Den moderna fysikens historia

home
Del 2 handlar om hur den moderna fysiken och kvantfysiken växer fram. Framställningen görs i kronologisk ordning och referenser anges till Wikipedia där informationen är hämtad.

1803

Youngs dubbelspaltexperiment not
En ljusstrålen som passerar genom de båda spalterna delas upp i två strålar och dessa kommer att interferera med varandra och bilda ett mönster på samma sätt som vattenvågor som får passera två smala öppningar bildar ett interferensmönster.
Experimentet visar att ljus är ett slags vågrörelse. Mönstret uppstår då ljusvågorna adderas. Lika fas på ljuset förstärker varandra och olika fas försvagar varandra. Fasskillnaden beror på att ljuset får gå olika långa vägar genom de två spalterna till skärmen där ljusfläckarna studeras.

Dubbelspaltexperimentet har senare också använts för att visa att partiklar, som t.ex. elektroner också uppträder som vågor. Detta experiment tycks inte stämma med den klassiska fysikens lagar och anses vara den tändande gnistan för den moderna fysikens utveckling av kvantmekaniken.


1820

Örstedts försök
Under en föreläsning observerade Hans Christian Örstedt (1777-1851) att en kompassnål vred sig då en elektrisk ström passerade över kompassen. Vidare studier visade att en elektrisk ström skapade ett cirkulärt magnetfält kring en strömförande ledare.


1820

Biot-Savarts lag not
ström-magnetism Jean-Baptist Biot (1774–1862) not tillsammans med Felix Savart (1791-1841) not formulerade en lag om hur magnetfältets styrka kring en lång rak ledare varierar med avståndet från ledaren.
B = μ0I / 4πr
där μ0 = konstant, I = strömmen i ledaren, r = avståndet från ledaren.
Lagen är grundläggande inom magnetismen och kan jämföras med Coulombs lag för elektriska laddningar.


1862

Maxwells ekvationer
maxwellsekvationer.GIF Skotten James Clerk Maxwell (1831-1879) not publicerade sina 4 ekvationer som beskriver den klassiska elektrodynamiken, optik och elektriska kretsar. De beskriver hur elektriska laddningar och elektriska strömmar verkar som källa till elektriska och magnetiska fält. De beskriver hur ett varierande magnetiskt fält genererar ett varierande elektriskt fält och tvärtom.
Maxwells ekvationer visar att elektricitet, magnetism och ljus är former av samma fenomen, det elektromagnetiska fältet. Elektriska och magnetiska fält rör sig i rymden med ljusets fart.

Med Maxwells ekvationer fick man en andra förening av olika fenomen. Den första föreningen skapades av Newton som beskrev gravitationen.


1887

etervinden Eterteorin förkastas not
Edward Morley (1838-1923) not och Albert Michelson (1852-1931) not utförde experiment för att bestämma ljusets hastighet i etern, ett medium som universum var fyllt av för att ljuset skulle kunna förflytta sig. Det behövdes också för att förmedla magnetfält och gravitationskrafter mellan kroppar. Man drog analogier från vattenvågor som måste ha vatten för att förflytta sig och ljud som måste ha luft för att kunna förflytta sig. Eftersom ljus kan gå genom vakuum antog man att vakuumet innehöll ett medium som man kallade etern.

Då jorden rör sig kring solen och solen rör sig kring Vintergatan med mycket höga hastigheter, försökte man mäta ljusets hastighet i olika riktningar av den etervind som jorden rörde sig genom. Hastigheten på Jorden i etervinden är dock mycket liten jämfört med ljusets hastighet, men en skillnad skulle ändå kunna mätas upp. Michelson hade konstruerat en apparat, en interferometer, som skulle kunna mäta mycket små skillnader i ljushastigheten i olika riktningar. När interferometern vrids runt skulle de olika armarna hamna vinkelrätt mot etervinden och senare längs med etervinden osv. Ljuset som då gått mot och med etervinden och sedan samverkar med ljus som gått vinkelrätt skulle uppvisa interferensmönster som skulle ändra sig med riktningen när interferometern vreds runt.

etherwind Men experimentet misslyckades. Man kunde inte bestämma någon skillnad för ljusets hastighet i olika riktningar av etervinden. Experimentet blev vad man kallade det mest berömda misslyckade experimentet i världshistorien. Istället för att ge klarhet i hur etern fungerade, visade det att etern inte fanns.


