อนุภาคย่อยของอะตอม
อนุภาคย่อยของอะตอม (อังกฤษ: subatomic particles) ในวิทยาศาสตร์ด้านกายภาพ เป็นอนุภาคปรมาณูที่เล็กกว่าอะตอมมาก[1] มีสองชนิด ชนิดแรกได้แก่ อนุภาคมูลฐาน ซึ่งตามทฤษฎีปัจจุบันไม่ได้เกิดจากอนุภาคอื่น และชนิดที่สองได้แก่อนุภาคผสม[2] ฟิสิกส์ของอนุภาคและฟิสิกส์ของนิวเคลียสจะศึกษาอนุภาคเหล่านี้และวิธีการที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ต่อกัน[3]
ในฟิสิกส์ของอนุภาค แนวคิดของอนุภาคเป็นหนึ่งในแนวคิดหลากหลายที่สืบทอดมาจากฟิสิกส์ที่เป็นรูปแบบดั้งเดิม แต่มันมียังคงสะท้อนให้เห็นถึงความเข้าใจที่ทันสมัยที่ว่า ที่ระดับควอนตัม สสารและพลังงานประพฤติตัวแตกต่างอย่างมากจากสิ่งที่พบจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวันที่จะนำเราไปสู่สิ่งที่คาดหวังไว้
แนวคิดของอนุภาคประสพกับการทบทวนอย่างจริงจังเมื่อการทดลองหลายครั้งแสดงให้เห็นว่าแสงสามารถปฏิบัติตัวเหมือนการไหลของอนุภาคจำนวนมาก (ที่เรียกว่าโฟตอน) เช่นเดียวกับการแสดงออกด้านคุณสมบัติทั้งหลายเหมือนของคลื่น นี้นำไปสู่แนวคิดใหม่ของทวิภาคของคลื่นกับอนุภาค (อังกฤษ: wave–particle duality) เพื่อสะท้อนให้เห็นว่า "อนุภาค" ที่ระดับควอนตัมจะทำตัวเหมือนเป็นทั้งอนุภาคและเป็นคลื่น (หรือเรียกว่า wavicles) อีกแนวคิดใหม่อันหนึ่ง "หลักของความไม่แน่นอน" กล่าวว่าบางส่วนของคุณสมบัติของพวกมันเมื่อนำมารวมกัน เช่นตำแหน่งเวกเตอร์และโมเมนตัมพร้อมกันของพวกมัน จะไม่สามารถวัดอย่างแม่นยำได้[4] ในช่วงเวลาไม่นานมานี้ ทวิภาคของคลื่นกับอนุภาคได้ถูกแสดงเพื่อนำไปใช้ไม่แต่เพียงกับโฟตอนเท่านั้น แต่จะนำไปใช้กับอนุภาคขนาดใหญ่มากขึ้นอีกด้วย[5]
ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคต่าง ๆ ในกรอบงานของทฤษฎีสนามควอนตัมถูกเข้าใจว่าเป็นการสร้างและการทำลายล้างของ "ควอนตัมทั้งหลาย" ของ "อันตรกิริยาพื้นฐาน" ที่สอดคล้องกัน สิ่งนี้จะผสมผสานฟิสิกส์ของอนุภาคเข้ากับทฤษฎีสนามควอนตัม
การแยกประเภท
แก้
โดยทางกลศาสตร์สถิติ
แก้อนุภาคย่อยของอะตอมใด ๆ ก็เหมือนอนุภาคใด ๆ ทั่วไปใน 3 มิติและเป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ประพฤติตัวตามกลศาสตร์สถิติอย่างใดอย่างหนึ่งคือเป็นโบซอนมีสปินเต็ม หรือเป็นเฟอร์มิออนมีสปินครึ่ง
โดยส่วนประกอบ
แก้อนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ของแบบจำลองมาตรฐานประกอบด้วย:[6]
- ควาร์ก 6 เฟลเวอร์ (flavour) ได้แก่: อัพควาร์ก ดาวน์ควาร์ก บอตทอมควาร์ก ทอปควาร์ก สเตรนจ์ควาร์ก และ ชาร์มควาร์ก
- เลปตอน 6 ชนิด ได้แก่: อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนนิวทริโน มิวออน มิวออนนิวทริโน เทาออน เทานิวทริโน
