Atomistii greci credeau ca intreaga materie este alcatuita din atomi si probabil ei au sesizat primii ca extrema diversitate a aspectelor materiei poate fi explicata prin diferitele configuratii ale atomilor. Astazi fizicienii au o parere asemanatoare, dar cu siguranta ca este o enorma diferenta intre teoriile lor cantitative si speculatiile confuze ale anticilor. Atomii s-au dovedit a fi divizibili. Sunt formati din electroni si nucleoni (protoni si neutroni). Deci atomii nu sunt particule elementare.
Prima particula elementara descoperita a fost electronul (J. J. Thomson 1897), apoi protonul si neutronul. S-a crezut ca aceste particule impreuna cu fotonul sunt suficiente pentru a intelege lumea. Dar curand Anderson descopera pozitronul lui Dirac. Iar odata cu dezvoltarea fizicii nucleare se vor descoperi peste 300 particule. Se considera ca majoritatea acestor particule sunt compuse din quarci (in numar de 6 sau 12 cu antiquarcii). Interactiunile caracteristice nucleonilor au primit denumirea de interactiuni tari. Descoperirea instabilitatii neutronului a indicat existenta unui alt tip de interactiuni: interactiuni slabe. Interactiunile EM, slabe, tari si gravitationale sunt cele care stabilesc legile fizicii, par a fi manifestari de aceeasi natura si ar trebui descrise in mod similar.
Particulele elementare se clasifica dupa valoarea numarului cuantic de spin si dupa valoarea masei de repaus. Exista si o clasificare din punct de vedere al interactiunilor: particulele carora le sunt caracterice interactiunile tari sunt numite adroni (aici intra barionii - protoni, neutroni, hiperoni - si mezonii). Leptonii sunt cei care nu participa la interactiunile tari. Fiecarui lepton cu sarcina ii corespunde o particula neutra - neutrin. Ipoteza existentei acestei particule cu masa aproape nula a fost propusa de Pauli pentru a salva legea conservarii energiei in dezintegrarea beta radioactiva. Neutrinul si antineutrinul sunt caracterizate prin sarcina nula, iar masa lor de repaus se apropie de zero. Leptonilor le sunt anexate asa-numita sarcina leptonica L. Aceasta marime ia valoarea +1 pentru e-, μ-, τ-, νe, νμ, ντ, si -1 pentru antiparticulele lor. Introducerea acestei marimi se datoreaza faptului ca intr-un sistem inchis numarul intreg de leptoni minus numarul intreg de antileptoni este constant. Fiecare pereche de leptoni (e-, νe), (μ-, νμ), (τ-, ντ) poseda o sarcina leptonica specifica Le, Lμ, Lτ. In felul acesta se observa ca un neutrin electronic ciocnind un neutron da nastere numai electronului, nu miuonului sau tau-leptonului. In prezent se discuta posibilitatea neutrinilor de a-si schimba in timp sarcina leptonica, transformandu-se astfel in neutrin de alt tip.
Toti adronii, conform conceptelor contemporane sunt formati din particule mai “fundamentale” numite quarci (q). Quarcii sunt fermioni, au spinul 1/2, sarcina electrica +2/3 si -1/3 (un. sarcina electronului). Sarcina antiquarcilor este -2/3 si +1/3. Asemenea leptonilor quarcii se grupeaza în perechi, ba chiar are loc un fel de simetrie quarc-leptonica. Fiecarui perechi de leptoni ii corespunde o pereche de quarci dupa cum se vede in tabelul proprietatilor. Perechii (e, νe) ii corespund quarcii (u, d). Acestia sunt cei mai usori quarci. Din trei quarci de acest fel putem construi un proton p=(uud) sau neutron n=(udd). Din perechile quarc-antiquarc sunt construiti mezonii. Sirul (u, d, νe, e) formeaza asa-numita prima generatie quarc-leptonica. Datele cosmologice vorbesc despre lipsa altor generatii decat cele prezentate in tabel. Intr-adevar, 3 generatii sunt de-ajuns pentru a explica teoretic diversitatea proprietatilor particulelor si antiparticulelor.
