Hangisi daha büyük: nötron mu, proton mu? Atomların yapısı - maddenin temel parçacıkları, elektronlar, protonlar, nötronlar

Proton, hidrojen atomunun çekirdeği olan hadron sınıfından kararlı bir parçacıktır.

Hangi olayın protonun keşfi olarak kabul edilmesi gerektiğini söylemek zor: sonuçta bir hidrojen iyonu olarak uzun zamandır biliniyordu. E. Rutherford (1911) tarafından atomun gezegensel modelinin oluşturulması, izotopların keşfi (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) ve hidrojen çekirdeklerinin çekirdeklerden çıkarılmasının gözlemlenmesi Alfa parçacıkları proton nitrojenin keşfinde rol oynamıştır (E. Rutherford, 1919). 1925'te P. Blackett, bir bulut odasındaki proton izlerinin ilk fotoğraflarını aldı (bkz. Nükleer Radyasyon Dedektörleri), bu da elementlerin yapay dönüşümünün keşfini doğruladı. Bu deneylerde β parçacığı, bir proton yayan ve bir oksijen izotopuna dönüşen bir nitrojen çekirdeği tarafından yakalandı.

Nötronlarla birlikte protonlar tüm atomların atom çekirdeğini oluşturur. kimyasal elementler ve çekirdekteki protonların sayısı belirli bir elementin atom numarasını belirler. Bir protonun temel yüke eşit pozitif bir elektrik yükü vardır; mutlak değer elektron yükü. Bu deneysel olarak 10-21 doğrulukla test edilmiştir. Proton kütlesi mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV veya ~ 1,6-10-24 g, yani bir proton bir elektrondan 1836 kat daha ağırdır! İLE modern nokta Bir perspektiften bakıldığında, proton gerçek bir temel parçacık değildir: elektrik yükü +2/3 (temel yük birimleri cinsinden) olan iki u-kuark ve -1/3 elektrik yükü olan bir d-kuarktan oluşur. Kuarklar, diğer varsayımsal parçacıkların (gluonlar, güçlü etkileşimler taşıyan alanın kuantumu) değişimiyle birbirine bağlanır. Protonlar üzerindeki elektron saçılma süreçlerinin dikkate alındığı deneylerden elde edilen veriler aslında protonların içinde nokta saçılma merkezlerinin varlığını göstermektedir. Bu deneyler bir bakıma Rutherford'un atom çekirdeğinin keşfine yol açan deneylerine çok benziyor. Bileşik bir parçacık olan protonun ~ 10-13 cm'lik sonlu bir boyutu vardır, ancak elbette katı bir top olarak temsil edilemez. Daha ziyade proton, yaratılmış ve yok edilmiş sanal parçacıklardan oluşan, bulanık sınırları olan bir buluta benzer. Proton, tüm hadronlar gibi, temel etkileşimlerin her birine katılır. Bu yüzden. Güçlü etkileşimler çekirdeklerdeki protonları ve nötronları bağlar, elektromanyetik etkileşimler ise atomlardaki protonları ve elektronları bağlar. Zayıf etkileşimlerin örnekleri, bir nötronun beta bozunması veya bir protonun, bir pozitron ve nötrino emisyonu ile bir nötrona intranükleer dönüşümüdür (serbest bir proton için böyle bir süreç, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası nedeniyle imkansızdır, nötronun kütlesi biraz daha büyük olduğu için). Proton spini 1/2'dir. Yarım tamsayı spinli hadronlara baryonlar denir. Yunan kelimesi, "ağır" anlamına gelir). Baryonlar proton, nötron, çeşitli hiperonlar (?, ?, ?, ?) ve çoğu henüz keşfedilmemiş yeni kuantum sayılarına sahip bir dizi parçacığı içerir. Baryonları karakterize etmek için tanıtıldı özel numara-- baryon yükü, baryonlar için 1'e, antibaryonlar için - 1 -- ve diğer tüm parçacıklar için O'ya eşittir. Baryon yükü, baryon alanının kaynağı değildir; yalnızca parçacıklarla reaksiyonlarda gözlemlenen modelleri tanımlamak için tanıtılmıştır. Bu modeller baryon yükünün korunumu kanunu şeklinde ifade edilir: sistemdeki baryon ve antibaryon sayısı arasındaki fark herhangi bir reaksiyonda korunur. Baryon yükünün korunumu, baryonların en hafifi olduğu için protonun bozunmasını imkansız hale getirir. Bu yasa doğası gereği ampiriktir ve elbette deneysel olarak test edilmelidir. Baryon yükünün korunumu yasasının doğruluğu, protonun kararlılığı ile karakterize edilir; ömrü için deneysel tahmin, 1032 yıldan az olmayan bir değer verir.

