Cząstki tworzące atomy można sobie wyobrazić na różne sposoby - na przykład w postaci okrągłych cząsteczek pyłu. Są tak małe, że nie można rozpatrywać każdego takiego ziarnka kurzu z osobna. Cała materia w otaczającym świecie składa się z takich cząstek. Z jakich cząstek składają się atomy?
Definicja
Cząstka subatomowa jest jedną z tych „cegieł”, z których zbudowany jest cały świat. Te cząstki obejmują protony i neutrony, które są częścią jąder atomowych. Do tej kategorii należą również elektrony krążące wokół jąder. Innymi słowy, cząstki subatomowe w fizyce to protony, neutrony i elektrony. W świecie znanym człowiekowi z reguły nie znajdują się cząstki innego rodzaju - żyją niezwykle krótko. Kiedy ich wiek się kończy, rozpadają się na zwykłe cząsteczki.
Liczba tych cząstek subatomowych, które żyją stosunkowo krótko, wynosi dziś setki. Ich liczba jest tak duża, że naukowcy nie używają już dla nich zwykłych nazw. Podobnie jak gwiazdy, często przypisuje się im oznaczenia numeryczne i alfabetyczne.
Kluczowe funkcje
Spin, ładunek elektryczny i masa to jedne z najważniejszych cech każdej cząstki subatomowej. Ponieważ waga cząstki jest często związana z masą, niektóre cząstki są tradycyjnie nazywane „ciężkimi”. Równanie Einsteina (E=mc2) wskazuje, że masa cząstki subatomowej zależy bezpośrednio od jej energii i prędkości. Jeśli chodzi o ładunek elektryczny, jest to zawsze wielokrotność jednostki podstawowej. Na przykład, jeśli ładunek protonu wynosi +1, to ładunek elektronu wynosi -1. Jednak niektóre cząstki subatomowe, takie jak foton lub neutrino, w ogóle nie mają ładunku elektrycznego.
Ponadto ważną cechą jest czas życia cząstki. Niedawno naukowcy byli przekonani, że elektrony, fotony, a także neutrina i protony są doskonale stabilne, a ich czas życia jest prawie nieskończony. Nie jest to jednak do końca prawdą. Na przykład neutron pozostaje stabilny tylko do momentu „uwolnienia się” z jądra atomu. Po tym czasie jego żywotność wynosi średnio 15 minut. Wszystkie niestabilne cząstki przechodzą proces rozpadu kwantowego, który nigdy nie może być całkowicie przewidywalny.
Badania cząstek
Atom był uważany za niepodzielny, dopóki nie odkryto jego struktury. Około sto lat temu Rutherford przeprowadził swoje słynne eksperymenty, które polegały na bombardowaniu cienkiego arkusza strumieniem cząstek alfa. Okazało się, że atomy materii są praktycznie puste. A w centrum atomu jest wszystko, co nazywamy jądrem atomu - tookoło tysiąc razy mniejszy niż sam atom. W tamtym czasie naukowcy uważali, że atom składa się z dwóch rodzajów cząstek – jądra i elektronów.
Z biegiem czasu naukowcy mają pytanie: dlaczego proton, elektron i pozyton sklejają się i nie rozpadają w różnych kierunkach pod wpływem sił kulombowskich? A także dla naukowców tamtych czasów nie było jasne: jeśli te cząstki są elementarne, to nic im się nie stanie i muszą żyć wiecznie.
Wraz z rozwojem fizyki kwantowej naukowcy odkryli, że neutron ulega rozpadowi, a jednocześnie dość szybko. Rozpada się na proton, elektron i coś innego, czego nie można było złapać. Ten ostatni został zauważony przez brak energii. Wtedy naukowcy założyli, że lista cząstek elementarnych została wyczerpana, ale teraz wiadomo, że jest to dalekie od przypadku. Odkryto nową cząstkę zwaną neutrinem. Nie przenosi ładunku elektrycznego i ma wyjątkowo niską masę.
Neutron
Neutron to subatomowa cząsteczka o neutralnym ładunku elektrycznym. Jego masa jest prawie 2000 razy większa od masy elektronu. Ponieważ neutrony należą do klasy cząstek obojętnych, oddziałują one bezpośrednio z jądrami atomów, a nie z ich powłokami elektronowymi. Neutrony mają również moment magnetyczny, który pozwala naukowcom badać mikroskopijną magnetyczną strukturę materii. Promieniowanie neutronowe jest nieszkodliwe nawet dla organizmów biologicznych.
Cząstka subatomowa – proton
Naukowcy odkryli, że te„Cegły materii” składają się z trzech kwarków. Proton jest cząstką naładowaną dodatnio. Masa protonu przewyższa masę elektronu o 1836 razy. Jeden proton i jeden elektron łączą się, tworząc najprostszy pierwiastek chemiczny, atom wodoru. Do niedawna uważano, że protony nie mogą zmieniać swojego promienia w zależności od tego, które elektrony krążą nad nimi. Proton to elektrycznie naładowana cząstka. Łącząc się z elektronem, zamienia się w neutron.
Elektron
Elektron został po raz pierwszy odkryty przez angielskiego fizyka J. Thomsona w 1897 roku. Ta cząstka, jak obecnie uważają naukowcy, jest obiektem elementarnym lub punktowym. Tak nazywa się cząstka subatomowa w atomie, która nie posiada własnej struktury – nie składa się z innych, mniejszych elementów. W połączeniu z protonem i neutronem elektron tworzy atom. Teraz naukowcy nie zorientowali się jeszcze, z czego składa się ta cząstka. Elektron to cząstka, która ma nieskończenie mały ładunek elektryczny. Samo słowo „elektron” w tłumaczeniu ze starożytnej greki oznacza „bursztyn” – wszak naukowcy z Hellady używali bursztynu do badania zjawisk elektryczności. Termin ten został zaproponowany przez brytyjskiego fizyka w 1894 roku, J. Stoney.
Dlaczego badać cząstki elementarne?
Najprostszą odpowiedzią na pytanie, dlaczego naukowcy muszą wiedzieć o cząstkach subatomowych, jest posiadanie informacji o wewnętrznej strukturze atomu. Jednak to stwierdzenie zawiera tylko ziarno prawdy. WW rzeczywistości naukowcy badają nie tylko wewnętrzną strukturę atomu - głównym polem ich badań jest zderzenie najmniejszych cząstek materii. Kiedy te niezwykle energetyczne cząstki zderzają się ze sobą z dużą prędkością, dosłownie rodzi się nowy świat, a fragmenty materii pozostałe po zderzeniach pomagają rozwikłać tajemnice natury, które zawsze pozostawały tajemnicą dla naukowców.