1895

Röntgenstrålar
upptäcks som en ny slags strålning vid experiment med katodstrålerör (föregångarna till tjockTVapparater). Upptäckaren var Tysken Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) not.
Röntgen kallade strålarna för X-strålar eftersom de var okända. De kunde tränga ut genom glaset i katodstrålerören och fick fluorescerande ämnen att lysa upp.
Röntgen fortsatte att studera strålarna och deras egenskaper. Han undersökte vilka material som kunde stoppa strålarna och fann att bly var ett sådant ämne. Han använde ofta blyskydd när han utförde experiment med X-strålarna. Några veckor efter upptäckten tog han en röntgenbild av sin hustrus hand, varvid hon hade utbrustit 'Jag har sett min död'
Idag anses Röntgen vara fader till röntgendiagnostiken.

Han fick Det första Nobelpriset i fysik år 1901 för sina upptäckter av X-rays eller röntgenstrålning.


1896

Radioaktivitet upptäcks
av en slump av Henri Becquerel (1852-1903) not
En mineralklump av uransalt hade placerats på en fotografisk plåt och plåten hade blivit svärtad av något. Detta något skiljde sig från röntgenstrålar då det kunde avböjas av elektriska och magnetiska fält. Senare kunde man visa att strålningen kom från själva uranet.
Pierre och Marie Curie, som var doktorandstudenter under Becquerel, upptäckte nya grundämnen som t.ex. polonium och radium som också hade uranets strålande egenskaper.

För sina upptäckter fick Henri Becquerel, Marie Curie och Pierre Curie Nobelpriset i fysik 1903.

Enheten för radioaktivitet, antal sönderfall per sekund, är uppkallad efter Henri Becquerel.
1 Bq (becquerel) = 1 sönderfall / sekund.


1897

Elektronen upptäcks
Joseph John Thomson (1856-1940) not och hans forskarteam av brittiska fysiker visar att elektronen är en partikel.
Thomson fick Nobelpriset 1906 för sin upptäckt av elektronen som en partikel och sitt arbete om ledningsförmåga i gaser.

Tidigare har forskare trott att det fanns både negativa och positiva elektriska laddningar. 1846 trodde tysken William Weber (1804-1891) not att elektricitet bestod av positiv och negativ vätska och att dessa påverkade varandra med krafter som var omvänt proportionella mot avståndet.
År 1881 hävdade tysken Hermann von Helmholtz (1821-1894) not att både positiva och negativa laddningar bestod av elementarladdningar som båda uppförde sig som atomer av elektricitet.
År 1894 myntade George Johnstone Stoney (1826-1911) not termen elektron för att beskriva dessa elementarladdningar. Namnet är sammansatt av delen elektr- från elektricitet och -on från benämningen för en subatomisk partikel som t.ex. neutron eller proton.


1900

Kvantisering av strålningsenergi
Det var Gustav Kirchhoff (1824–1887) som 1859 ställde frågan "Hur beror strålningen från en svart kropp på strålningens frekvens".
1894 började Max Planck (1858-1947) undersöka svartkroppsstrålning för att få svar på Kirchhoffs fråga. Efter många olika teorier kom Planck fram till att strålningen måste avges i diskreta nivåer
E = h ν
Planck trodde till en början inte att energin var kvantiserad, dvs skickades ut i små paket.


1904

Plumpuddingmodellen
(En engelsk pudding som äts till jul. Puddingen är ofta rund som en boll och innehåller torkad frukt spridda i puddingen.)
J.J. Thomson (1856-1940) som 1897 upptäckte elektronen föreslog en atommodell där elektronerna snurrade runt i ett klot fyllt av en positivt laddad soppa för att balansera elektronernas negativa laddningar. Elektronerna motsvaras då av plumpuddingens fruktbitar och den positivt laddade delen resten av kakan.

