อนุภาคย่อยของอะตอม

อนุภาคย่อยของอะตอม (อังกฤษ: subatomic particles) ในวิทยาศาสตร์ด้านกายภาพ เป็นอนุภาคปรมาณูที่เล็กกว่าอะตอมมาก มีสองชนิด ชนิดแรกได้แก่ อนุภาคมูลฐาน ซึ่งตามทฤษฎีปัจจุบันไม่ได้เกิดจากอนุภาคอื่น และชนิดที่สองได้แก่อนุภาคผสม ฟิสิกส์ของอนุภาคและฟิสิกส์ของนิวเคลียสจะศึกษาอนุภาคเหล่านี้และวิธีการที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ต่อกัน

ในฟิสิกส์ของอนุภาค แนวคิดของอนุภาคเป็นหนึ่งในแนวคิดหลากหลายที่สืบทอดมาจากฟิสิกส์ที่เป็นรูปแบบดั้งเดิม แต่มันมียังคงสะท้อนให้เห็นถึงความเข้าใจที่ทันสมัยที่ว่า ที่ระดับควอนตัม สสารและพลังงานประพฤติตัวแตกต่างอย่างมากจากสิ่งที่พบจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวันที่จะนำเราไปสู่สิ่งที่คาดหวังไว้

แนวคิดของอนุภาคประสพกับการทบทวนอย่างจริงจังเมื่อการทดลองหลายครั้งแสดงให้เห็นว่าแสงสามารถปฏิบัติตัวเหมือนการไหลของอนุภาคจำนวนมาก (ที่เรียกว่าโฟตอน) เช่นเดียวกับการแสดงออกด้านคุณสมบัติทั้งหลายเหมือนของคลื่น นี้นำไปสู่​​แนวคิดใหม่ของทวิภาคของคลื่นกับอนุภาค (อังกฤษ: wave–particle duality) เพื่อสะท้อนให้เห็นว่า "อนุภาค" ที่ระดับควอนตัมจะทำตัวเหมือนเป็นทั้งอนุภาคและเป็นคลื่น (หรือเรียกว่า wavicles) อีกแนวคิดใหม่อันหนึ่ง "หลักของความไม่แน่นอน" กล่าวว่าบางส่วนของคุณสมบัติของพวกมันเมื่อนำมารวมกัน เช่นตำแหน่งเวกเตอร์และโมเมนตัมพร้อมกันของพวกมัน จะไม่สามารถวัดอย่างแม่นยำได้ ในช่วงเวลาไม่นานมานี้ ทวิภาคของคลื่นกับอนุภาคได้ถูกแสดงเพื่อนำไปใช้ไม่แต่เพียงกับโฟตอนเท่านั้น แต่จะนำไปใช้กับอนุภาคขนาดใหญ่มากขึ้นอีกด้วย

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคต่างๆในกรอบงานของทฤษฎีสนามควอนตัมถูกเข้าใจว่าเป็นการสร้างและการทำลายล้างของ"ควอนตัมทั้งหลาย"ของ"อันตรกิริยาพื้นฐาน"ที่สอดคล้องกัน สิ่งนี้จะผสมผสานฟิสิกส์ของอนุภาคเข้ากับทฤษฎีสนามควอนตัม

การแยกประเภท

โดยทางสถิติ

บทความหลัก: ทฤษฎีสปินสถิติ

 

การแยกประเภทแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคต่าง ๆ

อนุภาคย่อยของอะตอมใด ๆ, ก็เหมือนอนุภาคใด ๆ ในอวกาศ 3 มิติที่เป็นไปตามกฏของกลศาสตร์ควอนตัม, มันสามารถจะเป็นอนุภาคอย่างใดอย่างหนึ่งคือเป็นโบซอน (สปินมีค่าเป็นจำนวนเต็ม) หรือเป็นเฟอร์มิออน (สปินมีค่าเป็นครึ่งของจำนวนเต็ม)

โดยส่วนผสม

อนุภาคมูลฐานต่าง ๆ ของแบบจำลองมาตรฐานได้แก่:

• 6 "สายพันธ์" (อังกฤษ: flavour) ของ ควาร์ก ได้แก่: อัพควาร์ก, ดาวน์ควาร์ก, บอตทอมควาร์ก, ทอปควาร์ก, สเตรนจ์ควาร์ก, และ ชาร์มควาร์ก;
• 6 ชนิดของ เลปตัน ได้แก่: อิเล็กตรอน, อิเล็กตรอนนิวทริโน, มิวออน, มิวออนนิวทริโน, เทา (อนุภาค), เทานิวทริโน;
• 12 ตัวของ เกจโบซอน (ตัวส่งกำลัง) ได้แก่: โฟตอน ของ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า, 3 ตัวของ W และ Z โบซอน ของ อันตรกิริยาอย่างอ่อน, และ 8 ตัวของ กลูออน ของ อันตรกิริยาอย่างเข้ม;
• ฮิกก์โบซอน

ฟิสิกส์ที่ไกลเกินกว่าแบบจำลองมาตรฐานคาดว่าจะค้นพบอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่า แกรวิตอน และอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ อีกมาก

อนุภาคย่อยของอะตอมแบบผสม (เช่นโปรตอนหรือนิวเคลียสของอะตอม) เป็นสภาวะยึดเหนี่ยวของอนุภาคมูลฐานสองตัวหรือมากกว่า ตัวอย่างเช่น โปรตอนถูกทำขึ้นจากอัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว ในขณะที่นิวเคลีนสของอะตอมของฮีเลียม-4 ประกอบด้วยสองโปรตอนและสองนิวตรอน นิวตรอนถูกทำขึ้นจากดาวน์ควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว อนุภาคผสมจะรวมถึงแฮดรอนทั้งหมด ซึ่งแฮดรอนเหล่านี้ได้แก่แบริออน (เช่นโปรตอนและนิวตรอน) และมีซอน (เช่น ไพออนและคาออน)

โดยมวล

ใน"สัมพันธภาพพิเศษ" พลังงานของอนุภาคนิ่งเท่ากับมวลของมันคูณด้วยความเร็วแสงยกกำลังสอง (E = MC²) นั่นคือ มวลสามารถแสดงออกในรูปของพลังงานและในทางกลับกัน ถ้าอนุภาคหนึ่งมี'กรอบของการอ้างอิง'ที่ตำแหน่ง'นิ่ง' ดังนั้นมันจะมีมวลนิ่งที่เป็นบวกและหมายความว่ามัน"มีมวล" (อังกฤษ: massive)

อนุภาคผสมทั้งหมดจะมีมวล แบริออน (ที่หมายถึง "หนัก") มีแนวโน้มที่จะมีมวลมากกว่ามีซอน (ที่หมายถึง "กลาง") ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะหนักกว่าเลปตัน (ที่หมายถึง "น้ำหนักเบา") แต่เลปตันที่หนักที่สุด (อนุภาคทีออน) จะหนักกว่าสองฟเลเวอร์ที่เบาที่สุดของแบริออน (นิวคลีออน) มันยังเป็นที่แน่นอนว่าอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุไฟฟ้าเป็นสิ่งที่'มีมวล'อีกด้วย

อนุภาคที่ไม่มีมวลทั้งหมด (อนุภาคที่มี'มวลไม่เปลี่ยน'เป็นศูนย์) ถือว่าเป็นอนุภาคมูลฐาน อนุภาคเหล่านี้จะรวมถึงโฟตอนและกลูออน แม้ว่ากลูออนจะไม่สามารถถูกแยกได้

คุณสมบัติอื่น ๆ

โดยผ่านการทำงานของ Albert Einstein, หลุยส์ de Broglie และคนอื่น ๆ อีกมากมาย ทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันถือว่าทุกอนุภาคก็มีธรรมชาติของคลื่นเช่นกัน ทฤษฎีนี้มีการตรวจสอบไม่เพียงสำหรับอนุภาคมูลฐานเท่านั้น แต่ยังสำหรับอนุภาคผสมเช่นอะตอมและแม้กระทั่งโมเลกุล ในความเป็นจริง ตามรูปแบบการรวมตัวดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัมที่ไม่สัมพันธ์กัน (อังกฤษ: non-relativistic quantum mechanics) ทวิภาคของคลื่นกับอนุภาคจะนำไปใช้กับวัตถุทั้งหมด แม้แต่วัตถุแบบที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า; แม้ว่าคุณสมบัติแบบที่เป็นคลื่นของวัตถุที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่านั้นจะไม่สามารถถูกตรวจพบได้เนื่องจากการความยาวคลื่นที่มีขนาดเล็กของพวกมัน

