Particulă elementară

În fizică, o particulă elementară sau o particulă fundamentală este o particulă care nu este formată din alte particule.

O particulă elementară poate fi una dintre cele două grupe: un fermion sau un boson. Fermionii sunt elementele constitutive ale materiei și au masă, în timp ce bosonii se comportă ca purtători de forță pentru interacțiunile dintre fermioni, iar unii dintre ei nu au masă. Modelul standard este cel mai acceptat mod de a explica modul în care se comportă particulele și forțele care le afectează. Conform acestui model, particulele elementare sunt grupate în quarci, leptoni și bosoni de gauge, bosonulHiggs având un statut special ca boson non-gauge.

Dintre particulele care alcătuiesc un atom, doar electronul este o particulă elementară. Protonii și neutronii sunt alcătuite fiecare din 3 quarci, ceea ce le face să fie particule compozite, adică particule care sunt alcătuite din alte particule. Quarcurile sunt legate între ele prin gluoni. Nucleul are câmpuri de bosoni pionii responsabili de forța nucleară puternică care leagă protonii și neutronii împotriva repulsiei electrostatice dintre protoni. Astfel de pioni virtuali sunt compuși din perechi de quarci antiquarci ținute din nou împreună de gluoni.

Există trei proprietăți de bază care descriu o particulă elementară: "masa", "sarcina" și "spinul". Fiecărei proprietăți i se atribuie o valoare numerică. Pentru masă și sarcină, numărul poate fi zero. De exemplu, un foton are masă zero, iar un neutrino are sarcină zero. Aceste proprietăți rămân întotdeauna aceleași pentru o particulă elementară.

  • Masa: O particulă are masă dacă este nevoie de energie pentru a-i crește viteza sau pentru a o accelera. Tabelul din dreapta prezintă masa fiecărei particule elementare. Valorile sunt date în MeV/c2s (adică se pronunță megaelectronvolți pe "c" la pătrat), adică în unități de energie pe viteza luminii la pătrat. Acest lucru provine din relativitatea specială, care ne spune că energia este egală cu masa înmulțită cu pătratul vitezei luminii. Toate particulele cu masă produc gravitație. Toate particulele sunt afectate de gravitație, chiar și particulele fără masă, cum ar fi fotonul (a se vedea relativitatea generală).
  • Sarcina electrică: Particulele pot avea sarcină pozitivă, negativă sau deloc. Dacă o particulă are o sarcină negativă, iar o altă particulă are o sarcină pozitivă, cele două particule se atrag una pe cealaltă. Dacă ambele particule au sarcină negativă sau ambele au sarcină pozitivă, cele două particule sunt îndepărtate. La distanțe scurte, această forță este mult mai puternică decât forța de gravitație, care atrage toate particulele împreună. Un electron are sarcina -1. Un proton are sarcina +1. Un neutron are o sarcină medie de 0. Quarcii normali au sarcină de ⅔ sau -⅓.
  • Spin: Momentul unghiular sau rotația constantă a unei particule are o anumită valoare, numită număr de spin. Spinul pentru particulele elementare este unul sau ½. Proprietatea de spin a particulelor denotă doar prezența momentului unghiular. În realitate, particulele nu se rotesc.

Masa și sarcina sunt proprietăți pe care le observăm în viața de zi cu zi, deoarece gravitația și electricitatea afectează lucrurile pe care oamenii le văd și le ating. Dar spinul afectează doar lumea particulelor subatomice, așa că nu poate fi observat direct.

