Cząsteczki elementarne a historia wszechświata

Wszystko zaczęło się około 20 miliardów lat temu. Niewyobrażalnie mała, wielokrotnie

mniejsza od atomu i niezwykle gorąca kula stała się zalążkiem nie kończącego się

wszechświata. Nagromadzona w niej energia spowodowała wybuch. Nie należy wyobrażać go sobie

jednak jako eksplozji z błyskiem światła i hukiem pędzącego powietrza. Nie istniały bowiem

fale akustyczne ani świetlne, nie było również czasu ani przestrzeni (powstały one dopiero w

momencie Wielkiego Wybuchu), a zatem wraz z rozszerzaniem się wszechświata rozszerzała się

czasoprzestrzeń. Wielki Wybuch lepiej odzwierciedla nadmuchiwanie balona. Aby balon mógł się

powiększyć należy napełnić go powietrzem. Tak właśnie wszechświat począł rozszerzać się we

wszystkie strony.
10-42 sekundy po wybuchu wszechświat był tak gorący (miał 1032 K), że cztery główne, znane

nam dziś oddziaływania tworzyły jedną całość. Kiedy temperatura opadła do 1028 K zaczęła

powstawać pierwsza materia w postaci kwarków (Czyli cząstki elementarne), a grawitacja

oddzieliła się od pozostałych trzech oddziaływań. Potem powstała "pierwotna zupa", której

składnikami były: kwarki, elektrony, neutrina i fotony, które tworzyły materię, oraz ich

przeciwne co do ładunku elektrycznego: antykwarki, pozytrony, antyneutrina, które tworzyły

antymaterię. Pomiędzy 10-35, a 10-32 sekundy Wszechświat powiększył się co najmniej 1020

razy w porównaniu z rozmiarem wcześniejszym. Jest to tak zwany okres inflacji. W tym czasie

materia i antymateria uległy anihilacji. Proces ten polegał na połączeniu się dodatnich

ładunków z ujemnymi (kwarki z antykwarkami, elektrony z pozytronami i neutrina z

antyneutrinami)czyli ogólmie mówiąc cząstki elementarne. których budowa wewnętrzna nie jest

znana i których przy aktualnym stanie wiedzy i techniki nie można dzielić ich na części

składowe. Stanowią one podstawowe elementy budowy materii, a ich wzajemne oddziaływania

warunkują własności materii i przebieg procesów w otaczającym nas świecie. Cząstki

elementarne charakteryzowane są przez następujące wielkości: masę spoczynkową, ładunek

elektryczny, spin (czyli moment pędu), moment magnetyczny oraz średni czas życia. Masę

spoczynkową cząstek elementarnych określa się jako wielokrotność masy elektronu lub w

jednostkach energii- elektronowoltach (eV); ładunek elektryczny cząsteczki elementarnej może

wynosić 0, +1, -1, +2, -2 ładunku elementarnego (ładunek elektronu wynosi -1); średni czas

życia podawany jest w sekundach. Podstawowym kryterium podziału cząstek elementarnych jest

ich masa spoczynkowa. Wg tego kryterium, poza fotonem, rozróżnia się cząstki elementarne

lekkie - leptony, o średniej masie - mezony i ciężkie - bariony. Mezony i bariony biorą

udział w oddziaływaniach silnych - są to tzw. hadrony. Wszystkim cząstkom elementarnym

odpowiadają antycząstki. Zjawisko zderzenia cząstki z antycząstką nazwano ANIHILACJĄ , co

oznacza kres ich istnienia. Np. w wyniku zderzenia pozyton i elektron zamieniają się na dwa

fotony. Wiedza o cząsteczkach elementarnych pochodzi głównie z doświadczeń prowadzonych w

cyklotronach oraz z badań promieniowania kosmicznego. O istnieniu nie znanych jeszcze

cząstek uczeni czasami wnioskują na podstawie rozważań teoretycznych. Historia odkryć

cząsteczek elementarnych liczy ok. 100 lat:-1896r- J.J.Thomson odkrył elektron ujemny

-negaton, -1905r-A. Einstein wprowadził pojęcie fotonu i cząstki te łącznie z protonem były

jedynymi znanymi cząstkami elementarnymi do 1932.-1932r- J. Chadwick odkrył neutron, a C.D.

Anderson i P. Blackett elektron dodatni -pozyton. W. Pauli przewidział istnienie

neutrina-1956r -Reines i C. Cowan doświadczalnie potwierdzili istnienie neutrina -1935r- H.

Yukawa przewidział istnienie mezonu -1937r- C.D. Anderson i S.H. Neddermeyer wykryli mezon.

