Subatómová častica

Subatómová častica (iné názvy: subatomárna častica, elementárna častica v širšom zmysle) je častica menšia ako atóm. Atómové jadro ako celok sa niekedy považuje za subatómovú časticu, inokedy sa za ňu nepovažuje (jednotlivé časti jadra sú ale typické subatómové častice).

Subatómové častice a ich vzájomné interakcie skúma fyzika častíc, t. j. subjadrová fyzika, a (jadro ako celok) jadrová fyzika.

Druhy subatómových častíc

Existujú dva typy subatómových častíc:

• fundamentálne častice (elementárne častice v užšom zmysle) – tie nemajú ďalšiu vnútornú štruktúru
• zložené častice – častice, ktoré sa skladajú z dvoch alebo viacerých fundamentálnych častíc (t. j. hadróny a prípadne aj atómové jadro)

Podrobnosti pozri napr. v článkoch Zoznam elementárnych častíc, fundamentálna častica a hadrón.

Častice

Koncept častice je jedným z niekoľkých konceptov, ktoré časticová fyzika prebrala z klasickej fyziky. Tento opis sveta okolo nás sa používa napríklad na opis správania sa hmoty a energie v subatomárnych mierkach kvantovej fyziky.

Následkom pokusov, ktoré preukázali, že svetlo sa môže správať ako prúd častíc a zároveň môže mať vlastnosti ako vlnenie, prešiel pojem častice významnými zmenami. Nový koncept vlnovo-časticového dualizmu zohľadňuje toto správanie častíc na kvantovej úrovni a ďalší nový koncept, princíp neurčitosti, hovorí, že analýza častíc na tejto úrovni vyžaduje štatistický prístup.

Energia

Podľa Einsteinovej hypotézy sú energia a hmota vzájomnými ekvivalentami. To znamená, že hmotu je možné jednoducho vyjadriť pomocou energie a naopak. A preto existujú len dva spôsoby prenášania energie – a to častice alebo vlnenie. Napríklad svetlo je možné opísať ako vlnenie a aj ako časticu. Toto sa nazýva vlnovo-časticový dualizmus. Vďaka objavom Alberta Einsteina, Louisa de Broglie a mnohých ďalších súčasná teória tvrdí, že všetky častice majú aj povahu vlnenia. Tento jav bol preukázaný nielen pri elementárnych časticiach, ale aj pre zložené častice ako atómy či dokonca molekuly. Podľa tradičnej formulácie nerelativistickej kvantovej mechaniky podliehajú vlnovo-časticovému dualizmu všetky objekty, dokonca aj makroskopické objekty. Skúmanie interakcií medzi časticami trvalo veľa storočí a prinieslo niekoľko jednoduchých zákonov opisujúcich správanie častíc pri vzájomných interakciách a kolíziách. Základom týchto zákonov je zákon zachovania energie a zákon zachovania hybnosti. Vďaka ním môžeme vypočítať vzájomné interakcie častíc vo všetkých mierkach od hviezd až po kvarky.

Rozdelenie atómu

Hmotnosť negatívne nabitého elektrónu sa rovná 1/1836 hmotnosti atómu vodíka. Pozitívne nabitý protón predstavuje zvyšok hmotnosti atómu vodíka. Počet protónov v jadre prvku sa označuje ako atómové číslo. Neutróny sú elektricky neutrálne častice s mierne vyššou hmotnosťou ako protón. Rozdielne izotopy rovnakého prvku obsahujú rovnaký počet protónov a líšia sa počtom neutrónov. Nukleónové číslo izotopu predstavuje počet nukleónov tzn. neutrónov a protónov spolu.

Historická predstava

V prvých desaťročiach 20. storočia fyzici postupne zistili, že atómy nepredstavujú najmenšiu nedeliteľnú čiastočku hmoty, ako sa očakávalo už od dôb starých Grékov. Mnohé experimenty (napríklad pokusy Ernesta Rutherforda) postupne viedli k myšlienke, že aj atóm má vnútornú štruktúru, čiže – inými slovami povedané – tiež sa z niečoho skladá.

Vtedajšia predstava bola taká, že atóm má rozmery asi 1 × 10⁻¹⁰ m. Hlboko vnútri atómu sa nachádza jeho jadro s rozmermi 1 × 10⁻¹⁵ m a vo zvyšnom voľnom priestore sa pohybuju subatomárne častice – elektróny. Očakávalo sa, že jadro nesie kladný elektrický náboj a rovnako veľký záporný náboj predstavujú práve elektróny. Čiže navonok sa atóm prejavuje ako elektricky neutrálny.

Pokiaľ ide o jadro, predpokladalo sa, že sa skladá z dvoch ďalších subatomárnych častíc:

• protón
• neutrón

Protón aj neutrón sú častice asi 1 800-krát hmotnejšie než elektrón, pričom protón má elektrický náboj rovnako veľký ako elektrón ibaže kladný a neutrón je z elektrického hľadiska neutrálny.

V tých časoch sa zdalo, že pomocou kombinovania týchto troch subatomárnych častíc je možné objasniť ako funguje atóm a tiež to, prečo jestvuje veľké množstvo atómov a ich izotopov. Ale v priebehu ďalších desaťročí fyzici postupne objavovali ďalšie a ďalšie subjadrové častice. Niektoré z nich zapadali do predstáv o štruktúre atómu, niektoré sa však zdali nadbytočné.

Moderná predstava

V 60-tych rokoch 20. storočia fyzici spoznali niekoľko stoviek subatomárnych častíc. Znamenalo to, že počiatočný sen vysvetliť rôznosť sveta atómov pomocou niekoľkých subatomárnych častíc sa rozplynul.

V priebehu nasledujúcich rokov sa fyzikovi Murray Gell-Mannovi podarilo navrhnúť novú systematiku subatomárnych častíc. Jeho nápad spočíval v tom, že do teórie zaviedol šesť nových častíc nazvaných kvarky. V tejto dodnes platnej teórii sa celý fyzikálny svet dá vysvetliť pomocou 6 kvarkov, 6 leptónov (častice podobného druhu ako elektrón) a vzájomných fyzikálnych pôsobení medzi nimi.

Fyzikálne pôsobenie

Pod fyzikálnym pôsobením sa myslia sily, ktoré pôsobia medzi časticami. Poznáme 4 sily alebo pôsobenia (fyzikálne interakcie):

1. gravitácia,
2. elektromagnetizmus,
3. slabá interakcia,
4. silná interakcia.

Externé odkazy

• particleadventure.org: The Standard Model.
• cpepweb.org: Particle chart. Archivované 2010-04-12 na Wayback Machine
• University of California: Particle Data Group.
• Annotated Physics Encyclopædia: Quantum Field Theory.
• Jose Galvez: Chapter 1 Electrodynamics (pdf). Archivované 2003-09-02 na Wayback Machine