Atoma sastāvdaļiņas. Elementārdaļiņas

No kā sastāv atoms? Jau pagājušā gadsimta beigās un šī  gadsimta sākumā eksperimentālie fakti liecināja, ka atomos ir negatīvi lādētas daļiņas – elektroni un pozitīvi lādētas daļiņas – protoni. Elektrona un protona elektriskie lādiņi pēc lieluma ir vienādi, bet protona masa ir 1836,5 reizes lielāka nekā elektrona masa. Kā šīs daļiņas izvietotas atomā? Eksperimenti rādīja, ka atoma centrā ir pozitīvi  lādēts kodols, kas sastāv no protoniem un neitrālām daļiņām – neitroniem. Neitrona masa ir aptuveni vienāda ar protona masu. Protonu skaits atoma kodolā ir vienāds ar elementa kārtas skaitli ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā. Protonu un neitronu kopējais skaits kodolā ir vienāds ar elementa atommasas skaitli. Ap pozitīvi  lādēto kodolu kustas negatīvi lādētie elektroni (1.1. att.). Atomā elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu. Tā kā elektrona masa ir aptuveni 2000 reižu mazāka nekā protona masa, tad kodolā sakopota gandrīz visa atoma masa. Kodola izmērs ir 10^-14 m, t.i., aptuveni 10 000 reižu mazāks nekā atoma izmērs (10^-10 m). Savukārt elektrona izmērs 10^-17 m ir 1000 reižu mazāks nekā kodola izmērs.

Visos atomos apvienošanās un atdalīšanās procesos,  ķīmiskajās reakcijās galvenā loma ir atoma ārējiem elektroniem.

Elektrons mijiedarbojas ar citām daļiņām vienmēr kā vesela daļiņa. Tas nekad nerodas, apvienojoties citām daļiņām. Šāds raksturs piemīt arī fotonam, protonam, neitronam un vēl citām daļiņām. Radās uzskats, ka šādas daļiņas ir matērijas vismazākās daļiņas, un tāpēc tās nosauca par elementārdaļiņām. Tagad par elementārdaļiņām sauc matērijas visas mazākās daļiņas, kas nav atomi vai atomu kodoli. Šādu daļiņu skaits jau sniedzas pāri 350 un  turpina palielināties. Visas šīs daļiņas grupē trijās klasēs: fotoni, leptoni un hadroni.

Fotoni (apzīmē ar grieķu burtu ϒ ) ir mainīga elektromagnētiskā lauka daļiņas. Visiem fotoniem ir vienāds ātrums, un tas ir gaismas izplatīšanās ātrums vakuumā. Fotoni atšķiras cits no cita ar enerģijas vērtību, respektīvi, mainīgā lauka frekvenci: jo lielāka ir frekvence, jo lielāka ir fotona enerģija. Šajā nozīmē fotonu dažādība ir ļoti liela. Ir radioviļņiem atbilstoši fotoni, infrasarkano staru fotoni, gaismas fotoni, ultravioleto staru fotoni, rentgenstaru  un gamma staru fotoni. Gamma staru fotonu enerģija ir vēl lielāka nekā rentgenstaru fotonu enerģija. Cilvēka dzīvē sevišķa nozīme ir gaismas fotoniem, jo tie ierosina gaismas sajūtu un, tos uztverot, cilvēks redz apkārtējo pasauli.

Leptoni ir elektrons e, mions μ, tauons τ un šīm daļiņām atbilstošie triju veido neitrīno ν_e, ν_μ un ν_τ.  Visaktīvākā un nozīmīgākā loma dabā ir elektronam. Elektrons ir atomu, molekulu, vielas uzbūves pamatelements un ir vismazākā vielas daļiņa.

Hadronu klasē ir divas daļiņu grupas: mezoni un barioni. Mezonu skaits ir vairāki desmiti. No visiem mezoniem sevišķi nozīmīgi ir pī mezoni jeb pioni π, jo tiem ir aktīva loma atomu kodolu uzbūvē. Barionu skaits sniedzas simtos. No visiem barioniem īpaša nozīme dabā ir protoniem p un neitroniem n, kas apvienojoties veido atomu kodolus. Kodoli un elektroni mijiedarbībā veido atomus.

Elementārdaļiņu uzbūves pētījumi liecina, ka hadroniem ir noteikta struktūra. Hadronu struktūras jeb uzbūves daļiņas sauc par kvarkiem. Piemēram, protons sastāv no trijiem kvarkiem.

Visām daļiņām ir antidaļiņas. Tā, piemēram elektrona antidaļiņa ir pozitrons. Tā masa ir vienāda ar elektrona masu, lādiņš ir tikpat liels, bet ar pretēju zīmi.

Daļiņu un antidaļiņu pastāvēšana ir matērijas pamatīpašības – simetrijas izpausme.

Dabā viss mainās. Arī katrai daļiņai ir raksturīgs mūžs jeb dzīves laiks. Daļiņas, kurām dzīves laiks ir ļoti liels (10³¹ gadu !),  sauc par stabilām daļiņām. Tādas ir sešas: fotons, elektrons, protons, un triju veidu neitrīno (protams, arī šo daļiņu antidaļiņas). Visas pārējās daļiņas ir nestabilas. Arī brīvs neitrons (ārpus kodola) ir nestabils. Tā dzīves laiks ir 15 minūtes. Dzīves laiks dažādām nestabilām daļiņām ir dažāds un tā intervāls no 10^-23 līdz 10^-6 s. Daļiņa pastāv, respektīvi, “dzīvo” tikai šādu laika sprīdi un pēc tam sabrūk jeb pārvēršas citās daļiņās. Piemēram, neitronam pārvēršoties, rodas protons, elektrons un elektronu antineitrīno. Līdzīgi notiek arī citu daļiņu pārvēršanās. Arī stabilā daļiņa mijiedarbībā ar savu antidaļiņu pārvēršas citās daļiņās. Visas elementārdaļiņas pārvēršas cita citā, un šī savstarpējā pārvēršanās ir daļiņu esamības pamats.

Kopsavilkumā pārvērtību procesu no elementārdaļiņas līdz vielai var attēlot šādā shēmā

Autors: ,