משתמש:CERNLeobaeck2019/היסטוריה של פיזיקת חלקיקים
היסטוריה של פיזיקת חלקיקים עריכה
הרעיון שלפיו החומר מורכב מחלקיקים הקטנים ממנו הוא רעיון עתיק יומין, ועל פי הידוע לנו הועלה כבר במאה השישית לפני הספירה. עד המאה ה-19, תחום זה נחקר על ידי פילוסופים יוונים, פילוסופים הודים, מדענים מימי הביניים ומדענים מהמאות ה-17 וה-18. ההתייחסות לנושא הייתה ממניעים פילוסופיים, והנושא נלמד בצורה פילוסופית ולא מדעית. במאה ה-19 התגלה כי כל חומר מורכב מחלקיק יסודי - אטום. החל מהמאה ה-20 וה-21 התגלו חלקיקים נוספים רבים שתרמו להבנת מבנה החומר.
עד גילוי האטום עריכה
כבר במאה השישית לפני הספירה הועלתה התיאוריה שלפיה קיימים חלקיקים בסיסיים הקטנים מן האטום. מדענים ופילוסופים כמו לוקיפוס, דמוקריטוס ואפיקורוס, שהשתייכו לאסכולה האטומיסטית, החלו לראשונה לחקור את מבנה החומר. כמו כן גם פילוסופים הודים כמו קנדה, דינאגה ודרמהקירטי ; מדענים מוסלמים כמו אבן אל-היית'ם, אבן סינא, ואל-ע'זאלי ; ומדענים אירופאים מהתקופה המודרנית המוקדמת (המאה ה-15 עד המאה ה-18) כמו פייר גסנדי, רוברט בויל ואייזק ניוטון חקרו את נושא מבנה החומר. התיאוריה של האור כחלקיק הוצעה על ידי אבן אל-היית'ם, אבן סינא, גסנדי וניוטון. תחום פיזיקת החלקיקים בתקופה זו נחקר בצורה פילוסופית ומופשטת לעומת השיטה המדעית הקיימת בימינו. במאה ה-19, ג'ון דלטון בעזרת עבודתו בתחום הסטויכיומטריה, הסיק כי כל יסוד כימי מורכב מחלקיק ייחודי ויחיד. דלטון ושותפיו האמינו שחלקיק זה הוא חלקיק יסודי בטבע ולכן קראו לו אטום, מהמילה היוונית atomos שמשמעותה לא ניתן לחלוקה.[1]
גילוי החלקיקים המרכיבים את האטום עריכה
לקראת סוף המאה ה-19 השערתו של דלטון הוכחה כלא נכונה. פיזיקאים גילו כי למעשה לא כל החלקיקים היסודיים של הטבע הם תרכובות של חלקיקים אף יותר קטנים. גילוי האלקטרון נעשה בין השנים 1879-1897 בעבודתם של וויליאם קרוקס, ארתור שוסטר, ג'יי. ג'יי. תומפסון ופיזיקאים נוספים אחרים. מטענו של האלקטרון נמדד בקפדנות על ידי רוברט אנדרוס מיליקן והרווי פלצ'ר בניסוי 'טיפת השמן' בשנת 1909. פיזיקאים שיערו כי אלקטרונים בעלי מטענים שליליים הם מרכיבים בתוך ה-'אטומים' יחד עם עוד חלקיקים בעלי מטען חיובי - מאוחר יותר זה אושר. האלקטרון הפך לחלקיק האלמנטרי הראשון.
