Kas ir lielāks, neitrons vai protons? Atomu uzbūve - vielas elementārdaļiņas, elektroni, protoni, neitroni

Protons ir stabila daļiņa no hadronu klases, ūdeņraža atoma kodola.

Grūti pateikt, kurš notikums būtu jāuzskata par protona atklāšanu: galu galā kā ūdeņraža jons tas ir zināms jau ilgu laiku. E. Raterforda (1911) izveidotā atoma planētu modeļa izveide, izotopu atklāšana (F. Sodijs, Dž. Tomsons, F. Astons, 1906-1919) un ūdeņraža kodolu novērošana, ko no kodoliem izsita ārā alfa daļiņām bija nozīme protonu slāpekļa atklāšanā (E. Rutherford, 1919). 1925. gadā P. Blekets saņēma pirmās fotogrāfijas ar protonu pēdām mākoņu kamerā (sk. Kodolradiācijas detektori), kas apstiprina elementu mākslīgās transformācijas atklāšanu. Šajos eksperimentos β-daļiņu notvēra slāpekļa kodols, kas emitēja protonu un tika pārveidots par skābekļa izotopu.

Kopā ar neitroniem protoni veido visu atomu kodolus ķīmiskie elementi, un protonu skaits kodolā nosaka dotā elementa atomskaitli. Protonam ir pozitīvs elektriskais lādiņš, kas vienāds ar elementāro lādiņu, t.i. absolūtā vērtība elektronu lādiņš. Tas ir eksperimentāli pārbaudīts ar precizitāti 10-21. Protonu masa mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV jeb ~ 1,6-10-24 g, t.i., protons ir 1836 reizes smagāks par elektronu! AR mūsdienu punkts Skatoties no perspektīvas, protons nav īsta elementārdaļiņa: tas sastāv no diviem u-kvarkiem ar elektriskajiem lādiņiem +2/3 (elementārā lādiņa vienībās) un viena d-kvarka ar elektrisko lādiņu -1/3. Kvarki ir savstarpēji saistīti, apmainoties ar citām hipotētiskām daļiņām - gluoniem, lauka kvantiem, kas nes spēcīgu mijiedarbību. Dati no eksperimentiem, kuros tika ņemti vērā elektronu izkliedes procesi uz protoniem, patiešām liecina par punktu izkliedes centru klātbūtni protonos. Šie eksperimenti zināmā mērā ir ļoti līdzīgi Rezerforda eksperimentiem, kuru rezultātā tika atklāts atoma kodols. Protonam kā saliktai daļiņai ir ierobežots izmērs ~ 10-13 cm, lai gan, protams, to nevar iedomāties kā cietu lodi. Protons drīzāk atgādina mākoni ar neskaidru robežu, kas sastāv no izveidotām un iznīcinātām virtuālajām daļiņām. Protons, tāpat kā visi hadroni, piedalās katrā no fundamentālajām mijiedarbībām. Tātad. spēcīga mijiedarbība saista protonus un neitronus kodolos, elektromagnētiskā mijiedarbība saista protonus un elektronus atomos. Vājas mijiedarbības piemēri ir neitrona beta sabrukšana vai protona intranukleāra transformācija neitronā ar pozitrona un neitrīno emisiju (brīvam protonam šāds process nav iespējams enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likuma dēļ, jo neitronam ir nedaudz lielāka masa). Protonu spins ir 1/2. Hadronus ar pusvesela skaitļa griešanos sauc par barioniem (no Grieķu vārds, kas nozīmē “smags”). Barioni ietver protonu, neitronu, dažādus hiperonus (?, ?, ?, ?) un vairākas daļiņas ar jauniem kvantu skaitļiem, no kuriem lielākā daļa vēl nav atklāti. Lai raksturotu barionus, tas tiek ieviests īpašs numurs-- bariona lādiņš, kas vienāds ar 1 barioniem, - 1 -- antibarioniem un O -- visām pārējām daļiņām. Bariona lādiņš nav bariona lauka avots, tas tika ieviests tikai, lai aprakstītu modeļus, kas novēroti reakcijās ar daļiņām. Šie modeļi ir izteikti kā barionu lādiņa saglabāšanas likums: atšķirība starp barionu un antibarionu skaitu sistēmā tiek saglabāta jebkurās reakcijās. Bariona lādiņa saglabāšanās neļauj protonam sabrukt, jo tas ir vieglākais no barioniem. Šim likumam ir empīrisks raksturs, un tas, protams, ir jāpārbauda eksperimentāli. Bariona lādiņa nezūdamības likuma precizitāti raksturo protona stabilitāte, kura ekspluatācijas ilguma eksperimentālā aplēse dod vērtību, kas nav mazāka par 1032 gadiem.

