Το Άτομο

Πυρήνας και Ηλεκτρόνια

Πρωτόνια και Νετρόνια

Κουάρκ

Η 1η γενιά των Στοιχειωδών

Σωματιδίων

Η 2η & 3η γενιά των Στοιχειωδών

Σωματιδίων

Τα αντισωματίδια

Τα ΑΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ

(μοντέλα)

Δημόκριτος

Dalton

Rutherford

Bohr

Sommerfield

Κβαντομηχανική Θεωρία

ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ

Ο Δημόκριτος τον 5ο αιώνα π.Χ.

διατύπωσε την άποψη για την ασυνέχεια

της ύλης. Δηλαδή υποστήριξε ότι η ύλη

αποτελείται από μικρά σωματίδια τα

οποία δεν μπορούν να διαιρεθούν σε

άλλα απλούστερα. Τα σωματίδια αυτά τα

ονόμασε ατόμους (άτομα).

DALTON

Στις αρχές του 19ου αιώνα ο Dalton διατύπωσε

την ατομική θεωρία σύμφωνα με την οποία:

Η ύλη φτιάχνεται από

άτομα

Τα άτομα είναι όμοια σε

κάθε στοιχείο

Έχουν ξεχωριστές μάζες

και ιδιότητες

Αδιαίρετα και ακατάλυτα

Συνδυάζονται σε ακέραιους

αριθμούς

RUTHERFORD

Το ατομικό πρότυπο του Rutherford παρουσιάζει το άτομο σαν μικρογραφία του πλανητικού συστήματος.

Τα κυριότερα σημεία του ήταν τα εξής:

RUTHERFORD

H μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη σε ένα

πολύ μικρό χώρο, τον πυρήνα. Δηλαδή ο

μεγαλύτερος όγκος του ατόμου είναι κενός.

Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια που είναι

θετικά φορτισμένα και τα νετρόνια (ουδετερόνια) που

δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.

Ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό

των πρωτονίων. Τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω

από τον πυρήνα σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις με

ακαθόριστο τρόπο.

BOHR Το ατομικό πρότυπο του Bohr είναι ένα απλό μοντέλο για το

άτομο το οποίο συνδυάζει την ιδέα του πλανητικού

συστήματος (βαρύτητα) με την κβαντική θεωρία του Plank (η

ακτινοβολία εκπέμπεται ή απορροφάται σε μικρά πακέτα

κβάντα)

BOHR

Tα κυριότερα σημεία της είναι τα εξής:

Σε κάθε άτομο υπάρχει θετικό φορτίο συγκεντρωμένο

σε μια πολύ μικρή περιοχή του που είναι συμπαγής και ονομάζεται πυρήνας.

Γύρω από τον πυρήνα βρίσκονται σε τροχιές τα αρνητικά ηλεκτρόνια, δεχόμενα από τον πυρήνα ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις Κουλόμπ (Coulomb), σχηματίζοντας ένα σύννεφο αρνητικού φορτίου.

Ο μεγαλύτερος χώρος του ατόμου είναι κενός.

Τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται γύρω από τον πυρήνα μόνο σε ορισμένες κυκλικές τροχιές στις οποίες η ενέργειά τους είναι κβαντισμένη.

Οι τροχιές αυτές ονομάζονται επιτρεπτές τροχιές.

Ένα ηλεκτρόνιο εκπέμπει ακτινοβολία μόνο κατά την μετάβασή του από μία επιτρεπτή τροχιά ψηλότερης ενέργειας σε μια επιτρεπτή τροχιά χαμηλότερης ενέργειας. Κατά τον ίδιο τρόπο ένα ηλεκτρόνιο απορροφά ακτινοβολία μόνο κατά την μετάβασή του από μια επιτρεπτή τροχιά χαμηλότερης ενέργειας σε μια επιτρεπτή τροχιά ψηλότερης ενέργειας.

Το ατομικό πρότυπο του Bohr εφαρμόζεται με επιτυχία μόνο στο άτομο του υδρογόνου.

BOHR

SOMMERFIELD

Σύμφωνα με το ατομικό πρότυπο του

Sommerfield τα ηλεκτρόνια εκτός από τις

κυκλικές τροχιές διαγράφουν και

ελλειπτικές τροχιές. Έτσι τα ηλεκτρόνια

που ανήκουν σε μια στιβάδα μπορούν να

κατανέμονται σε διαφορετικές υπό-

στιβάδες.

ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως υλικό σωματίδιο αλλά και ως κύμα οπότε δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με

ακρίβεια την τροχιά του.

Στο κβαντομηχανικό μοντέλο

η τροχιά αντικαθίσταται με

την έννοια του τροχιακού.

Έτσι το ηλεκτρόνιο μετα-

σχηματίζεται από αρνητικά

φορτισμένο σωματίδιο σε

ηλεκτρονιακό νέφος.

Ατομικός Πυρήνας

Ο πυρήνας είναι μία πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του ατόμου (αξίζει να σημειωθεί ότι οι διαστάσεις του πυρήνα είναι 5 τάξεις μεγέθους, δηλαδή 100.000 φορές μικρότερες από τις ατομικές διαστάσεις που είναι της τάξης των 10 − 10(m)), η οποία περιέχει σχεδόν το σύνολο της μάζας του ατόμου μιας και τα νουκλεόνια από τα οποία αποτελείται, δηλαδή, τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια έχουν περίπου 1836 και 1838 φορές αντίστοιχα μεγαλύτερη μάζα από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που κινούνται (μόνο την πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου μπορούμε να γνωρίζουμε γύρω από τον πυρήνα, όπως καθορίζει η κβαντική μηχανική) γύρω του.

Οι πυρήνες δεν συμμετέχουν ενεργά στις χημικές αντιδράσεις, οι

οποίες καθορίζονται από τα ηλεκτρόνια, εντούτοις, η έλξη των

ηλεκτρονίων από τους πυρήνες των ατόμων παίζει καταλυτικό

ρόλο στην πραγματοποίησή τους.

Πέραν τούτου, υπάρχουν άλλου είδους αντιδράσεις οι οποίες

αλλάζουν την κατάσταση των πυρήνων, γνωστές ως πυρηνικές

αντιδράσεις.

Στις αρχές του 20 αιώνα, ο Ράδερφορντ (Ernest Rutherford)

κατάφερε να δείξει ότι το άτομο έχει ένα πολύ συμπαγή, όσο και σχετικά

πολύ μικρό, πυρήνα ενώ ο υπόλοιπος χώρος του ατόμου φαινόταν

κενός. Το βασικό πείραμα που πραγματοποίησε ήταν ο βομβαρδισμός

ενός λεπτού φύλλου χρυσού με σωματίδια α (πού σήμερα γνωρίζομε ότι

είναι πυρήνες του στοιχείου ηλίου, He) πολύ μεγάλης ταχύτητας. Ενώ

λοιπόν τα πιό πολλά από αυτά τα σωματίδια διαπερνούσαν το φύλλο με

πολύ μικρές αποκλίσεις, μερικά "γύριζαν" προς τα πίσω. Ο πυρήνας του

ατόμου είναι θετικά φορτισμένος ενώ, κατά τον Ράδερφορντ, ένα πλήθος

(αρνητικά φορτισμένων) ηλεκτρονίων γέμιζε τον κενό χώρο. Έπρεπε να

έρθει ο Μπορ (Niels Bohr) για να βάλει τα ηλεκτρόνια στη "θέση" τους,

δηλαδή να περιστρέφονται σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές γύρω από

τον πυρήνα (το ηλεκτρόνιο είχε ήδη ανακαλυφθεί από τον Τόμσον

(Joseph John Thomsosn) λίγα χρόνια πριν.

Ηλεκτρόνιο

Το ηλεκτρόνιο είναι ένα από τα θεμελιώδη υποατομικά

σωματίδια της ύλης, το οποίο φέρει αρνητικό ηλεκτρικό

φορτίο. Είναι λεπτόνιο με σπιν 1/2 και μάζα 1,836 ×

103 φορές μικρότερη από το πρωτόνιο.

Τα ηλεκτρόνια μαζί με τους ατομικούς πυρήνες σχηματίζουν τα

άτομα. Τα ηλεκτρόνια μπορεί να θεωρηθεί πως περιστρέφονται

ταχύτατα γύρω από τον πυρήνα των ατόμων σε συγκεκριμένες,

ομοεστιακές και μη συμπίπτουσες ενεργειακές τροχιές, τις

στοιβάδες, όπως περίπου οι πλανήτες σε ένα ηλιακό σύστημα. Ο

εκάστοτε αριθμός και η διάταξη των ηλεκτρονίων στις ατομικές

ενεργειακές στοιβάδες καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες των

στοιχείων, ενώ η παγίδευσή τους σε τροχιές γύρω από πυρήνες

και γειτονικών ατόμων, σε επιτρεπόμενες στοιβάδες, δημιουργεί

τους χημικούς δεσμούς.

