Co jest większe, neutron czy proton? Budowa atomów - elementarne cząstki materii, elektrony, protony, neutrony

Proton to stabilna cząstka z klasy hadronów, jądro atomu wodoru.

Trudno powiedzieć, które wydarzenie należy uznać za odkrycie protonu: wszak jako jon wodorowy jest on znany od dawna. Stworzenie planetarnego modelu atomu przez E. Rutherforda (1911), odkrycie izotopów (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) oraz obserwacja jąder wodoru wybijanych z jąder przez cząstki alfa odegrały rolę w odkryciu azotu protonowego (E. Rutherford, 1919). W 1925 r. P. Blackett otrzymał pierwsze zdjęcia śladów protonów w komorze chmurowej (patrz Detektory promieniowania jądrowego), potwierdzające odkrycie sztucznej transformacji pierwiastków. W tych eksperymentach cząstka β została wychwytana przez jądro azotu, które wyemitowało proton i zamieniło się w izotop tlenu.

Razem z neutronami protony tworzą jądra atomowe wszystkich pierwiastki chemiczne, a liczba protonów w jądrze określa liczbę atomową danego pierwiastka. Proton ma dodatni ładunek elektryczny równy ładunkowi elementarnemu, tj. bezwzględnej wartości ładunku elektronu. Zostało to przetestowane eksperymentalnie z dokładnością 10-21. Masa protonu mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV czyli ~1,6-10-24 g, czyli proton jest 1836 razy cięższy od elektronu! Z nowoczesny punkt Z perspektywy proton nie jest prawdziwą cząstką elementarną: składa się z dwóch kwarków u o ładunku elektrycznym +2/3 (w jednostkach ładunku elementarnego) i jednego kwarku d o ładunku elektrycznym -1/3. Kwarki łączą się ze sobą poprzez wymianę innych hipotetycznych cząstek - gluonów, kwantów pola przenoszącego oddziaływania silne. Dane z eksperymentów, w których rozpatrywano procesy rozpraszania elektronów na protonach rzeczywiście wskazują na obecność punktowych centrów rozpraszania wewnątrz protonów. Eksperymenty te są w pewnym sensie bardzo podobne do eksperymentów Rutherforda, które doprowadziły do ​​odkrycia jądra atomowego. Będąc cząstką złożoną, proton ma skończony rozmiar ~ 10-13 cm, chociaż oczywiście nie można go przedstawić w postaci stałej kuli. Proton przypomina raczej chmurę z rozmytą granicą, składającą się z utworzonych i anihilowanych cząstek wirtualnych.Proton, jak wszystkie hadrony, uczestniczy w każdym z podstawowych oddziaływań. Więc. oddziaływania silne wiążą protony i neutrony w jądrach, oddziaływania elektromagnetyczne wiążą protony i elektrony w atomach. Przykładami oddziaływań słabych są rozpad beta neutronu lub wewnątrzjądrowa przemiana protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina (dla wolnego protonu taki proces jest niemożliwy ze względu na prawo zachowania i przemiany energii, ponieważ neutron ma nieco większą masę). Spin protonu wynosi 1/2. Hadrony o spinie półcałkowitym nazywane są barionami (od greckiego słowa oznaczającego „ciężki”). Bariony obejmują proton, neutron, różne hiperony (a, a, a, a) i szereg cząstek o nowych liczbach kwantowych, z których większość nie została jeszcze odkryta. Aby scharakteryzować bariony, wprowadzono je numer specjalny-- ładunek barionowy równy 1 dla barionów, - 1 -- dla antybarionów i O -- dla wszystkich pozostałych cząstek. Ładunek barionowy nie jest źródłem pola barionowego, został wprowadzony jedynie w celu opisania wzorców obserwowanych w reakcjach z cząstkami. Wzorce te wyrażają się w postaci prawa zachowania ładunku barionowego: różnica między liczbą barionów i antybarionów w układzie jest zachowana w każdej reakcji. Zachowanie ładunku barionowego uniemożliwia rozpad protonu, ponieważ jest on najlżejszym z barionów. Prawo to ma charakter empiryczny i oczywiście należy je sprawdzić eksperymentalnie. Dokładność prawa zachowania ładunku barionowego charakteryzuje się stabilnością protonu, którego eksperymentalne oszacowanie czasu życia daje wartość nie mniejszą niż 1032 lata.