Tajā pašā laikā teorijas, kas apvieno visu veidu fundamentālās mijiedarbības, paredz procesus, kas izraisa bariona lādiņa pārtraukšanu un protona sabrukšanu. Protona kalpošanas laiks šādās teorijās nav ļoti precīzi norādīts: aptuveni 1032 ± 2 gadi. Šis laiks ir milzīgs, tas ir daudzkārt ilgāks par Visuma pastāvēšanu (~ 2*1010 gadi). Tāpēc protons ir praktiski stabils, kas padarīja iespējamu ķīmisko elementu veidošanos un galu galā saprātīgas dzīvības rašanos. Tomēr protonu sabrukšanas meklēšana tagad ir viens no svarīgākajiem uzdevumiem eksperimentālā fizika. Ar protonu kalpošanas laiku ~ 1032 gadi 100 m3 ūdens tilpumā (1 m3 satur ~ 1030 protonus) gadā ir paredzama viena protonu sabrukšana. Atliek tikai reģistrēt šo pagrimumu. Protonu sabrukšanas atklāšana būs nozīmīgs solis ceļā uz pareizu izpratni par dabas spēku vienotību.

Neitrons ir neitrāla daļiņa, kas pieder hadronu klasei. 1932. gadā atklāja angļu fiziķis Dž.Čadviks. Kopā ar protoniem neitroni ir daļa no atomu kodoli. Elektriskais lādiņš neitronu qn ir vienāds ar nulli. To apstiprina tiešie lādiņa mērījumi no neitronu stara novirzes spēcīgos elektriskos laukos, kas parādīja, ka |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Neitroni ir stabili tikai stabilos atomu kodolos. Brīvais neitrons ir nestabila daļiņa, kas sadalās protonā (p), elektronā (e-) un elektronu antineitrīnā. Neitronu kalpošanas laiks ir (917?14) s, t.i., apmēram 15 minūtes. Vielā neitroni brīvā formā pastāv vēl mazāk, jo kodoli tos spēcīgi absorbē. Tāpēc tie rodas dabā vai tiek ražoti laboratorijā tikai kodolreakciju rezultātā.

Pamatojoties uz dažādu kodolreakciju enerģijas bilanci, tika noteikta neitrona un protona masu starpība: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Salīdzinot to ar protonu masu, iegūstam neitronu masu: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; tas atbilst mn ~ 1.6-10-24. Neitrons piedalās visu veidu fundamentālajās mijiedarbībās. Spēcīga mijiedarbība saista neitronus un protonus atomu kodolos. Vājas mijiedarbības piemērs ir neitrona beta sabrukšana.

Vai šī neitrālā daļiņa piedalās elektromagnētiskajā mijiedarbībā? Neitronam ir iekšēja struktūra, un ar vispārēju neitralitāti tajā ir elektriskās strāvas, kas jo īpaši izraisa magnētiskā momenta parādīšanos neitronā. Citiem vārdiem sakot, magnētiskajā laukā neitrons uzvedas kā kompasa adata. Šis ir tikai viens tās elektromagnētiskās mijiedarbības piemērs. Lielu interesi izpelnījās neitrona elektriskā dipola momenta meklēšana, kurai tika iegūta augšējā robeža. Šeit visefektīvākos eksperimentus veica PSRS Zinātņu akadēmijas Ļeņingradas Kodolfizikas institūta zinātnieki; Neitronu dipola momenta meklēšana ir svarīga, lai izprastu invariances pārkāpumu mehānismus laika maiņas laikā mikroprocesos.

