Τα σωματίδια που αποτελούν τα άτομα μπορούν να φανταστούν με διαφορετικούς τρόπους - για παράδειγμα, με τη μορφή στρογγυλών σωματιδίων σκόνης. Είναι τόσο μικρά που κάθε τέτοιος κόκκος σκόνης δεν μπορεί να εξεταστεί ξεχωριστά. Όλη η ύλη που βρίσκεται στον περιβάλλοντα κόσμο αποτελείται από τέτοια σωματίδια. Ποια είναι τα σωματίδια που αποτελούν τα άτομα;
Ορισμός
Ένα υποατομικό σωματίδιο είναι ένα από εκείνα τα "τούβλα" από τα οποία είναι χτισμένος ολόκληρος ο κόσμος. Αυτά τα σωματίδια περιλαμβάνουν πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία αποτελούν μέρος των ατομικών πυρήνων. Τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες ανήκουν επίσης σε αυτήν την κατηγορία. Με άλλα λόγια, τα υποατομικά σωματίδια στη φυσική είναι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια. Στον κόσμο που είναι γνωστός στον άνθρωπο, κατά κανόνα, δεν βρίσκονται σωματίδια άλλου είδους - ζουν ασυνήθιστα σύντομα. Όταν τελειώνει η ηλικία τους, διασπώνται σε συνηθισμένα σωματίδια.
Ο αριθμός αυτών των υποατομικών σωματιδίων που ζουν σχετικά σύντομα, σήμερα είναι εκατοντάδες. Ο αριθμός τους είναι τόσο μεγάλος που οι επιστήμονες δεν χρησιμοποιούν πλέον τα συνηθισμένα ονόματα για αυτά. Όπως τα αστέρια, συχνά τους αποδίδονται αριθμητικοί και αλφαβητικοί χαρακτηρισμοί.
Βασικά χαρακτηριστικά
Το σπιν, το ηλεκτρικό φορτίο και η μάζα είναι από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά κάθε υποατομικού σωματιδίου. Δεδομένου ότι το βάρος ενός σωματιδίου συνδέεται συχνά με τη μάζα, ορισμένα από τα σωματίδια παραδοσιακά ονομάζονται «βαριά». Η εξίσωση του Αϊνστάιν (E=mc2) δείχνει ότι η μάζα ενός υποατομικού σωματιδίου εξαρτάται άμεσα από την ενέργεια και την ταχύτητά του. Όσο για το ηλεκτρικό φορτίο, είναι πάντα πολλαπλάσιο της θεμελιώδους μονάδας. Για παράδειγμα, αν το φορτίο ενός πρωτονίου είναι +1, τότε το φορτίο ενός ηλεκτρονίου είναι -1. Ωστόσο, ορισμένα από τα υποατομικά σωματίδια, όπως το φωτόνιο ή το νετρίνο, δεν έχουν καθόλου ηλεκτρικό φορτίο.
Επίσης, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η διάρκεια ζωής του σωματιδίου. Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες ήταν βέβαιοι ότι τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, καθώς και τα νετρίνα και τα πρωτόνια είναι απόλυτα σταθερά και η διάρκεια ζωής τους είναι σχεδόν άπειρη. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Το νετρόνιο, για παράδειγμα, παραμένει σταθερό μόνο μέχρι να «απελευθερωθεί» από τον πυρήνα ενός ατόμου. Μετά από αυτό, η διάρκεια ζωής του είναι κατά μέσο όρο 15 λεπτά. Όλα τα ασταθή σωματίδια υφίστανται μια διαδικασία κβαντικής διάσπασης που δεν μπορεί ποτέ να είναι απολύτως προβλέψιμη.
Έρευνα Σωματιδίων
Το άτομο θεωρούνταν αδιαίρετο μέχρι να ανακαλυφθεί η δομή του. Πριν από περίπου έναν αιώνα, ο Ράδερφορντ έκανε τα περίφημα πειράματά του, τα οποία συνίσταντο στον βομβαρδισμό ενός λεπτού φύλλου με ένα ρεύμα σωματιδίων άλφα. Αποδείχθηκε ότι τα άτομα της ύλης είναι πρακτικά άδεια. Και στο κέντρο του ατόμου βρίσκεται όλο αυτό που ονομάζουμε πυρήνα του ατόμου - αυτόπερίπου χίλιες φορές μικρότερο από το ίδιο το άτομο. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες πίστευαν ότι το άτομο αποτελούνταν από δύο τύπους σωματιδίων - τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια.
Με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες έχουν μια ερώτηση: γιατί το πρωτόνιο, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο κολλάνε μεταξύ τους και δεν διασπώνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις υπό την επίδραση των δυνάμεων του Κουλόμπ; Και επίσης για τους επιστήμονες εκείνης της εποχής παρέμενε ασαφές: αν αυτά τα σωματίδια είναι στοιχειώδη, τότε τίποτα δεν μπορεί να τους συμβεί και πρέπει να ζήσουν για πάντα.
