Cząstka subatomowa

Cząstka złożona (proton) składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego, które są cząstkami elementarnymi.

Cząstka subatomowa – w fizyce cząstka mniejsza od atomu[1]. Zgodnie z Modelem Standardowym cząstka subatomowa może być cząstką złożoną lub cząstką elementarną. Cząstka złożona, taka jak proton lub neutron, składa się z innych cząstek, natomiast cząstka elementarna, taka jak elektron, nie ma wewnętrznej struktury[2]. Badaniem cząstek subatomowych i ich oddziaływań zajmują się fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa[3].

Większość cząstek przenoszących oddziaływania, takich jak fotony czy gluony, to bozony. Nie mają one masy spoczynkowej ani określonych rozmiarów przestrzennych (poza długością fali). Wyjątkiem są bozony W i Z, które mają stosunkowo duże masy spoczynkowe: ok. 80 GeV/c² i ok. 90 GeV/c²[3]. Cząstki posiadające masę spoczynkową, podlegające zakazowi Pauliego, to fermiony[3].

Eksperymenty wykazały, że światło może zachowywać się zarówno jako strumień cząstek (fotonów), jak i jako fala. Obserwacja ta doprowadziła do sformułowania koncepcji dualizmu korpuskularno-falowego[4]. Zasada nieoznaczoności stwierdza, że pewnych par wielkości fizycznych, takich jak położenie i pęd, nie można jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością[5].

Oddziaływania cząstek w ramach kwantowej teorii pola opisuje się jako kreację i anihilację kwantów odpowiednich oddziaływań podstawowych[3].

Klasyfikacja

Według składu

Cząstki subatomowe dzielą się na elementarne (niepodzielne) i złożone (zbudowane z cząstek elementarnych).

Cząstkami elementarnymi Modelu Standardowego są[6]:

Cząstki elementarne Modelu Standardowego

Wszystkie powyższe cząstki zostały potwierdzone eksperymentalnie. Ostatnimi odkrytymi były: kwark prawdziwy (1995), neutrino taonowe (2000) i bozon Higgsa (2012)[7].

Różne rozszerzenia Modelu Standardowego przewidują istnienie elementarnego grawitonu i wielu innych cząstek[6], lecz do 2024 roku żadnej z nich nie wykryto[7].

Hadrony

Słowo hadron pochodzi z greki i zostało wprowadzone w 1962 roku przez Lwa Okuna[8]. Niemal wszystkie cząstki złożone zawierają po kilka kwarków (lub antykwarków) związanych gluonami (z nielicznymi wyjątkami bezkwarkowymi, jak pozyt i mionium). Cząstki złożone z niewielkiej liczby kwarków (do 5) nazywane są hadronami. Ze względu na uwięzienie koloru kwarki nigdy nie występują pojedynczo, lecz zawsze w hadronach[3].

Hadrony dzielą się na:

Poza protonem i neutronem wszystkie hadrony są niestabilne i rozpadają się na inne cząstki w czasie rzędu mikrosekund lub krótszym. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego, a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego. W jądrze atomowym nukleony są związane oddziaływaniem silnym[3].

Według statystyki

Relacja między bozonami, hadronami i fermionami

Każda cząstka subatomowa, podlegająca prawom mechaniki kwantowej, jest albo bozonem (o całkowitym spinie), albo fermionem (o połówkowym spinie)[3].

W Modelu Standardowym wszystkie elementarne fermiony mają spin 1/2 i dzielą się na kwarki (posiadające ładunek kolorowy i podlegające oddziaływaniu silnemu) oraz leptony (pozbawione ładunku kolorowego). Elementarne bozony obejmują bozony cechowania (foton, W, Z, gluony) o spinie 1 oraz bozon Higgsa o spinie 0[6].

Hipotetyczny grawiton powinien mieć spin 2. Niektóre rozszerzenia, takie jak supersymetria, przewidują dodatkowe cząstki o spinie 3/2[6], lecz do 2024 roku żadnej nie wykryto[7].

Ze względu na reguły składania spinów bariony (3 kwarki) mają spin 1/2 lub 3/2 i są fermionami, a mezony (2 kwarki) mają spin całkowity (0 lub 1) i są bozonami[3].

Według masy

W szczególnej teorii względności energia cząstki w spoczynku równa się jej masie pomnożonej przez kwadrat prędkości światła: E = mc². Masa i energia są zatem wzajemnie wymierne. Cząstkę posiadającą układ odniesienia, w którym pozostaje w spoczynku, określa się jako masywną[3].

