Modelul StandardPrin dezintegrare nucleară, un nucleu atomic se descompune în nuclee mai mici. De asemenea, particulele fundamentale se pot descompune în alte particule. În continuare vom vorbi despre dezintegrări şi anihilări de particule.

 

 

 

Ce face ca "Lumea" să fie stabilă? (3)


Iar aşa ceva chiar 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 că nu are constituenţi. De fapt, 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.

  • Dezintegrare de nucleu (fisiune nucleară):

 

  • Dezintegrare de particulă elementară:

 

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


Radioactivitatea

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

 

raze


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 uraniu, 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 unele elemente chimice erau inerent instabile, întrucât eliberau spontan diverse forme de energie. Această eliberare a particulelor energetice datorită dezintegrării nucleelor instabile de atomi poartă numele de 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 denumite după primele litere ale alfabetului grecesc: alfa, beta şi gama.

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


particula beta
Particulele beta sunt electroni rapizi

 

particula gama
Radiaţia gama reprezintă un foton de înaltă energie

Aceste trei forme de radiaţie pot fi diferenţiate cu ajutorul unui câmp magnetic deoarece particulele alfa încărcate pozitiv sunt deviate într-o direcţie, particulele beta încărcate negativ în direcţia opusă, iar radiaţia gama - neutră din punct de vedere electric - nu este deviată 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 asociate radioactivităţii...

radiatie magnet
Bloc de plumb cu gaură. Substanţă radioactivă

 

Confuzii des întâlnite despre dezintegrările 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 putem descrie dezintegrarea unui atom numai conform unei legi probabilistice?

Uraniul U-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.

Fisiune atom

Protonii sunt pozitivi din punct de vedere electric şi 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.

resort si sfoara

Gândiţi-vă la un nucleu ca la un arc strâns în formă de spirală, ce reprezintă repulsia electrică, ţinută în 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 cu care suntem obişnuiţi din viaţa de 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 asemenea obiectelor macroscopice obişnuite şi au un impuls, dar au, de asemenea, şi proprietăţi caracteristice undelor. Mecanica cuantică, baza matematică pentru teoriile noastre despre particule, studiază comportarea particulelor în termeni probabilistici.

localizare proton
Protonul este cel mai probabil să fie aici ... dar ar putea fi aici ... sau aici ...

Deoarece particulele au şi caracteristici 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 întregii serii de articole), acest lucru induce în eroare, întrucât ele sunt reprezentate mai degrabă de nişte regiuni neclare, în care se va găsi cu siguranţă particula.

nucleul cuantic

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.

particula alfa

Atunci asupra particulei alfa nu ar mai acţiona forţa reziduală tare, care o bloca în interiorul nucleului, şi, asemenea unui arc lăsat brusc liber, 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. Nu putem prezice când se va dezintegra un anumit atom, dar putem determina probabilitatea ca acesta să se dezintegreze într-un anumit interval de timp.


Timp de înjumătăţire

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

uraniu

"Crezi că sunt şanse mici pentru a câştiga la loterie? S-o crezi tu! Eu (atomul de uraniu U-238) am şansă jumi-juma de a mă dezintegra o dată la patru miliarde de ani! (mai precis, o dată la 4.460.000.000 ani!)

zaruri

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


Masa lipsă

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

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

Când un  nucleu de uraniu se dezintegrează 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

Dacă nucleul unui atom se poate dezintegra într-un nucleu mai puţin masiv prin diviziune, ce putem spune despre modul în care se dezintegrează o particulă fundamentală în alte particule fundamentale? Particulele fundamentale nu se pot divide, întrucât ele nu au constituenţi; 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 sub formă de alte particule. Deci, o particulă nu doar se schimbă într-un alt tip de particulă; există o particulă intermediară purtătoare de forţă care mediază dezintegrările 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.


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.

 

Principiul lui Heisenberg


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 de o valoare caracterizată de o extrem de 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 quarcul charm şi dezintegrarea particulei eta-c, exemple pe care le vom explora în profunzime în curând.


Diferite interacţiuni

Interacţiunile tare, electromagnetică şi slabă pot genera toate dezintegrări de particule. Doar interacţiile slabe pot cauza dezintegrarea particulelor fundamentale.

Dezintegrări "slabe":

Doar interacţiunile mediate de forţa slabă pot modifica o particulă fundamentală într-un alt tip de particulă. Fizicienii numesc tipurile de particule "arome". Interacţiunea slabă poate transforma un quarc charm într-un quarc strange, cu emiterea unui boson W (charm şi strange sunt arome). Doar interacţia slabă (via un boson W) poate schimba aroma şi permite descompunerea unei particule fundamentale.

