Subatomaarne osake – määratlus, tüübid ja peamised näited

Subatomaarne osake: lihtne määratlus, peamised tüübid (prootonid, neutronid, elektronid, kvarkid, leptonid) ja selged näited ning selgitused osakeste füüsika põhjal.

Subatomaarne osake on aatomist väiksem osake. See tähendab, et need osakesed on äärmiselt väikesed: nagu aatomid ja molekulid, on ka subatomaarsed osakesed palja silmaga nähtamatud. Neid uurivad aktiivselt teadlased, sest subatomaarsete osakeste omadused annavad vastuseid aatomi ja aine toimimise põhiküsimustele. Sageli mainitakse kolme kõige tuntumat subatomaarset osakest: prootonid, neutronid ja elektronid. Subatomaarsete osakeste uurimist kutsutakse osakeste füüsikaks.

Põhiomadused ja jõud

Subatomaarseid osakesi hoiab aatomis koos tavaliselt üks neljast fundamentaalsest jõust: gravitatsioon, elektromagnetiline jõud, tugev jõud ja nõrk jõud. Tavapärases aatomis on domineerivad elektromagnetiline jõud (elektronide ja tuuma vahel) ning tugev jõud (kvarkide sidumine tuumas). Gravitatsioon on subatomaarsel skaalal äärmiselt nõrk.

Väljaspool aatomit võivad osakesed liikuda väga kiiresti — tihti valguse kiiruse lähedal. Sellistel kiirustel muutuvad oluliseks erirelatiivsuse efektid (näiteks aja venitus), mis mõjutavad nii mõõtmisi kui ka osakeste eluiga.

Põhitüübid

Subatomaarsed osakesed jagunevad suuresti kaheks: baryonid ja leptonid, kuid tuntud on ka mesonid, elementaarosakesed ja teiste rühmade osakesed. Allpool on peamised omadused lihtsas keeles.

Kvargid ja baryonid

Baryonid koosnevad kvarkidest. Baryonid on koosseisulised osakesed (näiteks prooton ja neutron) ja enamikul juhtudest koosnevad need kolmest kvargist. Kvarkidel on eri "maitseid" ehk sorte: üles, alla, kummaline, võlu, ülalt ja alt (inglise keeles up, down, strange, charm, top, bottom). Lisaks kvarkidele on olemas kvarkide vastandeks antikvargid. Baryonite puhul kehtib ka baryonide arvu säilimise põhimõte: tuuma-keemilistes reaktsioonides peab baryonite netokogus tavapäraselt säilima.

Lisaks baryonidele eksisteerivad ka mesonid (mis koosnevad kvargist ja antikvargist) ning väga suure energiaga sündmustes võivad tekkida palju raskema massiga, lühiajalisi osakesi.

Leptonid

Leptonid on tavaliselt palju lihtsamate struktuuridega kui baryonid: nad ei koosne kvarkidest ja neid peetakse elementaarosakesteks (mitte jagatavateks). Sellesse rühma kuuluvad:

• elektron,
• müoon,
• taud (tau),
• neutriinod (kolm sorti: elektron-, müoon- ja tauneutriino).

Leptonitel on iseloomulikud omadused nagu elektrilaeng (näiteks elektron on negatiivne) ja väga erinev mass: elektron on kergem, müoon ja tau on oluliselt raskemad. Neutriinod on väga väikese massiga ja väga nõrgalt interakteeruvad, mistõttu neid on raske mõõta.

Antiosakesed ja anihilatsioon

Iga tunnetud osakese jaoks olemas vastav antiosake. Antiosakestel on sama mass kui nende tavapärasel vastetel, kuid vastupidine elektrilaeng (ja mõnel puhul ka teised vastupidised omadused). Kui aine ja antiaine kohtuvad, toimub anihilatsioon: osakesed hävivad ning vabastatakse energia. See energiakogus on seotud massi ja energia suhtega E=mc2, kus m on osakeste ühine mass, c on valguse kiirus ja E tekkiv energia; täpsemalt arvestatakse kogu massi-energia ekvivalenti.

Anihilatsioonivõimalused ja antiaine tootmine on sageli käsitlemise objektiks suurtes osakeste kiirendites, kus suure energiaga kokkupõrked loovad uusi osakesi. Sellised kokkupõrked võivad genereerida ka raskemaid ja ebatavalisi osakesi, mis eksisteerivad ainult väga lühikest aega enne lagunemist.

Säilimisobjektiivide seadused

Osakestefüüsikas kehtivad mitmed säilimisreeglid, mis aitavad mõista reaktsioonide võimalusi. Olulisemad neist on elektrilaengu säilimine, baryonide arvu (tavaliselt) säilimine ning leptonite arvu säilimine (tingimuslikult; nõrk tuumareaktsioon võib neid muuta, ent teatavad kvantmoolaarsete numbrite kombinatsioonid peavad kokku sobima). Samuti kehtib energia- ja impulsi säilimine igas reaktsioonis.

Kuidas neid avastatakse ja uuritakse

Enamik uutest osakestest ja sagedamini nähtud protsessidest avastatakse osakeste kiirendajates ja detektorites. Kiirendites (näiteks LHC tüüpi seadmed) kiirendatakse prootoneid või teisi osakesi väga suurtele energiatele ja lastakse neil kokku põrgata. Kokkupõrgetest tekkivad sekundaarosakesed tuvastatakse mitmesuguste detektorite abil ja nende trajektoore, energiat ning eluiga mõõdetakse. Kuna tekkivad osakesed võivad liikuda valguse kiiruse lähedal, tuleb arvestada ka erilise relatiivsusteooria efektidega — näiteks aja laienemine, mis pikendab kiirelt liikuvate osakeste efektiivset eluiga vaatleja koordinaatsüsteemis.

Peamised näited

• Prooton — positiivselt laetud baryon, koosneb kvarkidest (üles/alla), moodustab koos neutroniga tuuma.
• Neutron — neutraalne baryon, samuti koosneb kvarkidest; oluline tuuma stabiilsuse ja radioaktiivsete protsesside jaoks.
• Elektron — lepton, negatiivse laenguga ning aatomi elektronkestuse põhikomponent.
• Müoon ja taud — raskemad leptonid, esinevad näiteks kosmilistes kiirgustes ja kiirendaja sündmustes.
• Neutriinod — nõrgalt interakteeruvad leptonid, olulised tuumareaktsioonides ja täheprotsessides.

Lõpetuseks

Subatomaarne maailm on rikkalik ja keerukas: seal leidub elementaarosakesi ja koosseisulisi osakesi, lühiajalisi resonantse ning fundamentaalseid jõude, mis määravad aine käitumise. Tänu kaasaegsetele kiirenditele ja detektoritele õpivad teadlased pidevalt uusi detaile — sealhulgas seda, miks universum koosneb peamiselt ainest ja mitte antiaineest ning kuidas täpselt kvargid ja leptonid omavahel suhtlevad.

Küsimused ja vastused

K: Mis on subatomaarne osakese?

K: Millised on kõige sagedamini uuritud subatomaarsed osakesed?

K: Millised jõud hoiavad aatomeid koos?

K: Kui kiiresti liiguvad subatomaarsed osakesed?

K: Kas baryonid ja leptonid on eri tüüpi osakesed?

K: Kas antiosakestel on vastupidine elektriline laeng võrreldes nende tavaliste osakestega?

Otsing