Wszystkie cząstki złożone są masywne. Bariony (z gr. barys, ciężki) mają z reguły większą masę niż mezony (z gr. mesos, pośredni), te z kolei są zazwyczaj cięższe od leptonów (z gr. leptos, lekki). Wyjątkiem jest taon, który jest cięższy od dwóch najlżejszych barionów (nukleonów). Każda cząstka posiadająca ładunek elektryczny jest masywna[6].

Nazwy barion, mezon i lepton, wprowadzone w latach 50. XX wieku, pierwotnie odnoszono do masy cząstek. Po zaakceptowaniu modelu kwarków w latach 70. uznano, że bariony to kompozyty trzech kwarków, mezony to kompozyty kwarka i antykwarka, a leptony to elementarne fermiony pozbawione ładunku kolorowego[6].

Wszystkie cząstki bezmasowe (masa niezmiennicza równa zeru) są elementarne. Należą do nich foton i gluon, przy czym gluonu nie można wyizolować[3].

Według rozpadu

Większość cząstek subatomowych jest niestabilna. Wszystkie leptony poza elektronem (i neutrinami) oraz wszystkie bariony rozpadają się za pośrednictwem oddziaływania silnego lub słabego[3]. Nie zaobserwowano rozpadu protonu, choć niektóre teorie wielkiej unifikacji (GUT) go przewidują[7].

Mion i taon oraz ich antycząstki rozpadają się za pośrednictwem oddziaływania słabego. Neutrina nie rozpadają się, lecz podlegają zjawisku oscylacji neutrin. Elektron i jego antycząstka (pozyton) są teoretycznie stabilne ze względu na zachowanie ładunku elektrycznego[7].

Inne właściwości

Ładunek elektryczny każdej obserwowalnej cząstki subatomowej jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego e. Kwarki Modelu Standardowego mają ładunki ułamkowe (wielokrotności 1/3 e), lecz ze względu na uwięzienie koloru nie mogą występować w izolacji. W barionach i mezonach ładunki kwarków składowych sumują się do wielokrotności całkowitej e[6].

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy wszystkie cząstki wykazują również naturę falową[9]. Dualizm korpuskularno-falowy został potwierdzony nie tylko dla cząstek elementarnych, ale także dla atomów i cząsteczek. Według standardowych sformułowań nierelatywistycznej mechaniki kwantowej dualizm ten dotyczy wszystkich obiektów, również makroskopowych, choć ich właściwości falowe są niewykrywalne ze względu na bardzo krótkie długości fali de Broglie'a[10].

Oddziaływania między cząstkami podlegają fundamentalnym zasadom zachowania, z których najważniejsze to zasada zachowania energii i zasada zachowania pędu. Zasady te sformułowano po raz pierwszy w Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Isaaca Newtona (1687)[3].

Budowa atomu

Ujemnie naładowany elektron ma masę równą ok. 1/1836 masy atomu wodoru. Pozostałą część masy stanowi dodatnio naładowany proton. Liczba atomowa pierwiastka to liczba protonów w jego jądrze. Neutrony to cząstki obojętne elektrycznie, o masie nieco większej od masy protonu. Różne izotopy tego samego pierwiastka zawierają tę samą liczbę protonów, lecz różną liczbę neutronów. Liczba masowa izotopu to łączna liczba nukleonów[3].

Chemia zajmuje się sposobami, w jakie współdzielenie elektronów łączy atomy w kryształy i cząsteczki. Fizyka jądrowa bada układ protonów i neutronów w jądrach. Analiza procesów zmieniających liczby i rodzaje cząstek wymaga kwantowej teorii pola. Badanie cząstek subatomowych jako takich to fizyka cząstek elementarnych, nazywana również fizyką wysokich energii, ponieważ kreacja cząstek wymaga dużych energii i zachodzi wyłącznie w promieniowaniu kosmicznym lub w akceleratorach cząstek[3].

Cząstki w atomie

Cząstki wchodzące w skład atomu
CząstkaSymbolTypLokalizacjaŁadunek (e)Masa (Da)
protonp⁺złożonajądro+1≈ 1
neutronn⁰złożonajądro0≈ 1
elektrone⁻elementarnapowłoki−1≈ 1/2000

Historia

Termin cząstka subatomowa upowszechnił się w latach 60. XX wieku jako retronim, pozwalający odróżnić liczne bariony i mezony (tworzące hadrony) od cząstek uznanych za elementarne. Wcześniej hadrony klasyfikowano jako elementarne, ponieważ ich wewnętrzna struktura nie była znana[3].

