در فیزیک و شیمی، ذره زیر اتمی به ذره‌ای گفته‌ می‌شود که کوچک‌تر از یک اتم باشد. مهم‌ترین ذرات زیر اتمی، پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها هستند. الکترون‌ها از ذرات زیر اتمی بنیادی هستند و نمی‌توان آن‌ها را به ذرات کوچک‌تر تقسیم کرد. نوترون‌ها و پروتون‌ها که ساختار هسته اتم را تشکیل می‌دهند، از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده‌اند. در این مطلب از مجله فرادرس، به توضیح ذرات زیر اتمی و ویژگی‌های آن‌ها می‌پردازیم.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم مفهوم ذرات زیر اتمی چیست و مهم‌ترین آن‌ها کدامند. در ادامه ویژگی‌های این ذرات را توضیح می‌دهیم و آن‌ها را با یکدیگر مقایسه می‌کنیم. سپس با مفاهیمی چون ذره و ساختار اتم آشنا می‌شویم. در ادامه‌ این مطلب، با رفتار ذرات زیر اتمی در میدان الکتریکی آشنا می‌شویم و دسته‌بندی ذرات زیر اتمی را طبق مدل استاندارد اتم بررسی می‌کنیم. در نهایت به توضیح اهمیت و کاربرد ذرات زیر اتمی می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید با این ذرات مهم و ویژگی‌های آن‌ها به شکلی کامل آشنا شوید.

ذرات زیر اتمی چیست؟

ذرات زیر اتمی (Subatomic Particles) به ذراتی بسیار کوچک‌تر از اتم (مانند الکترون، پروتون و نوترون) گفته می‌شود. پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذارات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. الکترون‌ها ذراتی بنیادی هستند که در ساختار خود ذره کوچکتری ندارند. باقی ذرات زیر اتمی از واکنش‌های هسته‌ای اتم‌ها به دست می‌آیند و به همین دلیل پایدار نیستند و به شکل طبیعی وجود ندارند.

طبق مدل استاندارد فیزیک، یک ذره زیر اتمی می‌تواند ذره‌ای ترکیبی باشد که از ذرات دیگر ساخته شده است یا ذره‌ای بنیادی باشد که از ذرات کوچک‌تری ساخته نشده است. برای مثال، ذرات ترکیبی مانند پروتون و نوترون از سه کوارک تشکیل شده‌اند و کوارک‌ها و الکترون‌ها از ذرات کوچک‌تری تشکیل نشده‌اند.

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

ذرات زیر اتمی، ذراتی هستند که از اتم کوچک‌تر هستند و ساختار اتم را تشکیل می‌دهند. آشنایی با ذرات زیر اتمی و ویژگی‌های آن‌ها، اولین قدم برای شناخت رفتار اتم در موقعیت‌های مختلف و نحوه برهمکنش اتم‌ها با یکدیگر است. روش انجام واکنش‌های شیمیایی به وسیله الکترون‌ها و نحوه چینش اتم‌ها در جدول تناوبی عناصر، وابسته به شناخت ذرات زیر اتمی و ساختار آن‌ها است. با شناخت این ذرات می‌توانید به مفاهیمی مانند آرایش الکترونی عناصر، نحوه تشکیل یون‌ها و واکنش‌های هسته‌ای آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم و مباحث می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فردرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری درباره ذرات زیر اتمی دسترسی پیدا کنید.

مهم‌ترین ذرات زیر اتمی

ذرات زیر اتمی که در درک شیمی اهمیت دارند، الکترون، پروتون و نوترون هستند. در ادامه هر یک از این ذرات را بررسی می‌کنیم.

پروتون

پروتون‌ها ذرات زیر اتمی هستند که درون هسته اتم قرار گرفته‌اند. این ذرات زیر اتمی باردار، بار مثبت دارند و با علامت $$H^{+}$$ نشان داده می‌شوند. جرم پروتون‌ها کمی کمتر از جرم نوترون‌ها است و ۱۸۳۶ بار بیشتر از جرم الکترون است. تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های هر اتم، عدد اتمی آن را مشخص می‌کنند.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با مباحثی چون عدد اتمی و عدد جرمی، فیلم آموزش عدد جرمی، عدد اتمی و بار اتمی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

پروتون‌ها را ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) با استفاده از لوله‌های کاتدی در سال ۱۹۱۱ کشف کرد. او فهمید این ذرات با بار مثبت درون هسته اتم قرار دارند. تعداد پروتون‌ها درون هسته اتم مشخص می‌کند که اتم از چه نوعی است. همچنین، رفتار شیمیایی عناصر با پروتون‌ها تعیین می‌شود. تعداد پروتون‌های هر اتم مشخص می‌کند عدد اتمی عنصر چند است و بدین ترتیب اتم‌ها در جدول تناوبی به ترتیب افزایش تعداد پروتون‌ها قرار می‌گیرند.