Modelul standard al particulelor elementare. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.Zoom
Modelul standard al particulelor elementare. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermioni

Fermionii (denumiți după omul de știință Enrico Fermi) au un număr de spin de ½ și sunt fie quarci, fie leptoni. Există 12 tipuri diferite de fermioni (fără a include antimateria). Fiecare tip se numește "aromă". Aromele sunt:

  • Quarci: sus, jos, farmec, ciudat, sus, jos, sus, jos. Quarcii se prezintă în trei perechi, numite "generații". Prima generație (up și down) este cea mai ușoară, iar cea de-a treia (top și bottom) este cea mai grea. Un membru al fiecărei perechi (up, charm și top) are o sarcină de ⅔. Celălalt membru (jos, ciudat și jos) are sarcina -⅓.
  • Leptoni: electron, muon, tau, neutrino de electron, neutrino de muon, neutrino de tau. Neutrinii au sarcina 0, de unde și prefixul neutr-. Ceilalți leptoni au sarcina -1. Fiecare neutrino este denumit după leptonul original corespunzător: electronul, muonul și tauonul.

Se crede că șase dintre cei 12 fermioni sunt veșnici: quarcii up și down, electronul și cele trei tipuri de neutrini (care își schimbă constant aroma). Ceilalți fermioni se dezintegrează. Adică, se descompun în alte particule la o fracțiune de secundă după ce au fost creați. Statistica Fermi-Dirac este o teorie care descrie modul în care se comportă colecțiile de fermioni. În esență, nu poți avea mai mult de un fermion în același loc în același timp.

Bosoni

Bosonii, numiți după fizicianul indian Satyendra Nath Bose, au spin 1. Deși majoritatea bosonilor sunt compuși din mai multe particule, există două tipuri de bosoni elementari:

Fotonul și gluonii nu au sarcină și sunt singurele particule elementare care au masa 0 în mod sigur. Fotonul este singurul boson care nu se dezintegrează. Statistica Bose-Einstein este o teorie care descrie modul în care se comportă colecțiile de bosoni. Spre deosebire de fermioni, este posibil să existe mai mulți bosoni în același spațiu și în același timp.

Modelul standard include toate particulele elementare descrise mai sus. Toate aceste particule au fost observate în laborator.

Modelul standard nu vorbește despre gravitație. Dacă gravitația funcționează la fel ca celelalte trei forțe fundamentale, atunci gravitația este purtată de un boson ipotetic numit graviton. Gravitonul nu a fost încă descoperit, așa că nu este inclus în tabelul de mai sus.

Primul fermion care a fost descoperit și cel despre care știm cel mai bine este electronul. Primul boson descoperit și, de asemenea, cel despre care știm cel mai bine, este fotonul. Teoria care explică cel mai bine modul în care electronul, fotonul, electromagnetismul și radiația electromagnetică funcționează împreună se numește electrodinamică cuantică.

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce sunt particulele elementare?


R: Particulele elementare sunt particule care nu sunt alcătuite din alte particule.

Î: Din câte grupe fac parte particulele elementare?


R: Particulele elementare pot aparține uneia dintre cele două grupe, fermioni sau bosoni.

Î: Ce este modelul standard?


R: Modelul standard este cel mai acceptat mod de a explica modul în care se comportă particulele și forțele care le afectează.

Î: Cum sunt grupate particulele elementare în conformitate cu Modelul Standard?


R: Conform modelului standard, particulele elementare sunt grupate în quarci, leptoni și bosoni de calibru, bosonul Higgs având un statut special ca boson care nu este de calibru.

Î: Sunt protonii și neutronii considerați particule elementare?


R: Nu, protonii și neutronii nu sunt considerați particule elementare, deoarece fiecare dintre ei este format din 3 quarcuri, ceea ce le face particule compuse - adică sunt formate din alte particule mai mici.

Î: Ce proprietăți descriu o particulă elementară?


R: Există trei proprietăți de bază care descriu o particulă elementară - masa, sarcina și spinul - fiecărei proprietăți i se atribuie o valoare numerică.

Î: Gravitatea afectează toate tipurile de particule, chiar și pe cele fără masă, cum ar fi fotonii?


R: Da, toate tipurile de particule, inclusiv cele fără masă, cum ar fi fotonii, resimt gravitația datorită relativității generale.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3