- เกจโบซอน 12 ชนิดที่เป็นอนุภาคสื่อแรง ได้แก่: โฟตอน ของ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า W+ W- และ Z0 โบซอนของ อันตรกิริยาอย่างอ่อน และกลูออน 8 ชนิดของ อันตรกิริยาอย่างเข้ม
- ฮิกก์โบซอน
ในปัจจุบันแบบจำลองมาตรฐานไม่ได้รวม แกรวิตอน ที่เป็นตัวสื่อแรงโน้มถ่วงและอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ที่ยังไม่ถูกตรวจวัดหรือค้นพบ
อนุภาคย่อยของอะตอมแบบประกอบเช่น โปรตอน (ควาร์ก 3 ตัว) หรือนิวเคลียสของอะตอม (โปรตอนกับนิวตรอน) ที่รวมกันโดยการยึดเหนี่ยวของอนุภาคมูลฐานสองตัวหรือมากกว่า ตัวอย่างเช่น โปรตอนถูกทำขึ้นจากอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว ในขณะที่นิวเคลีนสของอะตอมของฮีเลียม-4 ประกอบด้วยสองโปรตอนและสองนิวตรอน นิวตรอนถูกทำขึ้นจากดาวน์ควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว อนุภาคประกอบจะรวมถึงแฮดรอนทั้งหมด ซึ่งแฮดรอนเหล่านี้ได้แก่แบริออน (โปรตอนและนิวตรอน) และเมซอน (ไพออนและคาออน)
โดยมวล
แก้ใน "สัมพันธภาพพิเศษ" พลังงานของอนุภาคนิ่งเท่ากับมวลของมันคูณด้วยความเร็วแสงยกกำลังสอง (E = MC2) นั่นคือ มวลสามารถแสดงออกในรูปของพลังงานและในทางกลับกัน ถ้าอนุภาคหนึ่งมี 'กรอบของการอ้างอิง' ที่ตำแหน่ง 'นิ่ง' ดังนั้นมันจะมีมวลนิ่งที่เป็นบวกและหมายความว่ามัน"มีมวล" (อังกฤษ: massive)
อนุภาคผสมทั้งหมดจะมีมวล แบริออน (ที่หมายถึง "หนัก") มีแนวโน้มที่จะมีมวลมากกว่าเมซอน (ที่หมายถึง "กลาง") ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะหนักกว่าเลปตัน (ที่หมายถึง "น้ำหนักเบา") แต่เลปตันที่หนักที่สุด (อนุภาคทีออน) จะหนักกว่าสองฟเลเวอร์ที่เบาที่สุดของแบริออน (นิวคลีออน) มันยังเป็นที่แน่นอนว่าอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุไฟฟ้าเป็นสิ่งที่'มีมวล'อีกด้วย
อนุภาคที่ไม่มีมวลทั้งหมด (อนุภาคที่มี 'มวลไม่เปลี่ยน' เป็นศูนย์) ถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐาน อนุภาคเหล่านี้จะรวมถึงโฟตอนและกลูออน แม้ว่ากลูออนจะไม่สามารถถูกแยกได้
คุณสมบัติอื่น ๆ
แก้โดยผ่านการทำงานของ Albert Einstein, หลุยส์ de Broglie และคนอื่น ๆ อีกมากมาย ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันถือว่าทุกอนุภาคก็มีธรรมชาติของคลื่นเช่นกัน[7] ทฤษฎีนี้มีการตรวจสอบไม่เพียงสำหรับอนุภาคมูลฐานเท่านั้น แต่ยังสำหรับอนุภาคผสมเช่นอะตอมและแม้กระทั่งโมเลกุล ในความเป็นจริง ตามรูปแบบการรวมตัวดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน (อังกฤษ: non-relativistic quantum mechanics) ทวิภาคของคลื่นกับอนุภาคจะนำไปใช้กับวัตถุทั้งหมด แม้แต่วัตถุแบบที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า; แม้ว่าคุณสมบัติแบบที่เป็นคลื่นของวัตถุที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่านั้นจะไม่สามารถถูกตรวจพบได้เนื่องจากการความยาวคลื่นที่มีขนาดเล็กของพวกมัน[8]