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคด้วยกันได้รับการพิจารณาอย่างละเอียดเป็นเวลาหลายศตวรรษ และกฎหมายง่ายๆไม่กี่ตัวสนับสนุนวิธีการที่อนุภาคจะปฏิบัติตนในการชนและการมีปฏิสัมพันธ์ พื้นฐานที่สุดของสิ่งเหล่านี้เป็นกฎของการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม ที่ซึ่งยอมให้เราทำการคำนวณการมีปฏิสัมพันธ์อนุภาคบนเครื่องวัดขนาดที่อยู่ในช่วงจากดวงดาวจนถึงควาร์ก สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานที่จำเป็นของกลศาสตร์นิวตัน ที่เป็นชุดของคำอธิบายและสมการในหนังสือชื่อ Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ตีพิมพ์แต่เดิมในปี 1687

การแบ่งอะตอม

อิเล็กตรอนประจุลบมีมวลเท่ากับ 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

ประวัติ

บทความหลัก: ประวัติของฟิสิกส์ย่อยของอะตอม และ เส้นเวลาของการค้นพบอนุภาค

คำว่า "อนุภาคย่อย" เป็นคำที่ใช้แทนคำเดิมในปี 1960s เพื่อทำให้ แบริออน และ มีซอน (ที่ประกอบขึ้นเป็น แฮดรอน) แตกต่างจากอนุภาคอื่นที่ปัจจุบันเคยคิดกันว่าเป็นมูลฐานอย่างแท้จริง ก่อนหน้านั้น แฮดรอนมักจะถูกแยกประเภทเป็น "มูลฐาน" เพราะองค์ประกอบของมันไม่มีใครรู้

ต่อไปนี้เป็นรายการของการค้นพบที่สำคัญ

อนุภาค	องค์ประกอบ	ทฤษฎีของ	ค้นพบ	หมายเหตุ
อิเล็กตรอน	มูลฐาน (เลปตัน)	G. Johnstone Stoney (1874)	J. J. Thomson (1897)	หน่วยน้อยที่สุดของประจุไฟฟ้า สำหรับที่ Stoney ได้ตั้งชื่อให้ในปี 1891
อนุภาคแอลฟา	ผสม (นิวเคลียสของอะตอม)	ไม่เคย	เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1899)	พิสูจน์โดยรัทเทอร์ฟอร์ดและ Thomas Royds ในปี 1907 ว่าเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม
โฟตอน	มูลฐาน (ควอนตัม)	Max Planck (1900)	อัลเบอร์ต ไอน์สไตน์ (1905) หรือ เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1899) เป็น รังสี γ	จำเป็นเพื่อแก้ปัญหา black body radiation ใน อุณหพลศาสตร์
โปรตอน	ผสม (แบริออน)	นานมาแล้ว	เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (1919, ตั้งชื่อ 1920)	นิวเคลียสของ ^1H
นิวตรอน	ผสม (บาริออน)	เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (ประมาณปี 1918)	James Chadwick (1932)	นิวคลีออน ตัวที่สอง
ปฏิยานุภาค		Paul Dirac (1928)	Carl D. Anderson (โพสิตรอน, 1932)	ปัจจุบันถูกอธิบายด้วย CPT symmetry
ไพออน	ผสม (มีซอน)	Hideki Yukawa (1935)	César Lattes, Giuseppe Occhialini (1947) และ Cecil Powell	อธิบาย แรงนิวเคลียร์ ระหว่างนิวคลีออนด้วยกัน มีซอนตัวแรก (โดยนิยามสมัยใหม่) ถูกค้นพบ
มูออน	มูลฐาน (เลปตัน)	ไม่เคย	Carl D. Anderson (1936)	ชื่อมีซอนในตอนแรก; วันนี้ถูกพิจารณาว่าเป็นเลปตัน
คาออน	ผสม (มีซอน)	ไม่เคย	1947	ถูกคันพบใน รังสีคอสมิก เป็น อนุภาคสเตร้นจ์ ตัวแรก
แลมบ์ดาแบริออน	ผสม (แบริออน)	ไม่เคย	มหาวิทยาลัยเมลเบอร์น (Lambda0, 1950)	ไฮพีรอน ตัวแรกที่ถูกค้นพบ
นิวทริโน	มูลฐาน (เลปตัน)	Wolfgang Pauli (1930), ตั้งชื่อโดย Enrico Fermi	Clyde Cowan, Frederick Reines (electron neutrino, 1956)	แก้ปัญหา spectrum พลังงานของ การสลายให้อนุภาคบีตา
ควาร์กs (อัพควาร์ก, ดาวน์ควาร์ก, สเตร้นจ์ควาร์ก)	มูลฐาน	Murray Gell-Mann, George Zweig (1964)	ไม่มีเหตุการณ์ที่ยืนยันโดยเฉพาะสำหรับ แบบจำลองควาร์ก
ชาร์มควาร์ก	มูลฐาน (ควาร์ก)	1970	1974
บอตทอมควาร์ก	มูลฐาน (ควาร์ก)	1973	1977
โบซอนเกจอย่างอ่อน	มูลฐาน (ควอนตัม)	Glashow, Weinberg, Salam (1968)	CERN (1983)	คุณสมบัติได้รับการตรวจสอบช่วงปี 1990s
ทอปควาร์ก	มูลฐาน (ควาร์ก)	1973	1995	ไม่ได้เป็นแฮดรอน, แต่จำเป็นต้องทำให้แบบจำลองมาตรฐานสมบูรณ์
Higgs boson	มูลฐาน (ควอนตัม)	Peter Higgs และคนอื่น ๆ (1964)	CERN (2012)	คิดว่าจะยืนยันได้ในปี 2013 พบหลักฐานมากขึ้นในปี 2014
เตตระควาร์ก	ผสม	?	Zc(3900), 2013, จะถูกยืนยันว่าเป็นเตตระควาร์กตัวหนึ่ง	ระดับชั้นใหม่ของแฮดรอน
แกรวิตอน	มูลฐาน (ควอนตัม)	Albert Einstein (1916)	ยังไม่ถูกค้นพบ	การแปลความหมายของ คลื่นโน้มถ่วง (ยังคงเป็นสมมติฐาน) ว่าเป็นอนุภาคตัวหนึ่งยังขัดแย้งกันอยู่
Magnetic monopole	มูลฐาน (ไม่มีระดับชั้น)	Paul Dirac (1931)	ยังไม่ถูกค้นพบ