בשנת 1909, ארנסט רות'רפורד ותומס רוידס גילו בניסוי כי חלקיק אלפא ביחד עם שני אלקטרונים יוצרים אטום הליום. ההשערות לגבי מבנה האטום היו מוגבלות ביותר בגלל ניסוי עלה הזהב שביצע רות'רפורד בשנת 1907. הניסוי הוכיח כי האטום הוא ברובו ריק, כך שכמעט כל מסתו הינה בגרעין האטום. בשנת 1914, ניסויים שנערכו על ידי ארנסט רות'רפורד, הנרי מוזלי, ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ ביססו למעשה את הרעיון שהאטום בנוי מגרעין דחוס בעל מטען חיובי אשר מוקף על ידי אלקטרונים בעלי מסה נמוכה. גילויים אלו שפכו אור על טבע ההתפרקות הרדיואקטיבית ועל צורות אחרות של המרת יסודות. זה נדמה היה כאילו המספר האטומי הוא שום דבר אחר מאשר מטען חשמלי חיובי של גרעין האטום של אטום מסוים. שינויים כימיים הנשלטים על ידי אינטראקציות אלקטרומגנטיות, לא משנות את גרעין האטום - לכן היסודות הם בלתי הריסים מבחינה כימית. אך כאשר הגרעין משתנה, הוא משנה את מטענו ו/או את מסתו (על ידי פליטה או קליטה של חלקיק) וכך האטום יכול להפוך ליסוד אחר.
ענף הפיזיקה אשר חוקר את השינויים ואת המבנה של האטום נקרא פיזיקה גרעינית - בניגוד לפיזיקה אטומית החוקרת את המבנה ואת תכונותיו של האטום ומתעלמת מרוב הדברים הנוגעים בגרעין.
בשנת 1918 רות'רפורד אשרר כי גרעין המימן מורכב מחלקיק בעל מטען חיובי הנקרא פרוטון. עד אז, ניסוייו של פרדריק סודי ביסודות רדיואקטיבים וניסוייו של ג'יי.ג'יי. תומפסון ו-פ.וו. אסטון הוכיחו באופן חד משמעי את קיומם של איזוטופים-אטומים שמסת גרעינם שונה למרות שיש להם מספר אטומי זהה (מספר פרוטונים זהה). כל זאת הוביל את רות'רפורד לשער כי כל הגרעינים, מלבד גרעין המימן, מכילים חלקיקים חסרי מטען אשר להם קראו ניוטרונים. מספר ההוכחות לכך שגרעינים אטומיים מכילים חלקיקים קטנים יותר (הנקראים נוקלאונים) גדל, והיה ברור שעל אף שהפרוטונים דוחים אחד את השני על ידי מטענים אלקטרוסטטיים זהים - נוקלאונים נמשכים אחד לשני על ידי כוח חדש (הכוח הגרעיני).
בתחילת המאה ה-20 גילויים רבים בתחומי הפיזיקה-האטומית ומכניקת הקוונטים סיפקו הוכחות לביקוע גרעינית והיתוך גרעיני בשנת 1939 על ידי ליזה מייטנר והנס בת'. גילויים אלו נתנו את הבמה לתעשייה פעילה המייצרת אטומים מאטומים אחרים.
ההתגלות של מכניקת הקוונטים עריכה
הבנה נוספת ומעמיקה יותר של מבנים אטומיים וגרעיניים נעשתה בלתי אפשרית מבלי לשפר את הידע על מהות החלקיקים עצמם. ניסויים ותיאוריות משופרות וחדישות (כגון 'משוואת הגלים' של ארווין שרדינגר) גילו בהדרגה כי אין הבדל מהותי בין חלקיקים וגלים. לדוגמה, גלים אלקטרומגנטיים נוסחו מחדש במונחים של חלקיקים הנקראים פוטונים. בנוסף לכך, התגלה כי אובייקטים פיזיים אינם משנים את הפרמטרים שלהם, כגון האנרגיה הכוללת, המיקום והתנע, כפונקציות מתמשכות של זמן - כפי שחשבו על הפיזיקה הקלאסית (למשל מעבר אלקטרון אטומי).
