Czy cząstka elementarna może nie mieć ładunku? Ładunek elektryczny i cząstki elementarne

« Fizyka – klasa 10”

Rozważmy najpierw najprostszy przypadek, gdy ciała naładowane elektrycznie znajdują się w spoczynku.

Dział elektrodynamiki zajmujący się badaniem warunków równowagi ciał naładowanych elektrycznie nazywa się elektrostatyka.

Co to jest ładunek elektryczny?
Jakie są opłaty?

Ze słowami prąd, ładunek elektryczny, Elektryczność spotkaliście się wiele razy i udało wam się do tego przyzwyczaić. Ale spróbuj odpowiedzieć na pytanie: „Co to jest ładunek elektryczny?” Sama koncepcja opłata- to podstawowe, pierwotne pojęcie, do którego nie można się sprowadzić nowoczesny poziom rozwinięcie naszej wiedzy do prostszych, elementarnych pojęć.

Spróbujmy najpierw dowiedzieć się, co oznacza stwierdzenie: „To ciało lub cząstka ma ładunek elektryczny”.

Wszystkie ciała są zbudowane drobne cząstki, które są niepodzielne na prostsze i dlatego nazywane są podstawowy.

Cząstki elementarne mają masę i dzięki temu zgodnie z prawem przyciągają się do siebie uniwersalna grawitacja. Wraz ze wzrostem odległości między cząstkami siła grawitacji maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu tej odległości. Większość cząstek elementarnych, choć nie wszystkie, ma także zdolność oddziaływania ze sobą z siłą, która również maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, jednak siła ta jest wielokrotnie większa od siły grawitacji.

Zatem w atomie wodoru, pokazanym schematycznie na rysunku 14.1, elektron jest przyciągany do jądra (protonu) z siłą 10 39 razy większą niż siła przyciągania grawitacyjnego.

Jeżeli cząstki oddziałują ze sobą z siłami, które maleją wraz ze wzrostem odległości w taki sam sposób, jak siły powszechnej grawitacji, ale wielokrotnie przekraczają siły grawitacji, to mówimy, że cząstki te mają ładunek elektryczny. Same cząstki nazywane są naładowany.

Istnieją cząstki bez ładunku elektrycznego, ale nie ma ładunku elektrycznego bez cząstki.

Nazywa się oddziaływaniem naładowanych cząstek elektromagnetyczny.

Ładunek elektryczny określa intensywność oddziaływań elektromagnetycznych, tak jak masa określa intensywność oddziaływań grawitacyjnych.

Ładunek elektryczny cząstki elementarnej nie jest specjalnym mechanizmem cząstki, który można by z niej usunąć, rozłożyć na części składowe i ponownie złożyć. Obecność ładunku elektrycznego na elektronie i innych cząstkach oznacza jedynie istnienie między nimi określonych oddziaływań siłowych.

W istocie nie wiemy nic o ładunku, jeśli nie znamy praw tych interakcji. Znajomość praw oddziaływań powinna być uwzględniona w naszych poglądach na temat ładunku. Prawa te nie są proste i nie da się ich opisać w kilku słowach. Dlatego nie da się dać oceny dostatecznie zadowalającej krótka definicja pojęcie ładunek elektryczny.


Dwa znaki ładunków elektrycznych.


Wszystkie ciała mają masę i dlatego się przyciągają. Naładowane ciała mogą się zarówno przyciągać, jak i odpychać. Ten najważniejszy fakt, znane ci, oznacza, że ​​​​w naturze istnieją cząstki o ładunkach elektrycznych o przeciwnych znakach; w przypadku ładunków tego samego znaku cząstki odpychają się, a w przypadku różnych znaków przyciągają się.

Ładunek cząstek elementarnych - protony, które są częścią wszystkich jąder atomowych, nazywane są dodatnimi i ładunkami elektrony- negatywny. Nie ma wewnętrznych różnic pomiędzy ładunkami dodatnimi i ujemnymi. Gdyby odwrócić znaki ładunków cząstek, wówczas natura oddziaływań elektromagnetycznych w ogóle by się nie zmieniła.