Neitronu gravitācijas mijiedarbība tika novērota tieši no to sastopamības Zemes gravitācijas laukā.

Tagad ir pieņemta parastā neitronu klasifikācija pēc to kinētiskās enerģijas:

lēnie neitroni (<105эВ, есть много их разновидностей),

ātri neitroni (105?108eV), augstas enerģijas (> 108eV).

Ļoti lēniem neitroniem (10-7 eV), kurus sauc par īpaši aukstiem neitroniem, ir ļoti interesantas īpašības. Izrādījās, ka ultraaukstos neitronus var uzkrāt “magnētiskajos slazdos” un to spinus tur pat var orientēt noteiktā virzienā. Izmantojot īpašas konfigurācijas magnētiskos laukus, īpaši aukstie neitroni tiek izolēti no absorbējošām sienām un var “dzīvot” slazdā, līdz tie sabrūk. Tas ļauj veikt daudzus smalkus eksperimentus, lai izpētītu neitronu īpašības. Vēl viena ļoti aukstu neitronu uzglabāšanas metode ir balstīta uz to viļņu īpašībām. Šādus neitronus var vienkārši uzglabāt slēgtā “burkā”. Šo ideju 50. gadu beigās izteica padomju fiziķis Ja B. Zeldovičs, un pirmie rezultāti tika iegūti Dubnā Kodolpētniecības institūtā gandrīz desmit gadus vēlāk.

Nesen zinātniekiem izdevās uzbūvēt trauku, kurā ultraaukstie neitroni dzīvo līdz to dabiskajai sabrukšanai.

Brīvie neitroni spēj aktīvi mijiedarboties ar atomu kodoliem, izraisot kodolreakcijas. Lēnu neitronu mijiedarbības ar vielu rezultātā var novērot rezonanses efektus, difrakcijas izkliedi kristālos u.c. Šo īpašību dēļ neitroni tiek plaši izmantoti kodolfizikā un cietvielu fizikā. Tiem ir svarīga loma kodolenerģētikā, transurāna elementu un radioaktīvo izotopu ražošanā, un tiem ir praktisks pielietojums ķīmiskajā analīzē un ģeoloģiskajā izpētē.

Atomi ir mazākās vielas daļiņas.
Ja jūs palielināt vidēja izmēra ābolu līdz Zemes izmēram, atomi kļūs tikai ābola lielumā. Neskatoties uz tik maziem izmēriem, atoms sastāv no vēl mazākām fiziskām daļiņām.
Jums jau vajadzētu būt pazīstamam ar atoma uzbūvi no skolas fizikas kursa. Un tomēr, atcerēsimies, ka atomā ir kodols un elektroni, kas griežas ap kodolu tik ātri, ka kļūst neatšķirami - veido “elektronu mākoni” jeb atoma elektronu apvalku.

Elektroni parasti apzīmē šādi: e − . Elektroni e− ļoti viegli, gandrīz bezsvara, bet viņiem ir negatīvs elektriskais lādiņš. Tas ir vienāds ar –1. Elektriskā strāva, ko mēs visi izmantojam, ir elektronu plūsma, kas darbojas vados.

Atomu kodols, kurā ir koncentrēta gandrīz visa tā masa, sastāv no divu veidu daļiņām - neitroniem un protoniem.

Neitroni apzīmē šādi: n 0 , A protoni Tātad: lpp + .
Pēc masas neitroni un protoni ir gandrīz vienādi - 1,675 10-24 g un 1,673 10-24 g.
Tiesa, ir ļoti neērti skaitīt tik mazu daļiņu masu gramos, tāpēc to izsaka oglekļa vienības, no kuriem katrs ir vienāds ar 1,673 10 -24 g.
Par katru daļiņu mēs iegūstam relatīvā atomu masa, vienāds ar atoma masas (gramos) koeficientu, kas dalīts ar oglekļa vienības masu. Protona un neitrona relatīvā atomu masa ir vienāda ar 1, bet protonu lādiņš ir pozitīvs un vienāds ar +1, savukārt neitroniem lādiņa nav.

