Η δομή της ύλης και η αναζήτησή της από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα

1. Η Δομή της ΎληςΗ Δομή της Ύλης
...και η αναζήτησή της,...και η αναζήτησή της,
από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα...από τα αρχαία χρόνια μέχρι σήμερα...
Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.01Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.0122οο
ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ

2. Από τα αρχαία χρόνια ως την ατομική θεωρία...Από τα αρχαία χρόνια ως την ατομική θεωρία...
• 5ος αιώνας π.Χ., Αρχαία Ελλάδα5ος αιώνας π.Χ., Αρχαία Ελλάδα
Αριστοτέλης: τέσσερα στοιχεία
Έδαφος (χώμα), νερό, αέρας και φωτιά
Καθένα με μία ‘‘φυσική θέση’’
• 1803,1803, John DaltonJohn Dalton::
 Οι χημικές ενώσεις περιέχουν
σταθερή αναλογία
διαφορετικών ατόμων
Λεύκιππος & Δημόκριτος: άτομα
Άφθαρτα: Ούτε καταστρέφονται, ούτε
δημιουργούνται εκ του μηδενός
ΟΟ John DaltonJohn Dalton
(1766 – 1844)(1766 – 1844)
διατύπωσε τηδιατύπωσε τη
νέα ατομικήνέα ατομική
θεωρίαθεωρία

3. Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίουΗ ανακάλυψη του ηλεκτρονίου
J.J. Thomson
• Ο Thomson το 1897 ανακαλύπτει το
πρώτο υποατομικό σωματίδιο, που
αργότερα ονομάστηκε ηλεκτρόνιηλεκτρόνιοο
• Το φορτίο του χαρακτηρίζει το
στοιχειώδες αρνητικό φορτίο
• Έχει διπλή φύση (σώμα – κύμα)διπλή φύση (σώμα – κύμα)
9,1096*10-31
kg
1,6022*10-19
C

4. • SommerfieldSommerfield (1916): η έννοια της
υποστοιβάδαςυποστοιβάδας
• SchrSchröödingerdinger (1926): θεωρίαθεωρία
κυματομηχανικήςκυματομηχανικής
2020οςος
αιώναςαιώνας
• HeisenbergHeisenberg (1925)(1925): θεωρίαθεωρία
κβαντομηχανικής:κβαντομηχανικής: η
βάση των σύγχρονων
αντιλήψεων για το άτομο
• Ατομικό τροχιακό:Ατομικό τροχιακό: η
πιθανότητα να βρεθεί ένα
ηλεκτρόνιο στην περιοχή γύρω
από τον πυρήνα
• Άτομο:Άτομο: πυκνός, θετικά
φορτισμένος πυρήναςπυρήνας
(πρωτόνια,(πρωτόνια, pp++
, νετρόνια,νετρόνια, nnοο
)) +
ηλεκτρονιακό νέφοςηλεκτρονιακό νέφος
(ηλεκτρόνια,(ηλεκτρόνια, ee--
))

5. • Στοιχειώδη σωματίδια:Στοιχειώδη σωματίδια: quarksquarks + λεπτόνια+ λεπτόνια
• Ο σημερινός κόσμος: 11ηη
γενιά των στοιχειωδών σωματιδίωνγενιά των στοιχειωδών σωματιδίων
 δύο quarksquarks:: upup--uu και downdown--dd
 δύο λεπτόνια:λεπτόνια: ηλεκτρόνιο-ηλεκτρόνιο-ee και
νετρίνο του ηλεκτρονίου-ννετρίνο του ηλεκτρονίου-νee
Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)
• Στα πειράματα εμφανίζονται άλλες δύο γενιές
που ζουν για κλάσματα του δευτερολέπτου
• 22ηη γενιάγενιά:: quarks:quarks: charmcharm--cc και strangestrange--ss
λεπτόνια:λεπτόνια: μιόνιο-μμιόνιο-μ και
νετρίνο του μιονίου-ννετρίνο του μιονίου-νμμ
• 33ηη γενιάγενιά:: quarksquarks: toptop--tt και bottombottom--bb
λεπτόνια:λεπτόνια: ταυ-τταυ-τ και νετρίνο του ταυ-ννετρίνο του ταυ-νττ
11//22

