|
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] ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคต่างๆในกรอบงานของทฤษฎีสนามควอนตัมถูกเข้าใจว่าเป็นการสร้างและการทำลายล้างของ"ควอนตัมทั้งหลาย"ของ"อันตรกิริยาพื้นฐาน"ที่สอดคล้องกัน สิ่งนี้จะผสมผสานฟิสิกส์ของอนุภาคเข้ากับทฤษฎีสนามควอนตัม การแยกประเภทโดยทางสถิติบทความหลัก: ทฤษฎีสปินสถิติ  อนุภาคย่อยของอะตอมใด ๆ, ก็เหมือนอนุภาคใด ๆ ในอวกาศ 3 มิติที่เป็นไปตามกฏของกลศาสตร์ควอนตัม, มันสามารถจะเป็นอนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่งคือเป็นโบซอน (สปินมีค่าเป็นจำนวนเต็ม) หรือเป็นเฟอร์มิออน (สปินมีค่าเป็นครึ่งของจำนวนเต็ม) โดยส่วนผสมอนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ของแบบจำลองมาตรฐานได้แก่:[6]
อนุภาคย่อยของอะตอมแบบผสม (เช่นโปรตอนหรือนิวเคลียสของอะตอม) เป็นสภาวะยึดเหนี่ยวของอนุภาคมูลฐานสองตัวหรือมากกว่า ตัวอย่างเช่น โปรตอนถูกทำขึ้นจากอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว ในขณะที่นิวเคลีนสของอะตอมของฮีเลียม-4 ประกอบด้วยสองโปรตอนและสองนิวตรอน นิวตรอนถูกทำขึ้นจากดาวน์ควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว อนุภาคผสมจะรวมถึงแฮดรอนทั้งหมด ซึ่งแฮดรอนเหล่านี้ได้แก่แบริออน (เช่นโปรตอนและนิวตรอน) และเมซอน (เช่น ไพออนและคาออน) โดยมวลใน"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 ๆโดยผ่านการทำงานของ Albert Einstein, หลุยส์ de Broglie และคนอื่น ๆ อีกมากมาย ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันถือว่าทุกอนุภาคก็มีธรรมชาติของคลื่นเช่นกัน[7] ทฤษฎีนี้มีการตรวจสอบไม่เพียงสำหรับอนุภาคมูลฐานเท่านั้น แต่ยังสำหรับอนุภาคผสมเช่นอะตอมและแม้กระทั่งโมเลกุล ในความเป็นจริง ตามรูปแบบการรวมตัวดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน (อังกฤษ: non-relativistic quantum mechanics) ทวิภาคของคลื่นกับอนุภาคจะนำไปใช้กับวัตถุทั้งหมด แม้แต่วัตถุแบบที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า; แม้ว่าคุณสมบัติแบบที่เป็นคลื่นของวัตถุที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่านั้นจะไม่สามารถถูกตรวจพบได้เนื่องจากการความยาวคลื่นที่มีขนาดเล็กของพวกมัน[8] ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคด้วยกันได้รับการพิจารณาอย่างละเอียดเป็นเวลาหลายศตวรรษ และกฎหมายง่ายๆไม่กี่ตัวสนับสนุนวิธีการที่อนุภาคจะปฏิบัติตนในการชนและการมีปฏิสัมพันธ์ พื้นฐานที่สุดของสิ่งเหล่านี้เป็นกฎของการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม ที่ซึ่งยอมให้เราทำการคำนวณการมีปฏิสัมพันธ์อนุภาคบนเครื่องวัดขนาดที่อยู่ในช่วงจากดวงดาวจนถึงควาร์ก[9] สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานที่จำเป็นของกลศาสตร์นิวตัน ที่เป็นชุดของคำอธิบายและสมการในหนังสือชื่อ Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ตีพิมพ์แต่เดิมในปี 1687 การแบ่งอะตอมอิเล็กตรอนประจุลบมีมวลเท่ากับ 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 ประวัติบทความหลัก: ประวัติของฟิสิกส์ย่อยของอะตอม และ เส้นเวลาของการค้นพบอนุภาค คำว่า "อนุภาคย่อย" เป็นคำที่ใช้แทนคำเดิมในปี 1960s เพื่อทำให้ แบริออน และ เมซอน (ที่ประกอบขึ้นเป็น แฮดรอน) แตกต่างจากอนุภาคอื่นที่ปัจจุบันเคยคิดกันว่าเป็นมูลฐานอย่างแท้จริง ก่อนหน้านั้น แฮดรอนมักจะถูกแยกประเภทเป็น "มูลฐาน" เพราะองค์ประกอบของมันไม่มีใครรู้ ต่อไปนี้เป็นรายการของการค้นพบที่สำคัญ
อ้างอิง
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