Aynı zamanda, her türlü temel etkileşimi birleştiren teoriler, baryon yükünün bozulmasına ve protonun bozunmasına yol açan süreçleri öngörür. Bu tür teorilerde protonun ömrü pek kesin olarak belirtilmemiştir: yaklaşık 1032 ± 2 yıl. Bu süre çok büyük, Evrenin varlığından kat kat daha uzun (~ 2*1010 yıl). Bu nedenle protonun pratik olarak kararlı olması, kimyasal elementlerin oluşumunu ve sonuçta akıllı yaşamın ortaya çıkmasını mümkün kıldı. Bununla birlikte, proton bozunumu arayışı artık şu yollardan birini temsil ediyor: en önemli görevler deneysel fizik. 100 m3 su hacminde (1 m3 ~ 1030 proton içerir) ~ 1032 yıllık proton ömrü ile yılda bir proton bozunması beklenmelidir. Geriye sadece bu çürümeyi kaydetmek kalıyor. Proton bozunmasının keşfi, doğadaki güçlerin birliğinin doğru anlaşılmasına yönelik önemli bir adım olacaktır.

Nötron, hadron sınıfına ait nötr bir parçacıktır. 1932'de İngiliz fizikçi J. Chadwick tarafından keşfedildi. Protonlarla birlikte nötronlar da bir parçasıdır atom çekirdeği. Elektrik şarjı nötron qn sıfıra eşittir. Bu, |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.

Nötronlar yalnızca kararlı atom çekirdeklerinde kararlıdır. Serbest bir nötron, bir proton (p), elektron (e-) ve elektron antinötrinoya bozunan kararsız bir parçacıktır. Nötronun ömrü (917?14) saniyedir, yani yaklaşık 15 dakikadır. Maddede nötronlar, çekirdekler tarafından güçlü bir şekilde emilmeleri nedeniyle serbest formda daha da az bulunur. Bu nedenle doğada bulunurlar veya laboratuvarda ancak nükleer reaksiyonlar sonucu üretilirler.

Çeşitli nükleer reaksiyonların enerji dengesine dayanarak nötron ve proton kütleleri arasındaki fark belirlendi: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Bunu proton kütlesiyle karşılaştırarak nötron kütlesini elde ederiz: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; bu mn ~ 1.6-10-24'e karşılık gelir. Nötron her türlü temel etkileşime katılır. Güçlü etkileşimler atom çekirdeğindeki nötronları ve protonları bağlar. Zayıf etkileşime bir örnek, bir nötronun beta bozunmasıdır.

Bu nötr parçacık elektromanyetik etkileşimlere katılıyor mu? Nötron bir iç yapıya sahiptir ve genel nötrlükle birlikte, içinde özellikle nötronda manyetik bir momentin ortaya çıkmasına yol açan elektrik akımları vardır. Başka bir deyişle, manyetik alanda nötron pusula iğnesi gibi davranır. Bu onun elektromanyetik etkileşiminin sadece bir örneğidir. Üst sınırı elde edilen nötronun elektrik dipol momentinin araştırılması büyük ilgi gördü. Burada en etkili deneyler SSCB Bilimler Akademisi Leningrad Nükleer Fizik Enstitüsü'nden bilim adamları tarafından gerçekleştirildi; Nötron dipol momentinin araştırılması, mikro işlemlerde zamanın tersine çevrilmesi durumunda değişmezliğin ihlali mekanizmalarının anlaşılması açısından önemlidir.