Kolejne lata przynosiły, odkrycia nowych cząsteczek elementarnych., obecnie jest ich już

kilkaset. Z definicji cząsteczki wynika jednak, że uznanie określonej cząstki za elementarną

uzależnione jest od stanu wiedzy i techniki doświadczalnej, a właściwie ich niedoskonałości.

Można sądzić, że wiele z cząstek traktowanych dzisiaj jako elementarne, a może nawet

wszystkie, nie zasługuje na to miano. Obecnie sądzi się powszechnie, że prawdziwie

elementarnymi cząstkami są kwarki.RODZAJE CZĄSTECZEK ELEMENTARNYCH :
ANION
Jon ujemny; atom lub grupa atomów wykazująca ujemny ładunek elektryczny. Aniony mają

nadmierną liczbę elektronów; tworzą się np. podczas dysocjacji elektrolitycznej.

ANTYCZĄSTKA
Odpowiednik cząstki elementarnej (np. protonu, neutronu, elektronu) o takiej samej masie,

spinie, czasie życia, lecz przeciwnym ładunku i zwrocie momentu magnetycznego. Zderzenie

antycząstek z odpowiadającą jej cząstką powoduje anihilację.
BARIONY
Cząstki o spinie połówkowym. Do barionów zalicza się hiperony i nukleony oraz ich stany

rezonansowe. Bariony biorą udział w oddziaływaniach silnych, a także elektromagnetycznych i

słabych
BOZONY- CZĄSTKI BOSEGO
Cząstki o spinie całkowitym. Są nimi fotony, mezony, układy złożone z bozonów, a także

układy złożone z parzystej liczby fermionów. Liczba bozonów w dowolnym stanie kwantowym nie

jest ograniczona, a układ taki opisywany jest funkcją falową.
DEUTERON
Jądro atomu deuteru -wodoru ciężkiego. Składa się z protonu i neutronu. Liczba atomowa 1,

liczba masowa 2. Oznaczany symbolem chemicznym D+ lub symbolem d, stosowany jest do

wywoływania reakcji jądrowych.

ELEKTRON
Trwała cząstka elementarna o masie spoczynkowej 9,1 · 10-31kg, ujemnym ładunku elektrycznym

1,6 · 10-19C i spinie , odkryta w 1897r przez J.J. Thomsona. Obok protonów i neutronów

elektrony są podstawowymi składnikami materii, tworzącymi w atomach powłoki elektronowe,

których struktura decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych materii. Elektron

posiada swoją antycząstkę - pozyton, o dodatnim ładunku elektrycznym równym ładunkowi

negatonu. Elektrony występują też jako cząstki swobodne, wyrwane z atomów w wyniku

dostarczenia im odpowiedniej energii większej od pracy wyjścia (pracy, jaką trzeba wykonać,

by przemóc siły wiążące elektron z atomem , np. w zjawisku fotoelektrycznym lub w wyniku

termoemisji). Elektrony swobodne powstają też w przemianach promieniotwórczych lub rozpadach

innych cząstek elementarnych. Wiązki elektronów, mające też właściwości falowe zgodnie z

hipotezą de Broglie'a, znalazły ważne zastosowanie w mikroskopach elektronowych.
FERMIONY
Cząstki podlegające statystyce kwantowej Fermiego-Diraca -stąd nazwa. Charakteryzują się

spinami połówkowymi. Do fermionów należą m.in. elektrony, nukleony, neutrina
FONON
Nibycząstka. Kwant energii drgań harmonicznych sieci krystalicznej lub powierzchni jądra

atomu; teoria fonów wyjaśnia m.in. nadprzewodnictwo niskotemperaturowe
FOTON
Kwant energii pola elektromagnetycznego, cząstka elementarna o masie spoczynkowej m 0 = 0, l

,liczbie spinowej s = 1, nie posiadająca ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego,

poruszająca się z prędkością światła w próżni. Foton jest kwantem ( czyli porcją)

promieniowania elektromagnetycznego; jego energia (E), pęd (p) i masa (m) zależą od

częstotliwości (?) promieniowania i są równe: E = h?, p = h? /c, m = h ? /c2, gdzie: h =

6,62*10-34 Js (stała Plancka). Fotony powstają w wyniku przejścia atomu lub jądra atomowego

z wyższego na niższy poziom energetyczny. I odwrotnie - gdy atom lub jądro pochłania foton,

to przechodzi z niższego na wyższy poziom energetyczny. Ponieważ różnica energii pomiędzy

poziomami energetycznymi jest ściśle określona, wielkość fotonów emitowanych lub

absorbowanych przez dany atom lub jądro nie może być dowolna, lecz jest równa tej różnicy.

Wynikiem absorpcji fotonu może być zjawisko fotoelektryczne lub fotoreakcja jądrowa.

Hipotezę istnienia fotonu wysunął w 1905r A. Einstein na podstawie koncepcji kwantów M.

