Cząstki Elementarne

Cząstki Elementarne

Cząstka elementarna to podstawowy składnik

materii. Obecnie nie jest możliwe

sformułowanie ścisłej definicji cząstek

elementarnych, która ustalałaby zasady

ewentualnego zaliczania nowo odkrywanych

obiektów do tej kategorii materii. W praktyce

cząstką elementarną nazywa się każdy obiekt

o czasie życia od około 10

-24

sekundy do

nieskończoności i masie od 0 do około10

-30

kg,

którego nie można opisać jako układu

złożonego z innych cząstek elementarnych,

np. atomy, jądra atomowe.

Fizycy zaobserwowali kilkaset cząstek elementarnych
(subatomowych). Dzielą się one na kilka grup, w zależności
od:



masy



wartości ładunku elektrycznego, liczby
barionowej, liczby leptonowej,
izospinu, hiperładunku, koloru,
dziwności,



spinu (podział na fermiony i bozony)
(momentu magnetycznego)



rodzaju oddziaływań jakim ulegają

Foton

(bozon) γ

Leptony

(fermiony) e-, μ-, τ-, νe, νμ, ντ

Hadrony

Mezony

Bariony

(bozon) p, K, ω, ρ

(fermion) p, n, (Nukleony) Λ, Σ,

Ξ (Hiperony)

Cząstki elementarne dzielą się na cząstki "prawdziwie"

elementarne, uważane za niepodzielne i dlatego uznawane za

podstawowe składniki materii, oraz hadrony (bariony np.: proton

i neutron) i mezony, które są cząstkami złożonymi,

zbudowanymi z 2 (dokładnie z kwarku i antykwarku) lub 3

kwarków. Jedynymi trwałymi cząstkami są protony i neutrony

(neutron jest trwały w jądrze atomowym, poza nim rozpada się

z okresem półrozpadu ok 13 min).Cząstki elementarne nie

oddziałujące silnie a jedynie słabo lub elektromagnetyczne i

będące fermionami nazywamy leptonami (np. elektron, mion,

taon, neutrina).Cząstkami elementarnymi są również bozony

pośredniczące w oddziaływaniach (fotony (elektrodynamika

kwantowa), bozony W, bozony Z (oddziaływania słabe) czy

gluony (oddziaływanie silne).Pojęcie "cząstki elementarne" jest

uwarunkowane historycznie, zostało wprowadzone na początku

XX wieku jako określenie podstawowych cząstek które nie są już

podzielne, oznaczało wówczas: proton, neutron, elektron i foton.

Obecnie za niepodzielne (bez struktury wewnętrznej) uważa się

kwarki, leptony i bozony przenoszące oddziaływania.

Fizycy zajmujący się badaniami struktury jąder
atomowych odkryli około 200 cząstek, spośród
których 33 uznano za elementarne. Są to
cząstki będące budulcem materii lub
antymaterii, które wykryto w promieniowaniu
kosmicznym lub podczas badań w
akceleratorach:
8 barionów i 8 antybarionów (np.: nukleony i
ich antycząstki),
8 mezonów i antymezonów (np.: pion),
8 leptonów i antyleptonów (np.: elektron,
pozyton),foton
Dodatkowo do tej grupy zaliczono także
cząstkę będącą kwantem grawitacji –
grawitonem, której istnienia do tej pory nie
dowiedziono.
Przyjmuje się, że tymi najbardziej
elementarnymi cząstkami są kwarki, których
jest kilka rodzajów. Zakłada się np., że w skład
protonu i neutronu wchodzą dwa typy
kwarków: up i down. Charakteryzują się one
ułamkowym ładunkiem elektrycznym
wynoszącym odpowiednio: +2/3 i -1/3 ładunku
elementarnego (elektronu), a ich odpowiednia
kompozycja może dać wypadkowy ładunek
protonu lub neutronu. Wielkości cząstek, które
występują w mikroświecie atomów
przedstawiono schematycznie na rysunku 1.