Jednocześnie teorie łączące wszystkie typy oddziaływań fundamentalnych przewidują procesy prowadzące do rozerwania ładunku barionowego i rozpadu protonu. Czas życia protonu w takich teoriach nie jest bardzo dokładnie wskazany: około 1032 ± 2 lata. Czas ten jest ogromny, wielokrotnie dłuższy niż istnienie Wszechświata (~2*1010 lat). Dlatego proton jest praktycznie stabilny, co umożliwiło powstawanie pierwiastków chemicznych i ostatecznie pojawienie się inteligentnego życia. Jednakże poszukiwania rozpadu protonów stanowią obecnie jedno z nich najważniejsze zadania fizyka eksperymentalna. Przy czasie życia protonów ~1032 lat w objętości wody 100 m3 (1 m3 zawiera ~1030 protonów) należy spodziewać się jednego rozpadu protonu rocznie. Pozostaje tylko zarejestrować ten rozpad. Odkrycie rozpadu protonu będzie ważnym krokiem w stronę prawidłowego zrozumienia jedności sił natury.

Neutron jest cząstką obojętną należącą do klasy hadronów. Odkryty w 1932 roku przez angielskiego fizyka J. Chadwicka. Wraz z protonami częścią są neutrony jądra atomowe. Ładunek elektryczny neutronu qn wynosi zero. Potwierdzają to bezpośrednie pomiary ładunku pochodzącego z odchylenia wiązki neutronów w sile pola elektryczne, co pokazało, że |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.

Neutrony są stabilne tylko w stabilnych jądrach atomowych. Wolny neutron to niestabilna cząstka, która rozpada się na proton (p), elektron (e-) i antyneutrino elektronowe. Czas życia neutronów wynosi (917?14) s, czyli około 15 minut. W materii neutrony występują w postaci wolnej jeszcze mniej ze względu na ich silną absorpcję przez jądra. Dlatego występują w przyrodzie lub powstają w laboratorium jedynie w wyniku reakcji jądrowych.

Na podstawie bilansów energetycznych różnych reakcji jądrowych wyznaczono różnicę mas neutronu i protonu: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Porównując ją z masą protonu otrzymujemy masę neutronu: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; odpowiada to mn ~ 1,6–10–24 Neutron uczestniczy we wszystkich typach oddziaływań podstawowych. Oddziaływania silne wiążą neutrony i protony w jądrach atomowych. Przykładem słabego oddziaływania jest rozpad beta neutronu.

Czy ta cząstka neutralna uczestniczy w oddziaływaniach elektromagnetycznych? Neutron ma strukturę wewnętrzną i przy ogólnej neutralności występują w nim prądy elektryczne, co w szczególności prowadzi do pojawienia się momentu magnetycznego w neutronie. Innymi słowy, w polu magnetycznym neutron zachowuje się jak igła kompasu. To tylko jeden przykład jego interakcji elektromagnetycznej. Dużym zainteresowaniem cieszyły się poszukiwania elektrycznego momentu dipolowego neutronu, dla którego uzyskano górną granicę. Tutaj najskuteczniejsze eksperymenty przeprowadzili naukowcy z Leningradzkiego Instytutu Fizyki Jądrowej Akademii Nauk ZSRR; Poszukiwanie momentu dipolowego neutronów jest ważne dla zrozumienia mechanizmów naruszania niezmienności pod wpływem odwrócenia czasu w mikroprocesach.

Oddziaływania grawitacyjne neutronów obserwowano bezpośrednio z ich padania w polu grawitacyjnym Ziemi.

Obecnie przyjmuje się konwencjonalną klasyfikację neutronów według ich energii kinetycznej:

powolne neutrony (<105эВ, есть много их разновидностей),

neutrony szybkie (105?108eV), wysokoenergetyczne (>108eV).

