Subatominės dalelės: apibrėžimas, protonai, neutronai ir elektronai

Sužinokite, kas yra subatominės dalelės: protonai, neutronai, elektronai, kvarkai ir antidalelės — pagrindai, savybės ir įdomybės dalelių fizikos pasaulyje.

Subatominė dalelė - tai dalelė, mažesnė už atomą. Tai reiškia, kad ji yra labai, labai maža. Kaip ir atomai bei molekulės, subatominės dalelės yra per mažos, kad jas būtų galima pamatyti plika akimi. Jos dominuoja medžiagos elgsenoje labai mažame — atominiame — mastelyje ir yra gyvybiškai svarbios fizikai, chemijai bei technologijoms. Tyrinėjimas leidžia suprasti, kodėl medžiaga elgiasi taip, kaip elgiasi, ir kaip gaminti naujas medžiagas bei prietaisus. Dažniausiai tyrinėjamos subatominės dalelės yra pagrindinės atomus sudarančios dalelės: protonai, neutronai ir elektronai. Subatominių dalelių tyrimas vadinamas dalelių fizika.

Šias daleles atome dažnai sulaiko viena iš keturių pagrindinių jėgų (gravitacijos, elektromagnetinės jėgos, stipriosios jėgos arba silpnosios jėgos). Kiekviena iš šių jėgų veiksmingai veikia skirtingame atstumo ir atsako už skirtingus reiškinius: gravitacija valdo didelių objektų judėjimą, elektromagnetinė jėga laiko elektronus prie branduolio ir lemia chemines savybes, stiprioji jėga sujungia kvarkus į protonus ir neutronus bei laiko branduolį kartu (reziduali stiprioji jėga), o silpnoji jėga dalyvauja tam tikruose spinduliavimo ir branduolių skilimo procesuose. Už atomo ribų dalelės dažnai juda labai, labai greitai - beveik šviesos greičiu, kuris yra labai, labai didelis (apie 300 000 kilometrų per sekundę).

Barionai ir leptonai

Subatominės dalelės skirstomos į dvi pagrindines grupes: barionus ir leptonus.

Barionai sudaryti iš kvarkų. Barionai — tai dalelės, sudarytos iš trijų kvarkų (dažniausiai trijų iš šešių egzistuojančių kvarkų). Barionai turi tam tikrą barionų skaičių; reaguojant išsaugomas barionų skaičius, tai reiškia, kad reakcijų metu bendras barionų skaičius turi likti toks pat. Tipiniai barionai, kuriuos sutinkame kasdieninėje materijoje, yra protonai ir neutronai, susidedantys iš kvarkų: protonas = uud (du aukštyn, vienas žemyn), neutronas = udd (vienas aukštyn, du žemyn).

Leptonai paprastai yra elementariosios (nesudėtinės) dalelės. Šiai kategorijai priklauso elektronai, miuonai, tausai ir neutrinai. Leptonai nėra sudaryti iš kvarkų, turi pusinį spiną (fermionai) ir daugeliu atvejų nėra dalūs (t. y. neturi vidinės struktūros, žinomos šiandien). Elektronas yra pats svarbiausias leptonas atomuose, neutrinai – silpnai reaguojantys, beveik be masės dalelės, o miuonai ir tausai yra sunkesni leptonai, egzistuojantys trumpą laiką ir dažniausiai randami kosminių spindulių ar dalelių greitintuvų reakcijose.

Protonai

Elektros krūvis: +1 elementarus krūvis (teigiamas).
Masė: apie 1,6726×10−27 kg (apie 1 atominė masės vienetė).
Sudėtis: trys kvarkai (uud).
Spin: 1/2 (fermonas).
Protonai yra branduolio dalis ir kartu su neutronais lemia atomo masę bei cheminį elementą (atomų numerį — protonų skaičius nulemia, koks tai elementas). Protonai yra stabilūs laisvoje būsenoje pagal dabartines sąlygas (nevyksta jų savarankiškas skilimas), tačiau jų vidinė struktūra ir dinamika aprašoma kvarkų ir gluonų sąveika per stipriąją jėgą.

Neutronai

Elektros krūvis: 0 (neutrali dalelė).
Masė: apie 1,6749×10−27 kg (truputį sunkesnis už protoną).
Sudėtis: trys kvarkai (udd).
Spin: 1/2 (fermonas).
Neutronai branduolyje prisideda prie branduolio stabilumo per rezidualinę stipriąją jėgą. Laisvas neutronas (ne branduolyje) yra nestabilus ir per beta skilimą skyla į protoną, elektroną ir antineutriną per silpnąją jėgą — jo vidutinis gyvavimo laikas ~880 sekundžių (~14,7 minučių).