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคด้วยกันได้รับการพิจารณาอย่างละเอียดเป็นเวลาหลายศตวรรษ และกฎหมายง่าย ๆ ไม่กี่ตัวสนับสนุนวิธีการที่อนุภาคจะปฏิบัติตนในการชนและการมีปฏิสัมพันธ์ พื้นฐานที่สุดของสิ่งเหล่านี้เป็นกฎของการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม ที่ซึ่งยอมให้เราทำการคำนวณการมีปฏิสัมพันธ์อนุภาคบนเครื่องวัดขนาดที่อยู่ในช่วงจากดวงดาวจนถึงควาร์ก[9] สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานที่จำเป็นของกลศาสตร์นิวตัน ที่เป็นชุดของคำอธิบายและสมการในหนังสือชื่อ Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ตีพิมพ์แต่เดิมในปี 1687
การแบ่งอะตอม
แก้อิเล็กตรอนประจุลบมีมวลเท่ากับ 1/1836 ของมวลของอะตอมไฮโดรเจน มวลส่วนที่เหลือของอะตอมไฮโดรเจนมาจากโปรตอนประจุบวก เลขอะตอมของธาตุใด ๆ เป็นจำนวนของโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุนั้น นิวตรอนเป็นอนุภาคที่เป็นกลางและมีมวลใหญ่กว่าโปรตอนเล็กน้อย ไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุเดียวกันจะมีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่จำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน เลขมวลของไอโซโทปใด ๆ คือจำนวนรวมของนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอนรวมกัน)
เคมีศาสตร์มีความกังวลตัวเองเกี่ยวกับวิธีการที่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันผูกกับหลายอะตอมกลายเป็นโครงสร้างเช่นผลึกและโมเลกุล ฟิสิกส์นิวเคลียร์จะเกี่ยวข้องกับวิธีการที่โปรตอนและนิวตรอนจัดเรียงตัวพวกมันเองในนิวเคลียส การศึกษาด้านอนุภาคของอะตอม อะตอมและโมเลกุล และโครงสร้างและการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัม กระบวนการการวิเคราะห์ที่เปลี่ยนจำนวนและชนิดของอนุภาคต้องใช้ทฤษฎีสนามควอนตัม การศึกษาเกี่ยวกับตัวอนุภาคของอะตอมเองเรียกว่าฟิสิกส์ของอนุภาค คำว่าฟิสิกส์พลังงานสูงเกือบจะพ้องกับ "ฟิสิกส์ของอนุภาค" เนื่องจากการก่อตั้งอนุภาคต้องใช้พลังงานสูง มันจะเกิดขึ้นได้เป็นผลมาจากรังสีคอสมิกหรือในเครื่องเร่งอนุภาคเท่านั้น ปรากฏการณ์วิทยาด้านอนุภาคเป็นวิชาการที่จัดระบบความรู้เกี่ยวกับอนุภาคของอะตอมที่ได้รับจากการทดลองเหล่านี้
ประวัติ
แก้บทความหลัก: ประวัติของฟิสิกส์ย่อยของอะตอม และ เส้นเวลาของการค้นพบอนุภาค
คำว่า "อนุภาคย่อย" เป็นคำที่ใช้แทนคำเดิมในปี 1960s เพื่อทำให้ แบริออน และ เมซอน (ที่ประกอบขึ้นเป็น แฮดรอน) แตกต่างจากอนุภาคอื่นที่ปัจจุบันเคยคิดกันว่าเป็นมูลฐานอย่างแท้จริง ก่อนหน้านั้น แฮดรอนมักจะถูกแยกประเภทเป็น "มูลฐาน" เพราะองค์ประกอบของมันไม่มีใครรู้
ต่อไปนี้เป็นรายการของการค้นพบที่สำคัญ