Bardzo wolne neutrony (10-7 eV), zwane ultrazimnymi neutronami, mają bardzo interesujące właściwości. Okazało się, że ultrazimne neutrony można gromadzić w „pułapkach magnetycznych”, a tam nawet ich spiny mogą być zorientowane w określonym kierunku. Wykorzystując pola magnetyczne o specjalnej konfiguracji, ultrazimne neutrony są izolowane od ścian absorbujących i mogą „żyć” w pułapce, dopóki nie ulegną rozkładowi. Pozwala to na wiele subtelnych eksperymentów w celu zbadania właściwości neutronów. Inna metoda przechowywania ultrazimnych neutronów opiera się na ich właściwościach falowych. Takie neutrony można po prostu przechowywać w zamkniętym „słoiku”. Ideę tę wyraził radziecki fizyk Ja B. Zeldowicz pod koniec lat 50. XX w., a pierwsze wyniki uzyskano w Dubnej, w Instytucie Badań Jądrowych, niemal dekadę później.

Niedawno naukowcom udało się zbudować naczynie, w którym ultrazimne neutrony żyją aż do naturalnego rozpadu.

Wolne neutrony są w stanie aktywnie oddziaływać z jądrami atomowymi, powodując reakcje jądrowe. W wyniku oddziaływania powolnych neutronów z materią można zaobserwować efekty rezonansowe, rozpraszanie dyfrakcyjne w kryształach itp. Ze względu na te właściwości neutrony są szeroko stosowane w fizyce jądrowej i fizyce ciała stałego. Odgrywają ważną rolę w energetyce jądrowej, przy produkcji pierwiastków transuranowych i izotopów promieniotwórczych, znajdują także praktyczne zastosowanie w analizie chemicznej i badaniach geologicznych.

Atomy to najmniejsze cząstki materii.
Jeśli powiększysz jabłko średniej wielkości do wielkości Ziemi, atomy będą wielkości tylko jabłka. Pomimo tak małych wymiarów atom składa się z jeszcze mniejszych cząstek fizycznych.
Budowę atomu powinieneś znać już ze szkolnych zajęć z fizyki. A jednak przypomnijmy, że atom zawiera jądro i elektrony, które krążą wokół jądra tak szybko, że stają się nie do odróżnienia - tworzą „chmurę elektronów”, czyli powłokę elektronową atomu.

Elektrony zwykle oznaczane w następujący sposób: mi − . Elektrony mi− bardzo lekkie, prawie nieważkie, ale jednak są negatywnyładunek elektryczny. Jest równy -1. Prąd elektryczny, którego wszyscy używamy, to strumień elektronów płynących w drutach.

Jądro atomowe, w którym skoncentrowana jest prawie cała jego masa, składa się z cząstek dwóch typów - neutronów i protonów.

Neutrony oznaczone w następujący sposób: N 0 , A protony Więc: P + .
Pod względem masy neutrony i protony są prawie takie same - 1,675 10–24 g i 1,673 10–24 g.
To prawda, że ​​\u200b\u200bliczenie masy takich małych cząstek w gramach jest bardzo niewygodne, dlatego wyraża się je w jednostki węglowe, z których każdy jest równy 1,673 · 10 −24 g.
Za każdą cząstkę otrzymujemy względna masa atomowa równy ilorazowi masy atomu (w gramach) podzielonej przez masę jednostki węgla. Względne masy atomowe protonu i neutronu są równe 1, ale ładunek protonów jest dodatni i równy +1, podczas gdy neutrony nie mają ładunku.

. Zagadki o atomie

Atom można złożyć „w umyśle” z cząstek, tak jak zabawkę czy samochód z części dziecięcego zestawu konstrukcyjnego. Konieczne jest jedynie przestrzeganie dwóch ważnych warunków.

• Pierwszy warunek: każdy typ atomu ma swój własny własny zestaw"Detale" - cząstki elementarne. Na przykład atom wodoru na pewno będzie miał jądro o ładunku dodatnim +1, co oznacza, że ​​z pewnością musi mieć jeden proton (i nie więcej).
  Atom wodoru może również zawierać neutrony. Więcej na ten temat w następnym akapicie.
  Atom tlenu (liczba atomowa w układzie okresowym wynosi 8) będzie miał jądro naładowane osiemładunki dodatnie (+8), co oznacza, że ​​jest osiem protonów. Ponieważ masa atomu tlenu wynosi 16 jednostek względnych, aby otrzymać jądro tlenu, dodajemy kolejne 8 neutronów.
• Drugi warunek jest to, że każdy atom powinien być elektrycznie neutralny. Aby to zrobić, musi mieć wystarczającą liczbę elektronów, aby zrównoważyć ładunek jądra. Innymi słowy, liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w swoim rdzeniu, jak również numer seryjny tego pierwiastka w układzie okresowym.