Saturnusmodellen av atomen
Japanen Hanturo Nagaoka (1865-1950) not utvecklade en atommodell som liknade planeten Saturnus. Atomens massa var koncentrerad till en kärna i centrum och omgavs av ringar som bestod av elektroner som var bundna till kärnan med Coulombkrafter. Kärnan innehöll nästan hela atomens massa.


1905

Fotoelektriska effekten not
Först sedan Albert Einsten (1879-1955) började arbeta med den fotoelektriska effekten och inse att strålningen verkligen transporterades i små kvanta kallade fotoner som början på en ny vetenskap, Kvantmekaniken, startade.

Fotoelektrisk effekt innebär att ljus som belyser en negativt laddad metall kan få elektroner att lämna metallytan om frekvensen på det ljus som lyser på metallen är tillräckligt hög. Ljuset kan betraktas som små energipaket med energin
E = h·ν
där h = Plancks konstant, ν = strålningens frekvens.
Är fotonens energi större än den som behövs för att slita loss elektronen från ytan kommer överskottsenergin att bli rörelseenergi hos elektronen.
hν = hν0 + Ek.

Planck har tillskrivits upptäckten av kvantmekaniken, fast han till en början inte förstod att han gjort det. Det var först med Einsteins arbete med den fotoelektriska effekten som Plancks banbrytande arbete erkändes och Planck fick Nobelpriset för detta 1918.
Einstein fick Nobelpriset i Fysik 1921 för sitt arbete med den fotoelektriska effekten.

Historia
Den fotoelektriska effekten, att ljus kan få en negativt laddad metall att förlora sin laddning då den belystes med ljus hade förbryllat forskare sedan Alexandre Becquerel (1820-1891) not upptäckte effekten då han studerade ljusets inverkan på elektrolytiska celler.
År 1887 observerade Heinrich Hertz (1857-1894) not den fotoelektriska effekten då han arbetade med elektromagnetiska vågor. Vågorna detekterades med ett gnistgap och för att se gnistan bättre placerade Hertz apparaten i en mörk låda med ett fönster av glas. Då minskade gnistan men blev åter stor då glaset byttes mot kvartsglas, som släpper igenom ultraviolett ljus. Hertz rapporterade sina upptäckter, men undersökte dem inte vidare.
Hertz upptäckt av att ultraviolett ljus påverkade urladdningen satte igång många forskare. Man kunde visa att en nyligen rengjord zinkplatta laddades ur av ultraviolett ljus, en oladdad zinkplatta blev till och med positivt laddad.
År 1899 undersökte J. J. Thomson ultraviolett ljus i vakuumrör. Thomson kom fram till att strömmen av de subatomiska corpusclerna (elektroner) varierade med intensiteten och färgen på den belysande strålningen.
År 1902 upptäcker Philipp Leonard (1862-1947) not att energin hos de emitterade elektronerna beror på frekvensen hos det belysande ljuset. Detta stred mot James Clerk Maxwells vågteori som man trodde förutsade att elektronens energi skulle bero på ljusets intensitet.


1905

Relativitetsteorin
Albert Einstein publicerar sin speciella relativitetsteori.not
Denna teori beskriver sambandet mellan massa och energi E = m c² och att ljusets hastighet är samma i alla system oavsett om de rör sig i förhållande till varandra. Vid hastigheter som är nära ljusets uppträder fenomen som

  • Längdkontraktion.
    Ett föremål som rör sig upplevs vara sammantryckt i hastighetsriktningen. Är hastigheten 90% av ljushastigheten är föremålets längd bara 44% av längden när det står stilla.
  • Tidsdilation.
    För ett föremål som rör sig går tiden långsammare.
  • Samtidighet inte är sant
    Då tiden är relativ för olika observatörer är två händelser som sker samtidigt för en observatör inte samtidigt för en annan observatör som rör sig.
  • Det är omöjligt
    för en kropp med massa att komma upp i ljusets hastighet. Ju närmare ljushastigheten ett föremåls hastighet blir, desto trögare blir föremålets massa och gör mer motstånd mot hastighetsförändringar. Om föremålet rör sig med ljusets hastighet (vilket är omöjligt), skulle tiden stå still och längden i hastighetsriktningen vara noll.
  • All rörelse är relativ.
    Det finns inte något absolut referenssystem
  • mm.

