Mistä aine koostuu? - kaikki aine koostuu atomeista - atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista - neutronit ja protonit koostuvat pienistä hiukkasista, kvarkeista
Alkeishiukkaset - hiukkasten jako ominaisuuksiensa perusteella johti kvarkkiteoriaan, jonka mukaan hiukkaset koostuvat vielä pienemmistä rakenneosasista - loput hiukkaset ovat leptoneita tai välittäjähiukkasia - kaikilla hiukkasilla on antihiukkanen - hiukkasen ja antihiukkasen kohdatessa tapahtuu annihilaatio
Leptonit - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1
Mitä kvarkit ovat?
Kvarkit - kvarkkilajeja on kuusi: ylös u, alas d, lumo c, outo s, huippu t ja pohja b - kvarkin sähkövaraus on joko -⅓ e tai +⅔ e - hadronit ovat hiukkasia, jotka koostuvat kvarkeista - kvarkit voivat muodostaa hiukkasia kahden tai kolmen kvarkin yhdistelminä
Hiukkasten pysyvyys - hiukkaset ovat hyvin lyhytikäisiä - elinikää ei voida ennustaa, voidaan antaa tietty todennäköisyys - kuvataan suureella keskielinaika:
Hiukkastutkimus - halutaan selvittää maailmankaikkeuden olemusta - saadaan selville aineen rakenne - voidaan selittää havaittuja asioita, kuten erilaisia vuorovaikutuksia - ensimmäinen kokeellisesti löydetty hiukkanen oli elektroni
Oppilastyö: Hiukkastutkimuskeskukset Sivulla 136 löytyy taulukko hiukkastutkimuskeskuksista. Tutustu tutkimuskeskuksen Internet-sivuihin ja etsi vastaukset seruaaviin kysymyksiin: a) millaisia kiihdyttimiä keskuksessa on b) mitä tutkimuksia keskuksessa nykyisin tehdään
Hiukkastutkimus: hiukkaskiihdyttimet - tutkitaan hiukkasia törmäyttämällä niitä toisiinsa - mahdollistaa saavuttamaan hiukkasten suuren liike-energian - kiihdytyksessä käytetään sähkökenttiä, liikkeen suunnan muuttamiseen magneettikenttiä - kiihdyttimet voidaan jakaa yksinkertaisella tavalla 1. lineaarikiihdyttimiin Linac, Van De Graaff 2. kehäkiihdyttimiin syklotroni, synkrosyklotroni, synkrotoni
Hiukkaskiihdyttimen toiminta
Hiukkastutkimus - törmäysasemilla pyritään havaitsemaan kaikki reaktiossa syntyneet hiukkaset - havaitseminen perustuu hiukkasten vuorovaikutukseen aineen kanssa - jotkin hiukkaset aiheuttavat signaalin osuessaan valittuun aineeseen, voidaan havaita signaali-ilmaisimilla - hiukkasten etenemistä voidaan seurata ratailmaisimilla kuten sumukammiolla tai kuplakammiolla - nykyisin käytetään sähköisiä ilmaisimia, joista yleisimmät ovat kaasutäytteinen ilmaisin ja puolijohdeilmaisin
Perusvuorovaikutukset - perusvuorovaikutuksia on neljä: gravitaatio, sähkömagneettinen, vahva ja heikko vuorovaikutus - gravitaatiovuorovaikutus: tulee merkittäväksi ainakin toisen kappaleen massan ollessa suuri - sähkömagneettinen vuorovaikutus: sähkövaraus voi olla positiivinen tai negatiivinen, sähköinen voima voi olla veto- tai poistovoima - vahva vuorovaikutus: hallitseva kvarkkien välinen vuorovaikutus - heikko vuorovaikutus: kvarkit ja leptonit kokevat heikkoa vuorovaikutusta, yleisintä ydinhiukkasten sisällä olevien kvarkkien välillä
Välittäjähiukkaset - perusvuorovaikutukset voidaan selittää välittäjähiukkasten avulla - fotoni toimii sähköisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkasena - vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on gluoni - välittäjähiukkasena heikossa vuorovaikutuksessa toimii välibosoni
Suhteellisuusteoria - hiukkasilla on hyvin suuri nopeus ja erittäin suuri liike-energia - klassisen mekaniikan mallit eivät enää päde, jolloin tarvitaan uusi teoria - perustana valonnopeuden vakioisuus: valonnopeus on sama kaikille havaitsijoille - pätee inertiaalikoordinaatistoissa, jotka ovat tasaisessa liikkeessä toistensa suhteen - Mitä aiheuttaa? - mitatut aikavälit tai matkat voivat saada eriarvoja eri koordinaatistoissa
GPS:n toiminta - paikannuslaite yhteydessä vähintään neljään eri satelliittiin - paikka voidaan määrittää tarkasti ajasta, joka kuluu satelliitin lähettämän signaalin saavuttamiseen paikannuslaitteen - tarvitaan suhteellisuusteorian korjaukset
Aikadilaatio - tarkoittaa ajan venymistä - aikadilaation yhtälö - myonien havaitseminen maapallolla perustuu aikadilaatioon: myonien koordinaatistossa aika etenee hitaammin
Pituuskontraktio - lepokoordinaatistossa mitatut etäisyydet ovat pidempiä kuin liikkuvassa koordinaatistossa mitatut - ilmiötä kutsutaan pituuskontraktioksi, jolle voidaan esittää yhtälö - myonin koordinaatistossa etäisyys sen syntykohdasta maanpinnalle on lyhyempi kuin maasta mitattu etäisyys
Liike-energia ja liikemäärä - hiukkasten nopeuksien lähestyessä valonnopeutta niiden liike-energia ja liikemäärä lähestyvät ääretöntä - liikemäärä noudattaa suurissa nopeuksissa lauseketta - syklotronissa kiihdytettävän hiukkasen liikeyhtälö