Nötronların yerçekimsel etkileşimleri doğrudan Dünya'nın yerçekimsel alanındaki oluşumlarından gözlemlendi.

Artık nötronların kinetik enerjilerine göre geleneksel bir sınıflandırması benimsenmiştir:

yavaş nötronlar (<105эВ, есть много их разновидностей),

hızlı nötronlar (105?108eV), yüksek enerji (> 108eV).

Ultrasoğuk nötronlar olarak adlandırılan çok yavaş nötronlar (10-7 eV) oldukça ilginç özelliklere sahiptir. Ultra soğuk nötronların "manyetik tuzaklarda" birikebileceği ve dönüşlerinin burada belirli bir yöne yönlendirilebileceği ortaya çıktı. Özel bir konfigürasyondaki manyetik alanlar kullanılarak, ultra soğuk nötronlar emici duvarlardan izole edilir ve bozunana kadar tuzakta "yaşayabilir". Bu, nötronların özelliklerini incelemek için birçok incelikli deneyin yapılmasına olanak tanır. Ultra soğuk nötronları depolamanın bir başka yöntemi, onların dalga özelliklerine dayanmaktadır. Bu tür nötronlar basitçe kapalı bir "kavanozda" saklanabilir. Bu fikir 1950'lerin sonlarında Sovyet fizikçi Ya. B. Zeldovich tarafından dile getirildi ve ilk sonuçlar neredeyse on yıl sonra Dubna'daki Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde elde edildi.

Son zamanlarda bilim adamları, ultra soğuk nötronların doğal bozunmalarına kadar yaşadığı bir kap inşa etmeyi başardılar.

Serbest nötronlar atom çekirdekleriyle aktif olarak etkileşime girerek nükleer reaksiyonlara neden olabilir. Yavaş nötronların madde ile etkileşimi sonucunda rezonans etkileri, kristallerde kırınım saçılması vb. gözlemlenebilir. Bu özelliklerinden dolayı nötronlar nükleer fizikte ve katı hal fiziğinde yaygın olarak kullanılır. Nükleer enerjide, uranyum ötesi elementlerin ve radyoaktif izotopların üretiminde önemli bir rol oynarlar ve kimyasal analiz ve jeolojik keşiflerde pratik uygulama bulurlar.

Atomlar maddenin en küçük parçacıklarıdır.
Ortalama büyüklükteki bir elmayı Dünya boyutuna büyütürseniz atomlar yalnızca elma boyutuna gelecektir. Bu kadar küçük boyutlara rağmen atom daha da küçük fiziksel parçacıklardan oluşur.
Atomun yapısına okulunuzun fizik dersinden zaten aşina olmalısınız. Yine de, atomun bir çekirdek ve çekirdeğin etrafında o kadar hızlı dönen, ayırt edilemez hale gelen elektronlar içerdiğini hatırlayalım - bunlar bir "elektron bulutu" veya atomun elektron kabuğunu oluşturur.

Elektronlar genellikle şu şekilde gösterilir: e − . Elektronlar e− çok hafif, neredeyse ağırlıksız, ancak olumsuz elektrik şarjı. -1'e eşittir. Hepimizin kullandığı elektrik akımı, tellerde dolaşan bir elektron akışıdır.

Atom çekirdeği kütlesinin neredeyse tamamının yoğunlaştığı iki tür parçacıktan oluşur - nötronlar ve protonlar.

Nötronlarşu şekilde ifade edilir: N 0 , A protonlar Bu yüzden: P + .
Kütle açısından nötronlar ve protonlar hemen hemen aynıdır - 1,675 · 10−24 g ve 1,673 · 10−24 g.
Doğru, bu kadar küçük parçacıkların kütlesini gram cinsinden saymak çok sakıncalıdır, bu nedenle cinsinden ifade edilir. karbon birimleri, her biri 1,673 10 −24 g'ye eşittir.
Elde ettiğimiz her parçacık için Göreceli atomik kütle, bir atomun kütlesinin (gram cinsinden) bir karbon biriminin kütlesine bölümüne eşittir. Bir proton ve bir nötronun bağıl atom kütleleri 1'e eşittir, ancak protonların yükü pozitiftir ve +1'e eşittir, nötronların ise yükü yoktur.