RODZAJE CZĄSTECZEK

ELEMENTARNYCH :



ANION

Jon ujemny; atom lub grupa atomów

wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Aniony mają
nadmierną liczbę elektronów; tworzą się np. podczas
dysocjacji elektrolitycznej.



ANTYCZĄSTKA

Odpowiednik cząstki elementarnej

(np. protonu, neutronu, elektronu) o takiej samej
masie, spinie, czasie życia, lecz przeciwnym ładunku i
zwrocie momentu magnetycznego. Zderzenie
antycząstek z odpowiadającą jej cząstką powoduje
anihilację.



BARIONY

Cząstki o spinie połówkowym. Do

barionów zalicza się hiperony i nukleony oraz ich stany
rezonansowe. Bariony biorą udział w oddziaływaniach
silnych, a także elektromagnetycznych i słabych



BOZONY- CZĄSTKI BOSEGO -

Cząstki o spinie

całkowitym. Są nimi fotony, mezony, układy
złożone z bozonów, a także układy złożone z
parzystej liczby fermionów. Liczba bozonów w
dowolnym stanie kwantowym nie jest
ograniczona, a układ taki opisywany jest funkcją
falową.



DEUTERON -

Jądro atomu deuteru -wodoru

ciężkiego. Składa się z protonu i neutronu. Liczba
atomowa 1, liczba masowa 2. Oznaczany
symbolem chemicznym D+ lub symbolem d,
stosowany jest do wywoływania reakcji
jądrowych.



FERMIONY -

Cząstki podlegające statystyce

kwantowej Fermiego-Diraca -stąd nazwa.
Charakteryzują się spinami połówkowymi. Do
fermionów należą m.in. elektrony, nukleony,
neutrina



ELEKTRON

Trwała cząstka elementarna o masie

spoczynkowej 9,1 · 10-31kg, ujemnym ładunku elektrycznym 1,6
· 10-19C i spinie , odkryta w 1897r przez J.J. Thomsona. Obok
protonów i neutronów elektrony są podstawowymi składnikami
materii, tworzącymi w atomach powłoki elektronowe, których
struktura decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych
materii. Elektron posiada swoją antycząstkę - pozyton, o
dodatnim ładunku elektrycznym równym ładunkowi negatonu.
Elektrony występują też jako cząstki swobodne, wyrwane z
atomów w wyniku dostarczenia im odpowiedniej energii
większej od pracy wyjścia (pracy, jaką trzeba wykonać, by
przemóc siły wiążące elektron z atomem , np. w zjawisku
fotoelektrycznym lub w wyniku termoemisji). Elektrony
swobodne powstają też w przemianach promieniotwórczych lub
rozpadach innych cząstek elementarnych. Wiązki elektronów,
mające też właściwości falowe zgodnie z hipotezą de Broglie'a,
znalazły ważne zastosowanie w mikroskopach elektronowych.



FONON -

Nibycząstka. Kwant energii drgań harmonicznych sieci

krystalicznej lub powierzchni jądra atomu; teoria fonów wyjaśnia
m.in. nadprzewodnictwo niskotemperaturowe



FOTON -

Kwant energii pola elektromagnetycznego, cząstka

elementarna o masie spoczynkowej m 0 = 0, l ,liczbie spinowej s
= 1, nie posiadająca ładunku elektrycznego ani momentu
magnetycznego, poruszająca się z prędkością światła w próżni.
Foton jest kwantem ( czyli porcją) promieniowania
elektromagnetycznego; jego energia (E), pęd (p) i masa (m) zależą
od częstotliwości (ν) promieniowania i są równe: E = hν, p = hν /c,
m = h ν /c2, gdzie: h = 6,62*10-34 Js (stała Plancka). Fotony
powstają w wyniku przejścia atomu lub jądra atomowego z
wyższego na niższy poziom energetyczny. I odwrotnie - gdy atom
lub jądro pochłania foton, to przechodzi z niższego na wyższy
poziom energetyczny. Ponieważ różnica energii pomiędzy
poziomami energetycznymi jest ściśle określona, wielkość fotonów
emitowanych lub absorbowanych przez dany atom lub jądro nie
może być dowolna, lecz jest równa tej różnicy. Wynikiem absorpcji
fotonu może być zjawisko fotoelektryczne lub fotoreakcja jądrowa.
Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905r A. Einstein na
podstawie koncepcji kwantów M. Plancka.