. Mīklas par atomu

Atomu var salikt “prātā” no daļiņām, piemēram, rotaļlietu vai automašīnu no bērnu konstruēšanas komplekta daļām. Ir nepieciešams ievērot tikai divus svarīgus nosacījumus.

• Pirmais nosacījums: katram atoma veidam ir savs pašu komplekts"detaļas" - elementārdaļiņas. Piemēram, ūdeņraža atomam noteikti būs kodols ar pozitīvu lādiņu +1, kas nozīmē, ka tam noteikti jābūt vienam protonam (un ne vairāk).
  Ūdeņraža atoms var saturēt arī neitronus. Vairāk par to nākamajā rindkopā.
  Skābekļa atomam (atomu skaits periodiskajā tabulā ir 8) būs uzlādēts kodols astoņi pozitīvi lādiņi (+8), kas nozīmē, ka ir astoņi protoni. Tā kā skābekļa atoma masa ir 16 relatīvās vienības, lai iegūtu skābekļa kodolu, mēs pievienojam vēl 8 neitronus.
• Otrais nosacījums ir tāds, ka katram atomam jābūt elektriski neitrāls. Lai to izdarītu, tam jābūt pietiekami daudz elektronu, lai līdzsvarotu kodola lādiņu. Citiem vārdiem sakot, elektronu skaits atomā ir vienāds ar protonu skaitu savā kodolā, kā arī šī elementa sērijas numurs periodiskajā tabulā.

Kā jau minēts, atoms sastāv no trīs veidu elementārdaļiņām: protoniem, neitroniem un elektroniem. Atomu kodols ir atoma centrālā daļa, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Protoniem un neitroniem ir vispārpieņemts nosaukums nukleons, tie var pārveidoties viens par otru kodolā. Vienkāršākā atoma – ūdeņraža atoma – kodols sastāv no vienas elementārdaļiņas – protona.

Atoma kodola diametrs ir aptuveni 10-13 - 10-12 cm un ir 0,0001 no atoma diametra. Tomēr gandrīz visa atoma masa (99,95-99,98%) ir koncentrēta kodolā. Ja būtu iespējams iegūt 1 cm3 tīras kodolvielas, tās masa būtu 100-200 miljoni tonnu. Atoma kodola masa ir vairākus tūkstošus reižu lielāka par visu elektronu masu, kas veido atomu.

Protons- elementārdaļiņa, ūdeņraža atoma kodols. Protona masa ir 1,6721 x 10-27 kg, kas ir 1836 reizes lielāka par elektrona masu. Elektriskais lādiņš ir pozitīvs un vienāds ar 1,66 x 10-19 C. Kulons ir elektriskā lādiņa vienība, kas vienāda ar elektrības daudzumu, kas 1 s laikā iziet cauri vadītāja šķērsgriezumam pie nemainīgas 1A (ampērs) strāvas.

Katrs jebkura elementa atoms satur noteiktu skaitu protonu kodolā. Šis skaitlis ir nemainīgs konkrētam elementam un nosaka tā fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tas ir, protonu skaits nosaka, ar kādu ķīmisko elementu mums ir darīšana. Piemēram, ja kodolā ir viens protons, tas ir ūdeņradis, ja ir 26 protoni, tas ir dzelzs. Protonu skaits atoma kodolā nosaka kodola lādiņu (lādiņa skaitlis Z) un elementa atomskaitli periodiskajā elementu tabulā D.I. Mendeļejevs (elementa atomu numurs).