پروتون‌ها که خود یکی از انواع ذرات زیر اتمی هستند، از ذرات کوچکتری به نام کوارک (Quark) به وجود آمده‌اند. هر پروتون از ۳ کوارک تشکیل شده است که به وسیله ذراتی به نام گلوئون (Gluon) در کنار یکدیگر به شکل گروهی قرار گرفته‌اند. گلوئون‌ها نیز ذرات زیر اتمی هستند که جرم ندارند. پروتون‌ها و نوترون‌ها در کنار هم با نام هادرون (Hadron) شناخته می‌شوند.

ساختار پروتون

پروتون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده‌اند. هر کوارک بالا $$+frac{2}{3}$$

کوارکهای بالا و پایین تنها ۱ درصد از جرم پروتون را تشکیل می‌دهند و با ذراتی بدون جرم به نام گلون به یکدیگر متصل هستند و در گروه‌های سه‌تایی حرکت می‌کنند. تصویر زیر نمایشی از حرکت احتمالی کوارک‌ها در ساختار پروتون است.

در سال‌های اخیر، مطالعات به این نتیجه رسیده است که پروتون از تعداد بسیاری زیادی کوارک با اندازه حرکت کم و پادماده‌هایی به نام آنتی کوارک تشکیل شده است. نتایج تحقیقات به تئوری جدیدی رسید که نشان می‌داد کوارک‌ها با گولئون‌ها که مانند طنابی عمل می‌کنند به یکدیگر متصل هستند. هر کوارک و هر گولن با یک رنگ که نشان‌دهنده بار آن‌ها است مشخص می‌شود. این رنگ‌ها که قرمز، سبز و آبی هستند در کنار یکدیگر و در حرکت رنگ سفیدی را تشکیل می‌دهند. این نتایج نیز نشان‌دهنده این بود که کوارک‌ها بیشتر به صورت گروهی حرکت می‌کنند. این تئوری جدید با نام تئوری کوانتومی کروم‌دینامیک شناخته می‌شود.

شناخت ساختار اتم و درک پدیده‌هایی که در اثر برهمکنش ذرات زیر اتمی انجام می‌شود، اولین قدم برای درک واکنش‌های شیمیایی و تغییر خاصیت مواد است. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر ساختار اتم و ویژگی‌های آن، فیلم آموزش اتم چیست فرادرس، که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

طبق این تئوری، هر گلوئون خود می‌تواند به یک کوارک و آنتی‌کوارک شکسته شود. در نهایت، کوارک‌های به هم متصل به وسیله گولئون‌ها، پایدار‌ترین ذرات تشکیل دهنده پروتون‌ها معرفی می‌شوند. این کوارک‌ها حتی با جدا شدن از گولئون‌ها نیز پس از مدت زمان کوتاهی دوباره گروه خود را تشکیل می‌دهند.

مکان پروتون

پروتون‌ها به همراه نوترون‌ها هسته اتم را تشکیل می‌دهند. این ذرات توسط نیرو‌های بین هسته‌ای در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. هسته هر اتم حداقل یک پروتون دارد که قرار‌گیری آن‌ها در کنار نوترون‌ها به پایداری هسته اتم می‌انجامد. همچنین، پروتون‌های آزاد در شرایطی که انرژی یا دما به اندازه قابل توجهی بالا است، یافت می‌شوند. پروتون‌های آزاد در پلاسما نیز وجود دارند.

همچنین در پرتوهای کیهانی که در آن‌ها دما بسیار بالا است و اجازه ترکیب پروتون با الکترون داده نمی‌شود، پروتون‌های آزاد یافت می‌شوند.

خواص پروتون

پروتون‌ها نقشی حیاتی در رفتار و ویژگی‌های اتم‌ها دارند. بار مثبت پروتون‌ها الکترون‌‌های با بار منفی را جذب می‌کند و این باعث ایجاد یک اتم پایدار و خنثی می‌شود. تعداد پروتون‌ها همچنین ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر را تعیین می‌کند، زیرا مشخص می‌کند که الکترون‌ها چگونه چیده شده و چگونه با سایر اتم‌ها در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند.

شکل پروتون

پروتون‌ها دایره‌های سخت و ریزی هستند که به همراه نوترون‌ها درون هسته اتم قرار گرفته‌اند. پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند. درون ساختار پروتون‌ها، کوارک‌ها، آنتی‌کوارک‌ها و گلوئون‌ها قرار دارند. هر پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده‌است. هر سه این کوارک‌ها در گروه‌هایی که به وسیله گولئون‌ها به یکدیگر متصل‌اند، حرکت می‌کنند. تصویر زیر، نمایشی از ساختار و شکل درونی پروتون است.

اهمیت پروتون

پروتون در شیمی به هسته یون اتم هیدروژن گفته می‌شود. اتم هیدروژن که تنها از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است، با از دست دادن الکترون خود به یون هیدروژن یا پروتون تبدیل می‌شود. این یون در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی معدنی و آلی شرکت می‌کند و عامل سنجش اسیدی یا بازی بودن مواد است. تصویر زیر نشان‌دهنده یک اتم هیدروژن است.