. Atomla ilgili bilmeceler

Bir atom, tıpkı bir oyuncak ya da bir arabanın çocuklara yönelik bir inşaat setinin parçalarından oluşması gibi, parçacıklardan "zihinde" bir araya getirilebilir. Sadece iki önemli koşulu gözlemlemek gerekir.

• İlk koşul: Her atom türünün kendine ait bir yapısı vardır. kendi seti"detaylar" - temel parçacıklar. Örneğin, bir hidrojen atomu kesinlikle +1 pozitif yüklü bir çekirdeğe sahip olacaktır, bu da kesinlikle bir protona sahip olması gerektiği (ve daha fazlası olmaması gerektiği) anlamına gelir.
  Bir hidrojen atomu ayrıca nötronlar da içerebilir. Bir sonraki paragrafta bu konuda daha fazla bilgi vereceğiz.
  Oksijen atomunun (Periyodik Tablodaki atom numarası 8'dir) yüklü bir çekirdeği olacaktır. sekiz pozitif yükler (+8), yani sekiz proton var. Bir oksijen atomunun kütlesi 16 bağıl birim olduğundan, bir oksijen çekirdeği elde etmek için 8 nötron daha ekliyoruz.
• İkinci koşul her atomun olması gerektiğidir elektriksel olarak nötr. Bunu yapabilmek için çekirdeğin yükünü dengelemeye yetecek kadar elektrona sahip olması gerekir. Başka bir deyişle, Atomdaki elektron sayısı proton sayısına eşittirözünde ve aynı zamanda Periyodik Tablodaki bu elementin seri numarası.

Daha önce de belirtildiği gibi, bir atom üç tür temel parçacıktan oluşur: protonlar, nötronlar ve elektronlar. Atom çekirdeği, protonlardan ve nötronlardan oluşan bir atomun merkezi kısmıdır. Proton ve nötronların ortak adı nükleondur; çekirdekte birbirlerine dönüşebilirler. En basit atomun (hidrojen atomu) çekirdeği tek bir temel parçacıktan (proton) oluşur.

Bir atomun çekirdeğinin çapı yaklaşık olarak 10-13 - 10-12 cm olup, atom çapının 0,0001'i kadardır. Ancak atomun kütlesinin neredeyse tamamı (%99,95-99,98) çekirdekte yoğunlaşmıştır. 1 cm3 saf nükleer madde elde edilebilseydi kütlesi 100-200 milyon ton olurdu. Bir atomun çekirdeğinin kütlesi, atomu oluşturan tüm elektronların kütlesinden birkaç bin kat daha fazladır.

Proton- temel bir parçacık, bir hidrojen atomunun çekirdeği. Protonun kütlesi 1,6721x10-27 kg olup, elektronun kütlesinin 1836 katıdır. Elektrik yükü pozitiftir ve 1,66 x 10-19 C'ye eşittir. Coulomb, 1A (amper) sabit akımda 1 saniye içinde bir iletkenin kesitinden geçen elektrik miktarına eşit bir elektrik yükü birimidir.

Herhangi bir elementin her atomu, çekirdekte belirli sayıda proton içerir. Bu sayı belirli bir element için sabittir ve onun fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirler. Yani proton sayısı hangi kimyasal elementle karşı karşıya olduğumuzu belirler. Örneğin çekirdekte bir proton varsa hidrojen, 26 proton varsa demirdir. Atom çekirdeğindeki proton sayısı, çekirdeğin yükünü (yük numarası Z) ve D.I. elementlerin periyodik tablosundaki elementin atom numarasını belirler. Mendeleev (elementin atom numarası).