Neitrons- elektriski neitrāla daļiņa ar masu 1,6749 x 10-27 kg, 1839 reizes lielāka par elektrona masu. Neirons brīvā stāvoklī ir nestabila daļiņa, kas patstāvīgi pārvēršas par protonu ar elektrona un antineitrīna emisiju. Neitronu pussabrukšanas periods (laiks, kurā sadalās puse no sākotnējā neitronu skaita) ir aptuveni 12 minūtes. Tomēr saistītā stāvoklī stabilos atomu kodolos tas ir stabils. Kopējo nukleonu (protonu un neitronu) skaitu kodolā sauc par masas skaitli (atommasu - A). Kodolā iekļauto neitronu skaits ir vienāds ar starpību starp masas un lādiņa skaitļiem: N = A - Z.

Elektrons- elementārdaļiņa, mazākās masas nesējs - 0,91095x10-27 g un mazākais elektriskais lādiņš - 1,6021x10-19 C. Šī ir negatīvi lādēta daļiņa. Elektronu skaits atomā ir vienāds ar protonu skaitu kodolā, t.i. atoms ir elektriski neitrāls.

Pozitroni- elementārdaļiņa ar pozitīvu elektrisko lādiņu, antidaļiņa attiecībā pret elektronu. Elektrona un pozitrona masa ir vienāda, un elektriskie lādiņi ir vienādi pēc absolūtās vērtības, bet pretēji pēc zīmes.

Dažādus kodolu veidus sauc par nuklīdiem. Nuklīds ir atomu veids ar noteiktu protonu un neitronu skaitu. Dabā ir viena un tā paša elementa atomi ar dažādām atomu masām (masas skaitļiem):
, Cl utt. Šo atomu kodolos ir vienāds protonu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits. Tiek sauktas viena un tā paša elementa atomu šķirnes, kurām ir vienāds kodollādiņš, bet dažādi masas skaitļi izotopi . Izotopiem, kuriem ir vienāds protonu skaits, bet atšķiras neitronu skaits, ir vienāda elektronu apvalku struktūra, t.i. ļoti līdzīgas ķīmiskās īpašības un ieņem vienu un to pašu vietu ķīmisko elementu periodiskajā tabulā.

Tos apzīmē ar atbilstošā ķīmiskā elementa simbolu ar indeksu A, kas atrodas augšējā kreisajā stūrī - masas skaitlis, dažreiz protonu skaits (Z) tiek norādīts arī apakšējā kreisajā stūrī. Piemēram, fosfora radioaktīvie izotopi ir attiecīgi apzīmēti ar 32P, 33P vai P un P. Apzīmējot izotopu, nenorādot elementa simbolu, masas skaitlis tiek norādīts aiz elementa apzīmējuma, piemēram, fosfors - 32, fosfors - 33.

Lielākajai daļai ķīmisko elementu ir vairāki izotopi. Papildus ūdeņraža izotopam 1H-protijs ir zināms smagais ūdeņraža 2H-deitērijs un supersmagais ūdeņraža 3H-tritijs. Urānam ir 11 izotopi dabiskajos savienojumos (urāns 238, urāns 235, urāns 233). Viņiem ir attiecīgi 92 protoni un 146 143 un 141 neitrons.

Pašlaik ir zināmi vairāk nekā 1900 izotopu no 108 ķīmiskajiem elementiem. No tiem dabiskie izotopi ietver visus stabilos (no tiem aptuveni 280) un dabiskos izotopus, kas ir daļa no radioaktīvajām saimēm (46 no tiem). Pārējie tiek klasificēti kā mākslīgi, tie iegūti mākslīgi dažādu kodolreakciju rezultātā.

Termins “izotopi” jālieto tikai tad, ja mēs runājam par viena un tā paša elementa atomiem, piemēram, oglekļa 12C un 14C. Ja ir domāti dažādu ķīmisko elementu atomi, ieteicams lietot terminu “nuklīdi”, piemēram, radionuklīdi 90Sr, 131J, 137Cs.

Parunāsim par to, kā atrast protonus, neitronus un elektronus. Atomā ir trīs veidu elementārdaļiņas, katrai no tām ir savs elementārais lādiņš un masa.

