الجسيمات الأساسية
| English | العربية |
|---|---|
| fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ | جسيمات أولية |
| quarks/kwɑːks/ | كواركات |
| flavours/ˈfleɪvəz/ | نكهات |
| antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ | أنتيكوارك |
| hadrons/ˈhædrɒnz/ | هادرونات |
| baryons/ˈbæriɒnz/ | باريونات |
| mesons/ˈmiːzɒnz/ | ميزونات |
| leptons/ˈleptɒnz/ | ليبتونات |
داخل البروتون
- البروتونات والنيوترونات تبدو صلبة — لكنها ليست جسيمات أولية.
- كل منهما مبني من جسيمات أصغر ذات نقاط تسمى كواركات.
- بعض الجسيمات ليس لها أجزاء أصغر؛ تلك هي الحقيقية الأولية.
مختبر الجسيمات الأساسية
رتب الجسيمات حسب العائلة أو التفاعل الذي يحددها.
الكواركات
- ستة أنواع. الأعلى، الخافت، الأعلى شدة لديهم شحنة $+\tfrac{2}{3}e$؛ الأسفل، الغريب، الأسفل شدة لديهم $-\tfrac{1}{3}e$.
- لكل منها كوارك مضاد بشحنة معاكسة.
الأنواع الستة للكواركات: النوع الأعلى يحمل +⅔e، والنوع الأسفل يحمل −⅓e
ما هي شحنة كوارك الصعود؟
كواركات النوع الصاعد (صعود، سحر، قمة) تحمل $+\tfrac{2}{3}e$؛ كواركات النوع الهابط (هبوط، غريب، قاع) تحمل $-\tfrac{1}{3}e$.
الهادرونات: الباريونات والميزونات
- الجسيمات المبنية من الكواركات تسمى هادرونات.
- الباريونات = ثلاثة كواركات؛ الميزونات = كوارك وكوارك مضاد.
طابق كل هادرون بما هو مصنوع منه.
البروتونات والنيوترونات هي باريونات (ثلاثة كواركات)؛ البيون هو ميزون (كوارك + أنتيكوارك).
البروتون والنيوترون
- البروتون = u u d: شحنته $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
- النيوترون = u d d: شحنته $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$.
البروتون مصنوع من أي كواركات؟
البروتون = u u d، يعطي شحنة $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
النيوترون هو u d d. ما هي شحنته الكلية، بوحدات $e$؟
$\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ — النيوترون غير مشحون.
مثال محلول: الكواركات في جسيم α
جسيم α هو بروتونان ونيوترونان. أثبت باستخدام الكواركات أن كل هادرون فيه شحنته $0$ أو $+e$، وأوجد المحتوى الكواركي الكلي.
- كل بروتون هو uud: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$، لذا شحنته $+e$. إنه باريون (ثلاثة كواركات).
- كل نيوترون هو udd: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. وهو أيضاً باريون.
- جسيم α الكامل: كواركات الأعلى $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$؛ كواركات الأسفل $2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$.
- تحقق: $6\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 6\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 4 - 2 = +2$، شحنة جسيم α وهي $+2e$.
نواة هيليوم-3 تحتوي على بروتونين ونيوترون واحد. كم عدد كواركات الهبوط التي تحتوي عليها؟
كل بروتون (uud) يحتوي على كوارك هبوط واحد والنيوترون (udd) يحتوي على اثنين: $1 + 1 + 2 = 4$.
تحلل β بمصطلحات الكواركات
- β$^{-}$: نيوترون يتحول إلى بروتون — كوارك أسفل يتحول إلى كوارك أعلى.
- β$^{+}$: بروتون يتحول إلى نيوترون — كوارك أعلى يتحول إلى كوارك أسفل.
تحلل β⁻ عن قرب: كوارك أسفل واحد ينعكس ليصبح كوارك أعلى، فيصبح النيوترون بروتوناً
في انحلال بيتا$^{-}$، أي تغيير في الكوارك يحدث؟
نيوترون (u d d) يصبح بروتون (u u d): واحد هبوط ← صعود، يشع $\beta^{-}$ وأنتي نيوترينو.
الليبتونات وما هو أساسي
- الليبتونات (الإلكترونات، النيوترينوات) أساسية وليست مكونة من كواركات.
- الأساسية: الكواركات، الإلكترونات، البوزيترونات، النيوترينوات. غير الأساسية: البروتونات، النيوترونات، الميزونات (كلها هادرونات).
الجسيمات تُصنف إلى هادرونات (مكونة من كواركات) وليبتونات (أساسية، ليست مكونة من كواركات)
حدد كل الجسيمات التي هي أساسية.
الكواركات واللبتونات (إلكترون، نيوترينو) أساسية. البروتونات والميزونات هي هادرونات — مصنوعة من كواركات.
الإلكترون هو لبتون وليس مصنوعاً من كواركات.
اللبتونات (الإلكترونات والنيوترينوات) هي جسيمات أساسية، ليست مبنية من كواركات.
مثال محلول: ميزون محايد
الجسيم Q هو ميزون شحنته صفر. كتلته $0.67\ \text{u}$ وطاقة حركية $2.1 \times 10^{-16}\ \text{J}$.
- تركيب محتمل: كوارك مع مضاد الكوارك الخاص به، على سبيل المثال $\text{u}\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$. ($\text{d}\bar{\text{d}}$ سيكون صالحًا أيضًا.)
- لماذا لا اثنان من الكواركات؟ الميزون هو دائمًا كوارك ومضاد كوارك؛ اثنان من الكواركات معًا ليسا ميزونًا.
- السرعة: $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2}$ مع $m = 0.67 \times 1.66 \times 10^{-27} = 1.1 \times 10^{-27}\ \text{kg}$، إذن $v = \sqrt{\dfrac{2 \times 2.1 \times 10^{-16}}{1.1 \times 10^{-27}}} = 6.1 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- التحقق: أقل بكثير من سرعة الضوء، لذا فإن صيغة الطاقة الحركية العادية مناسبة للاستخدام.
الميزون مصنوع من كوارك و____.
الميزونات هي أزواج كوارك–أنتيكوارك؛ الباريونات هي ثلاثة كواركات. الميزون المحايد يجمع كوارك مع أنتيكوارك من الشحنة المعاكسة، مثل الصعود مع anti-up.
"أساسي" تعني لا يتكون من شيء أصغر: الكواركات واللبونات أساسية؛ أما البروتونات والنيوترونات وكل الهادرونات الأخرى فهي ليست كذلك. تحمل مضادات الكواركات شحنة معاكسة، لذا يجمع الميزون المتعادل كواركاً مع مضاد كوارك مقابله. في اضمحلال β$^{-}$، يكون تغير الكوارك d → u — وهو ارتفاع في الشحنة مقدارها $+1$، يعوضه شحنة الإلكترون المنبعثة $-1$ — والإلكترون يُصنع في الاضمحلال، ولا يُطلق من مدار.
لقد فهمت الأمر
- الكواركات أساسية (نوع الصعود $+\tfrac{2}{3}e$، نوع الهبوط $-\tfrac{1}{3}e$؛ مضاد الكواركات عكسية)
- الباريونات = 3 كواركات (بروتون uud، نيوترون udd)؛ الميزونات = كوارك + مضاد كوارك؛ كواركات النواة هي مجرد مجموع كواركات بروتوناتها ونيوتروناتها
- في اضمحلال β$^{-}$ كوارك هبوط ← كوارك صعود؛ الليبتونات (الإلكترون، النيوترينو) أساسية