6. • Η 2η
και 3η
γενιά είναι εξαιρετικά ασταθείςασταθείς, και
μετατρέπονται σε σωματίδια της 1ης
γενιάς
• Μόνο οι τεράστιες ενέργειες που
επιτυγχάνονται στους σωματιδιακούςσωματιδιακούς
επιταχυντέςεπιταχυντές, όπως αυτούς του CERNCERN,
μπορούν να επαναφέρουν κάποια από
αυτά στη ζωή
• Και οι τρεις γενιές σωματιδίων – που
συλλογικά φέρουν το όνομα φερμιόνιαφερμιόνια
– πιστεύεται ότι ήταν παρούσες και
συνυπήρξαν στα πρώτα δευτερόλεπτα
που ακολούθησαν το Big BangBig Bang!
Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model)
22//22

7. • Ισχυρή πυρηνικήΙσχυρή πυρηνική
 Συγκρατεί στον πυρήνα πρωτόνια & νετρόνια
 Επιδρά σε quarksquarks
 Φορέας: γκλουόνιο (γκλουόνιο (gluongluon))
Οι Θεμελιώδεις ΑλληλεπιδράσειςΟι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις
• ΗλεκτρομαγνητικήΗλεκτρομαγνητική
 Καθορίζει τις ιδιότητες
στερεών, υγρών και αερίων
 Επιδρά σε quarksquarks και λεπτόνιαλεπτόνια
 Φορέας: φωτόνιο (φωτόνιο (photonphoton))
11//22

8. • Ασθενής πυρηνικήΑσθενής πυρηνική
 Είναι υπεύθυνη για τις πυρηνικές
αντιδράσεις στα άστρα
 Επιδρά σε quarksquarks και λεπτόνιαλεπτόνια
 Φορέας: μποζόνιαμποζόνια WW++
,, WW--
και Ζκαι Ζ00
((WW,, Z bosonsZ bosons))
• Βαρυτική:Βαρυτική:
 Είναι υπεύθυνη που βρισκόμαστε στη Γη!
 Γίνεται αισθητή από όλες τις μάζεςμάζες
 Φορέας: γκραβιτόνιογκραβιτόνιο ((gravitongraviton))
• Όλα τα σωματίδια ‘‘φορείς’’Όλα τα σωματίδια ‘‘φορείς’’
ανήκουν στην οικογένεια τωνανήκουν στην οικογένεια των
μποζονίωνμποζονίων
22//22
Οι Θεμελιώδεις ΑλληλεπιδράσειςΟι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις

9. Πότε όμως γεννήθηκαν όλαΠότε όμως γεννήθηκαν όλα
αυτά τα σωματίδια,αυτά τα σωματίδια,
και τι είναι αυτό που τα συνδέει;και τι είναι αυτό που τα συνδέει;

10. • quarks,
antiquarks
και γκλουόνια
(10-43
- 10-32
s)
Η Γέννηση του Σύμπαντος:Η Γέννηση του Σύμπαντος: Big BangBig Bang
Η Μεγάλη ΈκρηξηΗ Μεγάλη Έκρηξη
• Το σύμπανΤο σύμπαν
γεννήθηκεγεννήθηκε
πριν απόπριν από
13,75 δις έτη13,75 δις έτη
• quarks και
λεπτόνια
(10-32
- 10-10
s)
1/41/4

11. • Σχηματισμός νουκλεονίων και
αντινουκλεονίων από quarks
(10-10
- 10-6
s)
Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος
• Περίοδος σύνδεσης πρωτονίων
και νετρονίων και σχηματισμού
των πρώτων πυρήνων
υδρογόνου, ηλίου, λιθίου και
δευτερίου
(10-6
- 1s)
2/42/4

12. • Σχηματισμός ιόντων H και He
(1s - 3 min)
Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος
• Περίοδος σύνδεσης ηλεκτρόνιων με
τους πυρήνες και σχηματισμού
ουδέτερων ατόμων. Δημιουργία του
σύμπαντος!
(3 min - 300.000 έτη)
3/43/4

13. • Σύνθεση βαρύτερων στοιχείων,
σχηματισμός αστερίων και
πρωτογαλαξιών
(300.000 έτη - 1 δις έτη)
• Σχηματισμός ηλιακών
συστημάτων γύρω από τα
άστρα, σύνδεση ατόμων,
σχηματισμός πολύπλοκων
μορίων και έμβιας ύλης
(1 δις έτη - σήμερα)
Η Γέννηση του ΣύμπαντοςΗ Γέννηση του Σύμπαντος
4/44/4

