mały|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. 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. Badaniem cząstek subatomowych i ich oddziaływań zajmują się fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa.

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. Cząstki posiadające masę spoczynkową, podlegające zakazowi Pauliego, to fermiony.

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. Zasada nieoznaczoności stwierdza, że pewnych par wielkości fizycznych, takich jak położenie i pęd, nie można jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością.

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

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

Cząstkami elementarnymi Modelu Standardowego są:

sześć zapachów kwarków: górny, dolny, dziwny, powabny, piękny i prawdziwy; sześć typów leptonów: elektron, neutrino elektronowe, mion, neutrino mionowe, taon, neutrino taonowe; dwanaście bozonów cechowania (nośników oddziaływań): foton (elektromagnetyzmu), trzy bozony W i Z (oddziaływania słabego) oraz osiem gluonów (oddziaływania silnego); bozon Higgsa.

mały|Cząstki elementarne Modelu Standardowego Wszystkie powyższe cząstki zostały potwierdzone eksperymentalnie. Ostatnimi odkrytymi były: kwark prawdziwy (1995), neutrino taonowe (2000) i bozon Higgsa (2012).

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

Hadrony Słowo hadron pochodzi z greki i zostało wprowadzone w 1962 roku przez . 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.

Hadrony dzielą się na:

bariony, zawierające nieparzystą liczbę kwarków (niemal zawsze 3), np. proton i neutron (dwa nukleony); mezony, zawierające parzystą liczbę kwarków (niemal zawsze 2, kwark i antykwark), np. piony i kaony.

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.

Według statystyki

mały|Relacja między bozonami, hadronami i fermionami Każda cząstka subatomowa, podlegająca prawom mechaniki kwantowej, jest albo bozonem (o całkowitym spinie), albo fermionem (o połówkowym spinie).

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.

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

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.

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.

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.

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

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

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

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.

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.

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy wszystkie cząstki wykazują również naturę falową. 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.

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).

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.

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.

Cząstki w atomie + Cząstki wchodzące w skład atomu Cząstka Symbol Typ Lokalizacja Ładunek (e) Masa (Da) proton p⁺ złożona jądro +1 ≈ 1 neutron n⁰ złożona jądro 0 ≈ 1 elektron e⁻ elementarna powłoki −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.

+ Ważniejsze odkrycia cząstek subatomowych Cząstka Skład Przewidziana Odkryta Uwagi elektron e⁻ elementarna (lepton) G.J. Stoney (1874) J.J. Thomson (1897) Pierwsza zidentyfikowana cząstka subatomowa. cząstka alfa α złożona (jądro) Ernest Rutherford (1899) W 1907 r. Rutherford i Thomas Royds udowodnili, że jest to jądro helu. Nobel z chemii 1908. foton γ elementarna (kwant) Max Planck (1900) Albert Einstein (1905) Rozwiązanie problemu promieniowania ciała doskonale czarnego. proton p⁺ złożona (barion) William Prout (1815) Ernest Rutherford (1919) Jądro wodoru. neutron n⁰ złożona (barion) Ernest Rutherford (ok. 1920) James Chadwick (1932) Drugi nukleon. antycząstki Paul Dirac (1928) C.D. Anderson (pozyton, 1932) Wyjaśnienie oparte na symetrii CPT. piony π złożona (mezony) Hideki Yukawa (1935) César Lattes, G. Occhialini, C. Powell (1947) Wyjaśnienie siły jądrowej między nukleonami. mion μ elementarna (lepton) C.D. Anderson (1936) Początkowo nazywany mezonem, dziś klasyfikowany jako lepton. kaony K złożona (mezony) G.D. Rochester, C.C. Butler (1947) Pierwsza cząstka dziwna. Odkryte w promieniowaniu kosmicznym. bariony Λ złożona (bariony) Uniwersytet w Melbourne (Λ⁰, 1950) Pierwszy odkryty hiperon. neutrino ν elementarna (lepton) Wolfgang Pauli (1930) Clyde Cowan, Frederick Reines (ν_e, 1956) Rozwiązanie problemu widma energetycznego rozpadu beta. kwarki (u, d, s) elementarna Murray Gell-Mann, George Zweig (1964) potwierdzany stopniowo w eksperymentach rozpraszania. kwark powabny c elementarna (kwark) Sheldon Glashow, John Iliopoulos, Luciano Maiani (1970) Burton Richter, Samuel Ting (J/ψ, 1974) kwark piękny b elementarna (kwark) M. Kobayashi, T. Maskawa (1973) Leon Lederman (Υ, 1977) gluony elementarna (kwant) Harald Fritzsch, Murray Gell-Mann (1972) DESY (1979) bozony W±, Z⁰ elementarna (kwant) S. Glashow (1961), S. Weinberg (1967), Abdus Salam (1968) CERN (1983) Właściwości potwierdzone w latach 90. kwark prawdziwy t elementarna (kwark) M. Kobayashi, T. Maskawa (1973) Fermilab (1995) Nie ulega hadronizacji. bozon Higgsa elementarna (kwant) Peter Higgs (1964) CERN (2012) Jedyna znana cząstka elementarna o spinie 0. tetrakwark złożona Z_c(3900), 2013 Nowa klasa hadronów (wymaga potwierdzenia). pentakwark złożona LHCb (2015) Kolejna klasa hadronów. grawiton elementarna (kwant) Albert Einstein (1916) Hipotetyczny. Interpretacja fal grawitacyjnych jako cząstek jest dyskusyjna. monopol magnetyczny elementarna Paul Dirac (1931) Hipotetyczny.

Przypisy

Kategoria:Fizyka cząstek elementarnych Kategoria:Mechanika kwantowa