1909

millikan experiment Elektronens laddning bestäms
Robert Millikan (1868-1953) not och Harvey Fletcher (1884-1981) not kunde efter experiment med oljedroppar som hölls svävande i ett elektriskt fält bestämma elektronens laddning. Små oljedroppar sprutades in i ett elektriskt fält. Oljedropparna faller långsamt nedåt av gravitationen men kunde fås att röra sig uppåt med hjälp av ett elektriskt fält. Genom att bestämma droppens radie kunde droppens massa bestämmas och med det elektriska fältet kunde sedan en uppåtriktad kraft appliceras som balanserade tyngden. Laddningens storlek kunde så bestämmas.

Bland annat på grund av arbetet med elektronens laddning fick Millikan 1923 Nobelpriset i fysik.


1911

Rutherford experiment bild från Wikipedia Rutherfords atommodell not
Efter experiment utförda 1909 med alfapartiklar som bombarderat en tunn guldfolie kunde Ernest Rutherford (1871 - 1937) skapa sin modell av atomen med en liten kärna som var positivt laddad och elektronerna snurrar omkring som planeter. Analogin med planetsystem stämde bra då solen har större delen av planetsystemets massa liksom kärnan har större delen av atomens massa.

Rutherford fann att kärnans laddning var ungefär hälften av atomens vikt mätt i väteatomens vikt, och Rutherford föreslog att kärnan består ev ett antal heliumkärnor.
Bara en månad efter Rutherford publicerat sin upptäckt av atomen påstod Antonius van den Broek (1870-1926) not att det fanns ett exakt samband mellan atomnumret och kärnans laddning. Detta visades också stämma experimentellt av Henry Moseley (1887-1915)


1913

Atomnummer
Henry Moseley (1887-1915) not studerade atomkärnan med hjälp av röntgenstrålar och fann ett samband mellan atomnumret och antal laddningar i kärnan. Med hjälp av Moseleys lag kunde grundämnena placeras på ett korrekt sätt i periodiska systemet. Moseleys arbete var en viktig faktor för Niels Bohr i arbetet med sin atommodell.
Moseley anmälde sig som frivillig soldat i Världskriget och skickades till Turkiet 1915 där han blev skjuten och dog.

1913

Bohrs atommodell Bohrs atommodell
Niels Bohr (1885–1962) not
Atommodellen utvecklades ur den kubiska modellen (1902), plumpuddingmodellen (1904), Saturniammodellen (1904) och Rutherfords modell (1911).
Den sätter all positiv laddning i mitten och elektronerna snurrar runt kärnan i olika cirkulära banor liknande ett planetsystem men med elektriska krafter i stället för gravitationskrafter som sammanhållande kraft.

Atommodellen var nu en kärna med atomnumret stycken positiva laddningar och lika många elektroner som snurrar runt atomkärnan i cirkulära skal.

Bohrs atommodells framgång berodde på att den kunde förklara spektrallinjerna från väte som var kända genom Rydberg som tagit fram ett samband som beskrev dessa.
Enligt klassisk fysik skulle en elektron som snurrar runt kring en atomkärna avge energi hela tiden och skulle då gradvis minska sin hastighet och banradie och närma sig atomkärnan och kollapsa in i kärnan.

Enligt Bohrs atommodell
  • Elektronen kan bara befinna sig i speciella banor med en specifik radie.
  • Varje bana har en viss energi som också kallas energinivåer. Elektronen förlorar eller tar upp energi bara då den hoppar mellan banorna / energinivåerna. Elektronen skickar ut energi som motsvarar energiskillnaden mellan banorna, eller tar upp energi om den exakt svarar mot skillnaden mellan elektronens bana och en annan bana.
    ΔE = E2 - E1 = h ν
    där h = Plancks konstant, ν = strålningens frekvens.
  • Frekvensen på den emitterade strålningen är
    ν = 1 / T där T är rotationstiden i banan.
  • Bohr kunde fastställa energinivåerna i atomen genom att betrakta elektronens rotationsmoment L. Rotationsmomentet L kan bara anta heltalsmultipel av storheten h/2π
    L = n · h / 2π n = 1, 2, 3, ...
    En elektron kan ha olika värden på n, men om n = 1 befinner sig elektronen närmast kärnan och kan inte komma närmare. Talet n kallas huvudkvanttalet.
Med sin atommodell kunde Bohr bestämma energinivåerna för de tillåtna banorna i väteatomen och andra väteliknande atomer och joner.
Bohr trodde inte på att elektromagnetisk strålning också kunde beskrivas med fotoner.