Opłata podstawowa.


Oprócz elektronów i protonów istnieje kilka innych rodzajów naładowanych cząstek elementarnych. Ale tylko elektrony i protony mogą istnieć w stanie wolnym przez czas nieokreślony. Reszta naładowanych cząstek żyje krócej niż jedną milionową sekundy. Rodzą się podczas zderzeń szybkich cząstek elementarnych i istniejąc przez znikomo krótki czas, rozpadają się, zamieniając się w inne cząstki. Zaznajomisz się z tymi cząsteczkami w 11 klasie.

Cząstki, które nie mają ładunku elektrycznego, obejmują neutron. Jego masa jest tylko nieznacznie większa od masy protonu. Neutrony wraz z protonami są częścią jądro atomowe. Jeśli cząstka elementarna ma ładunek, to jego wartość jest ściśle określona.

Naładowane ciała Siły elektromagnetyczne w przyrodzie odgrywają ogromną rolę, ponieważ wszystkie ciała zawierają cząstki naładowane elektrycznie. Części składowe atomów - jądra i elektrony - mają ładunek elektryczny.

Akcja bezpośrednia siły elektromagnetyczne pomiędzy ciałami nie jest wykrywany, ponieważ ciała w normalnym stanie są elektrycznie obojętne.

Atom dowolnej substancji jest obojętny, ponieważ liczba znajdujących się w nim elektronów jest równa liczbie protonów w jądrze. Dodatnio i ujemnie naładowane cząstki są ze sobą powiązane siły elektryczne i tworzą systemy neutralne.

Ciało makroskopowe jest naładowane elektrycznie, jeśli zawiera nadmiar cząstek elementarnych z jednym znakiem ładunku. Więc, ładunek ujemny ciało jest spowodowane nadmiarem elektronów w stosunku do liczby protonów, a dodatnie wynika z braku elektronów.

Aby otrzymać elektrycznie naładowane ciało makroskopowe, czyli je naelektryzować, należy oddzielić część ładunku ujemnego od związanego z nim ładunku dodatniego lub przenieść ładunek ujemny na ciało neutralne.

Można tego dokonać za pomocą tarcia. Jeśli przeczesujesz grzebieniem suche włosy, niewielka część najbardziej mobilnych naładowanych cząstek – elektronów – przesunie się z włosów na grzebień i naładuje go ujemnie, a włosy naładują się dodatnio.


Równość ładunków podczas elektryfikacji


Za pomocą eksperymentu można wykazać, że oba ciała po naelektryzowaniu przez tarcie uzyskują ładunki o przeciwnych znakach, ale identycznej wielkości.

Weźmy elektrometr, na którego pręcie znajduje się metalowa kula z otworem oraz dwie płytki na długich uchwytach: jedna z twardej gumy, druga z plexi. Pocierając się o siebie, płytki ulegają elektryzowaniu.

Wprowadźmy jedną z płytek do wnętrza kuli, nie dotykając jej ścian. Jeżeli płytka jest naładowana dodatnio, wówczas część elektronów z igły i pręta elektrometru zostanie przyciągnięta do płytki i zgromadzona na niej powierzchnia wewnętrzna kule. W tym samym czasie strzałka zostanie naładowana dodatnio i zostanie odepchnięta od pręta elektrometru (ryc. 14.2, a).

Jeśli włożysz do kuli kolejną płytkę, po uprzednim usunięciu pierwszej, wówczas elektrony kuli i pręta zostaną odepchnięte od płytki i zgromadzą się w nadmiarze na strzałce. Spowoduje to, że strzałka odejdzie od pręta i pod tym samym kątem, co w pierwszym eksperymencie.