Dezintegrări electromagnetice:

Π0 (pionul neutru) este un mezon qq-bar. Quarcul şi antiquarcul se pot anihila reciproc; din acest proces rezultă 2 fotoni. Este un exemplu de descompunere de natură electromagnetică.

Dezintegrări "tari":

Particula de mai jos este un mezon cc-bar. Poate suferi o descompunere "tare", transformându-se în 2 gluoni, care ies la suprafaţă drept hadroni.

 

Eta-c
Dezintegrarea particulei eta-c


Particulele purtătoare ale forţei tari, gluonii, mediază dezintegrările care presupun schimbări de "culoare". Particulele purtătoare ale forţei slabe, W+ şi W-, mediază dezintegrările în care particulele îşi schimbă "aroma" (şi sarcina electrică).

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

Dezintegrari

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.

anihilare

Acest lucru înseamnă că ele interacţionează unele cu altele, transformând energia asociată formei 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 energii foarte mari pentru a crea particule noi şi masive.


Dezintegrările şi camera cu bule

Camera cu bule

Aceasta este o fotografie reală dintr-un detector format dintr-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 miuon μ+ şi un neutrino ν. 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 se pot observa traiectoriile particulelor.

Am vorbit mult în acest articol despre dezintegrări şi anihilări, deci ar fi momentul să privim în detaliu câteva exemple de astfel de procese.


Dezintegrarea nucleară beta

dezintegrare 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 deoarece nu se ştia că aceia erau electroni!)

dezintegrare beta

Cadrul 1: Neutronul (sarcina electrică 0) alcătuit dintr-un quarc up şi două quarcuri down

Cadrul 2: Unul dintre quarcurile down este transformat într-un quarc up. Din moment ce quarcul down are o sarcină de -1/3 şi quarcul 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 sarcina se conservă!)

Cadrul 3: Noul quarc se reuneşte departe de particula W- emisă. Neutronul a devenit acum un proton.

dezintegrare beta

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 proces se petrec în aproximativ o miliardime de miliardime de miliardime se secundă şi nu sunt observabile.


Anihilări de electron şi pozitron

anihilare electron pozitron

anihilare electron pozitron

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

anihilare electron pozitron

Cadrul 1: Electronul şi pozitronul se îndreaptă spre moarte sigură.

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

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

Cadrul 4: Un quarc charm şi un antiquarc 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.

anihilare electron pozitron

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

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

Cadrele 8-10: Quarcurile se separă în particule diferite, neutre din punct de vedere al culorii: mezonii D+ (un quarc charm şi un quarc anti-down) şi D- (un quarc anti-charm şi un quarc 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 quarc top - quarc anti-top

Productie pereche top

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

productie quarc top

Cadrul 1: Unul dintre quarcurile protonului şi unul dintre anti-quarcurile antiprotonului se îndreaptă spre o ciocnire.

Cadrul 2: Quarcul şi anti-quarcul se ciocnesc şi se anihilează...

Cadrul 3: ...în gluoni virtuali.

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

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

productie quarc top

Cadrul 6: Înainte de îndepărtarea quarcului top şi a anti-quarcului, are loc dezintegrarea lor într-un quarc bottom şi un quarc antibottom cu emisia particulelor W purtătoare de forţă.

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

productie quarc top

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

Cadrul 9: Quarcul botton şi antiquarcul bottom, electronul, neutrino, quarcul up şi antiquarcul down se mută cu toţii departe unii de ceilalţi.

Ce este în neregulă cu imaginea de mai sus?

Răspuns: Am ignorat câmpul forţei de culoare care se dezvoltă pe măsură ce quarcul b şi anti-quarcul b se îndepărtează unul de celălalt. Această energie este transformată într-o altă pereche quarc/anti-quarc; până la urmă, rămân doar particule distincte, neutre din punct de vedere al culorii (mezonii B). Acelaşi lucru este valabil  în cazul quarcului u şi al anti-quarcului d. Pentru a vedea ce s-a întâmplat cu adevărat, priviţi un proces analog din imaginea cu e+ şi e- --> D+ şi D-.

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

Mistere încă neelucidate (5)

Traducerea de Claudia Chevereşan, Diana Simona Cionca, Anca Riza şi Lidia Feghiude de pe  Particle Adventure.