Plancka.
GLUON
Cząstka elementarna, bozon pośredniczący w oddziaływaniach silnych kwarków. W

oddziaływaniach silnych gluony, odmiennie niż fotony w elektromagnetyzmie, oddziałują ze

sobą. Gluony istnieją w ośmiu stanach ładunkowych (tzw. kolorach). Dotychczas nie

zaobserwowano swobodnego gluona (być może jest to w ogóle niemożliwe), jednak istnieją silne

przesłanki doświadczalne ich istnienia. Nazwa pochodzi od angielskiego słowa “glue” (klej)
GRAWITON
Przewidywany teoretycznie, lecz dotąd nie zaobserwowany kwant pola grawitacyjnego. Według

kwantowej teorii pola grawiton powinien mieć masę spoczynkową równą zero i spin równy 2.
HADRONY
Rodzaj najprostszych cząstek elementarnych biorących udział we wszystkich rodzajach

oddziaływań (zwłaszcza oddziaływań silnych). Dzielą się na bariony (fermiony o spinie

połówkowym) i mezony (bozony o spinie całkowitym). Większość hadronów jest nietrwała.

Składają się z kwarków, np. bariony są zbudowane z 3 kwarków, mezony zaś z pary

kwark-antykwark. Mają rozmiar rzędu 10-15 metra.
HIPERONY
Cząstki elementarne z grupy barionów, cięższe od nukleonów, lecz lżejsze od deuteronów.

Hiperony powstają w zderzeniach mezonów i nukleonów z nukleonami lub jądrami atomowymi . Są

cząstkami nietrwałymi, o średnim czasie życia rzędu 10-10 sekundy, rozpadają się zazwyczaj w

procesach oddziaływań słabych, niekiedy w procesach oddziaływań silnych lub

elektromagnetycznych. Pierwszy hiperon został odkryty w 1947 r przez G.D. Rochestera i C.C.

Butlera.
JON
Atom lub grupa atomów obdarzona ładunkiem elektrycznym; powstają w wyniku jonizacji,

przyłączania elektronów do obojętnych atomów lub cząsteczek i dysocjacji elektrolitycznej. W

zależności od liczby posiadanych ładunków elementarnych (przyłączonych lub utraconych

elektronów) mogą być jedno-, dwu-, trój- itd. dodatnie (kationy) lub ujemne (aniony).

Charakteryzuje je również określony promień jonowy i budowa powłoki elektronowej. Jak

elektrony są nośnikami prądu elektrycznego (mogą się przemieszczać w polu elektrycznym). W

gazach szybko zobojętniają się ( ulegają rekombinacji), w roztworach elektrolitów są trwałe

dzięki wzajemnemu oddziaływaniu z rozpuszczalnikiem, występują też w węzłach sieci

krystalicznej tzw. kryształów jonowych. Jony swobodne łatwo reagują ze sobą i innymi

substancjami chemicznymi. W organizmach żywych występują we wszystkich tkankach i cieczach

organicznych (wpływając np. na biochemiczne właściwości białek). Nazwę jonów wprowadził w

1824r M. Faraday
KATION
Jon dodatni, atom lub cząsteczka z niedomiarem elektronów. Przykłady: kation (prosty) sodu

Na+, kation potasu K+, kation wapnia Ca2+, kation (złożony) amonu NH4+, kation (kompleksowy)

heksaaminaniklu(II) [Ni(NH3)6]2+. W procesie elektrolizy kationy wędrują do katody

(elektroda).
KWARKI
Podstawowe, uznawane za najbardziej elementarne, cząstki materii, z których zgodnie ze

współcześnie przyjętymi modelami zbudowane są hadrony. W przyrodzie istnieje 6 kwarków i 6

odpowiadających im antykwarków. Ich odmiany (tzw. zapachy) oznaczone są pierwszymi literami

angielskich nazw: u (up - górny), d (down - dolny), s (strange - dziwny), c (charm -

powabny), b (beauty - piękny, nazywany także bottom - denny) oraz t (true - prawdziwy lub

inaczej top - szczytowy). Wszystkie kwarki mają spin 1 liczbę barionową 1/3 oraz jedną z

dwóch wartości ładunku elektrycznego; kwarki u, c, t ładunek 2/3 e, natomiast kwarki d, s, b

ładunek 1/3 e ( e - ładunek elementarny). Kwarki podobnie jak gluony wiążące kwarki w hadron

nie mogą występować jako samoistne obiekty. Tworzą one inne cząstki (np. protony, neutrony),

a jako składniki doskonałe nie mogą być z nich wydzielone. Wg modelu kwarkowego kwarki i

antykwarki (różniące się od kwarków w oznaczeniach kreską nad symbolem) o ładunkach

ułamkowych tworzą cząstki o ładunkach całkowitych, np.: proton o ładunku + 1e tworzony jest

przez 2 kwarki u i 1 kwarek d, neutron - 2 kwarki d i 1 kwarek u, mezon+ - po jednym kwarku

u i d. Hipoteza zakładająca istnienie kwarków jako podstawowych składników hadronów została

sformułowana w 1964 r, niezależnie, przez M. Gell-Manna i G. Zweiga. Nazwa kwarków

wprowadzona przez M. Gell-Manna . Poszukiwania dowodów istnienia kwarków trwały wiele lat.