GRAWITON -

Przewidywany teoretycznie, lecz dotąd nie

zaobserwowany kwant pola grawitacyjnego. Według kwantowej
teorii pola grawiton powinien mieć masę spoczynkową równą zero
i spin równy 2.



GLUON -

Cząstka elementarna, bozon pośredniczący w

oddziaływaniach silnych kwarków. W oddziaływaniach silnych gluony,
odmiennie niż fotony w elektromagnetyzmie, oddziałują ze sobą.
Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw. kolorach).
Dotychczas nie zaobserwowano swobodnego gluona (być może jest to
w ogóle niemożliwe), jednak istnieją silne przesłanki doświadczalne ich
istnienia. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa “glue” (klej)



HADRONY -

Rodzaj najprostszych cząstek elementarnych biorących

udział we wszystkich rodzajach oddziaływań (zwłaszcza oddziaływań
silnych). Dzielą się na bariony (fermiony o spinie połówkowym) i
mezony (bozony o spinie całkowitym). Większość hadronów jest
nietrwała. Składają się z kwarków, np. bariony są zbudowane z 3
kwarków, mezony zaś z pary kwark-antykwark. Mają rozmiar rzędu 10-
15 metra.



HIPERONY -

Cząstki elementarne z grupy barionów, cięższe od

nukleonów, lecz lżejsze od deuteronów. Hiperony powstają w
zderzeniach mezonów i nukleonów z nukleonami lub jądrami
atomowymi . Są cząstkami nietrwałymi, o średnim czasie życia rzędu
10-10 sekundy, rozpadają się zazwyczaj w procesach oddziaływań
słabych, niekiedy w procesach oddziaływań silnych lub
elektromagnetycznych. Pierwszy hiperon został odkryty w 1947 r przez
G.D. Rochestera i C.C. Butlera.



JON -

Atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym;

powstają w wyniku jonizacji, przyłączania elektronów do obojętnych
atomów lub cząsteczek i dysocjacji elektrolitycznej. W zależności od
liczby posiadanych ładunków elementarnych (przyłączonych lub
utraconych elektronów) mogą być jedno-, dwu-, trój- itd. dodatnie
(kationy) lub ujemne (aniony). Charakteryzuje je również określony
promień jonowy i budowa powłoki elektronowej. Jak elektrony są
nośnikami prądu elektrycznego (mogą się przemieszczać w polu
elektrycznym). W gazach szybko zobojętniają się ( ulegają
rekombinacji), w roztworach elektrolitów są trwałe dzięki
wzajemnemu oddziaływaniu z rozpuszczalnikiem, występują też w
węzłach sieci krystalicznej tzw. kryształów jonowych. Jony
swobodne łatwo reagują ze sobą i innymi substancjami
chemicznymi. W organizmach żywych występują we wszystkich
tkankach i cieczach organicznych (wpływając np. na biochemiczne
właściwości białek). Nazwę jonów wprowadził w 1824r M. Faraday



KATION -

Jon dodatni, atom lub cząsteczka z niedomiarem

elektronów. Przykłady: kation (prosty) sodu Na+, kation potasu K+,
kation wapnia Ca2+, kation (złożony) amonu NH4+, kation
(kompleksowy) heksaaminaniklu(II) [Ni(NH3)6]2+. W procesie
elektrolizy kationy wędrują do katody (elektroda).



