Cząstka - fizyka - Polski Serwis Naukowy

Cząstka (korpuskuła) – w tradycyjnym znaczeniu, to każdy fragment materii, który ma kształt mniej lub bardziej zbliżony do sfery i jest na tyle mały, że nie można go zobaczyć gołym okiem. W tym określeniu informacja o kształcie nie dotyczy cząstek elementarnych (zob. fizyka cząstek elementarnych), w przypadku których nie ma żadnego sensu mówić o ich kształcie, gdyż ich "zachowanie" trudno jest sobie wyobrażać w kategoriach makroskopowych wyobrażeń zmysłowych.

Definicja intuicyjna: Powierzchnia (ściślej: brzeg) kuli. Zbiór punktów oddalonych o pewną zadaną odległość (promień sfery) od wybranego punktu (środek sfery).

Slepton – cząstka będąca supersymetrycznym partnerem leptonu. Jako partner fermionu jest ona bozonem. Nazwy poszczególnych sleptonów tworzy się przez dodanie prefiksu "s-" na początku nazwy cząstki. Mówimy więc o sneutrinach, selektronach, smionach i staonach.

Cząstki subatomowe, a nawet atomy i większe twory można podzielić na:

fermiony – mają spin połówkowy (1/2ℏ, 3/2ℏ itp.) i obowiązuje je zakaz Pauliego – dwa identyczne fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie

bozony – mają spin całkowity (0ℏ, 1ℏ, 2ℏ itp.). Nie obowiązuje ich zakaz Pauliego, a nawet wykazują pewną tendencję do istnienia w tym samym stanie

(ℏ – oznacza zredukowaną stałą Plancka)

Taon – cząstka elementarna z grupy leptonów obdarzona ładunkiem ujemnym, średnim czasem życia 3×10−13 sekundy i dużą masą 1777 MeV / c2 = 3,17×10−27kg (porównując 939 MeV / c2 dla protonu i 0,511 MeV / c2 dla elektonu). Odpowiadająca mu antycząstka to antytaon. Taony zostały odkryte w 1975 roku przez Martina Lewisa Perla.

Micele to cząstki występujące w trwałych emulsjach. Tworzą je związki chemiczne o własnościach amfifilowych. Micele są kulistymi tworami zawierającymi od kilkudziesięciu do kilkuset cząsteczek.

Lista cząstek w kolejności od najbardziej złożonych do najbardziej elementarnych

Cząstki ponadatomowe

cząstki supramolekularne – składają się one ze zbiorów cząsteczek chemicznych połączonych słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (siły Van Der Waalsa, wiązania wodorowe itp.) Są to m.in.: micele, mikrosfery, złożone kompleksy gość-gospodarz, złożone struktury biochemiczne (np. DNA), monokryształy, cząstki występujące w zeolitach, aerożelach, żelach i zolach, cząstki tworzące pyły i pasty. Większość tego rodzaju cząstek jest na tyle duża, że da się je obserwować pod mikroskopem optycznym.

cząsteczki chemiczne (molekuły) – składające się z silnie związanych ze sobą atomów. Różne rodzaje cząsteczek tworzą różne rodzaje związków chemicznych. Również niektóre pierwiastki występują w naturze w formie dwuatomowych cząsteczek (np. wodór). Aktualnie szacuje się, że zbadano i skatalogowano ponad 50 milionów różnych cząsteczek chemicznych, a ich zbiór jest praktycznie nieograniczony. Cząsteczki mogą zawierać od dwóch do ponad miliona atomów. Niektóre największe daje się obserwować pod mikroskopem optycznym, większość z nich daje się bezpośrednio obserwować za pomocą mikroskopu elektronowego lub AFM.

jony – są specyficzną odmianą cząsteczek, które posiadają ładunek elektryczny. Mogą one powstawać w wyniku jonizacji zwykłych cząsteczek obojętnych, na skutek przyłączenia lub odrywania elektronów.

Atomy, ich składniki i inne cząstki złożone

atomy – najmniejsze cząstki, na które da się podzielić materię za pomocą reakcji chemicznych. Atomy składają się z małego jądra otoczonego znacznie większą chmurą elektronów (zobacz planetarny model atomu Bohra). Każdy rodzaj atomu tworzy określony pierwiastek chemiczny. Uznaje się obecnie, że istnienie 110 z nich zostało potwierdzone eksperymentalnie. Ich lista znajduje się w układzie okresowym. Atomy to jednocześnie najmniejsze cząstki, których obraz daje się jeszcze generować metodami mikroskopowymi.