Nötron- kütlesi 1,6749 x 10-27 kg olan, elektronun kütlesinin 1839 katı olan elektriksel açıdan nötr bir parçacık. Serbest durumdaki bir nöron kararsız bir parçacıktır; bir elektron ve bir antinötrinonun emisyonu ile bağımsız olarak bir protona dönüşür. Nötronların yarı ömrü (nötronların orijinal sayısının yarısının bozunduğu süre) yaklaşık 12 dakikadır. Bununla birlikte, kararlı atom çekirdekleri içindeki bağlı durumda kararlıdır. Çekirdekteki nükleonların (proton ve nötronların) toplam sayısına kütle numarası (atom kütlesi - A) denir. Çekirdeğin içerdiği nötronların sayısı kütle ve yük sayıları arasındaki farka eşittir: N = A - Z.

Elektron- temel bir parçacık, en küçük kütlenin taşıyıcısı - 0,91095x10-27 g ve en küçük elektrik yükü - 1,6021x10-19 C. Bu negatif yüklü bir parçacıktır. Bir atomdaki elektron sayısı çekirdekteki proton sayısına eşittir, yani. atom elektriksel olarak nötrdür.

Pozitron- pozitif elektrik yüküne sahip temel bir parçacık, elektrona göre bir antipartikül. Elektronun ve pozitronun kütlesi eşittir ve elektrik yükleri mutlak değerde eşit, ancak işaret bakımından zıttır.

Farklı çekirdek türlerine nüklidler denir. Nüklit, belirli sayıda proton ve nötron içeren bir atom türüdür. Doğada aynı elementin farklı atom kütlelerine (kütle numaraları) sahip atomları vardır:
, Cl, vb. Bu atomların çekirdekleri aynı sayıda proton, ancak farklı sayıda nötron içerir. Aynı elementin çekirdek yükü aynı fakat kütle numaraları farklı olan atomlarına ne ad verilir? izotoplar . Aynı sayıda protona sahip ancak nötron sayısı farklı olan izotoplar, aynı elektron kabuk yapısına sahiptir; çok benzer kimyasal özelliklere sahiptir ve kimyasal elementlerin periyodik tablosunda aynı yeri kaplar.

Sol üstte A indeksi bulunan karşılık gelen kimyasal elementin sembolü ile gösterilirler - kütle numarası, bazen proton sayısı (Z) sol altta da verilir. Örneğin fosforun radyoaktif izotopları sırasıyla 32P, 33P veya P ve P olarak adlandırılır. Element sembolü belirtilmeden bir izotop belirtilirken, element tanımından sonra kütle numarası verilir, örneğin fosfor - 32, fosfor - 33.

Çoğu kimyasal elementin birkaç izotopu vardır. Hidrojen izotopu 1H-protyumun yanı sıra, ağır hidrojen 2H-döteryum ve süper ağır hidrojen 3H-trityum da bilinmektedir. Uranyumun 11 izotopu vardır; doğal bileşiklerde üç tane vardır (uranyum 238, uranyum 235, uranyum 233). Sırasıyla 92 proton ve 146,143 ve 141 nötronları var.

Şu anda 108 kimyasal elementin 1900'den fazla izotopu bilinmektedir. Bunlardan doğal izotoplar, tüm kararlı (yaklaşık 280 tanesi) ve radyoaktif ailelerin parçası olan doğal izotopları (46 tanesi) içerir. Geri kalanı yapay olarak sınıflandırılır, çeşitli nükleer reaksiyonlar sonucunda yapay olarak elde edilir.

"İzotoplar" terimi yalnızca aynı elementin atomlarından, örneğin karbon 12C ve 14C'den bahsederken kullanılmalıdır. Farklı kimyasal elementlerin atomları kastediliyorsa, "nüklidler" teriminin kullanılması tavsiye edilir, örneğin radyonüklidler 90Sr, 131J, 137Cs.

Protonları, nötronları ve elektronları nasıl bulacağımızdan bahsedelim. Bir atomda her birinin kendi temel yükü ve kütlesi olan üç tür temel parçacık vardır.