پروتون‌ها همچنین در بسیاری از واکنش‌های فیزیکی و شیمیایی شرکت می‌کنند. در واکنش‌های هسته‌ای، پروتون‌ها می‌توانند تعویض یا آزاد شوند و در نتیجه ساختار اتمی تغییر کرده و انرژی آزاد می‌شود. همچنین، این ذرات در آزمایش‌های ذرات فیزیک نقشی مهم دارند. با ترکیب این ذرات با سایر ذرات بنیادی یا ترکیبی، برهمکنش‌هایی مطالعه می‌شوند که می‌توانند در کشف ذرات زیر اتمی جدید مهم باشند.

پروتون‌ها کاربردهای پزشکی نیز دارند. درمان با پروتون یک نوع تخصصی از پرتودرمانی است که از پروتون‌های با انرژی بالا برای درمان سرطان استفاده می‌کند. ماهیت پروتون‌ها، در حالی که آسیب به بافت‌های سالم اطراف را به حداقل می‌رساند، امکان انتقال هدفمند اشعه به تومورها را فراهم می‌آورد.

نوترون

نوترون‌ها ذرات زیر اتمی خنثی و بدون باری هستند که جرم آن‌ها کمی بیشتر از جرم پروتون‌ها است. نوترون‌ها نیز مانند پروتون‌ها از کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. به دلیل اینکه پروتون‌ها و نوترون‌ها درون ساختار هسته رفتار مشابهی دارند، به هردوی آن‌ها نوکلئون گفته می‌شود. نوکلئون‌ها جرمی تقریبا برابر یکای جرم اتمی دارند. نوترون‌ها بر ساختار و آرایش الکترونی اتم تاثیری ندارند زیرا بدون بار هستند.

اتم عناصر شیمیایی که تعداد پروتون و الکترون برابری دارند اما تعداد نوترون آن‌ها متفاوت است، ایزوتوپ نامیده می‌شوند. تعداد نوترون‌های یک عنصر با عدد جرمی مشخص می‌شود. نوترون‌ها همچنین برای دستیابی به انرژی هسته‌ای بسیار مهم هستند. نوترون‌ها در واکنش‌های زنجیری به نام واکنش‌های هسته‌ای زنجیره‌ای شرکت می‌کنند و می‌توانند به دست‌یابی به انرژی هسته‌ای بیانجامند.

رادرفورد نوترون را در سال ۱۹۸۲۰ کشف کرد و جیمز چادویک (James Chadwick) نظریه او را با بمباران الکترونی یک صفحه برلیم با ذرات آلفا تایید کرد. نوترون‌ها در حفظ پایداری هسته اتم نقشی اساسی دارند. از آنجا که پروتون‌ها دارای بار مثبت هستند، در صورت قرار‌گیری پروتون‌ها در فضایی کوچک و نزدیک به هم، دافعه الکترومغناطیسی بین آن‌ها باعث فروپاشی هسته می‌شود. اما با وجود نوترون‌ها بین پروتون‌های مختلف، اثر این دافعه بین بار‌های مثبت پروتون‌ها از بین می‌رود و هسته اتم به پایداری و ثبات می‌رسد.

ساختار نوترون

نوترون‌ها از ذرات زیر اتمی کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. نوترون‌ها از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده‌اند. بار الکتریکی کوارک‌های پایین $$-frac{1}{3}$$

واکنش‌های نوترون

نوترون نقشی مهم و اساسی در انجام واکنش‌های هسته‌ای دارند. یکی از مهم‌ترین این واکنش‌ها، واکنش واپاشی بتا است که توسط نوترون‌های آزاد انجام می‌شود. نوترون‌های آزاد ذرات نوترونی هستند که درون هسته اتم قرار ندارند. طی این واکنش که به آن واپاشی رادیو اکتیو (واپاشی پرتوزا) نیز گفته می‌شود، هر نوترون به یک الکترون و پروتون و یک آنتی‌نوترینو تبدیل می‌شود. آنتی‌نوترینو، ضد ماده نوترینو (یکی از ذرات زیر اتمی بدون جرم و بار) است.

نیمه عمر این واکنش برابر با ۶۱۱ ثانیه است. به دلیل اینکه نوترون طی این فرآیند واپاشی از بین می‌رود، نوترون‌های آزاد در طبیعت وجود ندارند. به مجموع نوترون‌ها و پروتون‌ها «هادرون» نیز گفته می‌شود زیرا این ذرات زیر اتمی از نیروی بالایی برخوردارند.