KWARKI -

Podstawowe, uznawane za najbardziej elementarne,

cząstki materii, z których zgodnie ze współcześnie przyjętymi
modelami zbudowane są hadrony. W przyrodzie istnieje 6 kwarków
i 6 odpowiadających im antykwarków. Ich odmiany (tzw. zapachy)
oznaczone są pierwszymi literami angielskich nazw: u (up - górny),
d (down - dolny), s (strange - dziwny), c (charm - powabny), b
(beauty - piękny, nazywany także bottom - denny) oraz t (true -
prawdziwy lub inaczej top - szczytowy). Wszystkie kwarki mają
spin ½ liczbę barionową 1/3 oraz jedną z dwóch wartości ładunku
elektrycznego; kwarki u, c, t ładunek 2/3 e, natomiast kwarki d, s,
b ładunek 1/3 e ( e - ładunek elementarny).



LEPTONY -

Cząstki elementarne nie biorące udziału w

oddziaływaniach silnych, np. neutrina, elektrony, miony. Wszystkie
leptony są fermionami, mają spin połówkowy i liczbę barionową
równą 0.



MEZONY -

Silnie oddziałujące cząstki elementarne o spinie

całkowitym i zerowej liczbie barionowej. Do najlepiej poznanych
należą piony (mezony pi) i kaony (mezony K). Nazwa pochodzi od
greckiego msos - pośredni, bowiem mezony mają masę pośrednią
między masą elektronu i masą protonu.



MIONY , μ -

Cząstki elementarne o ładunku elektrycznym równym

ładunkowi elektronu i masie 105,7 MeV. Są nietrwałe (średni czas życia
wynosi 2,197 *10-6 s). Mają własności podobne do elektronów. Odkryte 1937
przez C.D. Andersona i S.H. Neddermeyera.



NEGATON -

Nazwa wprowadzona 1948 dla ujemnego elektronu, w

odróżnieniu od elektronu dodatniego -pozytonu, wraz z którym tworzy
pierwszą poznaną parę „cząstka – antycząstka”



NEUTRINO , ν

- Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku

elektrycznym równym zeru i spinie połówkowym oraz bardzo małej masie
spoczynkowej. Neutrina są produktem promieniotwórczego rozpadu β,
wychwytu elektronu i rozpadu mionów oraz mezonów π i K (istnieją neutrina
elektronowe , neutrina mionowe, neutrina taonowe ). Każdy cm2
powierzchni Ziemi wypromieniowuje co sekundę ok. 1 mln neutrinów.
Neutrino zostało w 1931r przewidziane teoretycznie przez W. Pauliego, a
zaobserwowane w 1956 r przez F. Reinesa i C.L. Cowana.



NUKLEON -

Cząstka elementarna, podstawowy składnik materii jądrowej,

istniejąca w dwóch stanach ładunkowych: nukleon naładowany dodatnio -
proton, nukleon elektrycznie obojętny - neutron. Masa obu nukleonów w
przybliżeniu wynosi 939 MeV/c2. Zgodnie z teorią Diraca nukleony mają
antycząstki (tzw. antynukleony), których istnienie zastało potwierdzone
doświadczalnie. Nukleony biorą udział w oddziaływaniach silnych,
elektromagnetycznych i słabych. Liczba nukleonów w jądrze jest zwana
liczbą masową, ale w atomach danego pierwiastka może być zmienna
-izotopy.



POZYTON -

Cząstka elementarna (antycząstka

negatonu) o takiej samej masie jak masa elektronu, lecz
o elementarnym ładunku dodatnim. Swobodny pozyton
jest cząstką trwałą. Jego zderzenie z negatonem
prowadzi do anihilacji. Odkryty w 1932 r przez C.D.
Andersona.



PROTON -

Trwała cząstka elementarna o masie

spoczynkowej 1,67* 10-27 kg, elementarnym ładunku
dodatnim 1,60* 10-19 C i spinie ½. Składnik każdego
jądra atomowego. Liczba protonów w jądrze atomowym
stanowi niepowtarzalną cechę charakterystyczną danego
pierwiastka zwaną liczbą atomową (Z). Odkryty w 1919 r
przez E. Rutherforda. W 1955 r odkryto antycząstkę
protonu - antyproton.



TACHIONY -

Hipotetyczne cząstki o prędkościach

większych od prędkości światła w próżni. Ruch tachionu
byłby równoważny poruszaniu się wstecz w czasie.

Document Outline