Σήμερα δεν θεωρείται πως τα ηλεκτρόνια περιφέρονται πρα-

γματικά στις τροχιές που καθορίζουν ενεργειακά οι στοιβάδες

αλλά πως βρίσκονται σε θέσεις που δεν είναι δυνατό να είναι

απόλυτα γνωστές και έχουν σχήμα νέφους πιθανοτήτων.

Ακόμα και στην περίπτωση που έχουμε ένα ηλεκτρόνιο γύρω από ένα

πρωτόνιο, (δηλαδή σε ένα άτομο υδρογόνου), το ηλεκτρόνιο

περιγράφεται ως ένα νέφος γύρω από τον πυρήνα που είναι πιο πυκνό

κοντά στην απόσταση της στοιβάδας που του αναλογεί ενεργειακά.

Η ροή ηλεκτρονίων μέσω αγωγού δημιουργεί το ηλεκτρικό ρεύμα.

Ιδιότητες: Το ηλεκτρόνιο έχει το μικρότερο, ελεύθερο στην φύση, γνωστό

ηλεκτρικό φορτίο: 2,803 × 10 −10 ηλεκτροστατικές μονάδες, ή 1,602 ×

10−19 κουλόμπ. Η μάζα του είναι 9,1094 × 10−31 χιλιόγραμμα. Αν το

ηλεκτρόνιο θεωρηθεί σφαίρα η λεγόμενη κλασικιστική ακτίνα του

σύμφωνα με την σχετικιστική φυσική και αγνοώντας τις κβαντομηχανικές

επιδράσεις ισούται με 10 − 15m[1], αν και πειράματα της

κβαντομηχανικής έδειξαν ότι η πραγματική ενδεχόμενη ακτίνα του αν

θεωρηθεί μπάλα είναι πολύ μικρότερη, της τάξης μεγέθους των 10-22m.

ΠΥΡΗΝΑΣ

ΠΡΩΤΟΝΙΑ +

ΝΕΤΡΟΝΙΑ

ΠΡΩΤΟΝΙΟ

Το πρωτόνιο είναι ένα από τα υποατομικά

σωματίδια, που θεωρούνταν παλιότερα στοιχειώδες σωμάτιο,

αλλά αργότερα βρέθηκε ότι έχει εσωτερική δομή. Ως

νουκλεόνιο, είναι ένας από τούς βασικούς δομικούς λίθους των

πυρήνων των ατόμων. Επίσης κατατάσσεται στην κατηγορία

των αδρονίων με βαρυονικό αριθμό ένα, ενώ με βάση το σπιν

του (που είναι 1/2) και της στατιστικής που το περιγράφει,

κατατάσσεται και στα φερμιόνια. Έχει βρεθεί ότι είναι σύνθετο

σωμάτιο. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο αποτελείται

από τρία κουάρκ, δύο "πάνω" (up) και ένα "κάτω" (down) που

συνδέονται με την ισχυρή αλληλεπίδραση του πυρήνα των

ατόμων, που είναι υπεύθυνη για τις δυνάμεις που συγκρατούν

τα πρωτόνια με νετρόνια, καθώς και με άλλα πρωτόνια.

Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου

ονομάζεται «ατομικός αριθμός» είναι μοναδικός για

κάθε χημικό στοιχείο και επομένως καθορίζει το είδος

του ατόμου και κατά συνέπεια τις φυσικές και χημικές

του ιδιότητες.

Το πρωτόνιο είναι θετικά φορτισμένο σωμάτιο, με φορτίο

αντίθετο από το φορτίο του ηλεκτρονίου (ίσο με 1.602 × 10-19

Cb, η μικρότερη μονάδα φορτίου που έχει βρεθεί ελεύθερη στη

φύση). Έχει μάζα 938,3 MeV/c2 (1,67262158 × 10−27 kg), ή

περίπου 1.836 φορές την μάζα του ηλεκτρονίου (η μονάδα

ατομικής μάζας (AMU) είναι 1,66053886 × 10−27 kg). Το

πρωτόνιο έχει απροσδιόριστα μεγάλο χρόνο ζωής (ο ελάχιστος

πιθανός χρόνος ημιζωής έχει υπολογιστεί σε 1035 έτη). Στο

καθιερωμένο μοντέλο θεωρείται απολύτως σταθερό, πρόβλεψη

που συμφωνεί με τα μέχρι τώρα πειραματικά δεδομένα.