Çekirdek yapı

Protonların, nötronların ve elektronların nasıl bulunacağını anlamak için, bunun atomun ana parçası olduğunu hayal edin. Çekirdeğin içinde nükleon adı verilen proton ve nötronlar bulunur. Çekirdeğin içinde bu parçacıklar birbirine dönüşebilir.

Örneğin protonları, nötronları ve elektronları bir arada bulmak için seri numarasını bilmeniz gerekir. Periyodik tablonun başında bu elementin olduğunu dikkate alırsak, çekirdeğinde bir proton bulunur.

Atom çekirdeğinin çapı, atomun toplam boyutunun on binde biri kadardır. Tüm atomun büyük kısmını içerir. Çekirdeğin kütlesi, atomda bulunan tüm elektronların toplamından binlerce kat daha fazladır.

Parçacık özellikleri

Gelin bir atomdaki proton, nötron ve elektronları nasıl bulacağımıza bakalım ve özelliklerini öğrenelim. Proton, hidrojen atomunun çekirdeğine karşılık gelen şeydir. Kütlesi elektronu 1836 kat aşıyor. Belirli bir kesite sahip bir iletkenden geçen elektriğin birimini belirlemek için elektrik yükü kullanılır.

Her atomun çekirdeğinde belirli sayıda proton bulunur. Sabit bir değerdir ve belirli bir elementin kimyasal ve fiziksel özelliklerini karakterize eder.

Karbon atomunda proton, nötron ve elektron nasıl bulunur? Bu kimyasal elementin atom numarası 6'dır, dolayısıyla çekirdeğinde altı proton bulunur. Gezegen sistemine göre altı elektron çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde hareket eder. Nötron sayısını karbon değerinden (12) belirlemek için proton sayısını (6) çıkarın, altı nötron elde ederiz.

Bir demir atomu için proton sayısı 26'ya karşılık gelir, yani bu element periyodik tabloda 26. atom numarasına sahiptir.

Nötron, serbest durumda kararsız, elektriksel olarak nötr bir parçacıktır. Bir nötron kendiliğinden bir antinötrino ve bir elektron yayan pozitif yüklü bir protona dönüşebilir. Ortalama yarı ömrü 12 dakikadır. Kütle numarası, bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötronların toplam sayısıdır. Bir iyonda protonları, nötronları ve elektronları nasıl bulacağımızı bulmaya çalışalım mı? Bir atom, başka bir elementle kimyasal etkileşim sırasında pozitif bir oksidasyon durumu kazanırsa, içindeki proton ve nötron sayısı değişmez, yalnızca elektronlar azalır.

Çözüm

Atomun yapısıyla ilgili çeşitli teoriler vardı ama hiçbiri geçerli değildi. Rutherford tarafından oluşturulan versiyondan önce, protonların ve nötronların çekirdeğin içindeki konumu ve elektronların dairesel yörüngelerdeki dönüşü hakkında ayrıntılı bir açıklama yoktu. Atomun gezegensel yapısı teorisinin ortaya çıkmasından sonra araştırmacılar, yalnızca atomdaki temel parçacıkların sayısını belirlemekle kalmayıp, aynı zamanda belirli bir kimyasal elementin fiziksel ve kimyasal özelliklerini de tahmin etme fırsatına sahip oldu.

Bütün maddelerin atomlardan oluştuğunu pek çok kişi okuldan iyi biliyor. Atomlar ise atomların çekirdeğini oluşturan protonlardan ve nötronlardan ve çekirdekten belli bir mesafede bulunan elektronlardan oluşur. Birçoğu ışığın aynı zamanda parçacıklardan, yani fotonlardan da oluştuğunu duymuştur. Ancak parçacıkların dünyası bununla sınırlı değildir. Bugüne kadar 400'den fazla farklı temel parçacık bilinmektedir. Temel parçacıkların birbirinden nasıl farklı olduğunu anlamaya çalışalım.

Temel parçacıkların birbirinden ayırt edilmesini sağlayan birçok parametre vardır:

• Ağırlık.
• Elektrik şarjı.
• Ömür. Neredeyse tüm temel parçacıkların sınırlı bir ömrü vardır ve bu süre sonunda bozunurlar.
• Döndürmek. Yaklaşık olarak bir dönme momenti olarak düşünülebilir.

