Kodėl mokslininkai sudaužo atomus?
Trumpas atsakymas: Mokslininkai sudaužo atomus, kad suskaidytų juos į mažesnes dalis. Tai padeda mums sužinoti, iš ko sudaryti atomai ir jėgos, ir kaip mažytės dalelės elgiasi ekstremaliomis sąlygomis.
Paprastas paaiškinimas:
Pagrindinė mintis
Atomai atrodo kieti, bet dažniausiai tai tuščia erdvė su mažyčiu centru, vadinamu branduoliu. Mokslininkai naudoja mašinas, vadinamas greitintuvais, kad pagreitintų daleles ir priverstų jas atsitrenkti į atomus kaip mažyčius biliardo kamuoliukus. Kai dvi dalelės susiduria labai dideliu greičiu, jos gali suskilti arba paversti energiją naujomis dalelėmis.
Tai suteikia mokslininkams užuominų apie tai, kas yra atomų viduje ir kaip veikia gamtos jėgos. Atomų sudaužymas taip pat padeda sukurti retų tipų atomus, kuriuos galime tirti medicinos ir technologijų reikmėms. Kai kurie susidūrimai atkuria sąlygas, kurios egzistavo tik iškart po Didžiojo sprogimo, leisdami mums išbandyti idėjas apie ankstyvąją visatą.
Stebėdami, kas gaunama iš susidūrimų, mokslininkai išbando ir tobulina mūsų materijos elgesio taisykles. Mokslas:
Mokslinis paaiškinimas
Įvardyti dėsniai / principai: Pagrindiniai efektai / dėsniai: Rutherfordo sklaida (struktūros zondavimo metodas), energijos ir impulso tvermės dėsnis ir masės bei energijos ekvivalentiškumas (E=mc^2).
Kai greita dalelė atsitrenkia į atomą, ji gali išsklaidyti atomo dalis arba jį suskaidyti. Rutherfordo sklaida istoriškai parodė, kad atomai turi mažą tankų branduolį, nes dauguma alfa dalelių praėjo pro jį, o kelios stipriai nukrypo. Šiuolaikiniuose didelės energijos susidūrimuose kinetinė energija gali virsti mase (naujomis dalelėmis) pagal E=mc^2, todėl atsiranda sunkesnės arba trumpaamžės dalelės.
Energijos ir impulso tvermės dėsnis leidžia fizikams rekonstruoti tai, kas įvyko, matuojant išskriejančias dalis. Detektoriai fiksuoja pėdsakus, energijas ir skilimo modelius. Daugelio susidūrimų duomenys atskleidžia tokių dalelių kaip kvarkai, bozonai ir trumpalaikės egzotinės būsenos egzistavimą ir savybes, ir tikrina tokias teorijas kaip standartinis dalelių fizikos modelis.
Kaip mes tai žinome: eksperimentai greitintuvuose ir detektoriuose leidžia pasikartojančius matavimus, kurie atitinka teorines prognozes, o netikėti rezultatai leidžia patobulinti teorijas. Konkretūs atradimai, tokie kaip Higso bozonas, buvo patvirtinti daugybe eksperimentų ir analizių .
Kasdieniai pavyzdžiai
- Medicininiai izotopai: greitintuvuose pagamintos dalelės padeda gaminti medžiagas vėžio skenavimui ir gydymui.
- Protonų terapija: greitintuvų spinduliai kai kuriuos navikus gydo tiksliau nei rentgeno spinduliai.
- Elektronika ir medžiagų bandymai: greitintuvai tiria ir keičia medžiagų savybes, skirtas lustams ir pramonei.
- Naujų elementų kūrimas: branduolių sujungimas leido atrasti itin sunkius elementus.
- Kosmoso tyrimai: eksperimentai atkuria kosminių spindulių sąlygas, siekiant suprasti, kaip dalelės elgiasi erdvėje.
Praktinis bandymas
Šokinėjančio kamuoliuko susidūrimas
Sauga: atlikite tai ant minkšto paviršiaus, kad kamuoliukai nenuriedėtų.
Priemonės
- du šokinėjantys kamuoliukai (jei įmanoma
- skirtingo dydžio)
- lipni juosta
- liniuotė
Žingsniai
- Lipnia juosta pažymėkite ant grindų tiesią liniją kaip „takelį“.
- Padėkite vieną kamuoliuką viename gale, o kitą – nedideliu atstumu ant linijos.
- Švelniai ridenkite pirmąjį kamuoliuką, kad jis atsitrenktų į antrąjį kamuoliuką. Stebėkite, kaip abu juda po smūgio.
- Pabandykite pakeisti pirmojo kamuoliuko greitį ir pakartokite. Tada pabandykite sukeisti, kuris kamuoliukas rieda.
- Liniuote išmatuokite, kiek toli kiekvienas kamuoliukas nukeliauja po susidūrimo. Ką tai rodo: Susidūrimai perduoda energiją ir judėjimą tarp objektų, pavyzdžiui, kaip mažos dalelės elgiasi greitintuvuose.
Svarbūs žodžiai
- Atomas: mažytis materijos statybinis blokas, sudarytas iš branduolio ir elektronų.
- Branduolys: mažas, tankus atomo centras, sudarytas iš protonų ir neutronų.
- Greitintuvas: mašina, kuri pagreitina daleles iki didelės energijos, kad jos galėtų susidurti.
- Izotopas: elemento versija su skirtingu neutronų skaičiumi.
- Susidūrimas: kai dvi dalelės ar objektai dideliu greičiu susiduria vienas su kitu.
Trumpi klausimai
Ar susidūrus atomams susidarys pavojingi dalykai, tokie kaip juodosios skylės?
Ne; laboratorinių susidūrimų metu susidaro mažytės, trumpai gyvuojančios dalelės, o saugos tyrimai rodo, kad Žemės eksperimentuose jie negali sukurti pavojingų juodųjų skylių .
Ar tai kenkia gyvūnams, žmonėms ar planetai?
Eksperimentai yra suplanuoti su saugos apribojimais ir kontrolės priemonėmis, kad jie nepakenktų žmonėms ar aplinkai.
Kodėl gi tiesiog nepažvelgus į atomus per mikroskopą?
Mikroskopai nemato branduolių vidaus ir nesukuria didelės energijos, reikalingos naujoms dalelėms susidaryti; susidūrimai atskleidžia paslėptas dalis.
Ar rezultatai naudingi ne fizikoje?
Taip; tokios technologijos kaip medicininis vaizdavimas, vėžio gydymas ir pažangios medžiagos išaugo iš susidūrimų tyrimų.