תגלית חשובה נוספת היא חלקיקים זהים או באופן כללי יותר - נתונים סטטיסטיים על חלקיקים קוונטיים. עקב כך, נקבע כי כל האלקטרונים זהים: אם כי שני אלקטרונים או יותר בעלי פרמטרים שונים יכולים להתקיים בו זמנית, אך הם אינם שומרים על היסטוריות נפרדות וניתנות להבדלה. כל זאת חל גם על פרוטונים, נויטרונים, ועל לפטונים (אך עם הבדלים מסוימים). כל זאת הביא להשערה שקיים מספר מוגבל של מיני החלקיקים-הקטנים ביקום.
משפט 'הספין הסטטיסטי' קבע שכל חלקיק במרחב-הזמן שלנו עשוי להיות או בוזון (כלומר, הסטטיסטיקה שלו היא בוז-איינשטיין [Bose-Einstein]) או פרמיון (כלומר, הסטטיסטיקה שלו היא פרמי-דיראק [Fermi-Dirac]). רק מאוחר יותר נמצא כי כל הבוזונים הבסיסיים מעבירים כוחות, בדיוק כפי שהפוטון מעביר ומשדר אור. חלק מהבוזונים הלא-בסיסיים (מזונים) יכולים גם להעביר כוחות, אם כי לא כוחות בסיסיים. פרמיונים הם חלקיקים 'כמו אלקטרונים ונוקליונים' ובדרך כלל מהווים את עיקר החומר. ניתן לשים לב כי כל חלקיק תת אטומי או אטומי המורכב ממספר זוגי כולל של פרמיונים (כגון פרוטונים, ניוטרונים, ואלקטרונים) הוא בוזון - עקב כך בוזון אינו בהכרח משדר כוח ובהחלט יכול להיות חלקיק חומר רגיל.
כמות הספין הינה התכונה אשר מבדילה בין בוזונים לפרמיונים. למעשה, הוא נראה לפעמים כתנע זוויתי פנימי של חלקיק, אשר אינו קשור לתנועתו - אלא קשור לתכונות אחרות כמו דיפול מגנטי. תיאורטית זה מוסבר בעקבות מייצגים שונים של קבוצות סימטריה, כלומר ייצוגי טנסור שונים (כולל וקטורי סקלאר) עבור בוזונים עם ספין שלם, ספינים ייצוגים של פרמיונים עם ספין חצי שלם.
זה הגיע לשיאו בהיווצרות הרעיונות של תורת השדות הקוונטית. הראשון (והשלמות המתמטית היחידה) של תיאוריות אלה, אלקטרודינמיקה קוונטית - מצליח להסביר ביסודיות את מבנה האטומים, כולל הטבלה המחזורית והספקטרום האטומי. רעיונות של מכניקת הקוונטים ותורת השדות הקוונטית יושמו גם על תחום הפיזיקה הגרעינית. לדוגמה, קרינת אלפא (α) הוסברה כמנהור קוונטי באמצעות פוטנציאל גרעיני, הנתונים הסטטיסטיים של הנוקלאונים-פרמיונים הסבירו את שילוב הנוקליון, וכמו כן הציעו חלקיקים וירטואליים מסוימים (כיום ידועים כמזוני-פאי [π-mesons]) כהסבר לכוח הגרעיני.
פיזיקת חלקיקים מודרנית עריכה
פיתוח מודלים גרעיניים (כגון נוסחת המסה של ויצאקר ודגם 'מכסה-גרעיני' [Nuclear Shell Model]) גרם לחיזוי תכונות של נוקלידים אפשריים. למרות זאת, לא קיים מודל של אינטראקציה בין שני חלקיקים גרעיניים אשר יכול לחשב בצורה אנליטית המבוססת על עקרונות של מכניקה קוונטית[2], אם כי צריך לשים לב שגם חישוב שלם של קליפות אלקטרונים באטומים הוא עדיין בלתי אפשרי.