Pamata struktūra

Lai saprastu, kā atrast protonus, neitronus un elektronus, iedomājieties, ka tā ir atoma galvenā daļa. Kodola iekšpusē ir protoni un neitroni, ko sauc par nukleoniem. Kodola iekšpusē šīs daļiņas var pārveidoties viena par otru.

Piemēram, lai šūnā atrastu protonus, neitronus un elektronus, jums jāzina tās sērijas numurs. Ja ņemam vērā, ka tieši šis elements vada periodisko tabulu, tad tā kodolā ir viens protons.

Atomu kodola diametrs ir desmit tūkstošdaļas no kopējā atoma lieluma. Tas satur lielāko daļu no visa atoma. Kodola masa ir tūkstošiem reižu lielāka par visu atomā esošo elektronu summu.

Daļiņu īpašības

Apskatīsim, kā atomā atrast protonus, neitronus un elektronus, un uzzināsim par to īpašībām. Protons ir tas, kas atbilst ūdeņraža atoma kodolam. Tā masa pārsniedz elektronu 1836 reizes. Lai noteiktu elektroenerģijas vienību, kas iet caur vadītāju ar noteiktu šķērsgriezumu, tiek izmantots elektriskais lādiņš.

Katra atoma kodolā ir noteikts skaits protonu. Tā ir nemainīga vērtība un raksturo dotā elementa ķīmiskās un fizikālās īpašības.

Kā oglekļa atomā atrast protonus, neitronus un elektronus? Šī ķīmiskā elementa atomu skaits ir 6, tāpēc kodolā ir seši protoni. Saskaņā ar planētu sistēmu seši elektroni pārvietojas orbītā ap kodolu. Lai noteiktu neitronu skaitu no oglekļa vērtības (12), atņemiet protonu skaitu (6), iegūstam sešus neitronus.

Dzelzs atomam protonu skaits atbilst 26, tas ir, šim elementam ir 26. atomskaitlis periodiskajā tabulā.

Neitrons ir elektriski neitrāla daļiņa, nestabila brīvā stāvoklī. Neitrons var spontāni pārveidoties par pozitīvi lādētu protonu, izstarot antineitrīnu un elektronu. Tās vidējais pusperiods ir 12 minūtes. Masas skaitlis ir kopējais protonu un neitronu skaits atoma kodolā. Mēģināsim izdomāt, kā jonā atrast protonus, neitronus un elektronus? Ja atoms ķīmiskās mijiedarbības laikā ar citu elementu iegūst pozitīvu oksidācijas pakāpi, tad protonu un neitronu skaits tajā nemainās, tikai elektronu kļūst mazāk.

Secinājums

Bija vairākas teorijas par atoma struktūru, taču neviena no tām nebija dzīvotspējīga. Pirms Rezerforda radītās versijas nebija detalizēta skaidrojuma par protonu un neitronu atrašanās vietu kodola iekšienē, kā arī par elektronu rotāciju apļveida orbītās. Pēc atoma planetārās uzbūves teorijas rašanās pētniekiem bija iespēja ne tikai noteikt elementārdaļiņu skaitu atomā, bet arī paredzēt konkrēta ķīmiskā elementa fizikālās un ķīmiskās īpašības.

Daudzi no skolas laikiem labi zina, ka visas vielas sastāv no atomiem. Atomi, savukārt, sastāv no protoniem un neitroniem, kas veido atomu un elektronu kodolu, kas atrodas kādā attālumā no kodola. Daudzi arī dzirdējuši, ka gaisma sastāv arī no daļiņām – fotoniem. Tomēr daļiņu pasaule ar to neaprobežojas. Līdz šim ir zināmas vairāk nekā 400 dažādas elementārdaļiņas. Mēģināsim saprast, kā elementārdaļiņas atšķiras viena no otras.