Jak już wspomniano, atom składa się z trzech rodzajów cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Jądro atomowe jest centralną częścią atomu, składającą się z protonów i neutronów. Protony i neutrony mają wspólną nazwę nukleon; mogą one przekształcać się w siebie w jądrze. Jądro najprostszego atomu - atomu wodoru - składa się z jednej cząstki elementarnej - protonu.

Średnica jądra atomu wynosi około 10-13 - 10-12 cm i stanowi 0,0001 średnicy atomu. Jednak prawie cała masa atomu (99,95-99,98%) jest skoncentrowana w jądrze. Gdyby można było otrzymać 1 cm3 czystej materii jądrowej, jej masa wynosiłaby 100-200 milionów ton. Masa jądra atomu jest kilka tysięcy razy większa niż masa wszystkich elektronów tworzących atom.

Proton- cząstka elementarna, jądro atomu wodoru. Masa protonu wynosi 1,6721 x 10–27 kg, co stanowi 1836 mas elektronu. Ładunek elektryczny jest dodatni i równy 1,66 x 10-19 C. Kulomb to jednostka ładunku elektrycznego równa ilości prądu przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika w czasie 1 s przy stałym prądzie o natężeniu 1 A (ampera).

Każdy atom dowolnego pierwiastka zawiera pewną liczbę protonów w jądrze. Liczba ta jest stała dla danego pierwiastka i określa jego właściwości fizykochemiczne. Oznacza to, że liczba protonów określa, z jakim pierwiastkiem chemicznym mamy do czynienia. Na przykład, jeśli w jądrze znajduje się jeden proton, jest to wodór, jeśli jest 26 protonów, jest to żelazo. Liczba protonów w jądrze atomowym określa ładunek jądra (liczba ładunku Z) i liczbę atomową pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków D.I. Mendelejew (liczba atomowa pierwiastka).

Neutron- cząstka obojętna elektrycznie o masie 1,6749 x 10-27 kg, czyli 1839 razy większa od masy elektronu. Neuron w stanie wolnym jest cząstką niestabilną, samodzielnie zamienia się w proton wraz z emisją elektronu i antyneutrina. Okres półtrwania neutronów (czas, w którym rozpada się połowa pierwotnej liczby neutronów) wynosi około 12 minut. Jednak w stanie związanym wewnątrz stabilnych jąder atomowych jest stabilny. Całkowita liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze nazywana jest liczbą masową (masa atomowa - A). Liczba neutronów zawartych w jądrze jest równa różnicy między liczbą masy i ładunku: N = A - Z.

Elektron- cząstka elementarna, nośnik o najmniejszej masie - 0,91095x10-27 g i najmniejszym ładunku elektrycznym - 1,6021x10-19 C. Jest to cząstka naładowana ujemnie. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jądrze, tj. atom jest elektrycznie obojętny.

Pozyton- cząstka elementarna o dodatnim ładunku elektrycznym, antycząstka w stosunku do elektronu. Masy elektronu i pozytonu są równe, a ładunki elektryczne są równe w wartości bezwzględnej, ale mają przeciwny znak.

Różne typy jąder nazywane są nuklidami. Nuklid to rodzaj atomu o określonej liczbie protonów i neutronów. W przyrodzie występują atomy tego samego pierwiastka o różnych masach atomowych (liczbach masowych):
, Cl itp. Jądra tych atomów zawierają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Nazywa się odmiany atomów tego samego pierwiastka, które mają ten sam ładunek jądrowy, ale różne liczby masowe izotopy . Mając tę ​​samą liczbę protonów, ale różniąc się liczbą neutronów, izotopy mają tę samą strukturę powłok elektronowych, tj. bardzo podobne właściwości chemiczne i zajmują to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków chemicznych.

Oznaczone są symbolem odpowiedniego pierwiastka chemicznego z indeksem A umieszczonym w lewym górnym rogu – w lewym dolnym rogu podana jest także liczba masowa, czasami liczba protonów (Z). Na przykład radioaktywne izotopy fosforu są oznaczone odpowiednio jako 32P, 33P lub P i P. Przy oznaczaniu izotopu bez wskazania symbolu pierwiastka liczbę masową podaje się po oznaczeniu pierwiastka, na przykład fosfor - 32, fosfor - 33.