הענף המפותח ביותר של הפיזיקה הגרעינית בשנות הארבעים היה מחקר הקשור לביקוע גרעיני בשל חשיבותו הצבאית. המוקד העיקרי של בעיות הקשורות לביקוע גרעיני הוא אינטראקציה של גרעינים אטומיים עם נויטרונים: תהליך המתרחש בפצצת ביקוע גרעיני ובתוך כור ביקוע גרעיני. זה בהדרגה נסחף משאר תחומי פיזיקת החלקיקים התת-אטומיים, והפך במובן מסויים ל-'הנדסה גרעינית'. היסוד הטרנס-אורני המסונתז הראשון הושג גם כן בהקשר זה, באמצעות לכידת נויטרונים ולאחר קרינת בטא (β).
האלמנטים מעבר לפרמיום לא יכולים להיות מיוצרים בדרך היווצרות זו. בכדי ליצור נוקליד (גרעין) עם יותר מ-100 פרוטונים לכל גרעין, יש להשתמש בשיטות של פיזיקת חלקיקים, כלומר להאיץ ולהנגיש בין גרעיני אטומים. היצירה של אלמנטים סינתטיים כבדים אף יותר המשיכה אל תוך המאה ה-21 כענף בתוך תחום הפיזיקה הגרעינית, אבל אך ורק למען מטרות מדעיות.
ענף חשוב בפיזיקה גרעינית, הוא מחקר הקשור לביקועים גרעיניים. נושא זה קשור לתחום הנשק התרמו-גרעיני (וכמו כן תפיסה של אנרגיה תרמו-גרעינית שאינה מסוכנת), וכן למחקרים אסטרו-פיזיקליים כגון 'נוקליוסינתזה-כוכבית' וכמו כן 'המיקרוסינתזה של המפץ הגדול'.
פיזיקה של אנרגיות גבוהות עריכה
חלקיקי סטריינג' (Strange) ומסתורין בכוח החלש עריכה
בשנות ה-50 של המאה ה-20, עם התפתחות מאיצי החלקיקים, האצת פרוטונים (וגרעינים אחרים) באנרגיות גבוהות הפכה לברת השגה ולזולה יותר[3]. כך, התגלו חלקיקים שמתפרקים מהר אך כמו כן גם חלקיקים כמו היפרונים וקאונים שזמן התפרקותם ארוך מהרגיל ביחס למסתם הגדולה. בגלל זמן ההתפרקות הלא רגיל, החלקיקים נקראו חלקיקי סטריינג'. אורך החיים הארוך במיוחד של חלקיקים אלו מיוחס לתכונה "מוזרות" (Strangess) שמתארת התפרקות איטית של קווארקים מוזרים כשפועל הכוח הגרעיני החלש[4]. חלקיקים אשר מורכבים מקווארקים מוזרים וחלקיקים מסוג מיואונים, שייכים לדור השני של החלקיקים היסודיים. בנוסף לכך, התגלה כי תכונת המוזרות לא נשמרת כאשר פועל הכוח הגרעיני החלש[5]. בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-20, באמצעות ניסויים של האצות חלקיקים באנרגיות גבוהות, המשיכו להתגלות חלקיקים יסודיים רבים אשר כונו יחדיו כקבוצה - "גן החיות של החלקיקים" (Particle zoo).
מיון החלקיקים עריכה
עקב הניסויים והמשך גילוי חלקיקים חדשים נוצר צורך בסידורם. בשנת 1961 מארי גל-מאן ויובל נאמן הציעו דרך למיון חלקיקי הדרונים על פי תכונותיהם שנקראת Eightfold Way. ההישג הכי גדול של דרך זו הוא חיזוי חלקיק ה - Ω (אומגה מינוס) אשר התגלה בשנת 1964. בשנה זו, הציע גל-מאן מודל למיון החלקיקים על פי הקווארקים המרכיבים אותם - מודל אשר נקרא Quark Model. באמצעות המשך מחקר מעמיק בתחום הקווארקים, הפך מודל זה לבסיס למודל למיון הדרונים בו משתמשים עד היום[6].