Ir daudz parametru, pēc kuriem elementārdaļiņas var atšķirt vienu no otras:

• Svars.
• Elektriskais lādiņš.
• Mūžs. Gandrīz visām elementārdaļiņām ir ierobežots kalpošanas laiks, pēc kura tās sadalās.
• Spin. To ļoti aptuveni var uzskatīt par rotācijas momentu.

Vēl daži parametri vai kā tos parasti sauc kvantu skaitļu zinātnē. Šiem parametriem ne vienmēr ir skaidra fiziska nozīme, bet tie ir nepieciešami, lai atšķirtu vienu daļiņu no citas. Visi šie papildu parametri tiek ieviesti kā daži daudzumi, kas tiek saglabāti mijiedarbībā.

Gandrīz visām daļiņām ir masa, izņemot fotonus un neitrīno (saskaņā ar jaunākajiem datiem neitrīno masa ir, bet tik maza, ka to bieži uzskata par nulli). Bez masas daļiņas var pastāvēt tikai kustībā. Visām daļiņām ir atšķirīga masa. Elektronam ir vismazākā masa, neskaitot neitrīno. Daļiņām, ko sauc par mezoniem, ir 300-400 reižu lielāka masa nekā elektrona masa, protons un neitrons ir gandrīz 2000 reižu smagāki par elektronu. Tagad ir atklātas daļiņas, kas ir gandrīz 100 reizes smagākas par protonu. Masa (vai tās enerģijas ekvivalents saskaņā ar Einšteina formulu:

tiek saglabāta visās elementārdaļiņu mijiedarbībās.

Ne visām daļiņām ir elektriskais lādiņš, kas nozīmē, ka ne visas daļiņas spēj piedalīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā. Visām brīvi esošajām daļiņām ir elektriskais lādiņš, kas ir daudzkārtējs elektronu lādiņam. Papildus brīvi esošām daļiņām ir arī daļiņas, kas ir tikai saistītā stāvoklī, par tām mēs runāsim nedaudz vēlāk.

Spins, tāpat kā citi kvantu skaitļi, dažādām daļiņām ir atšķirīgs un raksturo to unikalitāti. Daži kvantu skaitļi tiek saglabāti dažās mijiedarbībās, daži citās. Visi šie kvantu skaitļi nosaka, kuras daļiņas ar kurām un kā mijiedarbojas.

Dzīves ilgums ir arī ļoti svarīga daļiņas īpašība, un mēs to apsvērsim sīkāk. Sāksim ar piezīmi. Kā jau teicām raksta sākumā, viss, kas mūs ieskauj, sastāv no atomiem (elektroniem, protoniem un neitroniem) un gaismas (fotoniem). Un kur tad ir simtiem dažāda veida elementārdaļiņu? Atbilde ir vienkārša – visur mums apkārt, bet mēs to nepamanām divu iemeslu dēļ.

Pirmais no tiem ir tāds, ka gandrīz visas pārējās daļiņas dzīvo ļoti īsi, aptuveni 10 līdz mīnus 10 sekundes vai mazāk, un tāpēc neveido tādas struktūras kā atomi, kristāla režģi utt. Otrs iemesls attiecas uz neitrīniem, lai gan šīs daļiņas nesadalās, tās ir pakļautas tikai vājai un gravitācijas mijiedarbībai. Tas nozīmē, ka šīs daļiņas mijiedarbojas tik maz, ka tās ir gandrīz neiespējami atklāt.

Ļaujiet mums vizualizēt, cik labi daļiņa mijiedarbojas. Piemēram, elektronu plūsmu var apturēt ar diezgan plānu tērauda loksni, kas ir aptuveni daži milimetri. Tas notiks tāpēc, ka elektroni nekavējoties sāks mijiedarboties ar tērauda loksnes daļiņām, krasi mainīs virzienu, izstaros fotonus un līdz ar to diezgan ātri zaudēs enerģiju. Tas tā nav ar neitrīno plūsmu, tie var iziet cauri Zemei gandrīz bez mijiedarbības. Un tāpēc tos ir ļoti grūti atklāt.