14. • Αμέσως μετά τοΑμέσως μετά το Big BangBig Bang, τα σωματίδια δεν έχουν μάζατα σωματίδια δεν έχουν μάζα
• ΚαθώςΚαθώς το σύμπαν διαστέλλεταιτο σύμπαν διαστέλλεται καικαι η θερμοκρασία τουη θερμοκρασία του
μειώνεταιμειώνεται, σε κάποια, σε κάποια κρίσιμη θερμοκρασίακρίσιμη θερμοκρασία, μπαίνει σε, μπαίνει σε
λειτουργία ολειτουργία ο μηχανισμόςμηχανισμός HiggsHiggs::
Το σύμπαν κατακλύζεται από τοΤο σύμπαν κατακλύζεται από το πεδίοπεδίο HiggsHiggs!!
Η Γέννηση του πεδίουΗ Γέννηση του πεδίου HiggsHiggs
• Τα σωματίδια διασχίζουν το πεδίο,Τα σωματίδια διασχίζουν το πεδίο,
κάποια αλληλεπιδρούν μαζί του και αποκτούνκάποια αλληλεπιδρούν μαζί του και αποκτούν μάζαμάζα,,
ενώ εκείνα που δεν αλληλεπιδρούν,ενώ εκείνα που δεν αλληλεπιδρούν,
παραμένουν χωρίς μάζαπαραμένουν χωρίς μάζα
videovideo
HiggsHiggs

15. Η προσπάθεια για την ενοποίηση των βασικώνΗ προσπάθεια για την ενοποίηση των βασικών
δυνάμεων της φύσηςδυνάμεων της φύσης
• James Clerk Maxwell (19ος αιώνας):
ηλεκτρική + μαγνητική =ηλεκτρική + μαγνητική =
ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση
Πώς όμως θα ενοποιηθούν αφού το φωτόνιοΠώς όμως θα ενοποιηθούν αφού το φωτόνιο
(φορέας Η/Μ δύναμης) δεν έχει μάζα,(φορέας Η/Μ δύναμης) δεν έχει μάζα,
ενώ τα μποζόνιαενώ τα μποζόνια WW καικαι ZZ (φορείς ασθενούς) έχουν;(φορείς ασθενούς) έχουν;
• Μέσα του 20ου
αιώνα, οι επιστήμονες αναρωτιούνται:
ηλεκτρομαγνητική + ασθενής =ηλεκτρομαγνητική + ασθενής =
ηλεκτρασθενής ???ηλεκτρασθενής ???
ΝΑΙΝΑΙ, αλλά η ηλεκτρασθενής συμμετρίαηλεκτρασθενής συμμετρία, είναι ‘‘σπασμένη’’‘‘σπασμένη’’
 Αυτό φαίνεται από την ισχύ και την εμβέλειά τους, που είναι εντελώς διαφορετικές

16. Η λύση:Η λύση: Το πεδίο HiggsΤο πεδίο Higgs
((1964: P1964: P.. HiggsHiggs,, FF.. EnglertEnglert καικαι RR.. BroutBrout,, GG.. GuralnikGuralnik,, CC.. RR.. HagenHagen καικαι TT.. KibbleKibble))
……Απειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τοΑπειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big BangBig Bang
η θερμοκρασία είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίωνη θερμοκρασία είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίων
βαθμών,βαθμών, η ηλεκτρασθενής δύναμη είναι ακόμα ενιαία,η ηλεκτρασθενής δύναμη είναι ακόμα ενιαία, αφούαφού
τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μάζα..τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν μάζα... Το σύμπαν. Το σύμπαν
διαστέλλεται, ώσπου ξαφνικά ψύχεται τόσο πουδιαστέλλεται, ώσπου ξαφνικά ψύχεται τόσο που
η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής διαχωρίζονται,η ηλεκτρομαγνητική και η ασθενής διαχωρίζονται,
καθώς ο μηχανισμόςκαθώς ο μηχανισμός HiggsHiggs μπαίνει σε λειτουργία,μπαίνει σε λειτουργία, και σπάεικαι σπάει
την ηλεκτρασθενή συμμετρία,την ηλεκτρασθενή συμμετρία, εφοδιάζοντας τα στοιχειώδηεφοδιάζοντας τα στοιχειώδη
σωματίδια με τη μάζα τους!σωματίδια με τη μάζα τους!