الکترون

الکترون‌ها از مهم‌ترین ذرات زیر اتمی موجود هستند. الکترون‌ها اندازه‌ای بسیار کوچک‌تر از نوترون‌ها و پروتون‌ها دارند. اگر جرم هر نوترون را برابر با ۱ قرار دهیم،‌ جرم نسبی الکترون برابر با ۰٫۰۰۰۵۴۳۹ خواهد بود. الکترون‌ها ذرات زیر اتمی با بار منفی هستند و از لحاظ الکتریکی به پروتون‌ها با بار مثبت جذب می‌شوند.

الکترون‌ها دارای بار الکتریکی برابر با $$1.602176634\times 10^{-19}$$ کولن هستند که به عنوان واحد استاندارد بار برای ذرات زیر اتمی نیز شناخته می‌شود و به نام بار بنیادی شناخته می‌شود.

بنابر تئوری‌های قرن‌های اخیر، الکترون در برهمکنش بین ذرات به شکلی ذره نقطه‌ای درنظر گرفته می‌شود. در مکانیک کونتومی، الکترون می‌تواند به کل یک ذره یا موج در نظر گرفته شود. در صورت موج بودن ساختار الکترون، اوربیتال‌های الکترونی ابری اطرف هسته اتم قابل تصور هستند. این ابر‌ها، بیشتر از اینکه اجرام فیزیکی باشند، احتمالاتی هستند که برای حضور الکترون در نظر گرفته می‌شوند.

خواص الکترون

الکترون‌ها خواصی را از خود نشان می‌دهند که بیشتر از یک ساختار پیوسته انتظار می‌رود. این خواص مواردی مانند تکانه زاویه‌ای (اسپین)، گشتاور مغناطیسی و نوسانات داخلی هستند.

شکل الکترون

بر اساس تئوری‌های بیان شده، ذراتی که در نزدیکی الکترون‌ها هستند بر شکل الکترون تاثیر می‌گذارند. طبق اصول مکانیک کوانتومی، شکل الکترون‌ها باید کاملا کروی باشد. هرچند، بنابر اندازه الکترون‌ها، تشخیص شکل قطعی آن‌ها با پیشرفته‌ترین دستگاه‌ها نیز تقریبا غیر ممکن است. نظریه‌ای به نام ابرتقارن پیشنهاد می‌کند که شکل الکترون‌ها نسبت به آنچه مدل استاندارد اتم پیشنهاد می‌کند، کمی از حالت کروی انحراف دارد.

ساختار الکترون

الکترون یک ذره زیر اتمی است که در تمام اتم‌ها یافت می‌شود. برخلاف پروتون‌ها و نوترون‌ها، الکترون یک ذره بنیادی است. این بدین معنی است که الکترون از ذرات کوچک‌تر ساخته نشده است. همچنین، در مقایسه با نوترون و پروتون، از جرم الکترون صرف نظر می‌شود. الکترون‌ها در خارج هسته اتم واقع شده‌اند و اطراف هسته اتم می‌چرخند. تصویر زیر نمایشی از حرکت احتمالی الکترون‌ها اطراف هسته اتم است.

الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند و به همین علت به بار مثبت هسته اتم که توسط پروتون‌ها تامین می‌شود، جذب می‌شوند. این نروی جاذبه همان نیرویی است که اتم‌ را پایدر نگه می‌دارد. همچنین، الکترون‌ها می‌توانند با دریافت انرژی، از مدار جاذبه هسته اتم خارج شده اتم را ترک کنند. در نتیجه این پدیده، یون‌ها با بار مثبت (کاتیون‌ها) تولید می‌شوند. همچنین، برخی از اتم‌ها، بسته به آرایش الکترونی آن‌ها، می‌توانند الکترون‌های اضافی را در مدار خود بپذیرند و یون با بار منفی (آنیون) تولید کنند.

یون‌های تولید شده نیز در صورت ترکیب با الکترون‌های آزاد پلاسما را تشکیل می‌دهند.

اهمیت الکترون

الکترون‌ها در بسیاری از صنایع کاربردهای بسیاری دارند. برای مثال، از الکترون‌ها در فرآیند‌هایی مانند الکترولیز، واکنش‌های الکترونی، فناوی‌های باتری، الکترونیک، جوشکاری، لوله‌های پرتوی کاتدی، پنل‌های خورشیدی، میکروسکوپ‌های الکترونی، لیزرها، آشکارساز‌ها و … استفاده می‌شود.

همچنین، برهمکنش الکترون‌ها با سایر ذرات زیر اتمی در زمینه‌های فیزیک و شیمی هسته‌ای بسیار حائز اهمیت است. هم‌چنین واکنش‌های شیمیایی و فرآیند‌هایی مانند یونیزاسیون و تشکیل پیوند شیمیایی همگی وابسته به حضور الکترون‌ها هستند.

پوزیترون چیست؟

پوزیترون، پادماده الکترون است. این ذره که با نام آنتی الکترون نیز شناخته می‌شود، تمامی ویژگی‌های الکترون را دارد اما بار قرارداری آن مثبت است.

