Cząsteczki elementarne
Są to cząstki, których budowa wewnętrzna nie jest znana i których przy aktualnym stanie wiedzy i techniki nie można dzielić ich na części składowe. Stanowią one podstawowe elementy budowy materii, a ich wzajemne oddziaływania warunkują własności materii i przebieg procesów w otaczającym nas świecie. Cząstki elementarne charakteryzowane są przez następujące wielkości: masę spoczynkową, ładunek elektryczny, spin (czyli moment pędu), moment magnetyczny oraz średni czas życia. Masę spoczynkową cząstek elementarnych określa się jako wielokrotność masy elektronu lub w jednostkach energii- elektronowoltach (eV); ładunek elektryczny cząsteczki elementarnej może wynosić 0, +1, -1, +2, -2 ładunku elementarnego (ładunek elektronu wynosi -1); średni czas życia podawany jest w sekundach. Podstawowym kryterium podziału cząstek elementarnych jest ich masa spoczynkowa. Wg tego kryterium, poza fotonem, rozróżnia się cząstki elementarne lekkie - leptony, o średniej masie - mezony i ciężkie - bariony. Mezony i bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych - są to tzw. hadrony. Wszystkim cząstkom elementarnym odpowiadają antycząstki. Zjawisko zderzenia cząstki z antycząstką nazwano ANIHILACJĄ , co oznacza kres ich istnienia. Np. w wyniku zderzenia pozyton i elektron zamieniają się na dwa fotony. Wiedza o cząsteczkach elementarnych pochodzi głównie z doświadczeń prowadzonych w cyklotronach oraz z badań promieniowania kosmicznego. O istnieniu nie znanych jeszcze cząstek uczeni czasami wnioskują na podstawie rozważań teoretycznych. Historia odkryć cząsteczek elementarnych liczy ok. 100 lat:-1896r- J.J.Thomson odkrył elektron ujemny -negaton, -1905r-A. Einstein wprowadził pojęcie fotonu i cząstki te łącznie z protonem były jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi do 1932.-1932r- J. Chadwick odkrył neutron, a C.D. Anderson i P. Blackett elektron dodatni -pozyton. W. Pauli przewidział istnienie neutrina-1956r -Reines i C. Cowan doświadczalnie potwierdzili istnienie neutrina -1935r- H. Yukawa przewidział istnienie mezonu -1937r- C.D. Anderson i S.H. Neddermeyer wykryli mezon. Kolejne lata przynosiły, odkrycia nowych cząsteczek elementarnych., obecnie jest ich już kilkaset. Z definicji cząsteczki wynika jednak, że uznanie określonej cząstki za elementarną uzależnione jest od stanu wiedzy i techniki doświadczalnej, a właściwie ich niedoskonałości. Można sądzić, że wiele z cząstek traktowanych dzisiaj jako elementarne, a może nawet wszystkie, nie zasługuje na to miano. Obecnie sądzi się powszechnie, że prawdziwie elementarnymi cząstkami są kwarki. 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.
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.
FERMIONY
Cząstki podlegające statystyce kwantowej Fermiego-Diraca -stąd nazwa. Charakteryzują się spinami połówkowymi. Do fermionów należą m.in. elektrony, nukleony, neutrina
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 (?) promieniowania i są równe: E = h?, p = h? /c, m = h ? /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.
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)
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.
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 1 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). Kwarki podobnie jak gluony wiążące kwarki w hadron nie mogą występować jako samoistne obiekty. Tworzą one inne cząstki (np. protony, neutrony), a jako składniki doskonałe nie mogą być z nich wydzielone. Wg modelu kwarkowego kwarki i antykwarki (różniące się od kwarków w oznaczeniach kreską nad symbolem) o ładunkach ułamkowych tworzą cząstki o ładunkach całkowitych, np.: proton o ładunku + 1e tworzony jest przez 2 kwarki u i 1 kwarek d, neutron - 2 kwarki d i 1 kwarek u, mezon+ - po jednym kwarku u i d. Hipoteza zakładająca istnienie kwarków jako podstawowych składników hadronów została sformułowana w 1964 r, niezależnie, przez M. Gell-Manna i G. Zweiga. Nazwa kwarków wprowadzona przez M. Gell-Manna . Poszukiwania dowodów istnienia kwarków trwały wiele lat. Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 r w Laboratorium Stanforda w USA, a istnienie ostatniego z sześciu kwarków - (t) - potwierdziły wyniki badań przeprowadzonych w 1994 r. Odkrycie to uznano za potwierdzenie słuszności modelu standardowego, najbardziej zaawansowanego modelu świata materialnego..
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 mésos - 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 , ?
Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku elektrycznym równym zeru i spinie połówkowym oraz bardzo małej masie spoczynkowej. Neutrina są produktem promieniotwórczego rozpadu ß, wychwytu elektronu i rozpadu mionów oraz mezonów ? 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.
NEUTRON
Cząstka elementarna z grupy barionów. Ładunek elektryczny 0, masa 1,67 · 10-27kg, spin połówkowy. Neutron wraz z protonami (jako nukleony) wchodzą w skład jąder atomowych. Swobodny neutron ulega rozpadowi ß na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni czas życia 0,93 ? 103 s. Dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu neutron wykorzystuje się w badaniach jąder atomowych (brak kulombowskiej bariery potencjału pozwala neutronowi łatwo przenikać do jądra atomowego). Neutron został odkryty w 1932 r przez J. Chadwicka.
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.
PARTONY
Wspólna nazwa dla cząstek będących składnikami barionów i mezonów. Hipoteza partonów sformułowana została po odkryciu złożoności protonu przez R. Hofstadter. Wykorzystywana jest w obliczeniach. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy partonami są gluony, kwarki i antykwarki.
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 1. 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.