Cząstki elementarne

W tej pracy postaram się przybliżyć istotę i budowę cząstek elementarnych. Aby w ogóle można było wyjaśnić samo zjawisko ich występowania najlepiej przyjrzeć sie najpierw podstawowej cząstce elemantarnej jaką jest ATOM. Wewnątrz atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, a wokół niego po odpowiednich torach krążą elektrony. Średnica atomu jest rzędu 10-10m , zaś jądra atomowego 1015m.

W jądrze znajdują się protony i neutrony. W atomie liczba neutronów jest równa bądź większa od liczby protonów.

Liczba atomowa: to liczba protonów w jądrze atomu danego pierwiastka. Jest ona równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym. Oznaczamy ja literą Z.

Liczba masowa: jest równa sumie nukleonów w jądrze atomu danego pierwiastka. Oznaczamy ją literą A.

A ZE

Pierwiastek to zbiór atomów o takiej samej liczbie atomowej.

Izotopy to atomy tego samego pierwiastka różniące się masą (mają różne liczby neutronów w jądrze).

Nukleony to suma protonów i neutronów w jądrze.

Nuklidy to rodzaj atomów o określonym jądrze, to znaczy o określonej liczbie protonów i neutronów w jądrze.

Minimalną ilość energii, jaka należy dostarczyć, aby usunąć z atomu pierwszy elektron nazywamy pierwsza energią jonizacji.

Ilość energii, jaka wydzieli się podczas przyłączania przez atomy pierwszego elektronu nazywamy pierwszym powinowactwem elektronowym

Wypadkową jonizacji, powinowactwa elektronowego i promieni atomowych jest elektroujemność. Elektroujemność podlega prawu okresowości.

Wiązanie jonowe
Atomy łącząc się w cząstki dążą do uzyskania na ostatniej powłoce oktetu elektronowego. Jeżeli reagują ze sobą atomy tego samego pierwiastków z których jeden jest silnie elektrododatni, a drugi silnie elektroujemny, przy czym różnica elektroujemności jest równa przynajmniej 1,7 to tworzące się wiązanie ma charakter jonowy.

Polega na przejściu elektronów z powłoki walencyjnej atomu pierwiastka elektrododatniego na powłokę walencyjną atomu pierwiastka elektroujemnego i przyciąganiu się powstałych jonów. Tego typu wiązanie tworzy się wówczas gdy łącza się atomy metali I i II gr. głównej z atomami metali niemetali VI i VIII gr. głównej.

Związki o budowie jonowej mają wysokie temperatury wrzenia i topnienia. Po stopieniu lub w roztworach wodnych przewodzą prąd. Związki jonowe nie są zbudowane z cząsteczek lecz różnoimiennych jonów, które wzajemnie się przyciągają, w krysztale NaCl nie ma cząsteczek NaCl są natomiast przemiennie ułożone jony Na i Cl .

Wiązanie atomowe niespolaryzowane
Jeżeli łączą się ze sobą atomy tego samego pierwiastka to posiadają one jednakową elektroujemność, czyli nie może jeden drugiemu oddać elektronów. Wówczas uzupełniają one swoje powłoki walencyjne do trwałej zabudowy gazów szlachetnych przez tworzenie wspólnych par elektronowych.

Polega na uwspólnieniu elektronów po jednym od każdego atomu przy czym uwspólniona para elektronów znajduje się w jednakowych odległościach od jąder obu łączących się atomów, ładunek rozmieszczony jest symetrycznie.

Wiązanie atomowe spolaryzowane
Jeżeli łączą się ze sobą atomy różnych pierwiastków tworząc uwspólnione pary elektronów, przy czym różnica elektroujemności jest mniejsza niż 1,7 to tworzące się wiązanie nazywamy wiązaniem atomowym spolaryzowanym.

Polega na uwspolnieniu elekrtonów po jednym od każdego elektronu, przy czym uwspólnione elektrony znajdują się bliżej jądra atomu pierwiastka bardziej elektroujemnego. Ładunek rozmieszczony jest niesymetrycznie.

Budowa biegunowa- dipol.
Moment dipolowy definiuje się jako iloczyn bezwzględnej wartości ładunku jednego z biegunów i odległości między biegunami:

Miarą niesymetryczności rozmieszczenia ładunku czyli miara polaryzacji wiązania jest moment dipolowy.

Cząsteczki wody ze względu na polaryzację mogą łączyć się w większe zespoły. Zjawisko takie nazywamy – asocjacją.

Dipole wody otaczają jony bądź cząsteczki o budowie polarnej substancji rozpuszczonych w wodzie. Zjawisko takie nazywamy – hydratacją.

Wiązanie metaliczne – jest charakterystyczne dla metali i ich stopów. Polega ona na wzajemnym ich oddziaływaniu dodatnie naładowanych zrębów atomowych (atom bez elektronów walencyjnych) znajdujących się w węzłach sieci krystalicznej metalu i gazu elektronowego.

Wiązanie wodorowe – to wiązanie bardzo słabe i polega na łączeniu się dwóch silnie elektroujemnych atomów należących do różnych cząsteczek poprzez atom wodoru.