کوارک

پروتون‌ها و نوترون‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. این ذرات از ذرات پایه‌ای ماده هستند و با عنوان مواد بنیادی شناخته می‌شوند. کوارک‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و هادرون‌ها را تشکیل می‌دهند. کوارک‌ها بسیاری از خواص ماده مانند بار الکتریکی، جرم، بار رنگی و اسپین را دارند. همچنین، در موقعیت‌های مختلف می‌توانند به نیروهایی مانند الکترومغناطیس، جاذبه، برهمکنش‌های قوی و برهمکنش ‌های ضعیف پاسخ بدهند.

پروتون‌ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده‌اند و نوترون‌ها از دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده‌اند. کوارک‌ها نمی‌توانند به تنهایی و به شکل آزاد وجود داشته باشند. وجود کوارک‌ها تمامی ذرات ماده را توجیه می‌کند. همچنین، وجود کوارک‌ها می‌تواند وجود ذراتی که دیده نمی‌شوند را نیز توجیه کند.

کوارک‌ها سه نوع کلی دارند که عبارتند از کوارک بالا، کوارک پایین و کوارک شگفت. در ادامه هریک از این ذرات توضیح داده می‌شوند.

کوارک بالا

کوارک بالا سبک‌ترین نوع بین کوارک‌ها است. این ذرات بالا‌ترین میزان پایداری و کمترین جرم را دارنند. علامت استفاده شده برای این نوع کوارک حرف انگلیسی «u» است. بار کوارک بالا $$+frac{2}{3}$$

کوارک پایین

کوارک پایین دومین ذره سبک بین کوارک‌ها است. به همین علت، این ذره هم از پایداری بالایی برخوردار است. کوارک پایین با علامت «d» نشان داده می‌شود و بار آن $$-frac{1}{3}$$

کوارک شگفت

کوارک شگفت سومین ذره سبک بین کوارک‌ها است. این ذره با حرف انگلیسی «s» نوشته می‌شود و بار الکتریکی آن $$-frac{1}{3}$$

علاوه بر این انواع کوارک، سه نوع کوارک دیگر نیز با نام‌های کوارک افسون، کوارک سر و کوارک ته نیز وجود دارند. کوارک‌های سنگین‌تر در جهان به دلیل ناپایداری به سرعت به کوارک‌های بالا و پایین تبدیل می‌شوند. این انواع ناپایدار کوارک در برخورد‌های با انرژی بالا مانند پرتو‌های کیهانی و شتاب‌دهنده‌های ذرات تولید شوند. برای هر کوارک یک پادماده به نام آنتی‌کوارک (پادکواردک) نیز وجود دارد.

ویژگی های ذرات زیر اتمی

در ادامه برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های ذرات زیر اتمی نام‌ برده شده‌اند.

• پروتون‌ها بار مثبت دارند و در هسته اتم قرار دارند.
• عدد اتمی عناصر نشان‌دهنده تعداد پروتون‌های درون هسته آن‌ها است.
• الکترون‌ها باری منفی دارند و می‌توانند حجم خالی اطراف هسته اتم را در بر بگیرند.
• الکترون‌ها می‌توانند بین اتم‌های مختلف به اشتراک گذاشته شده یا منتقل شوند.
• نوترون‌ها ذرات بدون باری هستند که در تمامی اتم‌ها بجر اتم هیدروژن وجود دارند.
• برای هر عنصری، جرم آن برابر با جرم پروتون‌ها و نوترون‌های آن است. زیرا جرم الکترون‌ها به اندازه‌ای کم است که از آن صرف نظر می‌شود.

جدول مقایسه ذرات زیر اتمی

در ادامه، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی سه ذره زیر اتمی مهم نوترون، پروتون و الکترون مشخص شده است.

ذره چیست؟

در فیزیک و شیمی ذره به اجسام بسیار کوچک گفته می‌شود که می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی یا شیمیایی مانند حجم، جرم، بار و … داشته باشند. عبارت «ذره» همواره به کوچک بودن اشاره دارد و مهم‌ترین نوع ذرات در شیمی و فیزیک، ذرات اتمی و زیر اتمی هستند.

ساختار اتم

تمامی مواد از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. اتم‌ها از کوچک‌ترین قسمت‌های مواد هستند که در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند. اتم‌ها بیشتر از فضای خالی تشکیل شده‌اند. این فضای خالی اطراف یک جرم بسیار کوچک و فشرده را گرفته‌ است که هسته نام دارد.  هسته اتم‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام پروتون و نوترون تشکیل شده‌اند.

هسته اتم بار کلی مثبت دارد به دلیل اینکه پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت دارند در حالی که نوترون‌ها بار خنثی دارند. همچنین، ذرات کوچکی با بار منفی به نام الکترون در اوربیتال‌هایی در فضای خالی اطراف هسته اتم در حرکت هستند. فضای ابری که الکترون‌ها اطراف هسته اتم تشکیل می‌دهند، ۲۰۰۰۰ بار بزرگ‌تر از هسته اتم است.

تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم همواره با هم برابرند. اگر یک نوترون به هسته اتم اضافه شود، ایزوتوپ تولید می‌شود اما اگر یک پروتون به هسته اتم اضافه شود، عنصر عوض می‌شود. پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های یک اتم با نام ذرات زیر اتمی شناخته می‌شوند. این ذرات زیر اتمی بسیار کوچک هستند. اندازه آن‌ها به اندازه‌ای ناچیز است که اندازه‌گیری جرم و بار آن‌ها با واحد‌های اندازه‌گیری معمول مانند گرم یا کولن ممکن نیست. در عوض، جرم و بار آن‌ها با یکدیگر و با در نظر گرفتن یکی از اتم‌ها به عنوان مرجع سنجیده می‌شود.

به همین دلیل، ذرات زیر اتمی به جای داشتم جرم یا بار، جرم نسبی و بار نسبی دارند. این واحد‌های اندازه گیری واقعی نیستند اما این اجازه‌ را به محققان می‌دهند تا به راحتی این ذرات را با یکدیگر مقایسه کنند و به ویژگی‌های اتم دست یابند. پروتون‌ها و نوترون‌ها جرم برابری دارند پس به هریک جرم نسبی ۱ نسبت داده می‌شود. الکترون‌ها ۱۸۳۶ بار سبک‌تر از پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. به همین علت، جرم الکترون‌ها ناچیز و قابل صرف نظر بیان می‌شود.

الکترون‌ها با وجود جرم ناچیزشان، فضایی ابر مانند را اطراف هسته اتم تشکیل می‌دهند. بیشر جرم اتم در هسته آن متمرکز شده است. به دلیل اینکه هسته اتم شامل سنگین‌ترین ذرات زير اتمی است. وجود جاذبه بین بارهای مثبت پروتون‌ها و بارهای منفی الکترون‌ها باعث می‌شود اتم ساختاری پایدار داشته باشد و متلاشی نشود. تعداد پروتون‌ها همواره با تعداد الکترون‌های یک اتم برابر است.

رفتار ذرات زیر اتمی در میدان الکتریکی

پروتون‌ها و نروترون‌ها در صورت حرکت در یک جریان یکسان الکتریکی، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. هنگامی که یک باریکه الکترون از صفحات شارژ شده عبور داده می‌شوند، الکترون‌ها به سادگی از سمت صفحه منفی به سمت صفحه مثبت هدایت می‌شوند. این پدیده نشان‌دهنده این حقیقت است که الکترون‌ها بار منفی و جرم بسیار کمی دارند.

پروتون‌ها نیز بین صفحات شارژ با سرعت کمتری از الکترون‌ها، از صفحه مثبت دور شده و به سمت صفحه منفی جذب می‌شوند که نشان‌دهنده این موضوع است که پروتون‌ها بار مثبت دارند و جرم بیشتری از الکترون‌ها دارند. همچنین، باریکه‌ای از نوترون‌ها اصلا به سمت هیچ یک از صفه‌ها منحرف نمی‌شود.

دسته‌بندی ذرات زیر اتمی طبق مدل استاندراد

مدل استاندارد فیزیک ذرات نظریه‌ای است که وجود ذرات زیر اتمی را بر اساس برخی از نیروهای شناخته شده مانند برهمکنش‌های الکترومغناطیسی تعریف می‌کند. این نظریه در نیمه دوم قرن بیستم توسعه یافته و توسط بسیاری از دانشمندان جهان به رسمیت شناخته شده است. وجود ذراتی مانند کوارک‌ها توسط این نظریه اثبات شده است.

باوجود موفقیت‌های مدل استاندار، این نظریه برخی از پدیده‌های فیزیک را توضیح نمی‌دهد. دسته‌بندی ذرات زیر اتمی طبق مدل استاندارد شامل فرمیون‌های پایه و بوزون‌های پایه است. هریک از این دسته‌بندی‌ها، خود زیرشاخه‌هایی دارند که در ادامه توضیح داده می‌شود.

دسته‌بندی بر اساس ساختار

مدل استاندارد فیزیک، ذرات زیر اتمی را بر اساس ساختار آن‌ها دسته‌بندی می‌کند. ذرات زیر اتمی می‌توانند بنیادی باشند و از ذرات کوچکتری تشکیل نشده باشند. دسته دیگر ذرات زیر اتمی، ذرات ترکیبی هستند که از ترکیب چند ذره زیر اتمی کوچک‌تر تشکیل شده‌اند. در ادامه به توضیح این دسته‌بندی‌ها می‌پردازیم.

ذرات بنیادی مدل استاندارد

ذرات بنیادی طبق مدل استاندارد فیزیک، از ذرات کوچکتری تشکیل نشده‌اند و نمی‌توان آن‌ها را شکست. این ذرات شامل ۴ دسته بندی کوارک‌ها، ۶ نوع از نپتون‌ها، بوزون‌های حامل نیرو و بوزون هیگز هستند. این ذرات در ادامه معرفی شده‌اند.

