Что такое субатомная частица?

Частицы, из которых состоят атомы, можно представлять себе по-разному – например, в виде круглых пылинок. Они настолько малы, что каждую такую пылинку невозможно рассмотреть в отдельности. Все вещество, которое находится в окружающем мире, состоит из таких частиц. Что же представляют собой те частицы, из которых состоят атомы?

Определение

Субатомная частица является одним из тех «кирпичиков», из которых построен весь окружающий мир. К таким частицам относят протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер. Также к этой категории относятся и электроны, вращающиеся вокруг ядер. Иными словами, субатомные частицы в физике – это протоны, нейтроны и электроны. В привычном для человека мире, как правило, не встречается частиц другого рода – живут они необычайно мало. Когда их век заканчивается, происходит их распад на обычные частицы.

Количество же тех субатомных частиц, которые живут относительно недолго, на сегодняшний день исчисляется сотнями. Их число настолько велико, что ученые уже не используют обычных названий для их обозначения. Как и звездам, им нередко присваиваются числовые и буквенные обозначения.

Основные характеристики

К числу самых важных характеристик любой субатомной частицы относят спин, электрический заряд, а также масса. Так как нередко вес частицы оказывается связанным с массой, некоторые из частиц традиционно носят название «тяжелых». Уравнение, которое вывел Эйнштейн (E = mc2), указывает на то, что масса субатомной частицы напрямую зависит от ее энергии и от скорости. Что касается электрического заряда, то он всегда кратен фундаментальной единице. К примеру, если заряд протона равен +1, то заряд электрона составляет -1. Однако некоторые из субатомных частиц, к примеру, фотон или нейтрино, не имеют электрического заряда вообще.

Также важной характеристикой является время жизни частицы. Совсем недавно ученые были уверены, что электроны, фотоны, а также нейтрино и протоны совершенно стабильны, и их время жизни практически бесконечно. Однако это не совсем так. Нейтрон, к примеру, остается стабильным только до того времени, пока он не «освобождается» из ядра атома. После этого время его жизни в среднем составляет 15 минут. Все нестабильные частицы претерпевают процесс квантового распада, который никогда не может быть полностью предсказуемым.

Исследования частиц

Атом считался неделимым – до тех пор, пока не было открыто его строение. Приблизительно столетие назад Резерфорд произвел свои знаменитые опыты, заключавшиеся в бомбардировании тонкого листа потоком альфа-частиц. Выяснилось, что атомы вещества являются практически пустыми. А в центре атома находится все то, что мы называем ядром атома – оно приблизительно в тысячу раз меньше самого атома. На тот момент ученые считали, что атом состоит из двух типов частиц – ядра и электронов.

Со временем у ученых возник вопрос: почему протон, электрон и позитрон держатся вместе, и не распадаются в разные стороны под воздействием кулоновских сил? А также для ученых того времени оставалось неясным: если эти частицы являются элементарными, то с ними ничего не может произойти, и они должны жить вечно.

С развитием квантовой физики исследователи выяснили, что нейтрон подвержен распаду, и при этом достаточно быстрому. Он распадается на протон, электрон и еще нечто, что невозможно было уловить. Последнее было замечено по недостатку энергии. Тогда ученые предполагали, что список элементарных частиц исчерпан, однако теперь известно, что это далеко не так. Была открыта новая частица под названием нейтрино. Она не несет никакого электрического заряда и обладает чрезвычайно малой массой.

Нейтрон

Нейтрон – субатомная частица, которая обладает нейтральным электрическим зарядом. Ее масса практически в 2 тысячи раз превышает массу электрона. Так как нейтроны относятся к классу нейтральных частиц, то взаимодействуют они непосредственно с ядрами атомов, а не с их электронными оболочками. Также у нейтронов имеется магнитный момент, позволяющий ученым исследовать микроскопическую магнитную структуру вещества. Нейтронное излучение является безвредным даже для биологических организмов.

Субатомная частица – протон

Ученые выяснили, что эти «кирпичики материи» состоят из трех кварков. Протон является положительно заряженной частицей. Масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. Один протон и один электрон, соединяясь, образуют простейший химический элемент – атом водорода. До недавнего времени считалось, что протоны не могут менять свой радиус в зависимости от того, какие электроны вращаются над ними. Протон является электрически заряженной частицей. Соединяясь с электроном, он превращается в нейтрон.

Электрон

Электрон впервые был обнаружен английским физиком Дж. Томсоном в 1897 г. Эта частица, как сейчас считают ученые, является элементарным, или точечным объектом. Так называется субатомная частица в атоме, которая не имеет собственной структуры – не состоит из каких-либо других, более мелких, составляющих. В союзе с протоном и нейтроном электрон образует атом. Сейчас ученые еще не выяснили, из чего же состоит эта частица. Электрон является частицей, которая обладает бесконечно малым электрическим зарядом. Само слово «электрон» в переводе с древнегреческого означает «янтарь» - ведь именно янтарь ученые Эллады использовали для того, чтобы исследовать явления электричества. Этот термин был предложен британским физиком в 1894 г. Дж. Стони.

Зачем нужно изучать элементарные частицы?

Самый простой ответ на вопрос о том, зачем ученым необходимо знание о субатомных частицах, звучит так: чтобы иметь информацию о внутреннем строении атома. Однако такое утверждение содержит в себе лишь долю истины. В действительности, ученые изучают не просто внутреннее строение атома – основным полем их исследований являются столкновения мельчайших частиц вещества. Когда эти частицы, обладающие огромной энергией, сталкиваются друг с другом на больших скоростях, в буквальном смысле слова происходит рождение нового мира, а осколки материи, остающиеся после столкновений, помогают раскрыть тайны природы, всегда остававшиеся загадкой для ученых.