Większość pierwiastków chemicznych ma kilka izotopów. Oprócz izotopu wodoru znany jest 1H-prot, ciężki wodór 2H-deuter i superciężki wodór 3H-tryt. Uran ma 11 izotopów, w związkach naturalnych są ich trzy (uran 238, uran 235, uran 233). Mają odpowiednio 92 protony oraz 146 143 i 141 neutronów.

Obecnie znanych jest ponad 1900 izotopów 108 pierwiastków chemicznych. Spośród nich do izotopów naturalnych zaliczają się wszystkie izotopy stabilne (około 280 z nich) i naturalne izotopy należące do rodzin radioaktywnych (46 z nich). Pozostałe są klasyfikowane jako sztuczne, otrzymywane są sztucznie w wyniku różnych reakcji jądrowych.

Terminu „izotopy” należy używać tylko wtedy, gdy mówimy o atomach tego samego pierwiastka, na przykład węgla 12C i 14C. Jeśli mamy na myśli atomy różnych pierwiastków chemicznych, zaleca się stosowanie terminu „nuklidy”, na przykład radionuklidy 90Sr, 131J, 137Cs.

Porozmawiajmy o tym, jak znaleźć protony, neutrony i elektrony. W atomie występują trzy rodzaje cząstek elementarnych, każda z własnym ładunkiem elementarnym i masą.

Struktura rdzenia

Aby zrozumieć, jak znaleźć protony, neutrony i elektrony, wyobraź sobie, że jest to główna część atomu. Wewnątrz jądra znajdują się protony i neutrony zwane nukleonami. Wewnątrz jądra cząstki te mogą przekształcać się w siebie.

Na przykład, aby znaleźć protony, neutrony i elektrony w jednym, musisz znać jego numer seryjny. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że to właśnie ten pierwiastek stoi na czele układu okresowego, to w jego jądrze znajduje się jeden proton.

Średnica jądra atomowego stanowi dziesięciotysięczną całkowitą wielkość atomu. Zawiera większość całego atomu. Masa jądra jest tysiące razy większa niż suma wszystkich elektronów obecnych w atomie.

Charakterystyka cząstek

Przyjrzyjmy się, jak znaleźć protony, neutrony i elektrony w atomie i poznajmy ich cechy. Proton odpowiada jądru atomu wodoru. Jego masa przekracza elektron 1836 razy. Do określenia jednostki prądu przepływającego przez przewodnik o danym przekroju wykorzystuje się ładunek elektryczny.

Każdy atom ma w swoim jądrze określoną liczbę protonów. Jest to wartość stała, charakteryzująca właściwości chemiczne i fizyczne danego pierwiastka.

Jak znaleźć protony, neutrony i elektrony w atomie węgla? Liczba atomowa tego pierwiastka chemicznego wynosi 6, dlatego jądro zawiera sześć protonów. Według układu planetarnego sześć elektronów porusza się po orbitach wokół jądra. Aby określić liczbę neutronów od wartości węgla (12), odejmujemy liczbę protonów (6) i otrzymujemy sześć neutronów.

W przypadku atomu żelaza liczba protonów odpowiada 26, to znaczy pierwiastek ten ma 26. liczbę atomową w układzie okresowym.

Neutron jest cząstką elektrycznie obojętną, niestabilną w stanie wolnym. Neutron może spontanicznie przekształcić się w dodatnio naładowany proton, emitując antyneutrino i elektron. Jego średni okres półtrwania wynosi 12 minut. Liczba masowa to całkowita liczba protonów i neutronów wewnątrz jądra atomu. Spróbujmy dowiedzieć się, jak znaleźć protony, neutrony i elektrony w jonie? Jeśli atom podczas interakcji chemicznej z innym pierwiastkiem uzyska dodatni stopień utlenienia, wówczas liczba w nim protonów i neutronów nie zmienia się, tylko elektrony stają się mniejsze.