Po opuszczeniu obu płyt wewnątrz kuli nie wykryjemy żadnego odchylenia strzałki (ryc. 14.2, b). Dowodzi to, że ładunki płyt są równe pod względem wielkości i mają przeciwny znak.

Elektryfikacja ciał i jej przejawy. Podczas tarcia tkanin syntetycznych następuje znaczna elektryzacja. Kiedy zdejmiesz koszulę wykonaną z materiału syntetycznego na suchym powietrzu, usłyszysz charakterystyczny trzask. Małe iskry przeskakują pomiędzy naładowanymi obszarami trących się powierzchni.

W drukarniach papier podczas drukowania ulega elektryzowaniu i arkusze sklejają się ze sobą. Aby temu zapobiec, stosuje się specjalne urządzenia do odprowadzania ładunku. Czasami jednak stosuje się elektryfikację ciał znajdujących się w bliskim kontakcie, na przykład w różnych instalacjach elektrokopiujących itp.


Prawo zachowania ładunku elektrycznego.


Doświadczenia z elektryzacją płyt dowodzą, że podczas elektryzacji przez tarcie następuje redystrybucja istniejących ładunków pomiędzy ciałami, które wcześniej były obojętne. Niewielka część elektronów przemieszcza się z jednego ciała do drugiego. W tym przypadku nowe cząstki nie pojawiają się, a istniejące wcześniej nie znikają.

Kiedy ciała są naelektryzowane, prawo zachowania ładunku elektrycznego. Prawo to obowiązuje dla układu, do którego cząstki naładowane nie przedostają się z zewnątrz i z którego nie wychodzą, tj. system izolowany.

W izolowanym systemie suma algebraicznaładunki wszystkich ciał są zachowane.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = stała. (14.1)

gdzie q 1, q 2 itd. to ładunki poszczególnych naładowanych ciał.

Prawo zachowania ładunku ma głębokie znaczenie. Jeśli liczba naładowanych cząstek elementarnych nie ulegnie zmianie, wówczas spełnienie prawa zachowania ładunku jest oczywiste. Ale cząstki elementarne mogą przekształcać się w siebie, rodzić się i znikać, dając życie nowym cząstkom.

Jednakże we wszystkich przypadkach naładowane cząstki rodzą się tylko w parach z ładunkami tej samej wielkości i przeciwnymi znakami; Naładowane cząstki również znikają tylko parami, zamieniając się w cząstki neutralne. We wszystkich tych przypadkach suma algebraiczna ładunków pozostaje taka sama.

Ważność prawa zachowania ładunku potwierdzają obserwacje ogromnej liczby przemian cząstek elementarnych. Prawo to wyraża jedną z najbardziej podstawowych właściwości ładunku elektrycznego. Przyczyna zachowania ładunku jest nadal nieznana.

Strona 1

Niemożliwe jest podanie krótkiej definicji opłaty, która byłaby zadowalająca pod każdym względem. Przyzwyczailiśmy się do znajdowania wyjaśnień, które bardzo rozumiemy złożone formacje i procesy takie jak atom, ciekłe kryształy, rozkład cząsteczek według prędkości itp. Ale najbardziej podstawowych, fundamentalnych pojęć, niepodzielnych na prostsze, pozbawionych według dzisiejszej nauki jakiegokolwiek wewnętrznego mechanizmu, nie da się już krótko i zadowalająco wyjaśnić. Zwłaszcza jeśli przedmioty nie są bezpośrednio postrzegane przez nasze zmysły. Do tych podstawowych pojęć odnosi się ładunek elektryczny.

Spróbujmy najpierw dowiedzieć się, czym jest ładunek elektryczny, ale co kryje się za tym stwierdzeniem dane ciało lub cząstka mają ładunek elektryczny.