17. • Κβαντική θεωρίαΚβαντική θεωρία:
κάθε πεδίο έχει φορέα
αλληλεπίδρασης
• Το σωματίδιο
‘‘φορέας’’ του πεδίουπεδίου
HiggsHiggs, είναι το
μποζόνιομποζόνιο HiggsHiggs
• Επιβεβαιώνει το
Καθιερωμένο ΠρότυποΚαθιερωμένο Πρότυπο
Το μποζόνιοΤο μποζόνιο HiggsHiggs

18. Η ανακάλυψη του μποζονίουΗ ανακάλυψη του μποζονίου HiggsHiggs
•Δυσκολία επιβεβαίωσης:Δυσκολία επιβεβαίωσης:
Εμφανίζεται μόνο σε ακραίες θερμοκρασίεςακραίες θερμοκρασίες
Εμφανίζεται πολύ σπάνιαπολύ σπάνια στις συγκρούσεις πρωτονίων μέσα στον LHCLHC
Είναι εξαιρετικά ασταθέςεξαιρετικά ασταθές και διασπάται πριν φτάσει στους ανιχνευτέςανιχνευτές
...Στις 4 Ιουλίου 2012, δύο
ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες
στους ανιχνευτέςανιχνευτές του ΜεγάλουΜεγάλου
Επιταχυντή Αδρονίων (Επιταχυντή Αδρονίων (LHCLHC) του) του
CERNCERN, επιβεβαίωσαν την
ανακάλυψη ενός μέχρι πρότινος
άγνωστου σωματιδίου με μάζα
μεταξύ 125 και 127 GeV/c2
, το οποίοτο οποίο
μέχρι στιγμής συμπεριφέρεται σανμέχρι στιγμής συμπεριφέρεται σαν
μποζόνιομποζόνιο HiggsHiggs......

19. Αυτά είναι αδύνατον ναΑυτά είναι αδύνατον να
έχουν παραχθεί από τηέχουν παραχθεί από τη
διάσπαση ενόςδιάσπαση ενός HiggsHiggs… Αυτά όμως μπορούν!… Αυτά όμως μπορούν!
Ανιχνεύοντας τοΑνιχνεύοντας το
μποζόνιομποζόνιο HiggsHiggs
• Ακαριαία μετατρέπεται σε πιο σταθερά
σωματίδια (ίχνος(ίχνος στον ανιχνευτήστον ανιχνευτή))
• Οι επιστήμονες γνωρίζουν τους συνδυασμούς
σωματιδίων που μπορεί να δώσει ένα HiggsHiggs:
Μόνο εκείνοι οι οποίοι αρχικά δεν παραβαίνουν
την αρχή διατήρησης της ενέργειαςαρχή διατήρησης της ενέργειας
Το ‘‘πιθανόΤο ‘‘πιθανό HiggsHiggs’’’’
καταρρέει σε δύοκαταρρέει σε δύο
αδρόνια και δύοαδρόνια και δύο
ηλεκτρόνιαηλεκτρόνια
Αν παρατηρηθείΑν παρατηρηθεί
ικανοποιητικός συνδυασμόςικανοποιητικός συνδυασμός
σωματιδίων, ίσως προέρχεταισωματιδίων, ίσως προέρχεται
από ένααπό ένα HiggsHiggs!!

20. Διατάξεις που επιταχύνουν καιΔιατάξεις που επιταχύνουν και
εξαναγκάζουν σε σύγκρουση δεξαναγκάζουν σε σύγκρουση δύύοο
δέσμεςδέσμες φορτισμένωνφορτισμένων
σωματιδίωνσωματιδίων π.χ. πρωτονίων ήπ.χ. πρωτονίων ή
ηλεκτρονίων. Συχνά,ηλεκτρονίων. Συχνά,
δημιουργήματαδημιουργήματα της σύγκρουσηςτης σύγκρουσης
είναι νέα σωματίδια!είναι νέα σωματίδια!
• Κυκλικός επιταχυντήςΚυκλικός επιταχυντής
• Γραμμικός επιταχυντήςΓραμμικός επιταχυντής
Επιταχυντές σωματιδίωνΕπιταχυντές σωματιδίων
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (Large HadronLarge Hadron
ColliderCollider –– LHCLHC)) στοστο CERNCERN της Γενεύης, περιφέρειας 27της Γενεύης, περιφέρειας 27kmkm,,
και σε βάθος 175και σε βάθος 175mm, είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος, είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος
επιταχυντής στον κόσμο! Εκεί συμβαίνουνεπιταχυντής στον κόσμο! Εκεί συμβαίνουν 600 εκατομμύρια600 εκατομμύρια
συγκρούσεις πρωτονίων κάθε δευτερόλεπτοσυγκρούσεις πρωτονίων κάθε δευτερόλεπτο!videovideo
LHCLHC

21. Ευχαριστώ!Ευχαριστώ!
Ερωτήσεις;;;Ερωτήσεις;;;
Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.01Ειρήνη-Παυλίνα Αθανασίου ΠΕ04.0122οο
ΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥΓΕ.Λ. ΙΛΙΟΥ