Birkaç parametre daha veya kuantum sayıları biliminde yaygın olarak adlandırıldığı gibi. Bu parametrelerin her zaman açık bir fiziksel anlamı yoktur ancak bazı parçacıkları diğerlerinden ayırmak için bunlara ihtiyaç vardır. Tüm bu ek parametreler, etkileşimde korunan bazı miktarlar olarak tanıtılır.

Fotonlar ve nötrinolar dışında hemen hemen tüm parçacıkların kütlesi vardır (en son verilere göre, nötrinoların kütlesi vardır, ancak o kadar küçüktür ki genellikle sıfır olarak kabul edilir). Kütle olmadan parçacıklar yalnızca hareket halinde var olabilirler. Bütün parçacıkların farklı kütleleri vardır. Elektron, nötrinoyu saymazsak en küçük kütleye sahiptir. Mezon adı verilen parçacıkların kütlesi elektronun kütlesinden 300-400 kat daha fazladır; proton ve nötron ise elektronun kütlesinden neredeyse 2000 kat daha ağırdır. Artık protondan neredeyse 100 kat daha ağır olan parçacıklar keşfedildi. Kütle (veya Einstein'ın formülüne göre enerji eşdeğeri:

Temel parçacıkların tüm etkileşimlerinde korunur.

Tüm parçacıkların elektrik yükü yoktur, bu da tüm parçacıkların elektromanyetik etkileşime katılamayacağı anlamına gelir. Serbestçe var olan tüm parçacıklar, elektron yükünün katı olan bir elektrik yüküne sahiptir. Serbestçe var olan parçacıkların yanı sıra, yalnızca bağlı durumda olan parçacıklar da vardır; bunlara biraz sonra değineceğiz.

Diğer kuantum sayıları gibi spin de farklı parçacıklar için farklıdır ve onların benzersizliğini karakterize eder. Bazı kuantum sayıları bazı etkileşimlerde, bazıları ise diğerlerinde korunur. Tüm bu kuantum sayıları hangi parçacığın hangisiyle ve nasıl etkileşime girdiğini belirler.

Ömür de bir parçacığın çok önemli bir özelliğidir ve bunu daha ayrıntılı olarak ele alacağız. Bir notla başlayalım. Yazının başında da söylediğimiz gibi etrafımızı saran her şey atomlardan (elektronlar, protonlar ve nötronlar) ve ışıktan (fotonlar) oluşur. Peki o halde yüzlerce farklı türde temel parçacık nerede? Cevap basit; etrafımızdaki her yerde, ancak iki nedenden dolayı bunu fark etmiyoruz.

Bunlardan ilki, hemen hemen tüm diğer parçacıkların çok kısa yaşaması, yaklaşık 10 üzeri eksi 10 saniyenin üssü veya daha az olması ve bu nedenle atom, kristal kafes vb. yapılar oluşturmamasıdır. İkinci neden ise nötrinolarla ilgilidir; bu parçacıklar bozunmasa da yalnızca zayıf ve kütleçekimsel etkileşimlere maruz kalırlar. Bu, bu parçacıkların çok az etkileşime girdiği ve tespit edilmelerinin neredeyse imkansız olduğu anlamına gelir.

Bir parçacığın ne kadar iyi etkileşime girdiğini görselleştirelim. Örneğin, elektronların akışı birkaç milimetrelik oldukça ince bir çelik levha ile durdurulabilir. Bunun nedeni, elektronların hemen çelik levhanın parçacıklarıyla etkileşime girmeye başlaması, yönlerini keskin bir şekilde değiştirmesi, foton yayması ve dolayısıyla oldukça hızlı bir şekilde enerji kaybetmesi olacaktır. Nötrino akışında durum böyle değil; neredeyse etkileşim olmadan Dünya'nın içinden geçebilirler. Bu nedenle onları tespit etmek çok zordur.