ΝΕΤΡΟΝΙΟ Το νετρόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο χωρίς ηλεκτρικό

φορτίο που μαζί με το πρωτόνιο συνιστούν τους πυρήνες των ατόμων. Ανακαλύφθηκε το 1930 από τον Τζέιμς Τσάντγουικ που έκανε πειράματα πάνω σε αποτελέσματα του Βάλτερ Μπότε. Έχει μάζα 939.565 MeV/c (1,6749x10-27 kg, λίγο μεγαλύτερη από αυτή του πρωτονίου). Το σπιν του είναι ίσο με ½ και για το λόγο αυτό κατατάσσεται στα φερμιόνια. Το αντισωματίδιό του ονομάζεται αντινετρόνιο. Το νετρόνιο και το πρωτόνιο είναι δύο διαφορετικές εκφάνσεις ενός νουκλεονίου.Ο πυρήνας των περισσότερων ατόμων (όλων εκτός του πρώτιου, του πιο κοινού ισοτόπου του υδρογόνου, το οποίο αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο) αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια.

Ο κοινός τρόπος ανίχνευσης ενός ηλεκτρικά φορτισμένου

στοιχειώδους σωματιδίου, με την παρατήρηση του ίχνους

ιονισμού δε μπορεί να εφαρμοστεί στα νετρόνια άμεσα, εξαιτίας της

απουσίας ηλεκτρικού φορτίου στο νετρόνιο. Τα νετρόνια, τα οποία

σκεδάζονται ελαστικά στα άτομα μπορούν να δημιουργήσουν ίχνος

ιονισμού το οποίο είναι ανιχνεύσιμο, όμως τα πειράματα δεν είναι

απλά στην διεξαγωγή τους. Άλλοι τρόποι, πιο συνήθεις, για την

ανίχνευση των νετρονίων στηρίζονται στο να τους επιτραπεί να

αλληλεπιδράσουν με άλλους ατομικούς πυρήνες. Μία συνήθης

μέθοδος για την ανίχνευση των νετρονίων στηρίζεται στην

μετατροπή της ενέργειας η οποία απελευθερώνεται από τέτοιου

είδους αλληλεπιδράσεις σε ηλεκτρικά σήματα. Πυρήνες 3He, 6Li,

10B, 233U, 235U, 237Np και 239Pu είναι χρήσιμοι για αυτό το

σκοπό.

Ανίχνευση Νετρονίου

Τα αφόρτιστα σωματίδια τα ονό-

μασε τελικά νετρόνια.

Το νετρόνιο αποτελείται από 3 quarks δυο κάτω

(down) και ένα πάνω (up) quark (udd).

ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ

Κατά τη Σωματιδιακή Φυσική στοιχειώδες σωματίδιο χαρακτηρίζεται το μικρότερο δομικό σωματίδιο της ύλης που έχει ανακαλυφθεί και που δεν διαιρείται περαιτέρω, τουλάχιστον με τα σημερινά δεδομένα σε ακόμη μικρότερα. Συνεπώς ένα στοιχειώδες σωματίδιο είναι ένα σωματίδιο που δεν έχει εσωτερική δομή, δεν αποτελείται δηλαδή από άλλα σωματίδια. Τα στοιχειώδη σωματίδια αποτελούν τα δομικά υλικά όλων των άλλων σωμάτων (υποατομικών).

Τα στοιχειώδη σωματίδια, για τη πληρέστε-

ρη μελέτη τους, κατατάχθηκαν σε δυο κύ-

ριες κατηγορίες:

Τα σωματίδια δομής, τα καλούμενα

φερμιόνια, τα σωματίδια αυτά συμμετέχουν στη δομή της ύλης, και αυτά είναι τα κουάρκ και τα λεπτόνια.