Pierwsze kwarki zaobserwowano w 1968 r w Laboratorium Stanforda w USA, a istnienie

ostatniego z sześciu kwarków - (t) - potwierdziły wyniki badań przeprowadzonych w 1994 r.

Odkrycie to uznano za potwierdzenie słuszności modelu standardowego, najbardziej

zaawansowanego modelu świata materialnego..
LEPTONY
Cząstki elementarne nie biorące udziału w oddziaływaniach silnych, np. neutrina, elektrony,

miony. Wszystkie leptony są fermionami, mają spin połówkowy i liczbę barionową równą 0.
MEZONY
Silnie oddziałujące cząstki elementarne o spinie całkowitym i zerowej liczbie barionowej. Do

najlepiej poznanych należą piony (mezony pi) i kaony (mezony K). Nazwa pochodzi od greckiego

msos - pośredni, bowiem mezony mają masę pośrednią między masą elektronu i masą protonu.
MIONY , µ
Cząstki elementarne o ładunku elektrycznym równym ładunkowi elektronu i masie 105,7 MeV. Są

nietrwałe (średni czas życia wynosi 2,197 *10-6 s). Mają własności podobne do elektronów.

Odkryte 1937 przez C.D. Andersona i S.H. Neddermeyera.
NEGATON
Nazwa wprowadzona 1948 dla ujemnego elektronu, w odróżnieniu od elektronu dodatniego

-pozytonu, wraz z którym tworzy pierwszą poznaną parę „cząstka – antycząstka”
NEUTRINO , ?
Trwała cząstka elementarna z grupy leptonów o ładunku elektrycznym równym zeru i spinie

połówkowym oraz bardzo małej masie spoczynkowej. Neutrina są produktem promieniotwórczego

rozpadu , wychwytu elektronu i rozpadu mionów oraz mezonów ? i K (istnieją neutrina

elektronowe , neutrina mionowe, neutrina taonowe ). Każdy cm2 powierzchni Ziemi

wypromieniowuje co sekundę ok. 1 mln neutrinów. Neutrino zostało w 1931r przewidziane

teoretycznie przez W. Pauliego, a zaobserwowane w 1956 r przez F. Reinesa i C.L. Cowana.
NEUTRON
Cząstka elementarna z grupy barionów. Ładunek elektryczny 0, masa 1,67 · 10-27kg, spin

połówkowy. Neutron wraz z protonami (jako nukleony) wchodzą w skład jąder atomowych.

Swobodny neutron ulega rozpadowi na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni

czas życia 0,93 ? 103 s. Dzięki zerowemu ładunkowi elektrycznemu neutron wykorzystuje się w

badaniach jąder atomowych (brak kulombowskiej bariery potencjału pozwala neutronowi łatwo

przenikać do jądra atomowego). Neutron został odkryty w 1932 r przez J. Chadwicka.
NUKLEON
Cząstka elementarna, podstawowy składnik materii jądrowej, istniejąca w dwóch stanach

ładunkowych: nukleon naładowany dodatnio - proton, nukleon elektrycznie obojętny - neutron.

Masa obu nukleonów w przybliżeniu wynosi 939 MeV/c2. Zgodnie z teorią Diraca nukleony mają

antycząstki (tzw. antynukleony), których istnienie zastało potwierdzone doświadczalnie.

Nukleony biorą udział w oddziaływaniach silnych, elektromagnetycznych i słabych. Liczba

nukleonów w jądrze jest zwana liczbą masową, ale w atomach danego pierwiastka może być

zmienna -izotopy.
PARTONY
Wspólna nazwa dla cząstek będących składnikami barionów i mezonów. Hipoteza partonów

sformułowana została po odkryciu złożoności protonu przez R. Hofstadter. Wykorzystywana jest

w obliczeniach. Zgodnie z obecnym stanem wiedzy partonami są gluony, kwarki i antykwarki.
POZYTON
Cząstka elementarna (antycząstka negatonu) o takiej samej masie jak masa elektronu, lecz o

elementarnym ładunku dodatnim. Swobodny pozyton jest cząstką trwałą. Jego zderzenie z

negatonem prowadzi do anihilacji. Odkryty w 1932 r przez C.D. Andersona.