Wniosek

Było kilka teorii dotyczących budowy atomu, ale żadna z nich nie była realna. Przed wersją stworzoną przez Rutherforda nie było szczegółowego wyjaśnienia położenia protonów i neutronów wewnątrz jądra, a także rotacji elektronów po orbitach kołowych. Po pojawieniu się teorii planetarnej budowy atomu badacze mieli okazję nie tylko określić liczbę cząstek elementarnych w atomie, ale także przewidzieć właściwości fizyczne i chemiczne konkretnego pierwiastka chemicznego.

Wiele osób dobrze wie ze szkoły, że wszystkie substancje składają się z atomów. Atomy z kolei składają się z protonów i neutronów, które tworzą jądro atomów oraz elektronów znajdujących się w pewnej odległości od jądra. Wiele osób słyszało również, że światło składa się również z cząstek - fotonów. Jednak świat cząstek nie ogranicza się do tego. Do chwili obecnej znanych jest ponad 400 różnych cząstek elementarnych. Spróbujmy zrozumieć, czym różnią się od siebie cząstki elementarne.

Istnieje wiele parametrów, dzięki którym można odróżnić cząstki elementarne:

• Waga.
• Ładunek elektryczny.
• Dożywotni. Prawie wszystkie cząstki elementarne mają skończony czas życia, po którym ulegają rozpadowi.
• Kręcić się. Można to uznać w przybliżeniu za moment obrotowy.

Jeszcze kilka parametrów, czyli jak się je powszechnie nazywa w nauce liczb kwantowych. Parametry te nie zawsze mają jasne znaczenie fizyczne, ale są potrzebne do odróżnienia jednych cząstek od innych. Wszystkie te dodatkowe parametry są wprowadzane jako pewne wielkości, które są zachowywane w interakcji.

Prawie wszystkie cząstki mają masę, z wyjątkiem fotonów i neutrin (według najnowszych danych neutrina mają masę, ale na tyle małą, że często uważa się ją za zero). Bez masy cząstki mogą istnieć jedynie w ruchu. Wszystkie cząstki mają różną masę. Elektron ma najmniejszą masę, nie licząc neutrina. Cząstki zwane mezonami mają masę 300-400 razy większą od masy elektronu, proton i neutron są prawie 2000 razy cięższe od elektronu. Obecnie odkryto cząstki prawie 100 razy cięższe od protonu. Masa (lub jej odpowiednik energetyczny zgodnie ze wzorem Einsteina:

jest zachowana we wszystkich oddziaływaniach cząstek elementarnych.

Nie wszystkie cząstki mają ładunek elektryczny, co oznacza, że ​​nie wszystkie cząstki są zdolne do uczestniczenia w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Wszystkie swobodnie istniejące cząstki mają ładunek elektryczny będący wielokrotnością ładunku elektronu. Oprócz cząstek swobodnie istniejących istnieją również cząstki, które są tylko w stanie związanym, o nich porozmawiamy nieco później.

Spin, podobnie jak inne liczby kwantowe, jest inny dla różnych cząstek i charakteryzuje ich niepowtarzalność. Niektóre liczby kwantowe są zachowane w niektórych interakcjach, inne w innych. Wszystkie te liczby kwantowe określają, które cząstki oddziałują z którymi i w jaki sposób.

Żywotność jest również bardzo ważną cechą cząstki i rozważymy ją bardziej szczegółowo. Zacznijmy od notatki. Jak powiedzieliśmy na początku artykułu, wszystko, co nas otacza, składa się z atomów (elektronów, protonów i neutronów) oraz światła (fotonów). A gdzie w takim razie są setki różnych typów cząstek elementarnych? Odpowiedź jest prosta – wszędzie wokół nas, a my tego nie zauważamy z dwóch powodów.

Pierwsza z nich polega na tym, że prawie wszystkie inne cząstki żyją bardzo krótko, około 10 do minus 10 potęgi sekundy lub mniej i dlatego nie tworzą takich struktur jak atomy, sieci krystaliczne itp. Drugi powód dotyczy neutrin, które choć cząstki te nie ulegają rozpadowi, podlegają jedynie oddziaływaniom słabym i grawitacyjnym. Oznacza to, że cząstki te oddziałują na siebie tak słabo, że są prawie niemożliwe do wykrycia.

