1.1.1  Podstawowe cząstki elementarne

Fizycy zajmujący się badaniami struktury jąder atomowych odkryli około 200 cząstek, spośród których 33 uznano za elementarne. Są to cząstki będące budulcem materii lub antymaterii, które wykryto w promieniowaniu kosmicznym lub podczas badań w akceleratorach:

8 barionów i 8 antybarionów (np.: nukleony i ich antycząstki),

8 mezonów i antymezonów (np.: pion),

8 leptonów i antyleptonów (np.: elektron, pozyton),

foton

Dodatkowo do tej grupy zaliczono także cząstkę będącą kwantem grawitacji – grawitonem, której istnienia do tej pory nie dowiedziono.

Panuje przekonanie, że przedstawiona liczba cząstek uważanych za elementarne jest zbyt duża. Dało to podstawy do przypuszczeń, że istnieją jeszcze bardziej podstawowe cegiełki materii. Przyjmuje się, że tymi najbardziej elementarnymi cząstkami są kwarki, których jest kilka rodzajów. Zakłada się np., że w skład protonu i neutronu wchodzą dwa typy kwarków: up i down. Charakteryzują się one ułamkowym ładunkiem elektrycznym wynoszącym odpowiednio: +2/3 i -1/3 ładunku elementarnego (elektronu), a ich odpowiednia kompozycja może dać wypadkowy ładunek protonu lub neutronu. Wielkości cząstek, które występują w mikroświecie atomów przedstawiono schematycznie na rysunku 1.

Rysunek 1. Wielkość cząstek w świecie atomów.

Badania budowy jądra atomu stanowią domenę fizyki i nie będą tu omawiane. Szerszą informację można uzyskać na ten temat w Internecie pod adresami: https://www.ifj.edu.pl/edukacja/adventure_home.html, https://www.fuw.edu.pl/~ajduk/Public/Welcome.html

Do wyjaśnienia podstawowych właściwości chemicznych pierwiastków wystarczy charakterystyka cząstek elementarnych przedstawionych w tabeli 1. Zawarto w niej dane dotyczącą masy i ładunku podstawowych cząstek wchodzących w skład atomów, a mianowicie: protonu i neutronu (noszących nazwę nukleonów) oraz elektronu. Protony to elementarne cząstki o masie bliskiej 1 wyrażonej w jednostkach mas atomowych (u) i jednostkowym ładunku dodatnim. Obok protonu w jądrze atomowym każdego pierwiastka, z wyjątkiem wodoru, występuje neutron. Cząstka ta charakteryzuje się masą podobną do masy protonu oraz brakiem ładunku elektrycznego. Neutron jest stabilną cząstką, jeśli występuje w jądrze atomu. Występując poza jądrem swobodny neutron jest nietrwały i ulega rozpadowi z powstaniem protonu. O trwałości cząstki świadczy czas połowicznego rozpadu, który dla neutronu wynosi ok. 17 minut. Elektron jest trwałą cząstką znacznie mniejszą od nukleonów, charakteryzującą się jednostkowym ładunkiem ujemnym.

Tabela 1.  Właściwości protonu, neutronu i elektronu

W obojętnych atomach pierwiastków liczba protonów i elektronów jest jednakowa. Liczba ta jest charakterystyczna dla danego pierwiastka i nosi nazwę liczby atomowej. Stąd współczesna definicja pierwiastka określa go jako rodzaj materii złożony z atomów o jednakowej ilości protonów.