อ้างอิง

1. "Subatomic particles". NTD. สืบค้นเมื่อ 5 June 2012.
2. Bolonkin, Alexander (2011). Universe, Human Immortality and Future Human Evaluation. Elsevier. p. 25. ISBN 9780124158016.
3. Fritzsch, Harald (2005). Elementary Particles. World Scientific. pp. 11–20. ISBN 978-981-256-141-1.
4. Heisenberg, W. (1927), "Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik", Zeitschrift für Physik (ภาษาเยอรมัน), 43 (3–4): 172–198, Bibcode:1927ZPhy...43..172H, doi:10.1007/BF01397280.
5. Arndt, Markus; Nairz, Olaf; Vos-Andreae, Julian; Keller, Claudia; Van Der Zouw, Gerbrand; Zeilinger, Anton (2000). "Wave-particle duality of C60 molecules". Nature. 401 (6754): 680–682. Bibcode:1999Natur.401..680A. doi:10.1038/44348. PMID 18494170.
6. Cottingham, W. N.; Greenwood, D. A. (2007). An introduction to the standard model of particle physics. Cambridge University Press. p. 1. ISBN 978-0-521-85249-4.
7. Walter Greiner (2001). Quantum Mechanics: An Introduction. Springer. p. 29. ISBN 3-540-67458-6.
8. R. Eisberg & R. Resnick (1985). Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (2nd ed.). John Wiley & Sons. pp. 59–60. ISBN 0-471-87373-X. สำหรับความยาวคลื่นทั้งยาวและสั้น ทั้งสสารและรังสีต่างก็มีคุณสมบัติที่เป็นแบบทั้งคลื่นและอนุภาค [...] แต่คุณสมบัติทางคลื่นของการเคลื่อนที่ของมันกลายเป็นสังเกตได้ยากเนื่องจากความยาวคลื่นของมันสั้นกว่า [...] สำหรับอนุภาคทั่วไปที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า มวลจะมีขนาดใหญ่เสียจนโมเมนตัมจะใหญ่พอเพียงเสมอที่จะทำให้ความยาวคลื่นของ de Broglie มีขนาดที่สั้นเพียงพอที่จะอยู่ไกลกว่าระยะที่จะตรวจพบในระหว่างการทดลองได้ และกลศาสตร์แบบดั้งเดิมก็จะถูกนำมาใช้แทน
9. Isaac Newton (1687). Newton's Laws of Motion (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)
10. Klemperer, Otto (1959). Electron Physics: The Physics of the Free Electron. Academic Press.
11. Some sources such as The Strange Quark indicate 1947.
12. http://press.web.cern.ch/press-releases/2014/06/cern-experiments-report-new-higgs-boson-measurements