Ważniejsze odkrycia cząstek subatomowych
CząstkaSkładPrzewidzianaOdkrytaUwagi
elektron e⁻elementarna (lepton)G.J. Stoney (1874)[11]J.J. Thomson (1897)[12]Pierwsza zidentyfikowana cząstka subatomowa.
cząstka alfa αzłożona (jądro)Ernest Rutherford (1899)[13]W 1907 r. Rutherford i Thomas Royds udowodnili, że jest to jądro helu. Nobel z chemii 1908.
foton γelementarna (kwant)Max Planck (1900)Albert Einstein (1905)[14]Rozwiązanie problemu promieniowania ciała doskonale czarnego.
proton p⁺złożona (barion)William Prout (1815)Ernest Rutherford (1919)[15]Jądro wodoru.
neutron n⁰złożona (barion)Ernest Rutherford (ok. 1920)[16]James Chadwick (1932)[17]Drugi nukleon.
antycząstkiPaul Dirac (1928)[18]C.D. Anderson (pozyton, 1932)Wyjaśnienie oparte na symetrii CPT.
piony πzłożona (mezony)Hideki Yukawa (1935)César Lattes, G. Occhialini, C. Powell (1947)Wyjaśnienie siły jądrowej między nukleonami.
mion μelementarna (lepton)C.D. Anderson (1936)[19]Początkowo nazywany mezonem, dziś klasyfikowany jako lepton.
kaony Kzłożona (mezony)G.D. Rochester, C.C. Butler (1947)[20]Pierwsza cząstka dziwna. Odkryte w promieniowaniu kosmicznym.
bariony Λzłożona (bariony)Uniwersytet w Melbourne (Λ⁰, 1950)Pierwszy odkryty hiperon.
neutrino νelementarna (lepton)Wolfgang Pauli (1930)Clyde Cowan, Frederick Reines (ν_e, 1956)Rozwiązanie problemu widma energetycznego rozpadu beta.
kwarki (u, d, s)elementarnaMurray Gell-Mann, George Zweig (1964)Model kwarków potwierdzany stopniowo w eksperymentach rozpraszania.
kwark powabny celementarna (kwark)Sheldon Glashow, John Iliopoulos, Luciano Maiani (1970)Burton Richter, Samuel Ting (J/ψ, 1974)
kwark piękny belementarna (kwark)M. Kobayashi, T. Maskawa (1973)[21]Leon Lederman (Υ, 1977)
gluonyelementarna (kwant)Harald Fritzsch, Murray Gell-Mann (1972)[22]DESY (1979)
bozony W±, Z⁰elementarna (kwant)S. Glashow (1961)[23], S. Weinberg (1967)[24], Abdus Salam (1968)CERN (1983)Właściwości potwierdzone w latach 90.
kwark prawdziwy telementarna (kwark)M. Kobayashi, T. Maskawa (1973)[21]Fermilab (1995)[25]Nie ulega hadronizacji.
bozon Higgsaelementarna (kwant)Peter Higgs (1964)[26]CERN (2012)[27]Jedyna znana cząstka elementarna o spinie 0.
tetrakwarkzłożonaZ_c(3900), 2013Nowa klasa hadronów (wymaga potwierdzenia).
pentakwarkzłożonaLHCb (2015)Kolejna klasa hadronów.
grawitonelementarna (kwant)Albert Einstein (1916)Hipotetyczny. Interpretacja fal grawitacyjnych jako cząstek jest dyskusyjna.
monopol magnetycznyelementarnaPaul Dirac (1931)[28]Hipotetyczny[7].