Tātad lielākā daļa daļiņu dzīvo ļoti īsu laiku, pēc tam tās sadalās. Daļiņu sabrukšana ir visizplatītākās reakcijas. Sabrukšanas rezultātā viena daļiņa sadalās vairākās citās mazākas masas, un tās, savukārt, sadalās tālāk. Visi sabrukumi pakļaujas noteiktiem noteikumiem - saglabāšanas likumiem. Tātad, piemēram, sabrukšanas rezultātā ir jāsaglabā elektriskais lādiņš, masa, spins un vairāki citi kvantu skaitļi. Daži kvantu skaitļi var mainīties sabrukšanas laikā, bet arī saskaņā ar noteiktiem noteikumiem. Tieši sabrukšanas noteikumi mums saka, ka elektrons un protons ir stabilas daļiņas. Viņi vairs nevar sabrukt, ievērojot sabrukšanas noteikumus, un tāpēc tie ir tie, kas pārtrauc sabrukšanas ķēdes.

Šeit es gribētu teikt dažus vārdus par neitronu. Arī brīvais neitrons aptuveni 15 minūšu laikā sadalās par protonu un elektronu. Tomēr tas nenotiek, kad neitrons atrodas atoma kodolā. Šo faktu var izskaidrot dažādi. Piemēram, kad atoma kodolā parādās elektrons un papildu protons no trūdoša neitrona, uzreiz notiek reversā reakcija – viens no protoniem absorbē elektronu un pārvēršas par neitronu. Šo attēlu sauc par dinamisko līdzsvaru. Tas tika novērots Visumā agrīnā tā attīstības stadijā, neilgi pēc lielā sprādziena.

Papildus sabrukšanas reakcijām pastāv arī izkliedes reakcijas - kad divas vai vairākas daļiņas mijiedarbojas vienlaicīgi, un rezultātā tiek iegūta viena vai vairākas citas daļiņas. Ir arī absorbcijas reakcijas, kad divas vai vairākas daļiņas rada vienu. Visas reakcijas notiek spēcīgas vājas vai elektromagnētiskas mijiedarbības rezultātā. Reakcijas spēcīgas mijiedarbības dēļ ir visātrākās šādas reakcijas laiks var sasniegt 10 mīnus 20 sekundes. Reakciju ātrums, kas rodas elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ, šeit var būt aptuveni 10 mīnus 8 sekundes. Vājai mijiedarbības reakcijai laiks var sasniegt desmitiem sekunžu un dažreiz pat gadus.

Stāsta par daļiņām beigās parunāsim par kvarkiem. Kvarki ir elementārdaļiņas, kuru elektriskais lādiņš ir daudzkārtējs trešdaļai no elektrona lādiņa un kas nevar pastāvēt brīvā stāvoklī. Viņu mijiedarbība ir sakārtota tā, ka viņi var dzīvot tikai kā daļa no kaut kā. Piemēram, trīs noteikta veida kvarku kombinācija veido protonu. Cita kombinācija rada neitronu. Pavisam zināmi 6 kvarki. To dažādās kombinācijas dod mums dažādas daļiņas, un, lai gan ne visas kvarku kombinācijas pieļauj fizikālie likumi, ir diezgan daudz daļiņu, kas sastāv no kvarkiem.

Šeit var rasties jautājums: kā protonu var saukt par elementāru, ja tas sastāv no kvarkiem? Tas ir ļoti vienkārši - protons ir elementārs, jo to nevar sadalīt tā sastāvdaļās - kvarkos. Visas daļiņas, kas piedalās spēcīgajā mijiedarbībā, sastāv no kvarkiem un tajā pašā laikā ir elementāras.

Izpratne par elementārdaļiņu mijiedarbību ir ļoti svarīga, lai izprastu Visuma uzbūvi. Viss, kas notiek ar makroķermeņiem, ir daļiņu mijiedarbības rezultāts. Tā ir daļiņu mijiedarbība, kas raksturo koku augšanu uz zemes, reakcijas zvaigžņu iekšienē, neitronu zvaigžņu starojumu un daudz ko citu.