[ Pobierz całość w formacie PDF ]
.W tym czasie przypuszczano już, że atomy wcale nie są niepodzielne.Kilka lat wcześniej członek Trinity College, Cambridge, J.J.Thomson, wykazał istnienie cząstki materii zwanej elektronem, o masie mniejszej niż jedna tysięczna masy najlżejszego atomu.Jego aparat doświadczalny przypominał dzisiejszy kineskop: rozgrzany do czerwoności drucik emitował elektrony, które — jako cząstki z ujemnym ładunkiem elektrycznym — można było przyśpieszyć za pomocą pola elektrycznego w kierunku pokrytego fosforem ekranu.Kiedy elektrony uderzały w ekran, pojawiały się błyski światła.Rychło przekonano się, że elektrony muszą pochodzić z samych atomów, a w 1911 roku inny brytyjski uczony, Ernest Rutherford, udowodnił ostatecznie, iż atomy posiadają wewnętrzną strukturę: składają się z małego, dodatnio naładowanego jądra i krążących wokół niego elektronów.Rutherford doszedł do tego wniosku, badając rozproszenie cząstek alfa w zderzeniach z atomami (cząstki alfa to dodatnio naładowane cząstki emitowane przez promieniotwórcze atomy).Początkowo sądzono, że jądra atomowe zbudowane są z elektronów i pewnej liczby cząstek o ładunku dodatnim, nazwanych protonami (proton po grecku oznacza “pierwszy"), ponieważ uważano, że proton jest podstawową cząstką materii.Ale w 1932 roku kolega Rutherforda z Cambridge, James Chadwick, odkrył w jądrze jeszcze inną cząstkę, zwaną neutronem, mającą niemal taką samą masę jak proton, lecz pozbawioną ładunku elektrycznego.Za to odkrycie Chadwick otrzymał Nagrodę Nobla i został wybrany Mistrzem Gonville i Caius College w Cambridge (do którego i ja dziś należę).Później musiał zrezygnować z tej funkcji z powodu sporów toczących się pomiędzy członkami college'u.Te ostre scysje trwały tam od czasu, kiedy grupa młodych naukowców, powróciwszy z wojny, doprowadziła w drodze wyborów do usunięcia wielu starszych kolegów ze stanowisk, które dzierżyli przez długie lata.To wszystko zdarzyło się jeszcze przed moim wstąpieniem do college'u w 1965 roku, kiedy to właśnie podobne nieporozumienia zmusiły do ustąpienia Mistrza — laureata Nagrody Nobla, Sir Nevilla Motta.Jeszcze dwadzieścia lat temu sądzono, że protony i neutrony są “elementarnymi" cząstkami, ale doświadczenia, w których badano zderzenia protonów z protonami lub elektronami poruszającymi się z ogromną prędkością, wykazały, że w rzeczywistości protony są zbudowane z mniejszych cząstek.Murray Gell-Mann, fizyk z Caltechu i zdobywca Nagrody Nobla w 1969 roku, nazwał nowe cząstki kwarkami.Ta nazwa bierze początek z enigmatycznego cytatu z Joyce'a: “Three quarks for Muster Mark!" (Trzy kwarki dla Pana Marka).Istnieje wiele odmian kwarków: uważa się, że istnieje co najmniej sześć “zapachów"; “zapachy" te nazywamy: up, down, strange, charmed, bottom i top*.* Nie ma powszechnie przyjętych polskich nazw, zwłaszcza dla dwóch ostatnich kwarków; angielskie można przetłumaczyć jako: górny, dolny, dziwny, czarowny, spodni i szczytowy (przyp.tłum.).Kwark o danym zapachu może mieć trzy “kolory": czerwony, zielony i niebieski.(Należy podkreślić, że te terminy są wyłącznie etykietkami: kwarki są o wiele mniejsze niż długość fali światła widzialnego i nie mają żadnego koloru w normalnym sensie tego słowa.Po prostu współcześni fizycy wykazują bogatszą wyobraźnię w wyborze nazw niż ich poprzednicy, nie ograniczają się już do greki!) Proton i neutron zbudowane są z trzech kwarków, po jednym każdego koloru.Proton zawiera dwa kwarki górne i jeden dolny; neutron składa się z jednego górnego i dwóch dolnych.Potrafimy tworzyć cząstki złożone z innych kwarków (dziwnych, czarownych, spodnich, szczytowych.), ale wszystkie one mają znacznie większe masy i bardzo szybko rozpadają się na protony i neutrony.Wiemy już, że atomy oraz protony i neutrony w ich wnętrzu są podzielne.Powstaje zatem pytanie: jakie cząstki są naprawdę elementarne, czym są podstawowe cegiełki tworzące materię? Ponieważ długość fali światła widzialnego jest o wiele większa niż rozmiar atomu, nie możemy “popatrzeć" na atomy w zwykły sposób.Musimy użyć fal o znacznie mniejszej długości.Jak przekonaliśmy się w poprzednim rozdziale, zgodnie z mechaniką kwantową wszystkie cząstki są też w rzeczywistości falami, przy czym ze wzrostem energii cząstki maleje długość odpowiadającej jej fali.Zatem najlepsza odpowiedź na nasze pytanie zależy od tego, jak wielka jest energia cząstek, którymi dysponujemy, to decyduje bowiem, jak małe odległości jesteśmy w stanie zbadać.Energię cząstek mierzymy zazwyczaj w jednostkach zwanych elektronowoltami.(Wiemy już, że Thomson używał pola elektrycznego do przyśpieszania elektronów.Energia, jaką zyskuje elektron, przechodząc przez pole o różnicy potencjału jednego wolta, to właśnie jeden elektronowolt).W XIX wieku naukowcy potrafili używać wyłącznie cząstek o energii rzędu paru elektrono wól to w, powstającej w reakcjach chemicznych, takich jak spalanie; dlatego uważano atomy za najmniejsze cegiełki materii.W doświadczeniach Rutherforda cząstki alfa miały energię paru milionów elektronowoltów.Później nauczyliśmy się wykorzystywać pole elektromagnetyczne do nadawania cząstkom jeszczewiększej energii, początkowo rzędu milionów, a później miliardów elektronowoltów.Dzięki temu wiemy, że cząstki, uważane za “elementarne" dwadzieścia lat temu, w rzeczywistości zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek.Czy te ostatnie z kolei, jeśli dysponować będziemy jeszcze większymi energiami, okażą się złożone z jeszcze mniejszych? Jest to z pewnością możliwe, ale pewne przesłanki teoretyczne pozwalają obecnie sądzić, że poznaliśmy najmniejsze cegiełki materii lub że jesteśmy co najmniej bardzo bliscy tego.Dzięki omawianemu w poprzednim rozdziale dualizmowi falowo-kor-puskularnemu wszystko we wszechświecie, łącznie ze światłem i grawitacją, można opisać, posługując się pojęciem cząstek [ Pobierz całość w formacie PDF ]