Wiadomo, że wszystkie ciała zbudowane są z maleńkich cząstek, niepodzielnych na prostsze (o ile nauka obecnie wie) cząstki, które dlatego nazywane są cząstkami elementarnymi. Wszystkie cząstki elementarne mają masę i dzięki temu przyciągają się do siebie. Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia siła przyciągania maleje stosunkowo wolno wraz ze wzrostem odległości między nimi: odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości. Ponadto większość cząstek elementarnych, choć nie wszystkie, ma zdolność oddziaływania ze sobą z siłą, która również maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości, ale siła ta jest wielokrotnie większa niż siła grawitacji . Zatem w atomie wodoru, schematycznie pokazanym na rysunku 1, elektron jest przyciągany do jądra (protonu) z siłą 1039 razy większą niż siła przyciągania grawitacyjnego.

Jeśli cząstki oddziałują ze sobą z siłami, które powoli maleją wraz ze wzrostem odległości i są wielokrotnie większe niż siły grawitacji, wówczas mówi się, że cząstki te mają ładunek elektryczny. Same cząstki nazywane są naładowanymi. Istnieją cząstki bez ładunku elektrycznego, ale nie ma ładunku elektrycznego bez cząstki.

Oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami nazywane są elektromagnetycznymi. Kiedy mówimy, że elektrony i protony są naładowane elektrycznie, oznacza to, że są one zdolne do interakcji określonego rodzaju (elektromagnetycznych) i nic więcej. Brak ładunku na cząstkach powoduje, że nie wykrywa takich oddziaływań. Ładunek elektryczny określa intensywność oddziaływań elektromagnetycznych, tak jak masa określa intensywność oddziaływań grawitacyjnych. Ładunek elektryczny jest drugą (po masie) najważniejszą cechą cząstek elementarnych, która determinuje ich zachowanie w otaczającym świecie.

Zatem

Ładunek elektryczny– to jest fizyczne ilość skalarna, charakteryzujące właściwość cząstek lub ciał wchodzenia w oddziaływania sił elektromagnetycznych.

Ładunek elektryczny jest symbolizowany przez litery q lub Q.

Podobnie jak w mechanice, często używa się tego pojęcia punkt materialny, co pozwala znacznie uprościć rozwiązanie wielu problemów, podczas badania interakcji ładunków idea ładunku punktowego okazuje się skuteczna. Ładunek punktowy to naładowane ciało, którego wymiary są znacznie mniejsze niż odległość tego ciała od punktu obserwacji i innych naładowanych ciał. W szczególności, jeśli mówimy o interakcji dwóch opłaty punktowe, to tym samym zakładają, że odległość między dwoma rozważanymi naładowanymi ciałami jest znacznie większa niż ich wymiary liniowe.

Ładunek elektryczny cząstki elementarnej

Ładunek elektryczny cząstki elementarnej nie jest specjalnym „mechanizmem” cząstki, który można z niej usunąć, rozłożyć na części składowe i ponownie złożyć. Obecność ładunku elektrycznego na elektronie i innych cząstkach oznacza jedynie istnienie pewnych oddziaływań pomiędzy nimi.

W przyrodzie występują cząstki posiadające ładunki o przeciwnych znakach. Ładunek protonu nazywa się dodatnim, a ładunek elektronu ujemnym. Dodatni znak ładunku cząstki nie oznacza oczywiście, że ma ona jakieś szczególne zalety. Wprowadzenie ładunków dwóch znaków wyraża po prostu fakt, że naładowane cząstki mogą zarówno przyciągać, jak i odpychać. Na identyczne znaki cząstki odpychają się, ale jeśli są różne, przyciągają się.

Obecnie nie ma wyjaśnienia przyczyn istnienia dwóch rodzajów ładunków elektrycznych. W każdym razie żadne zasadnicze różnice pomiędzy ładunkami dodatnimi i ujemnymi nie jest wykrywany. Gdyby znaki ładunków elektrycznych cząstek zmieniły się na przeciwne, wówczas natura oddziaływań elektromagnetycznych w przyrodzie nie uległaby zmianie.