Τα σωματίδια φορείς, τα καλούμενα μποζόνια, που είναι σωματίδια-φορείς των δυνάμεων. Αυτά είναι το φωτόνιο (ηλεκτρομαγνητική δύναμη), τα W και Z μποζόνια (ασθενής αλληλεπίδραση), το γκλουόνιο (ισχυρή αλληλεπίδραση) και το υποθετικό βαρυτόνιο (βαρυτική δύναμη).

ΛΕΠΤΟΝΙΑ

Ιδιότητες των λεπτονίων:

Και τα έξι λεπτόνια θεωρούνται σήμερα στοιχειώδη

σωματίδια και συγκροτούν μια κατηγορία, που μαζί με

εκείνη των κουάρκ αποτελούν τους δομικούς λίθους της

ύλης. Έχουν όλα σπιν (κβαντικό μέγεθος) 1/2 (είναι

δηλαδή φερμιόνια και δε μετέχουν σε ισχυρές

αλληλεπιδράσεις). Τα λεπτόνια μπορούν να

κατηγοριοποιηθούν σε διπλέτες, όπου το ένα σωματίδιο

έχει μάζα και ηλεκτρικό φορτίο (όπως το ηλεκτρόνιο και το

μιόνιο) και το δεύτερο είναι σχεδόν άμαζο και ηλεκτρικά

ουδέτερο (όπως τα διάφορα νετρίνα).

Μπορούμε λοιπόν να σχηματίσουμε τις παρακάτω

διπλέτες:

και τις αντίστοιχες για τα αντισωματίδιά τους.

Τα λεπτόνια διαθέτουν έναν χαρακτηριστικό αριθμό, ο

οποίος ονομάζεται λεπτονικός αριθμός, και ο οποίος

διατηρείται στις διάφορες αντιδράσεις. Υπάρχουν τρεις

λεπτονικοί αριθμοί: ο ηλεκτρονικός, ο μιονικός και ο ταυ, τους

οποίους διαθέτουν τα νετρίνα τους.

ΛΕΠΤΟΝΙΟ ΤΑΥ

Το λεπτόνιο ταυ (σύμβολο τ-) είναι ένα αρνητικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο με ζωή 2.90x10-13 δευτερόλεπτα και μάζα 1777 MeV/c2 (σε σύγκριση, η μάζα του πρωτονίου είναι 938 MeV/c2 και του ηλεκτρονίου 0.511 MeV/c2). Έχει αντίστοιχο αντισωματίδιο, το αντιταύ και σχετικά νετρίνα (νετρίνο ταυ και αντινετρίνο ταυ).

Το λεπτόνιο ταυ ανήκει στην τρίτη γενιά λεπτονίων και είναι αντίστοιχο του ηλεκτρονίου (πρώτη γενιά) και του μιονίου (δεύτερη γενιά). Όπως και το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, το ταυ εμφανίζεται όμοιο σημείου χωρίς να έχει ποτέ βρεθεί εσωτερική δομή. Αν υπάρχει τέτοια δομή, τότε πρέπει αυτό το σωματίδιο να έχει μέγεθος μικρότερο από 10-18 μέτρα. Επίσης, ακριβώς όπως το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, το ταυ έχει σπιν ½. Τέλος, το ταυ και το αντιταύ φέρουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο όπως το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο αντίστοιχα.

ΜΙΟΝΙΟ

Το μιόνιο (προέρχεται από το ελληνικό γράμμα μι (μ)

που χρησιμοποιείται για να το αντιπροσωπεύσει – αγγλική ονομασία : muon) είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και spin 1⁄2. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το ταυ, και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο. Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής (2.2 µs), μετά από το νετρόνιο (~15 λ.). Όπως όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, το μιόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωμάτιο αντίθετου φορτίου αλλά ίσης μάζας και spin: το αντιμιόνιο (επίσης αποκαλούμενο θετικό μιόνιο). Τα μιόνια συμβολίζονται με μ− και τα αντιμιόνια με μ+. Τα μιόνια αναφέρονταν μερικές φορές ως μι-μεσόνια στο παρελθόν, παρόλο που δεν κατατάσσονται ως μεσόνια από τους σύγχρονους φυσικούς που ασχολούνται με τα στοιχειώδη σωματίδια.

