हर चीज़ किससे बनी है?
पदार्थ परमाणुओं से बना है। परमाणु में एक नाभिक (प्रोटॉन और न्यूट्रॉन) होता है और उसके चारों ओर इलेक्ट्रॉन।
मूल कण (elementary particle) वह कण है जो किसी और छोटी चीज़ से नहीं बना (जहाँ तक हम जानते हैं)। इलेक्ट्रॉन मूल कण है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन मूल कण नहीं हैं: ये क्वार्क से बने हैं।
कण भौतिकी इन्हीं सबसे छोटे टुकड़ों और उनके बीच के बलों का अध्ययन है।
क्वार्क, हैड्रॉन, बैरियॉन और मेसॉन
क्वार्क 6 तरह के होते हैं: अप, डाउन, चार्म, स्ट्रेंज, टॉप, बॉटम। साधारण पदार्थ के लिए केवल अप (आवेश +2/3 e) और डाउन (आवेश −1/3 e) चाहिए।
- प्रोटॉन = u u d → +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1
- न्यूट्रॉन = u d d → +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0
क्वार्क से बने कण हैड्रॉन कहलाते हैं। 3 क्वार्क वाले हैड्रॉन बैरियॉन हैं (प्रोटॉन, न्यूट्रॉन)। 1 क्वार्क और 1 प्रतिक्वार्क वाले मेसॉन हैं (जैसे पायॉन π⁺ = u + एंटी-d)।
क्वार्क प्रबल बल से बँधे रहते हैं और कभी अकेले नहीं मिलते। इसे परिरोध (confinement) कहते हैं।
लेप्टॉन और प्रतिद्रव्य
लेप्टॉन वे मूल कण हैं जो प्रबल बल महसूस नहीं करते। ये 6 हैं: इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन, टाउ, और हर एक का एक न्यूट्रिनो। न्यूट्रिनो का द्रव्यमान लगभग शून्य और आवेश शून्य होता है; हर सेकंड अरबों न्यूट्रिनो आपके शरीर से गुज़रते हैं।
हर कण का एक प्रतिकण होता है: द्रव्यमान वही, आवेश उल्टा। इलेक्ट्रॉन का प्रतिकण पॉज़िट्रॉन (e⁺) है।
विलोपन (annihilation): कण + प्रतिकण → ऊर्जा (आम तौर पर दो गामा फोटॉन)। युग्म उत्पादन (pair production): नाभिक के पास एक ऊँची ऊर्जा का फोटॉन कण और प्रतिकण में बदल सकता है। दोनों में E = mc² लागू होता है।
चार मूल बल और विनिमय कण
| बल | किस पर | वाहक (बोसॉन) | परास |
|---|---|---|---|
| प्रबल | क्वार्क, हैड्रॉन | ग्लूऑन | लगभग 10⁻¹⁵ m |
| विद्युतचुंबकीय | आवेशित कण | फोटॉन | अनंत |
| दुर्बल | सभी क्वार्क और लेप्टॉन | W⁺, W⁻, Z⁰ | लगभग 10⁻¹⁸ m |
| गुरुत्व | द्रव्यमान वाली हर चीज़ | ग्रेविटॉन (अभी मिला नहीं) | अनंत |
बीटा-माइनस क्षय में दुर्बल बल से एक डाउन क्वार्क अप क्वार्क बन जाता है: n → p + e⁻ + प्रति-न्यूट्रिनो। 2012 में CERN में मिला हिग्स बोसॉन इस बात से जुड़ा है कि कणों को द्रव्यमान कैसे मिलता है।
त्वरक, संसूचक और संरक्षण नियम
त्वरक (accelerator) विद्युत क्षेत्र से आवेशित कणों को तेज़ करते हैं और चुंबकीय क्षेत्र से उन्हें वलय में मोड़ते हैं। रैखिक त्वरक सीधी रेखा में धकेलते हैं; साइक्लोट्रॉन और सिंक्रोट्रॉन वृत्त में। संसूचक (detector) नए कणों के पथ दर्ज करते हैं (चुंबकीय क्षेत्र में मुड़ने की दिशा से आवेश पता चलता है)।
