ניתן לדמיין חלקיקים המרכיבים אטומים בדרכים שונות - למשל, בצורה של חלקיקי אבק עגולים. הם כל כך קטנים שלא ניתן להתייחס לכל גרגר אבק כזה בנפרד. כל החומר שנמצא בעולם הסובב מורכב מחלקיקים כאלה. מהם החלקיקים המרכיבים את האטומים?
הגדרה
חלקיק תת-אטומי הוא אחד מאותם "לבנים" שמהם בנוי העולם כולו. חלקיקים אלו כוללים פרוטונים ונויטרונים, שהם חלק מגרעיני אטום. גם אלקטרונים הסובבים סביב גרעינים שייכים לקטגוריה זו. במילים אחרות, חלקיקים תת-אטומיים בפיזיקה הם פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. בעולם המוכר לאדם, ככלל, לא מוצאים חלקיקים מסוג אחר - הם חיים קצרים בצורה יוצאת דופן. כשהגיל שלהם מסתיים, הם מתכלים לחלקיקים רגילים.
מספרם של אותם חלקיקים תת-אטומיים שחיים קצרים יחסית, כיום הוא במאות. מספרם כה גדול עד שמדענים אינם משתמשים יותר בשמות הרגילים עבורם. כמו כוכבים, לרוב מוקצים להם ייעודים מספריים ואלפביתיים.
תכונות עיקריות
ספין, מטען חשמלי ומסה הם בין המאפיינים החשובים ביותר של כל חלקיק תת-אטומי. מאחר שמשקלו של חלקיק קשור לעתים קרובות למסה, חלק מהחלקיקים נקראים באופן מסורתי "כבדים". המשוואה של איינשטיין (E=mc2) מצביעה על כך שמסה של חלקיק תת-אטומי תלויה ישירות באנרגיה ובמהירות שלו. באשר למטען החשמלי, הוא תמיד כפולה של היחידה הבסיסית. לדוגמה, אם המטען של פרוטון הוא +1, אז המטען של האלקטרון הוא -1. עם זאת, לחלק מהחלקיקים התת-אטומיים, כגון הפוטון או הנייטרינו, אין מטען חשמלי כלל.
כמו כן, מאפיין חשוב הוא משך החיים של החלקיק. לאחרונה, מדענים היו בטוחים כי אלקטרונים, פוטונים, כמו גם ניטרינו ופרוטונים הם יציבים לחלוטין, ואורך חייהם הוא כמעט אינסופי. עם זאת, זה לא ממש נכון. הנייטרון, למשל, נשאר יציב רק עד שהוא "משוחרר" מגרעין האטום. לאחר מכן, משך החיים שלו הוא בממוצע 15 דקות. כל החלקיקים הלא יציבים עוברים תהליך ריקבון קוונטי שלעולם לא ניתן לחיזוי לחלוטין.
מחקר חלקיקים
האטום נחשב בלתי ניתן לחלוקה עד שהתגלה המבנה שלו. לפני כמאה שנה ערך רתרפורד את הניסויים המפורסמים שלו, שכללו הפצצת יריעה דקה בזרם של חלקיקי אלפא. התברר שאטומי החומר ריקים כמעט. ובמרכז האטום נמצא כל מה שאנו קוראים לו גרעין האטום - הואקטן פי אלף מהאטום עצמו. באותה תקופה, מדענים האמינו שהאטום מורכב משני סוגים של חלקיקים - הגרעין והאלקטרונים.
לאורך זמן, למדענים יש שאלה: מדוע הפרוטון, האלקטרון והפוזיטרון נצמדים זה לזה ואינם מתפרקים לכיוונים שונים בהשפעת כוחות קולומב? וגם עבור המדענים של אז זה נשאר לא ברור: אם החלקיקים האלה הם אלמנטריים, אז שום דבר לא יכול לקרות להם, והם חייבים לחיות לנצח.
עם התפתחות הפיזיקה הקוונטית, חוקרים גילו שהנויטרון נתון לדעיכה, ובו בזמן די מהיר. הוא מתפרק לפרוטון, אלקטרון ומשהו אחר שלא ניתן היה לתפוס. זה האחרון הבחין בחוסר האנרגיה. אז הניחו מדענים שרשימת החלקיקים היסודיים מוצתה, אך כעת ידוע שזה רחוק מלהיות המצב. התגלה חלקיק חדש בשם ניטרינו. הוא אינו נושא מטען חשמלי ובעל מסה נמוכה במיוחד.
Neutron
נייטרון הוא חלקיק תת-אטומי בעל מטען חשמלי נייטרלי. המסה שלו היא כמעט פי 2,000 מהמסה של אלקטרון. מכיוון שהנייטרונים שייכים למחלקת החלקיקים הניטרליים, הם מקיימים אינטראקציה ישירה עם גרעיני האטומים, ולא עם קליפות האלקטרונים שלהם. לנייטרונים יש גם מומנט מגנטי המאפשר למדענים לחקור את המבנה המגנטי המיקרוסקופי של החומר. קרינת נויטרונים אינה מזיקה אפילו לאורגניזמים ביולוגיים.
חלקיק תת-אטומי – פרוטון
מדענים גילו שאלו"לבני החומר" מורכבות משלושה קווארקים. הפרוטון הוא חלקיק בעל מטען חיובי. מסת הפרוטון עולה על מסת האלקטרון פי 1836. פרוטון אחד ואלקטרון אחד מתאחדים ויוצרים את היסוד הכימי הפשוט ביותר, אטום המימן. עד לאחרונה האמינו שפרוטונים אינם יכולים לשנות את הרדיוס שלהם בהתאם לאיזה אלקטרונים מסתובבים מעליהם. פרוטון הוא חלקיק בעל מטען חשמלי. מתחבר עם אלקטרון, הוא הופך לנייטרון.
Electron
האלקטרון התגלה לראשונה על ידי הפיזיקאי האנגלי ג'יי תומסון בשנת 1897. חלקיק זה, כפי שמדענים מאמינים כעת, הוא עצם יסודי או נקודתי. זהו שמו של חלקיק תת-אטומי באטום, שאין לו מבנה משלו - אינו מורכב ממרכיבים אחרים, קטנים יותר. באיחוד עם פרוטון ונייטרון, אלקטרון יוצר אטום. כעת מדענים עדיין לא הבינו ממה מורכב החלקיק הזה. אלקטרון הוא חלקיק בעל מטען חשמלי אינסופי. עצם המילה "אלקטרון" בתרגום מיוונית עתיקה פירושה "ענבר" - אחרי הכל, מדענים מהלס השתמשו בענבר כדי לחקור את תופעות החשמל. מונח זה הוצע על ידי הפיזיקאי הבריטי בשנת 1894, ג'יי סטוני.
למה ללמוד חלקיקים יסודיים?
התשובה הפשוטה ביותר לשאלה מדוע מדענים צריכים לדעת על חלקיקים תת-אטומיים היא: לקבל מידע על המבנה הפנימי של האטום. אולם, אמירה זו מכילה רק גרעין של אמת. בְּלמעשה, מדענים חוקרים לא רק את המבנה הפנימי של האטום - התחום העיקרי של המחקר שלהם הוא התנגשות של חלקיקי החומר הקטנים ביותר. כאשר חלקיקים אנרגטיים במיוחד אלה מתנגשים זה בזה במהירות גבוהה, עולם חדש ממש נולד, ושברי החומר שנותרו לאחר ההתנגשויות עוזרים לפענח את מסתורי הטבע שתמיד נותרו בגדר תעלומה למדענים.