jądra atomów, które są 10 000 do 100 000 razy mniejsze od samych atomów, składają się z protonów i neutronów. Ich rozpad powoduje tworzenie się neutrin. Jądra mogą przechodzić jedne w drugie tylko na skutek wysokoenergetycznych przemian jądrowych. Cząstki tworzące jądra są powiązane z sobą tzw. słabymi oddziaływaniami jądrowymi i silnymi oddziaływaniami jądrowymi, których energia znacznie jednak przewyższa energię wiązań chemicznych.

hadrony – to cząstki zbudowane z kwarków, powiązanych z sobą silnymi oddziaływaniami, których energia jest znacznie wyższa od energii jądrowych oddziaływań słabych. Hadrony dzieli się na:

bariony – składające się z trzech kwarków. Dalej dzieli się je na:

nukleony – czyli protony i neutrony – które tworzą jądra atomów.

hiperony oznaczane dużymi, greckimi literami (Λ, Σ, Ξ i Ω), które są cięższymi i bardziej nietrwałymi od nukleonów cząstkami i które w normalnych warunkach nie występują w jądrach atomowych.

mezony, które są zbudowane z pary kwark – antykwark. Jest ich wiele rodzajów. Najbardziej znane to piony i kaony. Mezony pośredniczą w tworzeniu się sił jądrowych między protonami i neutronami.

egzotyczne bariony – których istnienie sugerują dane zebrane przez niektóre eksperymenty, i które nie występują naturalnie w przyrodzie, są to:

tetrakwarki składające się z dwóch kwarków i dwóch antykwarków.

pentakwarki składające się z czterech kwarków i jednego antykwarku.

Cząstki uznawane obecnie za rzeczywiście elementarne

Według Modelu Standardowego każda cząstka elementarna ma swój symetryczny odpowiednik w antymaterii (antycząstkę – cząstka może też być własną antycząstką), a łącznie istnieją następujące cząstki:

Nukleony to wspólna nazwa protonów i neutronów, czyli podstawowych cząstek tworzących jądro atomu. Nukleony składają się z kwarków. Choć przez obecne teorie cząstek protony i neutrony nie są uznawane za cząstki elementarne, ale z historycznych względów zalicza się je do cząstek elementarnych.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

fermiony – jest ich łącznie 24. Należą do nich cząstki, o których można powiedzieć, że tworzą materię: elektron, kwark górny i kwark dolny. Dzieli się je w zależności od tego czy są one "wrażliwe" na oddziaływania jądrowe czy nie.

kwarki (spin 1/2) – wrażliwe na oddziaływania silne, ponieważ posiadają tak zwany kolor. Istnieje ich 6 rodzajów, zwanych "zapachami": szczytowy, denny, górny, dolny, powabny i dziwny.

leptony (spin 1/2) – niewrażliwe na oddziaływania silne. One również istnieją w sześciu "zapachowych" rodzajach. Są to elektron, mion, taon i trzy neutrina – mionowe, taonowe i elektronowe.

bozony – są nośnikami oddziaływań. Są to:

foton (spin 1) – odpowiedzialny za istnienie oddziaływań elektromagnetycznych

dwa bozony W i jeden Z (spin 1) – odpowiedzialne za istnienie oddziaływań słabych

osiem gluonów (spin 1) – które odpowiadają za oddziaływanie silne

bozon Higgsa (spin 0) – która oddziałując z innymi cząstkami nadaje im masę. – Bozon Higgsa jest wbudowany do Standardowego Modelu jako jedyna cząstka w tym modelu, której istnienie nie zostało dotąd dowiedzione eksperymentalnie.

Inne teorie zakładają istnienie większej liczby cząstek. Ich istnienie nie zostało jednak w żaden sposób dowiedzione eksperymentalnie, są to więc cząstki istniejące czysto hipotetycznie.

Oko (Oko proste, oko złożone, plamka oczna, łac. oculus, l.m. oculi) – narządy receptorowe umożliwiające wykrywanie kierunku padania światła i jego intensywności oraz, wraz ze wzrostem złożoności konstrukcji, efektywny proces formowania obrazu, czyli widzenie.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.

grawiton (spin 2) – proponowany przez kwantową teorię grawitacji jako cząstka odpowiedzialna za istnienie grawitacji.

grawitino (spin 3/2) – superpartner grawitonu. Ma być ona cząstką obdarzoną masą, wrażliwą na oddziaływanie grawitacyjne.

inni superpartnerzy – fermiony odpowiadające bozonom, takie jak: fotino, wino, zino, gluino, higgsino (wszystkie o spinie 1/2) oraz bozony odpowiadających fermionom: skwarków i sleptonów, w tym selektronów i sneutrin (wszystkie o spinie 1). Ich istnienie wynikałoby z przyjęcia supersymetrii.

bozony X i Y – proponowane przez teorie wielkiej unifikacji

Zobacz też

cząsteczka (molekuła)

fizyka cząstek elementarnych