Subatómová častica

Subatómová častica (iné názvy: subatomárna častica, elementárna častica v širšom zmysle) je častica menšia ako atóm.^[1][2] Atómové jadro ako celok sa niekedy považuje za subatómovú časticu, inokedy sa za ňu nepovažuje (jednotlivé časti jadra sú ale typické subatómové častice).

Subatómové častice a ich vzájomné interakcie skúma fyzika častíc, t. j. subjadrová fyzika, a (jadro ako celok) jadrová fyzika.^[3]

Druhy subatómových častíc

Existujú dva typy subatómových častíc:

• fundamentálne častice (elementárne častice v užšom zmysle) – tie nemajú ďalšiu vnútornú štruktúru
• zložené častice – častice, ktoré sa skladajú z dvoch alebo viacerých fundamentálnych častíc (t. j. hadróny a prípadne aj atómové jadro) ^[4]

Podrobnosti pozri napr. v článkoch Zoznam elementárnych častíc, fundamentálna častica a hadrón.

Častice

Koncept častice je jedným z niekoľkých konceptov, ktoré časticová fyzika prebrala z klasickej fyziky. Tento opis sveta okolo nás sa používa napríklad na opis správania sa hmoty a energie v subatomárnych mierkach kvantovej fyziky.

Následkom pokusov, ktoré preukázali, že svetlo sa môže správať ako prúd častíc a zároveň môže mať vlastnosti ako vlnenie, prešiel pojem častice významnými zmenami. Nový koncept vlnovo-časticového dualizmu zohľadňuje toto správanie častíc na kvantovej úrovni a ďalší nový koncept, princíp neurčitosti, hovorí, že analýza častíc na tejto úrovni vyžaduje štatistický prístup.

Energia

Podľa Einsteinovej hypotézy sú energia a hmota vzájomnými ekvivalentami. To znamená, že hmotu je možné jednoducho vyjadriť pomocou energie a naopak. A preto existujú len dva spôsoby prenášania energie – a to častice alebo vlnenie. Napríklad svetlo je možné opísať ako vlnenie a aj ako časticu. Toto sa nazýva vlnovo-časticový dualizmus.^[5] Vďaka objavom Alberta Einsteina, Louisa de Broglie a mnohých ďalších súčasná teória tvrdí, že všetky častice majú aj povahu vlnenia.^[6] Tento jav bol preukázaný nielen pri elementárnych časticiach, ale aj pre zložené častice ako atómy či dokonca molekuly. Podľa tradičnej formulácie nerelativistickej kvantovej mechaniky podliehajú vlnovo-časticovému dualizmu všetky objekty, dokonca aj makroskopické objekty.^[7] Skúmanie interakcií medzi časticami trvalo veľa storočí a prinieslo niekoľko jednoduchých zákonov opisujúcich správanie častíc pri vzájomných interakciách a kolíziách. Základom týchto zákonov je zákon zachovania energie a zákon zachovania hybnosti. Vďaka ním môžeme vypočítať vzájomné interakcie častíc vo všetkých mierkach od hviezd až po kvarky.^[8]

Rozdelenie atómu

Hmotnosť negatívne nabitého elektrónu sa rovná 1/1836 hmotnosti atómu vodíka. Pozitívne nabitý protón predstavuje zvyšok hmotnosti atómu vodíka. Počet protónov v jadre prvku sa označuje ako atómové číslo. Neutróny sú elektricky neutrálne častice s mierne vyššou hmotnosťou ako protón. Rozdielne izotopy rovnakého prvku obsahujú rovnaký počet protónov a líšia sa počtom neutrónov. Nukleónové číslo izotopu predstavuje počet nukleónov tzn. neutrónov a protónov spolu.

Historická predstava

V prvých desaťročiach 20. storočia fyzici postupne zistili, že atómy nepredstavujú najmenšiu nedeliteľnú čiastočku hmoty, ako sa očakávalo už od dôb starých Grékov. Mnohé experimenty (napríklad pokusy Ernesta Rutherforda) postupne viedli k myšlienke, že aj atóm má vnútornú štruktúru, čiže – inými slovami povedané – tiež sa z niečoho skladá.

Vtedajšia predstava bola taká, že atóm má rozmery asi 1 × 10⁻¹⁰ m. Hlboko vnútri atómu sa nachádza jeho jadro s rozmermi 1 × 10⁻¹⁵ m a vo zvyšnom voľnom priestore sa pohybuju subatomárne častice – elektróny. Očakávalo sa, že jadro nesie kladný elektrický náboj a rovnako veľký záporný náboj predstavujú práve elektróny. Čiže navonok sa atóm prejavuje ako elektricky neutrálny.

Pokiaľ ide o jadro, predpokladalo sa, že sa skladá z dvoch ďalších subatomárnych častíc:

• protón
• neutrón

Protón aj neutrón sú častice asi 1 800-krát hmotnejšie než elektrón, pričom protón má elektrický náboj rovnako veľký ako elektrón ibaže kladný a neutrón je z elektrického hľadiska neutrálny.

V tých časoch sa zdalo, že pomocou kombinovania týchto troch subatomárnych častíc je možné objasniť ako funguje atóm a tiež to, prečo jestvuje veľké množstvo atómov a ich izotopov. Ale v priebehu ďalších desaťročí fyzici postupne objavovali ďalšie a ďalšie subjadrové častice. Niektoré z nich zapadali do predstáv o štruktúre atómu, niektoré sa však zdali nadbytočné.

Moderná predstava

V 60-tych rokoch 20. storočia fyzici spoznali niekoľko stoviek subatomárnych častíc. Znamenalo to, že počiatočný sen vysvetliť rôznosť sveta atómov pomocou niekoľkých subatomárnych častíc sa rozplynul.

V priebehu nasledujúcich rokov sa fyzikovi Murray Gell-Mannovi podarilo navrhnúť novú systematiku subatomárnych častíc. Jeho nápad spočíval v tom, že do teórie zaviedol šesť nových častíc nazvaných kvarky. V tejto dodnes platnej teórii sa celý fyzikálny svet dá vysvetliť pomocou 6 kvarkov, 6 leptónov (častice podobného druhu ako elektrón) a vzájomných fyzikálnych pôsobení medzi nimi.

Fyzikálne pôsobenie

Pod fyzikálnym pôsobením sa myslia sily, ktoré pôsobia medzi časticami. Poznáme 4 sily alebo pôsobenia (fyzikálne interakcie):

1. gravitácia,
2. elektromagnetizmus,
3. slabá interakcia,
4. silná interakcia.