Ładunki dodatnie i ujemne są bardzo dobrze zrównoważone we Wszechświecie. A jeśli Wszechświat jest skończony, to jego całkowity ładunek elektryczny jest najprawdopodobniej równy zeru.

Najbardziej niezwykłą rzeczą jest to, że ładunek elektryczny wszystkich cząstek elementarnych jest dokładnie tej samej wielkości. Istnieje ładunek minimalny, zwany elementarnym, który posiadają wszystkie naładowane cząstki elementarne. Ładunek może być dodatni, jak proton, lub ujemny, jak elektron, ale moduł ładunku jest taki sam we wszystkich przypadkach.

Nie da się oddzielić części ładunku np. od elektronu. To jest chyba najbardziej zaskakujące. Nic współczesna teoria nie potrafi wyjaśnić, dlaczego ładunki wszystkich cząstek są takie same i nie potrafi obliczyć wartości minimalnego ładunku elektrycznego. Określa się to eksperymentalnie za pomocą różnych eksperymentów.

W latach sześćdziesiątych XX wieku, gdy liczba nowo odkrytych cząstek elementarnych zaczęła niepokojąco rosnąć, postawiono hipotezę, że wszystkie cząstki silnie oddziałujące są złożone. Bardziej podstawowe cząstki nazywano kwarkami. Zadziwiające było to, że kwarki powinny mieć ułamkowy ładunek elektryczny: 1/3 i 2/3 ładunek elementarny. Do budowy protonów i neutronów wystarczą dwa rodzaje kwarków. A ich maksymalna liczba najwyraźniej nie przekracza sześciu.

Jednostka miary ładunku elektrycznego

Czy potrafisz krótko i zwięźle odpowiedzieć na pytanie: „Co to jest ładunek elektryczny?” Na pierwszy rzut oka może się to wydawać proste, ale w rzeczywistości okazuje się znacznie bardziej skomplikowane.

Czy wiemy, czym jest ładunek elektryczny?

Faktem jest, że na obecnym poziomie wiedzy nie możemy jeszcze rozłożyć pojęcia „ładunek” na prostsze składowe. Jest to koncepcja fundamentalna, że ​​tak powiem, pierwotna.

Wiemy, że tak jest konkretna właściwość cząstek elementarnych, znany jest mechanizm oddziaływania ładunków, możemy zmierzyć ładunek i wykorzystać jego właściwości.

Wszystko to jest jednak konsekwencją danych uzyskanych eksperymentalnie. Natura tego zjawiska wciąż nie jest dla nas jasna. Dlatego nie możemy jednoznacznie określić, czym jest ładunek elektryczny.

Aby to zrobić, konieczne jest rozpakowanie całego szeregu koncepcji. Wyjaśnij mechanizm oddziaływania ładunków i opisz ich właściwości. Dlatego łatwiej jest zrozumieć, co oznacza stwierdzenie: „ tę cząstkę ma (przenosi) ładunek elektryczny.”

Obecność ładunku elektrycznego na cząstce

Później udało się jednak ustalić, że liczba cząstek elementarnych jest znacznie większa, a proton, elektron i neutron nie są niepodzielnymi i podstawowymi budulcami Wszechświata. Same mogą rozkładać się na składniki i zamieniać się w inne rodzaje cząstek.

Dlatego też nazwa „cząstka elementarna” obejmuje obecnie dość dużą klasę cząstek mniejszych rozmiarami niż atomy i jądra atomowe. W tym przypadku cząstki mogą mieć różne właściwości i właściwości.

Jednak taka właściwość, jak ładunek elektryczny, występuje tylko w dwóch typach, które są umownie nazywane dodatnimi i ujemnymi. Obecność ładunku na cząstce oznacza jej zdolność do odpychania lub przyciągania innej cząstki, która również niesie ładunek. Kierunek oddziaływania zależy od rodzaju ładunków.