Bohrs tredje postulat att rotationsmomentet är en heltalsmultipel av h/2π tolkades senare av de Broglie som en villkor för en stående våg. Elektronen beskrivs som en våg och för att den ska kunna finnas i banan måste elektronens cirkelformade bana vara ett helt antal våglängder lång.

Niels Bohr fick för sina upptäckter i fysik Nobelpriset 1922.


1922

Comptonspridning
Genom att låta en foton kollidera med en fri elektron kunde Arthur Compton (1892 - 1962) not visa att fotoner var partiklar som hade rörelsemängd. En infallande foton kolliderar med en elektron som får en hastighet och den infallande fotonen förlorar energi (dess våglängd ökar) och sprids i en annan riktning än den hade från början.
Compton fick 1927 års Nobelpris i fysik för upptäckten.


1924

Partikelvågor
Louis de Broglie (1892–1987) försökte vidareutveckla Niels Bohrs tankar om hur elektroner rör sig. Han letade efter en ekvation som beskriver all materias vågegenskaper.
λ = h / p
λ = partikelns våglängd, h = Plancks konstant, p = partikelns rörelsemängd.
f = E / h
f = vågens frekvens, E = partikelns energi, h = Plancks konstant

Hans ekvation bekräftades experimentellt 1927 av Lester Germer och Clinton Davisson som skickade elektroner mot en kristall och kunde mäta upp diffraktionsmönster som stämde med de Broglies ekvation.


1926

Schrödingerekvationen not
Schrödingerekvationen formulerades 1926 och är en ekvation som beskriver hur kvanttillståndet för ett fysikaliskt system ändrar sig med tiden. I kvantmekaniken beskrivs ett tillstånd med en vågfunktion och är en komplett beskrivning av ett system. Det finns en tidsoberoende variant av Schrödingerekvationen som används för att beräkna energinivåer och andra egenskaper i atomer och molekyler.
schrödinger ekvationen
Ψ = vågfunktionen, energioperator = energioperatorn, h-streck = Plancks konstant / 2π, hamiltonoperator = Hamiltonoperatorn


1927

Osäkerhetsrelationen
Werner Heisenberg (1901-1976) not arbetade som assistent till Niels Bohr i Köpenhamn. Han tog fram sin osäkerhetsrelation som säger att vissa fysikaliska egenskaper inte samtidigt kan bestämmas exakt. Ju större noggrannhet en storhet kan bestämmas, desto osäkrare blir bestämningen av den andra. Till exempel kan läge Δx och rörelsemängd Δp inte båda bestämmas exakt.
Δx ·Δp ≥ h/4π
där h = Plancks konstant.
Detta handlar inte om mätnoggrannhet utan om det fysikaliska systemet själv.

I kvantfysiken beskrivs en partikel som ett vågpaket. Eftersom en partikel är en våg kan den vara var som helst längs vågpaketet. För att bestämma partikelns läge måste vågpaketets utbredning minskas och det sker genom att addera fler sinusvågor. Rörelsemängden p hos en partikel är proportionell mot vågtalet k = 2π/λ. Partikeln kan vara vilken som helst av vågorna så om läget blir mer exakt ökar osäkerheten i vågtalet och därmed rörelsemängden p.
En partikel med en exakt rörelsemängd har en exakt våglängd men en sådan våg har en oändlig utsträckning och tvärtom. En partikel med ett exakt läge består av oändligt många vågor med olika vågtal varför osäkerheten i rörelsemängd blir oändligt stor.