हर अभिक्रिया में ये नहीं बदलते: आवेश, बैरियॉन संख्या (क्वार्क = +1/3, प्रतिक्वार्क = −1/3), लेप्टॉन संख्या (लेप्टॉन = +1, प्रतिलेप्टॉन = −1), तथा ऊर्जा और संवेग। इनमें से एक भी बदले तो अभिक्रिया नहीं हो सकती।
मानक मॉडल = 6 क्वार्क + 6 लेप्टॉन + बल वाहक + हिग्स बोसॉन। यह गुरुत्व और डार्क मैटर को छोड़कर लगभग सब कुछ समझाता है।
करके देखें: एक अभिक्रिया जाँचें
3D में आख़िरी चरण खोलें। u + एंटी-d बनाएँ। पहले आवेश का अनुमान लगाएँ (+2/3 + 1/3)। फिर u u d और u d d बनाएँ। कागज़ पर जाँचें कि p → n + e⁺ + ν में आवेश, बैरियॉन संख्या और लेप्टॉन संख्या बचते हैं या नहीं। (बचते हैं: यह बीटा-प्लस क्षय है, जो कुछ नाभिकों के अंदर होता है।)
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- अप क्वार्क का आवेश = +2/3 e; डाउन क्वार्क का आवेश = −1/3 e
- प्रोटॉन = uud (आवेश +1); न्यूट्रॉन = udd (आवेश 0)
- बैरियॉन संख्या: क्वार्क +1/3, प्रतिक्वार्क −1/3; बैरियॉन = +1, मेसॉन = 0
- लेप्टॉन संख्या: लेप्टॉन +1, प्रतिलेप्टॉन −1, बाकी सब कण 0
- E = mc² (विलोपन और युग्म उत्पादन में द्रव्यमान–ऊर्जा)
- युग्म उत्पादन के लिए न्यूनतम फोटॉन ऊर्जा = 2mc²
हल किए गए उदाहरण
1. u, u, u से बने कण का आवेश ज्ञात करें।
+2/3 + 2/3 + 2/3 = 6/3 = +2। यह Δ⁺⁺ बैरियॉन है, आवेश +2e।
2. पायॉन π⁺ = u + एंटी-d की बैरियॉन संख्या ज्ञात करें।
क्वार्क u: +1/3। प्रतिक्वार्क एंटी-d: −1/3। कुल = 0। मेसॉन की बैरियॉन संख्या हमेशा 0 होती है।
3. क्या p + p → p + p + n संभव है?
आवेश: पहले +2, बाद में +1 + 1 + 0 = +2 (बचा)। बैरियॉन संख्या: पहले 2, बाद में 3 (नहीं बची)। इसलिए यह अभिक्रिया असंभव है।
4. दिखाएँ कि बीटा-माइनस क्षय n → p + e⁻ + प्रति-ν में लेप्टॉन संख्या बचती है।
पहले: 0 (न्यूट्रॉन लेप्टॉन नहीं)। बाद में: प्रोटॉन 0, इलेक्ट्रॉन +1, प्रति-न्यूट्रिनो −1। कुल 0। लेप्टॉन संख्या बची। आवेश: 0 → +1 − 1 + 0 = 0, यह भी बचा।
5. एक इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन (हर एक का द्रव्यमान 9.11 × 10⁻³¹ kg) विराम में विलोपित होते हैं। कुल ऊर्जा ज्ञात करें।
कुल द्रव्यमान = 2 × 9.11 × 10⁻³¹ = 1.822 × 10⁻³⁰ kg। E = mc² = 1.822 × 10⁻³⁰ × (3 × 10⁸)² = 1.64 × 10⁻¹³ J (लगभग 1.02 MeV)। दोनों गामा फोटॉन 0.51 MeV-0.51 MeV ले जाते हैं।
6. इलेक्ट्रॉन–पॉज़िट्रॉन युग्म बनाने के लिए फोटॉन की न्यूनतम ऊर्जा कितनी चाहिए?
दो इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान बनाने होंगे: E = 2mc² = 1.64 × 10⁻¹³ J = 1.02 MeV।
आम गलतियाँ
- प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को मूल कण मान लेना। ये क्वार्क से बने हैं; इलेक्ट्रॉन मूल कण है।
- बैरियॉन और मेसॉन में गड़बड़। बैरियॉन = 3 क्वार्क; मेसॉन = 1 क्वार्क + 1 प्रतिक्वार्क।
- यह सोचना कि प्रतिकण का द्रव्यमान ऋणात्मक है। द्रव्यमान वही होता है, केवल आवेश (और क्वांटम संख्याएँ) उल्टे।
- अभिक्रिया में केवल आवेश जाँचना। बैरियॉन संख्या और लेप्टॉन संख्या भी बचनी चाहिए।