Podobnie jak ładunki odpychają się, w przeciwieństwie do ładunków przyciągają. Co więcej, siła oddziaływania między ładunkami jest bardzo duża w porównaniu z siłami grawitacyjnymi właściwymi dla wszystkich bez wyjątku ciał we Wszechświecie.

Na przykład w jądrze wodoru elektron niosący ładunek ujemny jest przyciągany do jądra składającego się z protonu i niosącego ładunek dodatni, z siłą 1039 razy większą niż siła, z jaką ten sam elektron jest przyciągany przez proton w wyniku oddziaływanie grawitacyjne.

Cząstki mogą, ale nie muszą, przenosić ładunek, w zależności od rodzaju cząstki. Nie da się jednak „usunąć” ładunku z cząstki, tak jak niemożliwe jest istnienie ładunku na zewnątrz cząstki.

Oprócz protonu i neutronu, niektóre inne rodzaje cząstek elementarnych niosą ładunek, ale tylko te dwie cząstki mogą istnieć w nieskończoność.

Od około 1000 sekund (dla wolnego neutronu) do znikomego ułamka sekundy (od 10 -24 do 10 -22 s dla rezonansów).

Strukturę i zachowanie cząstek elementarnych bada fizyka cząstek elementarnych.

Wszystkie cząstki elementarne podlegają zasadzie tożsamości (wszystkie cząstki elementarne tego samego typu we Wszechświecie są całkowicie identyczne we wszystkich swoich właściwościach) oraz zasadzie dualizmu cząstkowo-falowego (każda cząstka elementarna odpowiada fali de Broglie'a).

Wszystkie cząstki elementarne mają właściwość wzajemnej przemiany, co jest konsekwencją ich oddziaływań: silnego, elektromagnetycznego, słabego, grawitacyjnego. Oddziaływania cząsteczkowe powodują przekształcenia cząstek i ich zbiorów w inne cząstki i ich zbiory, jeśli takie przekształcenia nie są zabronione przez prawa zachowania energii, pędu, momentu pędu, ładunku elektrycznego, ładunku barionowego itp.

Główne cechy cząstek elementarnych: czas życia, masa, spin, ładunek elektryczny, moment magnetyczny, ładunek barionowy, ładunek leptonowy, dziwność, spin izotopowy, parzystość, parzystość ładunku, parzystość G, parzystość CP.

Klasyfikacja

Przez całe życie

  • Stabilne cząstki elementarne to cząstki, które mają nieskończoność wielki czasżycie w stanie wolnym (proton, elektron, neutrino, foton i ich antycząstki).
  • Niestabilne cząstki elementarne to cząstki, które w skończonym czasie rozpadają się na inne cząstki w stanie swobodnym (wszystkie pozostałe cząstki).

Według wagi

Wszystkie cząstki elementarne dzielą się na dwie klasy:

  • Cząstki bezmasowe to cząstki o zerowej masie (foton, gluon).
  • Cząstki o masie niezerowej (wszystkie pozostałe cząstki).

Największymi plecami

Wszystkie cząstki elementarne dzielą się na dwie klasy:

Według rodzaju interakcji

Cząstki elementarne dzielą się na następujące grupy:

Cząsteczki złożone

  • Hadrony to cząstki biorące udział we wszystkich rodzajach oddziaływań podstawowych. Składają się z kwarków i dzielą się z kolei na:
    • mezony są hadronami o spinie całkowitym, czyli bozonami;
    • bariony to hadrony o spinie półcałkowitym, czyli fermiony. Należą do nich w szczególności cząstki tworzące jądro atomu - proton i neutron.

Cząstki podstawowe (bez struktury).