ΝΕΤΡΙΝΟ Το νετρίνο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο, που μοιάζει

πολύ με το ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο ενώ η μάζα του είναι πολύ μικρή, με πιθανότητα να είναι ακόμα και μηδενική. Τα νετρίνα είναι από τα πλέον άφθονα σωματίδια στο Σύμπαν. Επειδή εμφανίζουν πολύ μικρή αλληλεπίδραση με την ύλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτούν. Οι πυρηνικές δυνάμεις βλέπουν τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ταυτόσημα. Κανένα από τα δύο δεν συμμετέχει στις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, αλλά αντίθετα συμμετέχουν και τα δύο στις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Τα σωματίδια γενικά που εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα ονομάζονται λεπτόνια. Εκτός από το ηλεκτρόνιο και το αντισωμάτιό του το ποζιτρόνιο, τα φορτισμένα σωματίδια περιλαμβάνουν το μιόνιο (με μάζα 200 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου), το ταυ (με μάζα 3500 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου) και τα αντισωμάτιά τους. Τόσο το μιόνιο όσο και το ταυ, όπως το ηλεκτρόνιο έχουν αντίστοιχα νετρίνα που τα συνοδεύουν, και λέγονται μιονικό- νετρίνο και ταυ- νετρίνο. Οι τρεις τύποι νετρίνου διαφέρουν μεταξύ τους.

ΚΟΥΑΡΚ

Στη δεκαετία του '60 και του '70 έγινε κατανοητό,

αρχικά θεωρητικά και κατόπιν επιβεβαιώθηκε και πειραματικά, ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δηλαδή τα σωματίδια που απαρτίζουν τον πυρήνα κάθε ατόμου στο Σύμπαν δεν είναι στοιχειώδη αλλά έχουν εσωτερική δομή, αποτελούνται δηλαδή από μικρότερα σωματίδια που ονομάστηκαν κουάρκ (quark). Με βάση σύγχρονα πειραματικά δεδομένα, τα κουάρκ φαίνεται πως είναι κυριολεκτικά θεμελιώδη - δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω.

Τα κουάρκ παρουσιάζονται σε δυο είδη: Το άνω (up) κουάρκ και το κάτω (down) κουάρκ. Τα κουάρκ είναι ηλεκτρικά φορτισμένα: το άνω κουάρκ έχει φορτίο +2/3 (σε μονάδες του φορτίου του ηλεκτρονίου που θεωρούμε ότι έχει φορτίο -1) ενώ το κάτω κουάρκ έχει φορτίο -1/3.

Το πρωτόνιο αποτελείται από 2 άνω κουάρκ και 1

κάτω κουάρκ, ενώ το νετρόνιο από 2 κάτω

κουάρκ και 1 άνω κουάρκ .

Για κάθε τύπο κουάρκ υπάρχουν δύο επιπλέον παρόμοια

αντίγραφα, αλλά με μεγαλύτερες μάζες. Τα βαρύτερα

αντίγραφα του άνω κουάρκ ονομάζονται χαριτωμένο

(charm) και υψηλό κουάρκ (top). Τα αντίγραφα του κάτω

κουάρκ ονομάζονται παράξενο (strange) και χαμηλό

(bottom). Μετατρέποντας την ενέργεια σε μάζα, επιταχυντές

σωματιδίων παράγουν αυτά τα βαρύτερα και βραχύβια

κουάρκ μέσω συγκρούσεων. Οι τιμές των μαζών των κουάρκ

εκτείνονται σε μία ευρεία περιοχή. Το βαρύτερο κουάρκ είναι

το υψηλό, που είναι περίπου 100 000 φορές βαρύτερο των

δύο ελαφρύτερων άνω και κάτω κουάρκ.

Είναι ένα ουδέτερο ηλεκτρικά σωματίδιο με

εκπληκτικά μικρή μάζα(στην πραγματικότητα η μάζα

του είναι μικρότερη από το σφάλμα που κάνουν οι

πειραματικές συσκευές) και, θεωρητικά, το

αντιμετωπίζουμε σαν να μην έχει μάζα, κάτι τελείως

αποδεκτό κατά την ειδική θεωρία της σχετικότητας.

Το νετρίνο εμφανίζεται ως προϊόν της διάσπασης του

νετρονίου. Το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο ονομάζεται

λεπτόνια (από την λέξη "λεπτός").Αυτά αποτελούν τη

λεγόμενη 1η γενιά των στοιχειωδών σωματιδίων.

