Cząstka

Cząstka – niewielki fragment materii, w znaczeniu potocznym zwykle ma kształt podobny do sfery. W naukach przyrodniczych słowo cząstka zazwyczaj dotyczy obiektów o rozmiarze podobnym lub mniejszym niż rozmiar atomu (w tej skali nie ma sensu mówić o kształcie, ponieważ zachowanie materii podlega wtedy także efektom kwantowym – zobacz fizyka cząstek elementarnych). W fizyce oraz chemii słowa cząstka i cząsteczka mają różne znaczenia – cząsteczka jest grupą atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, natomiast cząstka jest pojęciem ogólniejszym i zawierającym w sobie cząsteczkę.

Cząstki subatomowe, a nawet atomy i większe twory można podzielić na:

fermiony – mają spin połówkowy ( ${\frac {1}{2}}\hbar ,$ ${\frac {3}{2}}\hbar$ itp.) i obowiązuje je zakaz Pauliego – dwa identyczne fermiony nie mogą znajdować się w tym samym stanie
bozony – mają spin całkowity ( $0,$ $1\hbar ,$ $2\hbar$ itp.). Nie obowiązuje ich zakaz Pauliego, a nawet wykazują pewną tendencję do istnienia w tym samym stanie

(ħ oznacza zredukowaną stałą Plancka)

Lista cząstek w kolejności od najbardziej złożonych do najbardziej elementarnych

Cząstki ponadatomowe

cząstki supramolekularne – składają się one ze zbiorów cząsteczek chemicznych połączonych słabymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (siły Van Der Waalsa, wiązania wodorowe itp.) Są to m.in.: micele, mikrosfery, złożone kompleksy gość-gospodarz, złożone struktury biochemiczne (np. DNA), monokryształy, cząstki występujące w zeolitach, aerożelach, żelach i zolach, cząstki tworzące pyły i pasty. Większość tego rodzaju cząstek jest na tyle duża, że da się je obserwować pod mikroskopem optycznym.
cząsteczki chemiczne (molekuły) – składające się z silnie związanych ze sobą atomów. Różne rodzaje cząsteczek tworzą różne rodzaje związków chemicznych. Również niektóre pierwiastki występują w naturze w formie dwuatomowych cząsteczek (np. wodór). Aktualnie szacuje się, że zbadano i skatalogowano ponad 50 milionów różnych cząsteczek chemicznych, a ich zbiór jest praktycznie nieograniczony. Cząsteczki mogą zawierać od dwóch do ponad miliona atomów. Niektóre największe daje się obserwować pod mikroskopem optycznym, większość z nich daje się bezpośrednio obserwować za pomocą mikroskopu elektronowego lub AFM.
jony – są specyficzną odmianą cząsteczek, które posiadają ładunek elektryczny. Mogą one powstawać w wyniku jonizacji zwykłych cząsteczek obojętnych, na skutek przyłączenia lub odrywania elektronów.

Atomy, ich składniki i inne cząstki złożone

atomy – najmniejsze cząstki, na które da się podzielić materię za pomocą reakcji chemicznych. Atomy składają się z małego jądra otoczonego znacznie większą chmurą elektronów (zobacz planetarny model atomu Bohra). Każdy rodzaj atomu tworzy określony pierwiastek chemiczny. Uznaje się obecnie, że istnienie 110 z nich zostało potwierdzone eksperymentalnie. Ich lista znajduje się w układzie okresowym. Atomy to jednocześnie najmniejsze cząstki, których obraz daje się jeszcze generować metodami mikroskopowymi.
jądra atomów, które są 10 000 do 100 000 razy mniejsze od samych atomów, składają się z protonów i neutronów. Ich rozpad powoduje tworzenie się neutrin. Jądra mogą przechodzić jedne w drugie tylko na skutek wysokoenergetycznych przemian jądrowych. Cząstki tworzące jądra są powiązane z sobą tzw. słabymi oddziaływaniami jądrowymi i silnymi oddziaływaniami jądrowymi, których energia znacznie jednak przewyższa energię wiązań chemicznych.
hadrony – to cząstki zbudowane z kwarków, powiązanych z sobą silnymi oddziaływaniami, których energia jest znacznie wyższa od energii jądrowych oddziaływań słabych. Hadrony dzieli się na:
- bariony – składające się z trzech kwarków. Dalej dzieli się je na:
  - nukleony – czyli protony i neutrony – które tworzą jądra atomów.
  - hiperony oznaczane dużymi, greckimi literami (Λ, Σ, Ξ i Ω), które są cięższymi i bardziej nietrwałymi od nukleonów cząstkami i które w normalnych warunkach nie występują w jądrach atomowych.
- mezony, które są zbudowane z pary kwark – antykwark. Jest ich wiele rodzajów. Najbardziej znane to piony i kaony. Mezony pośredniczą w tworzeniu się sił jądrowych między protonami i neutronami.
- hadrony egzotyczne – których istnienie sugerują dane zebrane przez niektóre eksperymenty, np.:
  - tetrakwarki składające się z dwóch kwarków i dwóch antykwarków.
  - pentakwarki składające się z czterech kwarków i jednego antykwarku.
  - kule gluonowe składające się z samych gluonów, bez kwarków