• کوارک‌های بنیادی: شش نوع کوارک شامل کوارک بالا، کوارک پایین، کوارک شگفت، کوارک افسون، کوارک سر و کوارک ته
• لپتون‌های بنیادی: شش نوع لپتون شامل الکترون، نوترینوی الکترون، میون، نوترینوی میون، تاو و نوترینوی تاو
• بوزون‌های بنیادی: دوازده نوع بوزون شامل فوتون، بوزون w، بوزون z، و هشت گلوئون
• بوزون هیگز

تمامی این ذرات از طریق ازمایش‌های گوناگون کشف شده‌اند و آخرین ذرات زیر اتمی بنیادی کشف شده کوارک بالا، نوترینوی تاو و بوزون هیگز هستند که به ترتیب در سال‌های ۱۹۹۵، ۲۰۰۰ و ۲۰۱۲ کشف شدند. همچنین وجود برخی دیگر از ذرات بنیادی نیز طبق این نظریه بیان شده‌اند اما تا سال ۲۰۲۱ نشانه‌ی از کشف آن‌ها گزارش نشده است.

ذرات ترکیبی مدل استاندارد

ذرات ترکیبی طبق نظریه مدل استاندارد، ذرات زیر اتمی هستند که از ترکیب ذرات کوچک‌تر شکیل شده‌اند مانند نوترون‌ها و پروتون‌ها که از کوارک تشکیل شده‌اند. به این ترکیبات، «هادرون» گفته می‌شود.

هادرون‌

ذرات ترکیبی طبق مدل استاندارد، ذراتی هستند که از ترکیب چند ذره بنیادی تشکیل شده‌اند. تقریبا تمامی ذرات ترکیبی از چند کوارک یا آنتی کوارک تشکیل شده‌اند که توسط گلوئون‌ها به یکدیگر متصل شده‌اند. ذراتی که تعداد کمتر از ۵ کوارک در ساختار خود دارند، با نام هادرون شاخته می‌شوند. کوارک‌ها هرگز به صورت جداگانه یافت می‌شوند و همواره در هادرون‌هایی که شامل چندین کوارک هستند ظاهر می‌شوند. هادرون‌ها خود به دو دسته‌بندی دیگر تقسیم می‌شوند: بارون‌ها و مزون‌ها

بارون

بارون‌ها ذرات هادرونی هستند که شامل تعداد فردی از کوارک هستند. برای مثال، پروتون و نوترون که از کوارک‌های سه تایی تشکیل شده‌اند، از نوع بارون هستند.

مزون‌

مزون‌ها از تعداد زوجی کوارک تشکیل شده‌اند. این تعداد معمولا برابر با ۲ عدد کوارک و آنتی‌کوارک است. ذراتی مانند پئون‌ها و کائون‌ها از شناخته ترین مزون‌ها هستند.

به استثنای پروتون و نوترون، سایر هادرون‌ها ناپایدار هستند و در کمتر از ۱ میکروثانیه ناپدید می‌شوند. پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین و نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده‌اند و با پایداری زیادی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. هسته اتم‌های پایدار از تعداد برابری پروتون و نوترون تشکیل شده است.

دسته بندی بر اساس آمار

طبقنظریه آمادی، هر ذره زیر اتمی در فضای سه بعدی که از نظریه مکانیک کوانتومی پیروی می‌کند، می‌تواند بوزون یا فرمیون باشد. بوزون‌ها اسپین صحیح و فرمیون‌ها اسپین ۱/۲ فرد دارند.

فرمیون‌

مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین ۱/۲ است که به آنها فرمیون گفته می‌شود. فرمیون‌ها عدد کوانتوومی اسپین نیم فرد دارند ( مانند ۱/۲، ۳/۲، ۵/۲ و …). فرمیون‌ها از آمار فرمی- دیراک پیروی می‌کنند. فرمیون‌ها از اصل طرد پائولی پیروی می‌کنند و دو فرمیون مشابه با ۱ اسپین نمی‌توانند در یک حالت کوانتومی اتم قرار بگیرند.

فرمیون‌ها بر اساس شیوه تعامل با بار‌های الکتریکی موجود در آن‌ها به دو گروه کوارک‌ها و لپتون‌ها تقسیم می‌شوند. برخی از فرمیون‌ها ذرات بنیادی و برخی دیگر ذرات ترکیبی هستند. فرمیون‌ها به دو دسته کوارک‌ها و لپتون‌ها تقسیم می‌شوند.

کوارک‌

کوارک‌ها بار رنگی دارند و نمی‌توانند به شکلی آزاد وجود داشته باشند. این ذرات همواره باید با سایر کوارک‌ها پیوند برقرار کنند. از ترکیب کوارک‌ها با یکدیگر هادرون‌ها به وجود می‌آیند. کوارک‌ها می‌توانند به صورت جفت کوارک و آنتی‌کوارک وجود داشته باشند که به آن‌ها مزون گرفته می‌شوند. همچنین، می‌توانند به صورت گروه سه تایی کوارک وجود داشته باشند که به آن‌ها باریون گفته می‌شود.