1927

Pauli-principen not
bilder/hundsregel.GIF Det är en kvantmekanisk princip formulerad av österrikaren Wolfgang Pauli (1900-1958) not. I sin enklaste form innebär den att två elektroner inte kan ha samma uppsättning av de fyra kvanttalen n, l, ml, ms i en atom.

  • n = elektronskalet
  • l = elektronskalets undernivå. Värdet på l varierar från 0 till n - 1.
  • ml = beskriver en speciell bana i underskalet. Värdet varierar mellan -l och +l
  • ms = elektronens spinn. Värdet är +1/2 eller -1/2
Detta gäller för partiklar med halvtaliga spinn som t.ex. elektroner.

Det finns tre principer som gäller för hur elektronerna befolkar energitillstånden i en atom.
Bau Auf principen: Elektronen placerar sig i den lediga nivån som har lägst energi.
Hunds regel: Elektronerna placerar sig i orbitaler med lika energi så att de kommer så långt från varandra som möjligt. Det innebär att de fyller på orbitalerna så att maximalt antal elektroner blir oparade och att spinnen blir parallella.
Pauli-principen: två elektroner i en atom kan inte ha samma uppsättning av de fyra kvanttalen.

1928

Diracs ekvation
Paul Dirac (1902-1984) not formulerade en variant av Schrödinger-ekvationen, kvantmekanikens huvudekvation, som beskriver tillståndet för en partikel. Diracs ekvation not innehåller även information om partikelns spinn, vilket tidigare ekvationer inte har gjort. Det var den första ekvation som innehåller relativistisk beskrivning av kvantfysiken.
En intressant egenskap hos ekvationen är att en partikels minsta energi kan vara E = ±mc². Den negativa lösningen brukar man bortse från. Men Dirac påstår att den minsta energin hos partikel kan vara negativ. E = -mc².

Vakuum
Vakuum innehåller inga partiklar som kan synas. Det beror på att vakuum är ett tillstånd som är fullt av partiklar. varje energitillstånd är besatt. För att en partikel ska kunna observeras måste den ge sig till känna på något sätt. Detta kan ske genom att den byter från ett tillstånd till ett annat. Men om det inte finns något annat ledigt tillstånd kan den inte byta och därmed inte observeras. (Det finns inget som säger att två partiklar inte kan uppta samma plats, bara att de inte kan ha samma energitillstånd (Pauliprincipen)).

Antipartiklar
Om två partiklar kolliderar och deras gemensamma rörelseenergi = 2mc² skulle det finnas tillräckligt med energi för att plocka upp en partikel t.ex. en elektron med energin -mc² ur oceanen av fyllda tillstånd i vakuum till energin +mc². Vi skulle få en ny partikel. Men hålet i vakuum som uppstår skulle också bli synligt för andra partiklar i vakuumet kan fylla dess plats och därmed göra hålet synligt. Av symmetriskäl skulle hålet ha motsatt laddning som den skapade elektronen och ha samma massa och motsatt rörelsemängd som elektronen och med positiv energi. Det har bildats en antielektron eller positron.

bilder/vakuum.gif Träffar hålet i vakuum på en elektron skulle elektronen försvinna ner i hålet. Elektronen och positronen förintar varandra, och därmed göra vakuumets alla energitillstånd fyllda och därmed också osynligt. Vakuumet återgår till att ha energin = 0 och massa = 0 dvs fullständigt tomt. Energin som elektronen förlorar skulle avges i form av två fotoner (rörelsemängden måste bevaras).

Dessa partiklar av antimateria har man kunnat observera vid vissa typer av kärnreaktioner.
1932 kunde Carl D. Andersson (1905-1991) not påvisa positroner då han lät kosmisk strålning passera en blyplatta som befann sig i en dimkammare. Carl Andersson fick Nobelpriset 1936 för upptäckten av positronen.
Bland annat bildas positroner vid β+ sönderfall. På senare tid har man också lyckats framställa antiprotoner.


