Субатомни частици: дефиниция, видове и основни свойства

Субатомни частици: ясна дефиниция, видове (протони, неутрони, електрони, кварки, лептони) и ключови свойства — научете основите и тайните им.

Субатомната частица е частица, по-малка от атом. Това означава, че тя е изключително малка — много по-малка от всяка молекула и невидима с просто око. Подобно на атомите и молекулите, субатомните частици се изучават с помощта на специализирани инструменти и експерименти. Те са основният предмет на изследванията във физиката на частиците, която често се нарича и физика на елементарните частици. Най-често срещаните и изучавани субатомни частици в природата са съставните части на атома: протони, неутрони и електрони, но в лабораториите се създават и много други, по-тежки и нестабилни частици.

Видове субатомни частици

Субатомните частици могат да бъдат разделени на две големи групи: такива, които са съставни (хадрони), и такива, които са елементарни по същността си. В текста по-долу запазваме общоприетото разделение на бариони и лептони, но допълваме и с други важни категории.

Хадрони: Това са частици, съставени от кварки. Хадроните се делят на две подгрупи:

• Бариони — съставени основно от три кварка (например протоните и неутроните). Барионите имат определено барионно число и в реакции това число се запазва.
• Мезони — обикновено съставени от кварк и антикварк; те са чести в продуктите на сблъсъци на високи енергии и често са нестабилни.

Кварките, от които са изградени хадроните, съществуват в шест „вкуса“ (flavors): up (горен), down (долен), strange (странен), charm (чаровен), top (топ) и bottom (ботъм). Комбинациите от тези кварки дават различни видове бариони и мезони; например протонът и неутронът са направени главно от кварките up и down.

Лептони — това са елементарни (неделими според стандартния модел) частици, които не съдържат кварки. В тази група влизат електроните, техните тежки аналози мюоните и тау-частиците (тауси), както и неутрино-ата. Лептоните не участват в силните ядрени взаимодействия (силната сила), но взаимодействат чрез електромагнитната и слабата сила (а неутриното — предимно чрез слабото взаимодействие).

Основни свойства и сили

Субатомните частици имат физични характеристики като маса, заряд, спин (вътрешен ъглов момент), живот (време до разпад) и квантови числа (например барионно и лептонно число). Тези свойства определят как всяка частица взаимодейства с останалите чрез четирите фундаментални сили — гравитация, електромагнитна сила, силна сила и слаба сила). Взаимодействията се пренасят чрез носители на взаимодействието: фотоните при електромагнитното взаимодействие, глуоните при силното взаимодействие и W и Z бозоните при слабото взаимодействие. За гравитацията в рамките на квантовата теория се предполага хипотетичен носител — гравитон, но той не е открит експериментално.

Маси и енергии в света на частиците често се измерват в електронволтове (eV), например масата на електрона е около 0.511 MeV/c2, а масата на протона — около 938 MeV/c2. Някои открити частици са много тежки и живеят много кратко, разграждайки се в по-леки частици чрез различни канали на разпад.

Античастици и аннигилация

За всяка от частиците съществува и античастица. Античастиците имат същата маса като нормалните си аналози, но противоположни електрически заряд и други квантовите числа (напр. барионно или лептонно число със знак минус). Когато частица и античастица се срещнат, те могат да се аннигилират — да се превърнат в енергия (фотони или други частици). Процесът освобождава енергия, съответстваща на формулата E=mc2, където m е общата маса, а c — скоростта на светлината. Аннигилацията и обратните процеси (създаване на частици от енергия) се наблюдават често в експерименти с частици и в природата (напр. при някои астрофизични явления).

Как се изследват субатомните частици

Много от известните частици са създадени и открити чрез ускоряване и сблъскване на частици в големи ускорители на частици, като Големия адронен колайдер (LHC). При тези сблъсъци се отделят големи количества енергия, която може да се превърне в маса, разкривайки нови частици според едноименната еквивалентност между маса и енергия. Резултатите се регистрират с помощта на сложни детектори, които проследяват продуктите на реакциите и позволяват реконструкция на краткотрайните процеси.

За частиците, които се движат с много високи скорости (често близки до скоростта на светлината), ефектите на специалната теория на относителността стават важни: наблюдаваме релативистично увеличаване на масата/енергията, забавяне на времето и свиване на дължините. Това означава, че нестабилни частици могат да изминат по-големи разстояния в лабораторната рамка, отколкото би се очаквало без релативистични ефекти — т.нар. „забавяне на времето“ или time dilation.

Законове за запазване и значение

При взаимодействията на субатомно ниво важат редица закони за запазване: енергия, импулс, електрически заряд, барионно и лептонно число (в повечето реакции), спин и други квантови числа. Някои симетрии и техните нарушения (например нарушение на CP-симетрията) имат ключово значение за разбирането защо във видимата Вселена доминира материята пред антиматерията.

Изучаването на субатомните частици дава отговори на фундаментални въпроси за структурата на материята, за силите в природата и за условията в ранната Вселена. В същото време приложението на знанията от тази област води до технологии като медицински детектори, радиотерапия и напреднали електронни инструменти.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява субатомната частица?

В: Кои са най-често изучаваните субатомни частици?

В: Какви сили държат заедно атомите?

В: Колко бързо се движат субатомните частици?

В: Различни видове частици ли са барионите и лептоните?

В: Античастиците имат ли противоположни електрически заряди в сравнение с нормалните си събратя?

Търсене по буква