Wiązanie koordynacyjne – (domorowo-akceptorowe) wiązanie to polega na utworzeniu wspólnej pary elektronowej, która pochodzi od jednego atomu. Atom dostarczający parę elektronów nazywamy donorem, zaś atom korzystający z tej pary nazywamy akceptorem. Strumienie cząstek alfa, beta oraz promienie gamma maja właściwość jonizowania materii. To znaczy, ze przenikając miedzy atomami, wybijają z nich elektrony. Atom, który utracił choć jeden elektron, przestaje już być elektronicznie obojętny. Posiada nadwyżkę dodatnich ładunków, mówimy wtedy, że atom stał się jonem dodatnim. Gdy natomiast elektron przyczepi się do innego atomu, wytwarza w nim nadwyżkę elektronów, jonizując go ujemnie. Na drodze przebiegu powstaje wówczas z cząstki alfa para jonów: dwa atomy, z których jeden ma nadwyżkę ładunku dodatniego, drugi – ujemnego. Zdolność do jonizacji jest cechą bardzo ważną. Pod wpływem promieniowania substancje, będąc dobrymi izolatorami, zaczynają nagle przewodzić prąd elektryczny. Zjawisko to wykorzystano między innymi do budowy aparatów wykrywających promieniowanie jądrowe.

Inna charakterystyczną cecha promieni radioaktywnych jest ich zasięg, który dla cząstek a jest stosunkowo niewielkie, gdyż wynosi 2,5 cm do 11,5 cm. Wskutek jonizującego działania ciężkie „pociski” a tracą szybko energię i biegnąc przez powietrze lub inny gaz, zderzają się po drodze z cząsteczkami ośrodka, mającymi znacznie większą masę, zmniejszającą stopniowo ich prędkość, tak że po przebyciu kilku lub kilkunastu centymetrów ruch ich całkowicie ustaje.Coraz więcej wskazuje na to, że Einstein niekoniecznie się mylił, wprowadzając do swoich równań tzw. stałą kosmologiczną, którą później usunął ze świadomością, iż jej użycie było jego największym błędem w karierze naukowej.

"Tempo rozszerzania się wszechświata ciągle rośnie. Pustka kosmiczna wydaje się wypełniona potężną energią rozpychającą przestrzeń wszechświata. Nikt nie zna jej natury. Wiadomo tylko, że działa odwrotnie niż grawitacja: nie przyciąga lecz odpycha. Jest czymś w rodzaju antygrawitacji" - twierdzi profesor Robert Kirshner, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda, rektor Smithsonian Center for Astrophysicas w Cambridge. Prawdopodobnie od tej nieznanej energii zależą losy wszechświata.

Na swoim wykładzie podczas kongresu Amerykańskiego Stowarzyszenia na Rzecz Rozwoju Nauki w Waszyngtonie profesor Kirshner pokazywał, jak pogłębia się nasza wiedza o wszechświecie. W ciągu kilku ostatnich lat bardzo dużo się zmieniło w wiedzy o wszechświecie. Dwa zespoły astronomów amerykańskich z Uniwersytetu Harvarda i z Berkeley ścigały się, polując na supernowe. Wybuch tych gwiazd zdarzają się nie częściej niż raz na sto lat w galaktyce liczącej sto miliardów obiektów. Ich blask w chwili eksplozji jest potężniejszy niż reszty galaktyki. Umierająca gwiazda w nuklearnym wybuchu odrzuca swoje warstwy zewnętrzne i po kilku tygodniach jądrowego fajerwerku przekształca się w białego karła . W listopadzie ubiegłego roku zespół prof. Kirshera odkrył supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych od nas, co oznacza, że eksplozja zdarzyła się pięć miliardów lat temu.

Supernowe, pojawiające się w różnych miejscach wszechświata, spełniają funkcję podobną do latarni morskich - służą do określania odległości. Wszystkie mają niemal taką samą masę (ok. 1,4 masy Słońca), dlatego gdy kończą żywot w nuklearnym fajerwerku, mają prawie identyczną jasność. Natężenie ich blasku może być zatem wskaźnikiem ich odległości od Ziemi. Wędrując miliony czy miliardy lat fale światła supernowych "rozciągają" się, gdyż pędzą w nieustannie rozszerzającej się przestrzeni. Jest to efekt pierwotnego Wielkiego Wybuchu, podczas którego miał powstać świat. Fizycy od kilku lat tropiący supernowe próbują ustalić, czy tempo rozszerzania się przestrzeni maleje. Kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu nie byłoby w tym nic zaskakującego.

Tymczasem informacje z obserwatoriów na Hawajach, w Australii, Chile, jak i krążącego nad Ziemią Teleskopu Hubble'a, przetwarzane przez sieci najpotężniejszych komputerów, świadczą o tym, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Światło odkrytych ostatnio bardzo dalekich supernowych jest znacznie słabsze niż powinno. A to dowodzi, że przestrzeń między nimi a Ziemią rozszerzyła się bardziej, niż by to wynikało z dotychczasowego tempa ekspansji wszechświata. Obserwacje te rodzą kolejne pytania. Nie wiadomo, co może być źródłem impetu zwiększającego prędkość, z jaką uciekają od siebie wszystkie galaktyki, ich gromady i większe od nich struktury kosmiczne. Podsumowując cząstki elementarne są fundamentem i spoiwem całego fizycznego świata a to dzięki spoistości ich struktury która jest niejako kolektor energii.