Wyobraźmy sobie, jak dobrze cząstka oddziałuje. Na przykład przepływ elektronów można zatrzymać za pomocą dość cienkiej blachy stalowej, rzędu kilku milimetrów. Stanie się tak, ponieważ elektrony natychmiast zaczną oddziaływać z cząsteczkami blachy stalowej, gwałtownie zmienią swój kierunek, wyemitują fotony, a co za tym idzie, dość szybko stracą energię. Inaczej jest w przypadku przepływu neutrin, mogą one przechodzić przez Ziemię niemal bez interakcji. Dlatego bardzo trudno jest je wykryć.

Zatem większość cząstek żyje bardzo krótko, po czym ulega rozpadowi. Rozpady cząstek są najczęstszymi reakcjami. W wyniku rozpadu jedna cząstka rozpada się na kilka innych o mniejszej masie, a te z kolei ulegają dalszemu rozpadowi. Wszystkie rozpady podlegają pewnym zasadom - prawom zachowania. Na przykład w wyniku rozpadu musi zostać zachowany ładunek elektryczny, masa, spin i szereg innych liczb kwantowych. Niektóre liczby kwantowe mogą zmieniać się podczas rozpadu, ale również podlegają pewnym zasadom. To reguły rozpadu mówią nam, że elektron i proton są cząstkami stabilnymi. Nie mogą już ulegać rozkładowi zgodnie z zasadami rozkładu i dlatego to oni kończą łańcuchy rozkładu.

Tutaj chciałbym powiedzieć kilka słów o neutronie. Swobodny neutron również rozpada się na proton i elektron w ciągu około 15 minut. Nie dzieje się tak jednak, gdy neutron znajduje się w jądrze atomowym. Fakt ten można tłumaczyć na różne sposoby. Na przykład, gdy w jądrze atomu pojawi się elektron i dodatkowy proton z rozpadającego się neutronu, natychmiast następuje reakcja odwrotna - jeden z protonów pochłania elektron i zamienia się w neutron. Ten obraz nazywa się równowagą dynamiczną. Zaobserwowano ją we wszechświecie na wczesnym etapie jego rozwoju, wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Oprócz reakcji rozpadu istnieją również reakcje rozpraszania - gdy dwie lub więcej cząstek oddziałują jednocześnie, w wyniku czego powstaje jedna lub więcej innych cząstek. Istnieją również reakcje absorpcji, gdy dwie lub więcej cząstek wytwarza jedną. Wszystkie reakcje zachodzą w wyniku silnych oddziaływań słabych lub elektromagnetycznych. Reakcje spowodowane silnym oddziaływaniem są najszybsze, czas takiej reakcji może sięgać 10 minus 20 sekund. Szybkość reakcji zachodzących na skutek oddziaływania elektromagnetycznego jest mniejsza, tutaj czas może wynosić około 10 minus 8 sekund. W przypadku słabych reakcji interakcji czas może sięgać kilkudziesięciu sekund, a czasami lat.

Na koniec opowieści o cząstkach porozmawiajmy o kwarkach. Kwarki to cząstki elementarne, które mają ładunek elektryczny będący wielokrotnością jednej trzeciej ładunku elektronu i które nie mogą istnieć w stanie swobodnym. Ich interakcja jest ułożona w taki sposób, że mogą żyć jedynie jako część czegoś. Na przykład połączenie trzech kwarków określonego typu tworzy proton. Inna kombinacja wytwarza neutron. W sumie znanych jest 6 kwarków. Ich różne kombinacje dają nam różne cząstki i choć nie wszystkie kombinacje kwarków są dozwolone przez prawa fizyczne, istnieje całkiem sporo cząstek zbudowanych z kwarków.

Tutaj może pojawić się pytanie: jak proton można nazwać elementarnym, jeśli składa się z kwarków? To bardzo proste - proton jest elementarny, ponieważ nie można go rozłożyć na części składowe - kwarki. Wszystkie cząstki biorące udział w oddziaływaniu silnym składają się z kwarków, a jednocześnie są elementarne.

Zrozumienie oddziaływań cząstek elementarnych jest bardzo ważne dla zrozumienia struktury wszechświata. Wszystko, co dzieje się z makrociałami, jest wynikiem interakcji cząstek. To interakcja cząstek opisuje wzrost drzew na Ziemi, reakcje we wnętrzach gwiazd, promieniowanie gwiazd neutronowych i wiele więcej.