  • Leptony to fermiony, które mają postać cząstek punktowych (tzn. nieskładających się z niczego) o skali do 10–18 m. Nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych. Udział w oddziaływania elektromagnetyczne zaobserwowane eksperymentalnie tylko dla naładowanych leptonów (elektronów, mionów, leptonów tau), a nie zaobserwowane dla neutrin. Istnieje 6 znanych typów leptonów.
  • Kwarki to cząstki naładowane cząstkowo, będące częścią hadronów. Nie zaobserwowano ich w stanie wolnym (zaproponowano mechanizm ograniczający w celu wyjaśnienia braku takich obserwacji). Podobnie jak leptony, dzieli się je na 6 typów i uważa się je za pozbawione struktury, jednakże w odróżnieniu od leptonów uczestniczą w oddziaływaniach silnych.
  • Bozony cechujące to cząstki, w wyniku wymiany których zachodzą oddziaływania:
    • foton jest cząstką przenoszącą oddziaływanie elektromagnetyczne;
    • osiem gluonów – cząstek przenoszących oddziaływanie silne;
    • trzy bozony wektorów pośrednich W + , W- i Z 0, które tolerują słabą interakcję;
    • grawiton - hipotetyczna cząstka, przenosząc oddziaływanie grawitacyjne. Istnienie grawitonów, choć nie zostało jeszcze udowodnione eksperymentalnie ze względu na słabość oddziaływania grawitacyjnego, uważa się za całkiem prawdopodobne; jednakże grawiton nie jest uwzględniony w Modelu Standardowym cząstek elementarnych.

Wideo na ten temat

Rozmiary cząstek elementarnych

Pomimo dużej różnorodności cząstek elementarnych, ich rozmiary można podzielić na dwie grupy. Rozmiary hadronów (zarówno barionów, jak i mezonów) wynoszą około 10 −15 m, co jest zbliżone do średniej odległości pomiędzy zawartymi w nich kwarkami. Rozmiary podstawowych, pozbawionych struktury cząstek – bozonów cechowania, kwarków i leptonów – w granicach błędu eksperymentalnego są zgodne z ich punktową naturą ( Górna granicaśrednica wynosi około 10-18 m) ( zobacz wyjaśnienie). Jeżeli w dalszych eksperymentach nie zostaną odkryte ostateczne rozmiary tych cząstek, może to wskazywać, że rozmiary bozonów cechujących, kwarków i leptonów są zbliżone do długości podstawowej (która z dużym prawdopodobieństwem może okazać się długością Plancka równą 1,6 · 10 −35 m).

Należy jednak zaznaczyć, że wielkość cząstki elementarnej jest pojęciem dość złożonym i nie zawsze zgodnym z koncepcjami klasycznymi. Po pierwsze, zasada nieoznaczoności nie pozwala na ścisłe zlokalizowanie cząstki fizycznej. Pakiet falowy, który reprezentuje cząstkę jako superpozycję precyzyjnie zlokalizowanych stanów kwantowych, ma zawsze skończone wymiary i pewną strukturę przestrzenną, a wymiary pakietu mogą być dość makroskopowe - na przykład elektron w eksperymencie z interferencją na dwóch szczeliny „wyczuwają” obie szczeliny interferometru, oddalone od siebie o makroskopową odległość. Po drugie, cząstka fizyczna zmienia strukturę próżni wokół siebie, tworząc „płaszcz” krótkotrwałych cząstek wirtualnych - par fermion-antyfermion (patrz Polaryzacja próżni) i bozony przenoszące oddziaływania. Wymiary przestrzenne tego obszaru zależą od ładunków cechowania posiadanych przez cząstkę oraz od mas bozonów pośrednich (promień powłoki masywnych wirtualnych bozonów jest bliski ich długości fali Comptona, która z kolei jest odwrotnie proporcjonalna do ich masa). Zatem promień elektronu z punktu widzenia neutrin (między nimi jest to tylko możliwe słaba interakcja) jest w przybliżeniu równa długości fali Comptona bozonów W, ~3 × 10 -18 m i wymiarom obszaru silna interakcja hadrony są określane na podstawie długości fali Comptona najlżejszego hadronu, mezonu pi (~10-15 m), który pełni tutaj rolę nośnika interakcji.