Παρόλο που τα τέσσερα αυτά σωματίδια σχηματίζουν την

ύλη όλου του σημερινού σύμπαντος, στα πειράματα μας

εμφανίζονται και άλλα σωματίδια, που έχουν όμως εκπλη-

κτικές ομοιότητες με τα τέσσερα που προαναφέραμε.

Έχουν την εμφάνιση λοιπόν άλλων 2 γενιών σωματιδίων, η κάθε μια

με 2 λεπτόνια και 2 κουάρκ. Και οι τρείς γενιές πιστεύουμε ότι ήταν

παρούσες κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα μετά τη δημιουργία του

Σύμπαντος. Στη 2η γενιά έχουμε το σωματίδιο μ (μιόνιο) και το δικό

του νετρίνο (διαφορετικό από αυτό της πρώτης γενιάς) ως λεπτόνια,

καθώς και το γοητευτικό (charm) και το παράξενο (strange) κουάρκ

με φορτία ακριβώς αντίστοιχα με τα σωματίδια της πρώτης γενιάς. Οι

μάζες των σωματιδίων της 2ης γενιάς είναι μεγαλύτερες από τις

αντίστοιχες μάζες της 1ης. Στη 3η γενιά εμφανίζονται τα σωματίδια τα

(ταυ) και το δικό του νετρίνο ως λεπτόνια και το αληθινό (t) και το

άμορφο (b) κουάρκ (κατ΄ άλλους κορυφή και πυθμένας). Και πάλι τα

σωματίδιά της 3ης γενιάς εμφανίζονται με ακόμα μεγαλύτερη μάζα. -

Είναι γεγονός ότι η ύπαρξη των 3 γενιών, με πανο-

μοιότυπα (εκτός της μάζας) χαρακτηριστικά, αποτελεί

ένα από τα αναπάντητα ακόμα ερωτήματα της

Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Πάντως, τα πειράματα

συνηγορούν στην ύπαρξη τριών και όχι περισσότερων γενιών.

3η γενιά των σωματιδίων.

Θα μπορούσαμε, επομένως, να πούμε ότι συνολικά 12

σωματίδια αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους του

σύμπαντος, από την γέννηση του μέχρι σήμερα; Όχι ακριβώς!

Η σύγχρονη θεωρία που περιγράφει το μικρόκοσμο, η

κβαντομηχανική, προβλέπει (πράγμα που έχει αποδειχθεί

πειραματικά) την ύπαρξη των αντισωματι-δίων: σε κάθε

σωματίδιο αντιστοιχεί άλλο ένα, με ίδια μάζα και αντίθετο

ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι, ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων

διπλασιάζεται.

Σε κάθε σωματίδιο της ύλης αντιστοιχεί και ένα

αντισωματίδιο, που έχει ίδια μάζα, αλλά αντίθετο

ηλεκτρικό φορτίο ή ενδεχομένως άλλους

κβαντικούς αριθμούς. Για παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο έχει

αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, ενώ το αντισωματίδιο του, το

ποζιτρόνιο, έχει θετικό. Όταν ένα σωματίδιο συγκρούεται με το

αντισωματίδιο του εξαϋλώνονται ,αφήνοντας πίσω τους μόνο

ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας γ. Τα αντισωματίδια

αποτελούν αντικείμενο μελέτης της σωματιδιακής φυσικής, και

το δε σύνολο αυτών συγκροτούν την λεγόμενη αντιύλη. Αν

αντισωματίδια ενωθούν με κανονικά σωματίδια, τότε το σύνολο

των μαζών τους μετατρέπεται σε ενέργεια σύμφωνα με τη

σχέση . Η αντιύλη δεν έχει παρατηρηθεί πουθενά στο σύμπαν

μέχρι σήμερα, αλλά είναι δυνατό να παραχθεί τεχνητά σε

επιταχυντές σωματιδίων.

Με αλφαβητική σειρά

Συντονιστές - Υπεύθυνοι Καθηγητές:

Μαραγκουδάκης Ε. & Φαράκου Γ.

3ο Λύκειο Γαλατσίου

Σχ.Έτος 2011-2012

Ζώτα Ιωάννα

Κατσαντώνης Βασίλης

Μαυροπούλου Πηνελόπη

Μπούσουλα Αγγελική

Χατζηδάκη Αγγελική