Cząstki elementarne

Według modelu standardowego istnieją następujące cząstki elementarne:

fermiony – jest ich łącznie 24. Należą do nich cząstki, o których można powiedzieć, że tworzą materię: elektron, kwark górny i kwark dolny. Dzieli się je w zależności od tego czy są one „wrażliwe” na oddziaływania jądrowe czy nie.
- kwarki (spin = 1/2) – wrażliwe na oddziaływania silne, ponieważ posiadają tak zwany kolor. Istnieje ich 6 rodzajów, zwanych „zapachami”: górny, dolny, powabny, dziwny, wysoki i niski^[a].
- leptony (spin 1/2) – niewrażliwe na oddziaływania silne. One również istnieją w sześciu „zapachowych” rodzajach. Są to elektron, mion, taon i trzy neutrina – elektronowe, mionowe i taonowe.
bozony – są nośnikami oddziaływań. Są to:
- foton (spin = 1) – odpowiedzialny za istnienie oddziaływań elektromagnetycznych
- dwa bozony W i jeden Z (spin = 1) – odpowiedzialne za istnienie oddziaływań słabych
- osiem gluonów (spin = 1) – które odpowiadają za oddziaływanie silne
- bozon Higgsa (spin = 0) – która oddziałując z innymi cząstkami elementarnymi (kwarkami i leptonami) nadaje im masę.

Ponadto każda cząstka elementarna ma swój symetryczny odpowiednik w antymaterii (antycząstkę – cząstka może też być własną antycząstką).

Inne teorie zakładają istnienie większej liczby cząstek. Ich istnienie nie zostało jednak w żaden sposób dowiedzione eksperymentalnie, są to więc cząstki postulowane hipotetycznie.

grawiton (spin = 2) – proponowany przez kwantową teorię grawitacji jako cząstka odpowiedzialna za istnienie grawitacji.
grawitino (spin = 3/2) – superpartner grawitonu. Ma być ona cząstką obdarzoną masą, wrażliwą na oddziaływanie grawitacyjne.
inni superpartnerzy – fermiony odpowiadające bozonom, takie jak: fotino, wino, zino, gluino, higsino (wszystkie o spinie = 1/2) oraz bozony odpowiadających fermionom: skwarków i sleptonów, w tym selektronów i sneutrin (wszystkie o spinie = 1). Ich istnienie wynikałoby z przyjęcia supersymetrii.
bozony X i Y – proponowane przez teorie wielkiej unifikacji

Zobacz też

cząsteczka (molekuła)

Uwagi

↑ Polska nazwa kwarków t i b według PTF: Bernard Jancewicz: Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych. Polskie Towarzystwo Fizyczne, 2019-03-03. [dostęp 2020-02-23].

[PTF_kwarki-1] Polska nazwa kwarków t i b według PTF: Bernard Jancewicz: Angielsko-polski słownik nowych terminów fizycznych. Polskie Towarzystwo Fizyczne, 2019-03-03. [dostęp 2020-02-23].

[a]