Przypisy

  1. ↑ Subatomic particles, [w:] NDT Resource Center [online] [dostęp 2026-04-26] [zarchiwizowane z adresu 2014-02-16] (ang.).
  2. ↑ Alexander Bolonkin, Universe, Human Immortality and Future Human Evaluation, Elsevier, 2011, s. 25, ISBN 978-0-12-415801-6 (ang.).
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Harald Fritzsch, Elementary Particles, World Scientific, 2005, s. 11–20, ISBN 978-981-256-141-1 (ang.).
  4. ↑ Geoffrey Hunter, Robert L.P. Wadlinger, Physical Photons: Theory, Experiment and Implications, [w:] Quantum Uncertainties: Recent and Future Experiments and Interpretations, Springer US, 1987 (NATO ASI Series), s. 331–343, DOI: 10.1007/978-1-4684-5386-7_18 (ang.).
  5. ↑ Werner Heisenberg, Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik, „Zeitschrift für Physik”, 43 (3–4), 1927, s. 172–198, DOI: 10.1007/BF01397280 (niem.).
  6. 1 2 3 4 5 6 7 W.N. Cottingham, D.A. Greenwood, An Introduction to the Standard Model of Particle Physics, Cambridge University Press, 2007, s. 1, ISBN 978-0-521-85249-4 (ang.).
  7. 1 2 3 4 5 6 Particle Data Group, Review of Particle Physics, „Physical Review D”, 110 (3), 2024, DOI: 10.1103/PhysRevD.110.030001 (ang.).
  8. ↑ Lev Okun, Proceedings of 1962 International Conference on High-Energy Physics at CERN, 1962, s. 845 (ang.).
  9. ↑ Walter Greiner, Quantum Mechanics: An Introduction, Springer, 2001, s. 29, ISBN 978-3-540-67458-0 (ang.).
  10. ↑ R. Eisberg, R. Resnick, Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles, wyd. 2, John Wiley & Sons, 1985, s. 59–60, ISBN 978-0-471-87373-0 (ang.).
  11. ↑ G. Johnstone Stoney, On the Physical Units of Nature, „Philosophical Magazine”, 11 (69), 1881, s. 381–390, DOI: 10.1080/14786448108627031 (ang.).
  12. ↑ J.J. Thomson, Cathode Rays, „The Electrician”, 39, 1897, s. 104 (ang.).
  13. ↑ Ernest Rutherford, Uranium Radiation and the Electrical Conduction Produced by It, „Philosophical Magazine”, 47 (284), 1899, s. 109–163, DOI: 10.1080/14786449908621245 (ang.).
  14. ↑ Albert Einstein, Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, „Annalen der Physik”, 322 (6), 1905, s. 132–148, DOI: 10.1002/andp.19053220607 (niem.).
  15. ↑ Ernest Rutherford, Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen, „Philosophical Magazine”, 37 (222), 1919, s. 581–587, DOI: 10.1080/14786440608635919 (ang.).
  16. ↑ Ernest Rutherford, Bakerian Lecture: Nuclear Constitution of Atoms, „Proceedings of the Royal Society A”, 97 (686), 1920, s. 374–400, DOI: 10.1098/rspa.1920.0040 (ang.).
  17. ↑ James Chadwick, The Existence of a Neutron, „Proceedings of the Royal Society A”, 136 (830), 1932, s. 692–708, DOI: 10.1098/rspa.1932.0112 (ang.).
  18. ↑ Paul Dirac, The Quantum Theory of the Electron, „Proceedings of the Royal Society A”, 117 (778), 1928, s. 610–624, DOI: 10.1098/rspa.1928.0023 (ang.).
  19. ↑ Carl D. Anderson, Seth H. Neddermeyer, Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level, „Physical Review”, 50 (4), 1936, s. 263–271, DOI: 10.1103/PhysRev.50.263 (ang.).
  20. ↑ G.D. Rochester, C.C. Butler, Evidence for the Existence of New Unstable Elementary Particles, „Nature”, 160 (4077), 1947, s. 855–857, DOI: 10.1038/160855a0 (ang.).
  21. 1 2 Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa, CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction, „Progress of Theoretical Physics”, 49 (2), 1973, s. 652–657, DOI: 10.1143/PTP.49.652 (ang.).
  22. ↑ Harald Fritzsch, Murray Gell-Mann, Current Algebra: Quarks and What Else?, „eConf”, C720906V2, 1972, s. 135–165, arXiv:hep-ph/0208010 (ang.).
  23. ↑ Sheldon L. Glashow, Partial-Symmetries of Weak Interactions, „Nuclear Physics”, 22 (4), 1961, s. 579–588, DOI: 10.1016/0029-5582(61)90469-2 (ang.).
  24. ↑ Steven Weinberg, A Model of Leptons, „Physical Review Letters”, 19 (21), 1967, s. 1264–1266, DOI: 10.1103/PhysRevLett.19.1264 (ang.).
  25. ↑ D0 Collaboration, Observation of the Top Quark, „Physical Review Letters”, 74 (14), 1995, s. 2632–2637, DOI: 10.1103/PhysRevLett.74.2632, arXiv:hep-ex/9503003 (ang.).
  26. ↑ Peter W. Higgs, Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons, „Physical Review Letters”, 13 (16), 1964, s. 508–509, DOI: 10.1103/PhysRevLett.13.508 (ang.).
  27. ↑ ATLAS Collaboration, Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the ATLAS Detector at the LHC, „Physics Letters B”, 716 (1), 2012, s. 1–29, DOI: 10.1016/j.physletb.2012.08.020, arXiv:1207.7214 (ang.).
  28. ↑ Paul Dirac, Quantised Singularities in the Electromagnetic Field, „Proceedings of the Royal Society A”, 133 (821), 1931, s. 60–72, DOI: 10.1098/rspa.1931.0130 (ang.).
This article is issued from Wikipedia. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.