1932

Neutronen upptäcks
Ernest Rutherford hade tidigt misstänkt att det fanns en partikel vid sidan av protonen i atomkärnan. Antalet laddningar i kärnan stämde inte med kärnans massa. Väte hade en kärnladdning medan helium har två kärnladdningar men väger 4 gånger så mycket som vätekärnan. Skillnaden skulle kunna förklaras av en neutralt laddad partikel till i kärnan.
Så år 1932 utförde James Chadwick (1891-1974) not en rad experiment som visade att atomkärnor består av protoner och neutralt laddade partiklar som fick namnet neutron (neutr- från neutral och -on för en subatomär partikel jfr. prot-on, elektr-on).
För upptäckten av neutronen fick Chadwick Nopelpriset i fysik 1935.

bilder/nucleusparticles.gif Upptäckten av neutronen förklarade också en del experimentella resultat som förbryllat vetenskapsmännen not.
Man hade på experimentell väg mätt spinnet för kväve och fått det till +1. För att förklara kväves massa hade man tänkt sig kärnan bestå av 14 protoner och 7 elektroner som skulle maskera de 7 extra protonernas laddningar. Kvävekärnan skulle då bestå av 21 partiklar, vardera med 1/2-taliga spinn. Hur man än kombinerar dessa får man aldrig ett heltaligt spinn.
Med 7 neutroner stämmer dock ekvationen. I kärnan finns 6 par protoner 6 par neutroner vars spinn tar ut varandra och dessutom en oparad proton och en oparad neutron vilka ger ett spinn som blir +1.

Nu visste man att atomerna var uppbyggda av 3 olika partiklar: protoner, elektroner och neutroner (se bild).


1964

Kvarkar
Nya partiklar har upptäckts vid en rad experiment och ju kraftigare acceleratorer man använt desto fler partiklar har man hittat. Det var först 1964 som Murray Gell-Mann not och George Zweig not oberoende av varandra presenterade ett sätt att få ordning på alla nyupptäckta partiklar. Man kallade de nya elementarpartiklarna kvarkar not efter en strof i James Joyce's bok 'Finnegans Wake'.

Atomkärnans protoner och neutroner består av kvarkar. Det finns 6 olika kvarkar: uppkvark (u), nedkvark (d), särkvark (s), charmkvark (c), bottenkvark (b) och toppkvark (t). Uppkvarken och nedkvarken är de lättaste och därmed också de stabilaste.
Till varje kvark finns en antikvark. Dessa har motsatta kvanttal men samma massa som sin kvark.

Kvarkar har en egenskap som man betecknar med färgladdning. Denna kan ha färgerna 'röd', 'grön' eller 'blå'. Det kan aldrig bildas partiklar som utåt sett är färgade utan de måste vara 'vita', dvs en kombination av de tre kvarkfärgerna eller en färg och dess antifärg.

En kvark förekommer aldrig ensam. Det är den starka växelverkan som håller samman kvarkarna. Denna kraft förmedlas av gluoner och blir starkare ju större avståndet mellan kvarkarna är. Drar man isär två kvarkar tillräckligt långt bildas ett nytt kvarkpar ur vakuumet. Gluonerna har färgegenskaper och kvarkarna kan byta färg genom gluonerna. En kvark är punktformad och dess massa är relativt liten. Huvuddelen av t.ex. protonmassan kommer från gluonerna som växelverkar mellan kvarkarna.

kvarkar i proton. Bild från wikipedia Protonen och neutronen bildas genom kombination av de två lättaste kvarkarna.
protonen =(u, u, d)
neutronen = (u, d, d)

Kvarkarnas elektriska laddning är +2/3 för (u, c, t) och -1/3 för (d, s, b). Det förklarar protonens laddning som är (2/3 + 2/3 - 1/3) 1 elementarladdning och neutronens laddning ( 2/3 - 1/3 - 1/3) som är noll.

En kvark kan omvandlas från en typ till en annan typ genom den svaga växelverkan.
Så kan t.ex. en nedkvark (d) i neutronen omvandlas till en uppkvark (u) genom att via en W- boson skapa en elektron och en antineutrino.
(d) → (u) + W- → e- + ν
varvid neutronen blir en proton.

Senaste uppdatering 2012-03-28