Με την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το νετρόνιο υπόκειται σε διάσπαση, και ταυτόχρονα αρκετά γρήγορα. Διασπάται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και κάτι άλλο που δεν μπορούσε να πιαστεί. Το τελευταίο έγινε αντιληπτό από την έλλειψη ενέργειας. Τότε οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι ο κατάλογος των στοιχειωδών σωματιδίων είχε εξαντληθεί, αλλά τώρα είναι γνωστό ότι αυτό απέχει πολύ από την περίπτωση. Ανακαλύφθηκε ένα νέο σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο. Δεν φέρει ηλεκτρικό φορτίο και έχει εξαιρετικά χαμηλή μάζα.
Νετρόνιο
Το νετρόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο που έχει ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο. Η μάζα του είναι σχεδόν 2.000 φορές τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Δεδομένου ότι τα νετρόνια ανήκουν στην κατηγορία των ουδέτερων σωματιδίων, αλληλεπιδρούν άμεσα με τους πυρήνες των ατόμων και όχι με το κέλυφος των ηλεκτρονίων τους. Τα νετρόνια έχουν επίσης μια μαγνητική ροπή που επιτρέπει στους επιστήμονες να εξερευνήσουν τη μικροσκοπική μαγνητική δομή της ύλης. Η ακτινοβολία νετρονίων είναι αβλαβής ακόμη και για τους βιολογικούς οργανισμούς.
Υποατομικό σωματίδιο – πρωτόνιο
Επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτάΤα «τούβλα της ύλης» αποτελούνται από τρία κουάρκ. Το πρωτόνιο είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Η μάζα του πρωτονίου υπερβαίνει τη μάζα του ηλεκτρονίου κατά 1836 φορές. Ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο συνδυάζονται για να σχηματίσουν το απλούστερο χημικό στοιχείο, το άτομο υδρογόνου. Μέχρι πρόσφατα, πίστευαν ότι τα πρωτόνια δεν μπορούν να αλλάξουν την ακτίνα τους ανάλογα με το ποια ηλεκτρόνια βρίσκονται σε τροχιά από πάνω τους. Ένα πρωτόνιο είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο. Συνδέοντας με ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέπεται σε νετρόνιο.
Ηλεκτρόνιο
Το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο φυσικό J. Thomson το 1897. Αυτό το σωματίδιο, όπως πιστεύουν τώρα οι επιστήμονες, είναι ένα στοιχειώδες ή σημειακό αντικείμενο. Αυτό είναι το όνομα ενός υποατομικού σωματιδίου σε ένα άτομο, το οποίο δεν έχει τη δική του δομή - δεν αποτελείται από άλλα, μικρότερα συστατικά. Σε ένωση με ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, ένα ηλεκτρόνιο σχηματίζει ένα άτομο. Τώρα οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη καταλάβει από τι αποτελείται αυτό το σωματίδιο. Ένα ηλεκτρόνιο είναι ένα σωματίδιο που έχει απειροελάχιστο ηλεκτρικό φορτίο. Η ίδια η λέξη "ηλεκτρόνιο" στη μετάφραση από τα αρχαία ελληνικά σημαίνει "κεχριμπαρένιο" - άλλωστε, οι επιστήμονες της Ελλάδας χρησιμοποίησαν το κεχριμπάρι για να διερευνήσουν τα φαινόμενα του ηλεκτρισμού. Αυτός ο όρος προτάθηκε από τον Βρετανό φυσικό το 1894, J. Stoney.
Γιατί να μελετάς τα στοιχειώδη σωματίδια;
Η απλούστερη απάντηση στο ερώτημα γιατί οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν για τα υποατομικά σωματίδια είναι: να έχουν πληροφορίες για την εσωτερική δομή του ατόμου. Ωστόσο, αυτή η δήλωση περιέχει μόνο ένα κόκκο αλήθειας. ΣΤΟΣτην πραγματικότητα, οι επιστήμονες μελετούν όχι μόνο την εσωτερική δομή του ατόμου - το κύριο πεδίο της έρευνάς τους είναι η σύγκρουση των μικρότερων σωματιδίων της ύλης. Όταν αυτά τα εξαιρετικά ενεργητικά σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους με υψηλές ταχύτητες, ένας νέος κόσμος γεννιέται κυριολεκτικά και τα θραύσματα ύλης που απομένουν μετά τις συγκρούσεις βοηθούν στην αποκάλυψη των μυστηρίων της φύσης που πάντα παρέμεναν μυστήριο για τους επιστήμονες.