| อนุภาค | องค์ประกอบ | ทฤษฎีของ | ค้นพบ | หมายเหตุ |
|---|---|---|---|---|
| อิเล็กตรอน | มูลฐาน (เลปตัน) | G. Johnstone Stoney (1874) | เจ. เจ. ทอมสัน (1897) | หน่วยน้อยที่สุดของประจุไฟฟ้า สำหรับที่ Stoney ได้ตั้งชื่อให้ในปี 1891[10] |
| อนุภาคแอลฟา | ผสม (นิวเคลียสของอะตอม) | ไม่เคย | เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1899) | พิสูจน์โดยรัทเทอร์ฟอร์ดและ Thomas Royds ในปี 1907 ว่าเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม |
| โฟตอน | มูลฐาน (ควอนตัม) | มัคส์ พลังค์ (1900) | อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (1905) หรือ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1899) เป็น รังสี γ |
จำเป็นเพื่อแก้ปัญหา การแผ่รังสีของวัตถุดำ ใน อุณหพลศาสตร์ |
| โปรตอน | ผสม (แบริออน) | นานมาแล้ว | เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1919, ตั้งชื่อ 1920) | นิวเคลียสของ 1H |
| นิวตรอน | ผสม (บาริออน) | เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (ประมาณปี 1918) | James Chadwick (1932) | นิวคลีออน ตัวที่สอง |
| ปฏิยานุภาค | พอล ดิแรก (1928) | Carl D. Anderson (โพสิตรอน, 1932) | ปัจจุบันถูกอธิบายด้วย CPT symmetry | |
| ไพออน | ผสม (เมซอน) | ฮิเดกิ ยุกาวะ (1935) | César Lattes, Giuseppe Occhialini (1947) และ Cecil Powell | อธิบาย แรงนิวเคลียร์ ระหว่างนิวคลีออนด้วยกัน เมซอนตัวแรก (โดยนิยามสมัยใหม่) ถูกค้นพบ |
| มูออน | มูลฐาน (เลปตัน) | ไม่เคย | Carl D. Anderson (1936) | ชื่อเมซอนในตอนแรก; วันนี้ถูกพิจารณาว่าเป็นเลปตัน |
| คาออน | ผสม (เมซอน) | ไม่เคย | 1947 | ถูกคันพบใน รังสีคอสมิก เป็น อนุภาคสเตร้นจ์ ตัวแรก |
| แลมบ์ดาแบริออน | ผสม (แบริออน) | ไม่เคย | มหาวิทยาลัยเมลเบิร์น (Lambda0, 1950)[11] | ไฮพีรอน ตัวแรกที่ถูกค้นพบ |
| นิวทริโน | มูลฐาน (เลปตัน) | ว็อล์ฟกัง เพาลี (1930), ตั้งชื่อโดย เอนรีโก แฟร์มี | Clyde Cowan, Frederick Reines (electron neutrino, 1956) | แก้ปัญหาสเปกตรัมพลังงานของ การสลายให้อนุภาคบีตา |
| ควาร์กs (อัพควาร์ก, ดาวน์ควาร์ก, สเตร้นจ์ควาร์ก) |
มูลฐาน | Murray Gell-Mann, George Zweig (1964) | ไม่มีเหตุการณ์ที่ยืนยันโดยเฉพาะสำหรับ แบบจำลองควาร์ก | |
| ชาร์มควาร์ก | มูลฐาน (ควาร์ก) | 1970 | 1974 | |
| บอตทอมควาร์ก | มูลฐาน (ควาร์ก) | 1973 | 1977 | |
| โบซอนเกจอย่างอ่อน | มูลฐาน (ควอนตัม) | Glashow, Weinberg, Salam (1968) | CERN (1983) | คุณสมบัติได้รับการตรวจสอบช่วงปี 1990s |
| ทอปควาร์ก | มูลฐาน (ควาร์ก) | 1973 | 1995 | ไม่ได้เป็นแฮดรอน, แต่จำเป็นต้องทำให้แบบจำลองมาตรฐานสมบูรณ์ |