קווארקים, לפטונים, ארבעת הכוחות הבסיסיים-המודל הסטנדרטי עריכה
המודל הקווארקי התייחס רק להדרונים והזניח את הכוחות בין החלקיקים היסודיים. לכן, נוצר המודל הסטנדרטי - אשר התייחס לכל החלקיקים היסודיים ולכל הכוחות ביניהם מלבד כוח הכבידה. המודל הסטנדרטי נוצר על ידי שילוב של התיאוריה של הכוח האלקטרו-חלש (שילוב של הכוח האלקטרומגנטי וכמו כן הכוח החלש), אותה פיתחו בשנות ה-60 שלדון גלאשן, סטיבן ווינברג, ועבדוס סלאם, ותיאורית הכרומודינמיקה קוונטית (התיאוריה של הכוח הגרעיני החזק). שתי התיאוריות האלו הינן תיאוריות של תורת הכיול שלפיה הכוחות בטבע מועברים בעזרת חלקיקים יסודיים שנקראים בוזוני כיול. על פי התיאוריות הללו, הכוח האלקטרו-חלש מועבר בעזרת ארבעה בוזוני כיול: נשאי הכוח החלש - בוזוני W ו-Z ונשא הכוח האלקטרומגנטי - פוטון. בנוסף, המודל הסטנדרטי מכיל גם קווארקים, לפטונים ובוזונים[7].
בוזון היגס עריכה
מנגנון היגס, שלפיו קיים חלקיק שמעניק את המסה לחלקיקים, הוא חלק חשוב בתיאוריה של הכוח האלקטרו-חלש. מגנון זה מסביר כיצד לבוזון Z ולבוזון W שנושאים את הכוח החלש יש מסה גדולה אך לפוטון אשר נושא את הכוח האלקטרומגנטי אין מסה. לכן, הגיעו למסקנה שקיים שדה היגס, שדה אותו יוצר בוזון ההיגס, שמעניק מסה לחלקיקים היסודיים על ידי אינטראקציה איתם. שדה ההיגס הוא שדה סקלארי לעומת רוב השדות האחרים המוכרים לנו. מנגנון היגס וחלקיק ההיגס נחזו בשנות ה-60 על ידי פיטר היגס. בשנת 2012, התגלה ב-CERN חלקיק בעל מסה עצומה שתכונותיו היו כשל חלקיק ההיגס. בשנת 2013, פורסם כי חלקיק זה הוא חלקיק ההיגס ובעקבות גילוי זה פיטר היגס ופרנסואה אנגלר (שגם חזה את מנגנון ההיגס) זכו בפרס נובל לפיזיקה[8][9].
- ^ Wayback Machine, web.archive.org, 2012-10-02
- ^
שגיאות פרמטריות בתבנית:צ-מאמר
פרמטרי חובה [ מחבר ] חסרים {{{מחבר}}}, Author index to volume 46B, Physics Letters B 46, 1973-10, עמ' 486–500 doi: 10.1016/0370-2693(73)90172-x - ^
שגיאות פרמטריות בתבנית:קישור כללי
פרמטרי חובה [ כותרת ] חסרים [1] - ^ Hyperon | subatomic particle|אתר=Encyclopedia Britannica|שפה=en|תאריך_וידוא=2019-06-02
- ^ Subatomic particle - Quantum chromodynamics: Describing the strong force, Encyclopedia Britannica (באנגלית)
- ^ Eightfold Way | physics|אתר=Encyclopedia Britannica|שפה=en|תאריך_וידוא=2019-06-02
- ^ Standard model | physics|אתר=Encyclopedia Britannica|שפה=en|תאריך_וידוא=2019-06-02
- ^ Higgs boson | physics|אתר=Encyclopedia Britannica|שפה=en|תאריך_וידוא=2019-06-02
- ^ Electroweak theory | physics|אתר=Encyclopedia Britannica|שפה=en|תאריך_וידוא=2019-06-02