Subatomārā daļiņa — definīcija un piemēri: protoni, neitroni, elektroni

Subatomārā daļiņa ir par atomu mazāka daļiņa. Tas nozīmē, ka tā ir ārkārtīgi maza — tāpat kā atomi un molekulas, arī subatomārās daļiņas nav redzamas ar neapbruņotu aci. Tās pētī zinātniekiem, kuri cenšas saprast atomu uzbūvi un fundamentālas dabas likumus. Visbiežāk aprakstītās subatomārās daļiņas, no kurām veidojas atomi, ir protoni, neitroni un elektroni. Subatomāro daļiņu pētniecība tiek dēvēta par daļiņu fiziku.

Galvenās īpašības un pamatterminoloģija

Subatomārās daļiņas mijiedarbojas galvenokārt caur četriem fundamentāliem spēkiem: gravitācija, elektromagnētiskais spēks, spēcīgais spēks un vājais spēks). Atoma kodolā dominē spēcīgais spēks, kas satur kopā protonus un neitronus, bet ārpus kodola svarīgs ir elektromagnētiskais spēks, kas nosaka elektronu mijiedarbību ar kodolu un citu atomu elektroniem. Ārpus atoma daļiņas bieži pārvietojas ļoti ātri — tuvu gaismas ātrumam (aptuveni 300 000 km/s), tādēļ jāņem vērā arī speciālās relativitātes efekti.

Protoni, neitroni un elektroni — īss pārskats

• Protons — pozitīvi lādēta daļiņa atomu kodolā. Protona lādiņš ir +1e (e ≈ 1,602×10−19 C). Protona masa ir apmēram 1,6726×10−27 kg (≈ 938,3 MeV/c²). Protonu skaits atoms nosaka tā ķīmiskās īpašības (atomskaitli).
• Neitrons — elektriski neitrāla daļiņa kodolā. Neitrona masa ir nedaudz lielāka par protona (apmēram 1,6749×10−27 kg, ≈ 939,6 MeV/c²). Neitroni kopā ar protoniem nosaka atoma masu un izotopus.
• Elektrons — negatīvi lādēta daļiņa, kas apdzīvo atomu elektronmākoni ap kodolu. Elektrona lādiņš ir −1e, masa apmēram 9,109×10−31 kg (≈ 0,511 MeV/c²). Elektroni izšķir atomu ķīmiju (elektronkonfigurācija, ķīmiskās saites) un ir leptonu piemērs.

Barions (baroni) un leptoni

Subatomārās daļiņas parasti iedala divās lielās grupās — baronos un leptonos. Barjonus veido kvarki, un tie ir ceļā uz sarežģītāku struktūru (piemēram, protoni un neitroni). Leptoni (piemēram, elektroni, mioni, tausi un neitrīni) nav sastāv no kvarkiem un parasti tiek uzskatīti par elementārām daļiņām.

Barjoniem ir noteikts barjonu skaits (barjonu skaitlis), kas starpā reakcijās parasti saglabājas. Reakcijās barjonu skaitlim ir jābūt saglabātam — tas ir viens no konservācijas likumiem daļiņu fizikā. Barjonu daļiņas sastāv no trim kvarkiem. Kvarku seši “veidi” jeb garšas ir angļu klasifikācijā: up (augšējais), down (lejējais), strange (dīvainais), charm (šarmu), top (augšējais) un bottom (apakšējais) — latviski parasti lieto nosaukumus augšējais, lejējais, dīvainais, šarmu, augstais (top) un apakšējais (bottom).

Leptonu īpašības

Leptoni parasti ir vieglāki par barjoniem un nav sadalāmi kvarkos. Galvenie leptoni: elektrons, mions, taus un trīs veidi neitrīnu. Neitrīni ir gandrīz bezmasa un reti mijiedarbojas ar vielu, tāpēc tie var ceļot caur materiāliem praktiski neskarti. Mioni un taus ir masas ziņā smagāki par elektronu un parasti ātri sadalās citās daļiņās.

Antidaļiņas un sadursmes

Katram no šiem tipiem eksistē arī pretdaļiņa (antidaļiņa). Antidaļiņām parasti ir tāda pati masa kā to atbilstošajām daļiņām, bet pretējs elektriskais lādiņš. Kad matērija un antimatērija saskaras, tās savstarpēji anihilējas un atbrīvo enerģiju — procesā rodas fotoni vai citas daļiņas. Šīs reakcijas izdalītā enerģija var aprakstīt ar slaveno vienādojumu E=mc2, kur m ir anihilēto daļiņu masa, c — gaismas ātrums, bet E — saražotā enerģija.

Šādas sadursmes bieži notiek lielos daļiņu paātrinātājos, kur ļoti liela kinētiskā enerģija tiek koncentrēta, lai radītu jaunas, bieži smagas daļiņas — tās eksistē ļoti īsu laiku un ātri sadalās. Paātrinātājos enerģiju var arī pārvērst par masu (pair production) un pretēji, izmantojot E=mc2, ļaujot ražot eksotiskas daļiņas, ko neatrod dabā.

Eksperimentālā pētīšana un relativitāte

Lielākā daļa atklāto daļiņu rodas, paātrinot daļiņas un sadurot tās ar citiem mērķiem vai spilgtas strūklas — rezultātā rodas momentāni jaunu subatomāro daļiņu “sprādzieni”, kas ātri sadalās. Pētījumos izmanto dažādus detektorus (trajectoriju detektori, kalorimetrus, Čerenkova traucējumu detektorus u. c.). Tā kā daļiņas paātrinātājos bieži pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, tiek ņemti vērā speciālās relativitātes efekti: speciālās relativitātes likumi nosaka masu-enerģijas saistību, laika plūsmas izmaiņas un citus fenomenu. Nozīmīgs relativitātes efekts ir laika dilatācija, kas nozīmē, ka ātri kustīgām daļiņām “laiks paiet lēnāk” vērotājam, un tādēļ stabilas vai pusstabila daļiņas var nobraukt lielāku attālumu, nekā gaidītu klasiskā (nerelativistiskā) fizika.

Konservācijas likumi un to nozīme

Daļiņu mijiedarbībās pastāv vairāki konservācijas likumi, kas nosaka, kādas reakcijas ir iespējas: kopējā enerģija, impulss, elektriskais lādiņš, barjonu skaits (barjonu skaitlis) un leptonu skaits bieži tiek saglabāti. Šie likumi palīdz prognozēt, kādas daļiņas var rasties sadursmēs un kā tās sadalīsies.

Kopsavilkums

Subatomārās daļiņas — protoni, neitroni, elektroni, kvarki, leptoni un to antidaļiņas — ir pamatelementi, no kuriem veidojas viela un enerģijas izpausmes visā Visumā. To īpašības (masa, lādiņš, spins, mijiedarbības spēks) nosaka atomu un molekulu uzvedību, kodolfizikas procesus un kosmiskus notikumus. Daļiņu fizika nepārtraukti attīstās: ar moderniem paātrinātājiem un detektoriem zinātnieki atklāj jaunus aspektus par fundamentālajām dabas likumībām.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir subatomārā daļiņa?

J: Kādas ir visbiežāk pētītās subatomārās daļiņas?

J: Kādi spēki satur kopā atomus?

J: Cik ātri pārvietojas subatomārās daļiņas?

Vai barjoni un leptoni ir dažāda veida daļiņas?

J: Vai antidaļiņām ir pretējs elektriskais lādiņš nekā to parastajām daļiņām?

Meklēt pēc burta