Particulele care contin quarcul s sunt numite “stranii”. Teoretic, daca inlocuim 2 sau 3 quarci in nucleon, putem explica existenta tuturor tipurilor de barioni “stranii” - cum sunt hiperonii. Prin analogie putem inlocui quarcii -u- sau -d- din componenta pi-mezonului introducand quarcul s si astfel obtinem mezonii K etc. Fiecare quarc poseda si un numar cuantic numit culoare. Culoarea este o analogie mai complicata a sarcinii electrice. Exista 8 tipuri diferite de gluoni, toti poseda sarcina cromatica si de aceea interactioneaza unul cu altul. Aceasta este cauza unui fenomen nou numit confinement. Partea fizicii care se ocupa cu cercetari asupra interactiunilor quarcilor si gluonilor este numita cromodinamica cuantica. Cromodinamica cuantica este teoria care explica interactiunile tari ale particulelor elementare.
La nivelul contemporan al stiintei despre ceea ce inseamna particula elementara cunoastem 6 leptoni (e-, νe, μ-, νμ, τ-, ντ), 6×3=18 quarci dar si cuante ale interactiunilor: fotonul pentru interactiunea EM, 8 gluoni pentru interactiunile tari, W+- si bosonii Z0. Existenta tuturor acestor particule a fost adeverita de experienta. Pe langa acestea, teoria cere existenta unui camp scalar constant in spatiu care interactioneaza diferit cu leptonii si quarcii. Cuantele campului scalar reprezinta noile particule cu spin egal cu zero. Sunt numite bosoni Higgs, dupa savantul care a prezis existenta lor. Sarcina este cuantificată. Aceasta înseamnă că sarcina electrică vine în cantități discrete și că există o cantitate cât mai mică de sarcină pe care o poate avea un obiect. În sistemul SI, această cantitate cea mai mică este e ≡ 1,602 × 10−19 C. Nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta și, prin urmare, sarcina oricărui obiect - sarcina tuturor obiectelor - trebuie să fie un multiplu întreg al acestei cantități. Mărimea sarcinii este independentă de tip. În principiu, dacă o sarcină negativă ar dispărea de pe bancul de laborator și ar reapărea pe Lună, conservarea sarcinii ar rămâne în continuare. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă niciodată. Sarcina totală într-un sistem închis este conservată. Odată ce a devenit clar că toată materia era compusă din particule, a devenit rapid clar și că constituenții atomului includ atât particule încărcate pozitiv, cât și particule încărcate negativ. Particula încărcată negativ a fost prima care a fost descoperită.
În 1897, fizicianul englez J. J. Thomson studia razele catodice. Cu acest experiment, el a putut determina raportul sarcină-masă al particulei, arătând că masa acestei particule este de 1837 de ori mai mică decât masa oricărei alte particule cunoscute. Rutherford a arătat în 1908 că sarcinile pozitive ale atomului existau într-un nucleu minuscul care ocupa o foarte mică parte din volumul total al atomului, dar deținea peste 99% din masă, iar electronii orbitau în jurul nucleului, formând un nor încărcat electric. Aceasta a conturat modelul atomului cu nucleu încărcat pozitiv și nor de electroni în jurul lui. Neutronul a fost descoperit în 1932, un geamăn neutru al protonului, cu masă aproape identică, ceea ce a completat înțelegerea nucleului; masa neutronului este puțin mai mare decât masa protonului.
Într-un atom neutru din punct de vedere electric, sarcina negativă totală a electronilor este egală cu sarcina pozitivă totală din nucleu. Electronii pot fi îndepărtați sau adăugați mai mult sau mai puțin ușor, schimbând sarcina netă a atomului; un astfel de atom se numește ion. Povestea atomului a continuat cu descoperiri ale pionilor, neutrino-ilor și quarcilor, consolidând înțelegerea structurii materiei. Sarcina este o proprietate a particulei, nu o particulă în sine, iar sistematic suntem obișnuiți să vorbim despre sarcină ca despre o cantitate cuantificată și conservată în sisteme închise.
Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu.
tags: #valoarea #sarcinii #electrice #a #neutronului