| ฮิกส์โบซอน | มูลฐาน (ควอนตัม) | ปีเตอร์ ฮิกส์ และคนอื่น ๆ (1964) | CERN (2012) | คิดว่าจะยืนยันได้ในปี 2013 พบหลักฐานมากขึ้นในปี 2014[12] |
| เตตระควาร์ก | ผสม | ? | Zc(3900), 2013, จะถูกยืนยันว่าเป็นเตตระควาร์กตัวหนึ่ง | ระดับชั้นใหม่ของแฮดรอน |
| แกรวิตอน | มูลฐาน (ควอนตัม) | Albert Einstein (1916) | ยังไม่ถูกค้นพบ | การแปลความหมายของ คลื่นโน้มถ่วง (ยังคงเป็นสมมติฐาน) ว่าเป็นอนุภาคตัวหนึ่งยังขัดแย้งกันอยู่ |
| Magnetic monopole | มูลฐาน (ไม่มีระดับชั้น) | Paul Dirac (1931) | ยังไม่ถูกค้นพบ | |
อ้างอิง
แก้- ↑ "Subatomic particles". NTD. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2014-02-16. สืบค้นเมื่อ 5 June 2012.
- ↑ Bolonkin, Alexander (2011). Universe, Human Immortality and Future Human Evaluation. Elsevier. p. 25. ISBN 9780124158016.
- ↑ Fritzsch, Harald (2005). Elementary Particles. World Scientific. pp. 11–20. ISBN 978-981-256-141-1.
- ↑ Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik (ภาษาเยอรมัน), 43 (3–4): 172–198, Bibcode:1927ZPhy...43..172H, doi:10.1007/BF01397280.
- ↑ Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton (2000). "Wave-particle duality of C60 molecules". Nature. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. doi:10.1038/44348. PMID 18494170.
- ↑ Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. (2007). An introduction to the standard model of particle physics. Cambridge University Press. p. 1. ISBN 978-0-521-85249-4.
- ↑ Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. p. 29. ISBN 3-540-67458-6.
- ↑
R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. pp. 59–60. ISBN 0-471-87373-X.
สำหรับความยาวคลื่นทั้งยาวและสั้น ทั้งสสารและรังสีต่างก็มีคุณสมบัติที่เป็นแบบทั้งคลื่นและอนุภาค [...] แต่คุณสมบัติทางคลื่นของการเคลื่อนที่ของมันกลายเป็นสังเกตได้ยากเนื่องจากความยาวคลื่นของมันสั้นกว่า [...] สำหรับอนุภาคทั่วไปที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า มวลจะมีขนาดใหญ่เสียจนโมเมนตัมจะใหญ่พอเพียงเสมอที่จะทำให้ความยาวคลื่นของ de Broglie มีขนาดที่สั้นเพียงพอที่จะอยู่ไกลกว่าระยะที่จะตรวจพบในระหว่างการทดลองได้ และกลศาสตร์แบบดั้งเดิมก็จะถูกนำมาใช้แทน
- ↑ Isaac Newton (1687). Newton's Laws of Motion (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)
- ↑ Klemperer, Otto (1959). Electron Physics: The Physics of the Free Electron. Academic Press.
- ↑ Some sources such as The Strange Quark indicate 1947.
- ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2016-03-10. สืบค้นเมื่อ 2015-12-03.