονίων είναι κάτι που ακούγεται και σύμφωνα με την αρχή του Χαιζενμπεργκ, πολύ λογικό .