Cząstki subatomowe i składniki atomu

Cząstki subatomowe (subatomic particle)

Cząstki subatomowe (subatomic particle) to cząstki o rozmiarach mniejszych niż atom. Wśród cząstek subatomowych są zarówno cząstki złożone, zbudowane z jeszcze mniejszych składników, jak i cząstki podstawowe, których nie uważa się za dalej podzielne. W inżynierii jądrowej szczególnie istotne są następujące cząstki elementarne.

• hadrony (hadron)
  • bariony (baryon)
    • nukleony (nucleon)
      • proton (proton)
      • neutron (neutron)
• leptony (lepton)
  • elektron (electron)
  • pozyton (positron)
  • neutrino (neutrino)

Nazwa „lepton (lepton)” pochodzi od greckiego „λεπτός”, oznaczającego „mały” i „cienki”. W momencie nadania nazwy uznano, że są to cząstki o mniejszej masie niż inne typy cząstek elementarnych, jednak później, w latach 11970. kalendarza holoceńskiego, odkryto tauon (tauon), który mimo że jest leptonem, ma masę bliską 1,9 masy protonu i neutronu — w praktyce więc „lepton” nie zawsze oznacza coś lekkiego.

Elektron (electron) i pozyton (positron)

• masa spoczynkowa: $m_e = 9.10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• wartość ładunku: $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Elektrony występują w dwóch odmianach: $e^-$ (ujemny elektron, negatron) o ładunku ujemnym oraz $e^+$ (pozyton, positron) o ładunku dodatnim. Różnią się wyłącznie znakiem ładunku, natomiast pozostałe własności mają identyczne. Zwykle, jeśli bez dodatkowych zastrzeżeń mówi się „elektron”, ma się na myśli elektron ujemny.

W określonych warunkach, gdy pozyton i elektron zderzają się, te dwie cząstki ulegają anihilacji, emitując dwa fotony. Proces ten nazywa się anihilacją elektronowo-pozytonową (electron annihilation), a powstające wtedy fotony określa się jako promieniowanie anihilacyjne (annihilation radiation).

Źródło obrazu

• autorzy: Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• licencja: GFDLv1.2

Proton (proton)

• masa spoczynkowa: $m_p = 1.6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• wartość ładunku: + $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Ma ładunek dodatni o tej samej wartości co elektron.

Neutron (neutron)

• masa spoczynkowa: $m_n = 1.674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• ładunek: $0$

Ma nieco większą masę niż proton i jest elektrycznie obojętny. Poza jądrem atomowym nie jest stabilny, więc rozpada się, emitując elektron oraz elektronowe antyneutrino, i przechodzi w proton; proces ten trwa średnio około 12 minut.

Neutrino (neutrino)

• masa spoczynkowa: bardzo mała (dokładna wartość nieznana)
• ładunek: $0$

Początkowo sądzono, że masa spoczynkowa wynosi 0, jednak w 11998 roku japoński zespół badawczy Super-Kamiokande wykazał, że neutrino ma bardzo małą, lecz niezerową masę. Istnieje kilka rodzajów; w reakcjach jądrowych szczególnie istotne są neutrino elektronowe (electron neutrino) oraz antyneutrino elektronowe (electron anti-neutrino), przy czym często nie rozróżnia się ich i traktuje jako jeden rodzaj.

Struktura atomu i jądra atomowego

\[^A_Z X \ (\text{A: liczba masowa, Z: liczba atomowa, X: symbol pierwiastka})\]

• Atom składa się z chmury elektronowej oraz jądra atomowego położonego w centrum
• Niezharmonizowany (niezjonizowany) atom obojętny ma tyle samo elektronów co protonów; elektrony krążą wokół jądra
• Elektrony determinują własności chemiczne atomu oraz rodzaj pierwiastka
• Jądro atomowe składa się z nukleonów: protonów i neutronów; nukleony wiążą się, pokonując odpychanie elektryczne dzięki silnej sile jądrowej (Nuclear Force)
• Liczba atomowa (atomic number): liczba protonów w jądrze atomowym; oznacza się ją $Z$
• Całkowity ładunek jądra: +$Ze$
• Liczba neutronów (neutron number): liczba neutronów w jądrze atomowym; oznacza się ją $N$
• Liczba masowa (atomic mass number) lub liczba nukleonów (nucleon number): suma liczby protonów i neutronów w jądrze. $A=Z+N.$
• Nuklid (nuclide): jądro atomowe o określonej liczbie protonów i neutronów

Izotopy (isotope), izobary (isobar), izotony (isotone), izomery jądrowe (isomer)

Klasyfikacja	Definicja
Izotop (isotope)	nuklidy o tej samej liczbie atomowej, ale różnej liczbie neutronów
Izobar (isobar)	nuklidy o tej samej liczbie masowej, ale różnej liczbie protonów i neutronów
Izoton (isotone)	nuklidy o tej samej liczbie neutronów, ale różnej liczbie atomowej
Izomer jądrowy (isomer)	ten sam nuklid, lecz jądro atomowe w stanie metastabilnym wskutek wzbudzenia (excitation) co najmniej jednego nukleonu