Yani parçacıkların çoğu çok kısa bir süre yaşar ve sonrasında bozunur. Parçacık bozunmaları en yaygın reaksiyonlardır. Çürümenin bir sonucu olarak, bir parçacık daha küçük kütleli birkaç parçaya bölünür ve onlar da daha da bozunur. Tüm bozunumlar belirli kurallara, yani koruma yasalarına uyar. Dolayısıyla, örneğin bozunma sonucunda elektrik yükünün, kütlenin, spinin ve diğer bazı kuantum sayılarının korunması gerekir. Bazı kuantum sayıları bozunma sırasında değişebilir, ancak aynı zamanda belirli kurallara tabidir. Bize elektron ve protonun kararlı parçacıklar olduğunu söyleyen bozunma kurallarıdır. Artık çürüme kurallarına tabi olarak çürümezler ve bu nedenle çürüme zincirlerini sonlandıranlar onlardır.

Burada nötron hakkında birkaç söz söylemek istiyorum. Serbest bir nötron da yaklaşık 15 dakika içinde bir proton ve bir elektrona bozunur. Ancak nötron atom çekirdeğinde olduğunda bu durum gerçekleşmez. Bu gerçek çeşitli şekillerde açıklanabilir. Örneğin, bir atomun çekirdeğinde bir elektron ve çürüyen bir nötrondan gelen fazladan bir proton göründüğünde, hemen ters bir reaksiyon meydana gelir; protonlardan biri bir elektronu emer ve bir nötrona dönüşür. Bu resme dinamik denge denir. Evrende gelişiminin erken bir aşamasında, büyük patlamadan kısa bir süre sonra gözlendi.

Bozunma reaksiyonlarına ek olarak, saçılma reaksiyonları da vardır - iki veya daha fazla parçacık aynı anda etkileşime girdiğinde ve bunun sonucunda bir veya daha fazla başka parçacık elde edildiğinde. İki veya daha fazla parçacık bir tane ürettiğinde soğurma reaksiyonları da vardır. Tüm reaksiyonlar güçlü zayıf veya elektromanyetik etkileşimlerin bir sonucu olarak meydana gelir. Güçlü etkileşimden kaynaklanan reaksiyonlar en hızlısıdır; böyle bir reaksiyonun süresi 10 eksi 20 saniyeye ulaşabilir. Elektromanyetik etkileşim nedeniyle oluşan reaksiyonların hızı daha düşüktür, burada süre yaklaşık 10 eksi 8 saniye olabilir. Zayıf etkileşim reaksiyonlarında bu süre onlarca saniyeye, bazen de yıllara ulaşabilir.

Parçacıklarla ilgili hikayenin sonunda kuarklardan bahsedelim. Kuarklar, bir elektronun yükünün üçte bir katı kadar elektrik yüküne sahip olan ve serbest halde bulunamayan temel parçacıklardır. Etkileşimleri ancak bir şeyin parçası olarak yaşayabilecekleri şekilde düzenlenmiştir. Örneğin belirli türdeki üç kuarkın birleşimi bir proton oluşturur. Başka bir kombinasyon bir nötron üretir. Toplamda 6 kuark bilinmektedir. Bunların farklı kombinasyonları bize farklı parçacıklar verir ve kuarkların tüm kombinasyonlarına fizik yasalarınca izin verilmese de, kuarklardan oluşan oldukça fazla parçacık vardır.

Burada şu soru ortaya çıkabilir: Kuarklardan oluşan bir protona nasıl temel denilebilir? Çok basit; proton temeldir, çünkü bileşen parçalarına (kuarklar) bölünemez. Güçlü etkileşime katılan tüm parçacıklar kuarklardan oluşur ve aynı zamanda temeldir.

Temel parçacıkların etkileşimlerini anlamak, evrenin yapısını anlamak için çok önemlidir. Makro cisimlerin başına gelen her şey parçacıkların etkileşiminin sonucudur. Dünyadaki ağaçların büyümesini, yıldızların içindeki reaksiyonları, nötron yıldızlarından gelen radyasyonu ve çok daha fazlasını tanımlayan parçacıkların etkileşimidir.