Elektronai

Elektros krūvis: −1 elementarus krūvis (neigiama).
Masė: apie 9,109×10−31 kg (apie 1/1836 protono masės).
Spin: 1/2 (fermonas).
Elektronai A) išsidėsto aplink atomo branduolį kvantinėse būsenose (orbitalėse), B) lemia chemines savybes ir junginių formavimąsi, C) gali pernešti elektros srovę kondensuotose medžiagose. Elektrono padėtis ir greitis aprašomi banga dalelės dualumu ir kvantinės mechanikos modeliais (orbitalės, kvantiniai skaičiai, Pauli išskyrimo principas).

Antidalelės ir antimaterija

Kiekviena šių dalelių rūšis turi savo antidalelę. Antidalelės turi tokią pačią masę kaip ir įprastos dalelės, tik jų elektros krūvis yra priešingas (pvz., elektronui atitinkanti antidalelė yra pozitronas — teigiamai įkrauta dalelė). Materija ir antimaterija negali egzistuoti persistengiant viena šalia kitos be sąveikos: kai susiduria materija ir antimaterija, jos anihiliuoja viena kitą, išskirdamos didžiulę energiją, lygią E=mc2, kur m - bendra dalelių masė, c - šviesos greitis, o E - susidariusi energija. Tokie susidūrimai dažnai vyksta dideliuose dalelių greitintuvuose, kur energija gali būti paversta į materiją pagal tą pačią lygtį. Taip gali susidaryti daugybė keistų, dažnai sunkių (didelės masės) dalelių, kurios egzistuoja tik trumpą laiką ir įvairiais būdais suyra.

Dalyviavimas eksperimentuose ir praktinė reikšmė

Dauguma atrastų dalelių sukuriaami greitinant daleles ir joms susiduriant su kitomis, taip sukuriant didžiulius naujų subatominių dalelių srautus, kurie itin greitai suyra. Eksperimentuose naudojami detektoriai fiksuoja susidariusias daleles pagal energiją, krūvį, trajektoriją ir skilimo produktus. Be fundamentalių tyrimų, subatominės dalelės turi daug praktinių pritaikymų:

• medicinoje — PET skenavimas (naudojant pozitronų anihiliaciją), radioterapija, diagnostika;
• pramonėje — puslaidininkių technologijos, jonizuojančios spinduliuotės naudojimas medžiagų apdorojimui;
• energetikoje — branduolinė energetika ir reaktorių technologijos;
• moksle — dalelių greitintuvai ir detektoriai leidžia kurti pažangias technologijas ir platinti žinias apie Visatos prigimtį.

Relatyvumas ir laiko dilatacija

Kadangi dalelės dažnai juda artimu šviesos greičiui, tampa svarbūs specialiojo reliatyvumo dėsniai. Dėl reliatyvumo reiškinių atsiranda laiko dilatacija, kai laikrodžių rodmenys dalelėms juda lėčiau, palyginti su stebėtoju žiūrint į laboratoriškai stovinčias sistemas. Tai leidžia trumpalaikėms nestabilioms dalelėms nukeliauti didesnį atstumą ir būti užfiksuotoms detektoriuose, nei būtų galima tikėtis pagal klasikinę (nereliatyvistinę) fiziką.

Trumpas santrauka

Subatominės dalelės — protonai, neutronai ir elektronai — yra atomų pagrindas. Protonai ir neutronai (barionai) turi vidinę struktūrą iš kvarkų, o elektronai (leptonai) yra elementariosios dalelės. Jas valdo keturios pagrindinės jėgos, o jų savybės paaiškinamos kvantine mechanika ir reliatyvizmu. Tyrimai atveria kelius tiek fundamentaliems mokslo atradimams, tiek praktiniams panaudojimams kasdieniame gyvenime.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra subatominė dalelė?

K: Kokios yra dažniausiai tiriamos subatominės dalelės?

K: Kokios jėgos laiko atomus kartu?

K: Kaip greitai juda subatominės dalelės?

K: Ar barionai ir leptonai yra skirtingų tipų dalelės?

K: Ar antidalelės turi priešingus elektros krūvius nei jų įprastiniai atitikmenys?

Paieška pagal raidę