Fabuła

Początkowo termin „cząstka elementarna” oznaczał coś absolutnie elementarnego, pierwszą cegiełkę materii. Kiedy jednak w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku odkryto setki hadronów o podobnych właściwościach, stało się jasne, że hadrony mają przynajmniej wewnętrzne stopnie swobody, to znaczy nie są elementarne w ścisłym tego słowa znaczeniu. To podejrzenie potwierdziło się później, gdy okazało się, że hadrony składają się z kwarków.

W ten sposób fizycy weszli nieco głębiej w strukturę materii: leptony i kwarki są obecnie uważane za najbardziej elementarne, punktowe części materii. Dla nich (wraz z bozonami cechowania) termin „ fundamentalny cząstki”.

W teorii strun, która jest aktywnie rozwijana mniej więcej od połowy lat 80. XX wieku, zakłada się, że cząstki elementarne i ich interakcje są konsekwencjami różne rodzaje wibracje szczególnie małych „strun”.

Model standardowy

Model Standardowy cząstek elementarnych obejmuje 12 rodzajów fermionów, odpowiadające im antycząstki oraz bozony cechowania (fotony, gluony, W- I Z-bozony), które przenoszą oddziaływania pomiędzy cząstkami, oraz odkryty w 2012 roku bozon Higgsa, który odpowiada za obecność masa obojętna przy cząsteczkach. Jednak Model Standardowy jest w dużej mierze postrzegany jako teoria tymczasowa, a nie prawdziwie fundamentalna, ponieważ nie uwzględnia grawitacji i zawiera kilkadziesiąt dowolnych parametrów (masy cząstek itp.), których wartości nie wynikają bezpośrednio z teoria. Być może istnieją cząstki elementarne, które nie są opisane Model standardowy- na przykład takie jak grawiton (cząstka, która hipotetycznie przenosi siły grawitacyjne) lub supersymetryczni partnerzy zwykłych cząstek. W sumie model opisuje 61 cząstek.

Fermiony

12 smaków fermionów jest podzielonych na 3 rodziny (pokolenia) po 4 cząsteczki każda. Sześć z nich to kwarki. Pozostałe sześć to leptony, z których trzy to neutrina, a pozostałe trzy mają jednostkowy ładunek ujemny: elektron, mion i lepton tau.

Pokolenia cząstek
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
Elektron: e- Mion: μ − Lepton Tau: τ −
Neutrino elektronowe: ν e Neutrino mionowe: ν μ Neutrino Tau: ν τ (\ Displaystyle \ nu _ (\ tau)}
u-quark („w górę”): ty c-quark („czarowany”): C t-kwark („prawda”): T
d-kwark („w dół”): D s-kwark („dziwny”): S b-kwark („cudowny”): B

Antycząstki

Istnieje również 12 antycząstek fermionowych odpowiadających powyższym dwunastu cząstkom.

Antycząstki
Pierwsza generacja Drugie pokolenie Trzecia generacja
pozyton: e+ Mion dodatni: μ + Dodatni lepton tau: τ +
Antyneutrino elektronowe: ν ¯ mi (\ Displaystyle (\ bar (\ nu)) _ (e)) Antyneutrino mionowe: ν ¯ μ (\ Displaystyle (\ bar (\ nu)) _ (\ mu)} Antyneutrino Tau: ν ¯ τ (\ Displaystyle (\ bar (\ nu)) _ (\ tau)}
ty-antyczny: u ¯ (\ Displaystyle (\ bar (u))) C-antyczny: do ¯ (\ Displaystyle (\ bar (c))) T-antyczny: t ¯ (\ Displaystyle (\ bar (t)))
D-antyczny: re ¯ (\ Displaystyle (\ bar (d))) S-antyczny: s ¯ (\ Displaystyle (\ bar (s))) B-antyczny: b ¯ (\ Displaystyle (\ bar (b)))

Kwarki

Kwarków i antykwarków nigdy nie odkryto w stanie wolnym - tłumaczy to zjawisko