لپتون

لپتون‌ها شامل ۶ گروه هستند که متشکل از الکترون، نوترینوی الکترون، میو، نوترینوی میو، تاو و نوترینوی تاو است. لپتون‌ها بار رنگی ندارد و به سختی به انرژی‌ها و برهمکنش‌های قوی پاسخ می‌دهند. لپتون‌های باردار الکترون، میو و تاو، باز الکتریکی منفی دارند و سه نوترینوی ذکر شده آن‌ها هیچ بار الکتریکی ندارند. به همین عت، مشاهده نوترینو‌ها تقریبا غیر ممکن است.

بوزون

بوزون یک ذره زیر اتمی است که عددکوانتومی اسپین آن مقدار صحیحی دارد (مانند ، ۱، ۲ و…). بوزون‌ها از آمار «بوز- اینشتین» پیروی می‌کنند.

بوزون‌ها شامل ۴ نوع بوزون هستندکه طبق اصل طرد پائولی رفتار نمی‌کنند. بوزون‌ها خود به دو دسته بزون‌های پیمانه‌ای و بوزون‌های نرده‌ای تقسیم می‌وشوند. بوزون‌های پیمانه‌ای شامل ذرات فوتون، بوزون w و z و ۸ نوع گلوئون هستند. بوزون‌های نرده‌ای شامل بوزون هیگز هستند.

دسته بندی بر اساس جرم

براساس نظریه نسبیت اینشتین، جرم را می‌توان به صورت انرژی و برعکس تعریف کرد. نظریه مدل استاندارد ذرات زیر اتمی را بر اساس جرم آن‌ها به دو دسته جرم دار و بدون جرم تقسیم کرده است.

ذرات بدون جرم

تمامی ذراتی که بنیادی هستند، بدون جرم هستند. این ذرات شامل فوتون‌ها و گلوئون‌ها هستند.

ذرات جرم دار

تمام ذرات ترکیبی دارای جرم هستند. باریون‌ها، مزون‌ها و لپتون‌های باردار از این دسته هستند.

دسته بندی بر اساس پایداری

بیشتر ذرات زیر اتمی ناپایدار هستند. برای مثال تمامی لپتون‌ها و باریون‌ها به راحتی تجزیه می‌شوند. در بین ذرات زیر اتمی، تنها پروتون‌ها و نوترون‌ها از پایداری نسبی برخوردارند. هم چنین، الکترون‌ها و پادماده آن‌ها یعنی پوزیترون‌ها پایدار هستند. همچنین، مشاهداتی بر پایداری نوترینو‌ها نیز انجام گرفته است.

اهمیت ذرات زیر اتمی

ذرات زیر اتمی در بسیاری از علوم و صنایع کاربرد دارند و شناخت آن کمک‌های راهبردی به صنایع پزشکی و انرژی کرده است. ویژگی‌ها و اهمیت شناخت ذرات زیر اتمی در دسته‌بندی‌های زیر درک می‌شود.

ذرات بنیادی ماده

ذرات زیر اتمی به عنوان پایه ساختار ماده شناخته می‌شوند. این ذرات شامل الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند که برای توضیح و شناخت ساختار اتم و ویژگی‌ها و رفتا‌های آن‌ها استفاده می‌شوند.

پیشرفت‌ها در تئوری اتمی

شناخت ذرات زیر اتمی نقشی اساسی در پیشرفت مکانیک کوانتومی و تئوری اتمی داشته است. این پیشرفت‌ها منجر به شناخت رفتار، ساختار و برهمکنش ذرات زیر اتمی و اتم‌ها شده است که در نهایت پایه فیزیک مدرن و شیمی را شکل داده است.

فیزیک ذره و فیزیک انرژی بالا

شناخت ذرات زیر اتمی به درک ما از فیزیک ذره و فیزیک انرژی بالا کمک می‌کنند. این مطالعات منجر به درک جهان هستی و در نتیجه مطالعه برهمکنش ذرات زیر اتمی بنیادی می‌شوند.

مکانیک کوانتومی و نظریه میدان کواتنتومی

مطالعه ذرات زیر اتمی با شناخت و به کار گیری مکانیک کوانتومی و نظریه میدان کوانتومی است.

نظریه مکانیک و میدان کوانتومی از مباحثی هستند که در فیزیک کوانتومی مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. در فیزیک کوانتومی مباحثی چون تابش جسم سیاه، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، معادله شرودینگر و … مورد بررسی قرار می‌گیرد. بررسی و معالعه این مباحث به درک بهتر از ذرات زیر اتمی و ویژگی‌های آن‌ها کمک می‌کند. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مباحث، مطلب فیزیک کوانتومی از مجله فرادرس را مطالعه کنید. لینک این مقاله در ادامه آورده شده است.

یادگیری مکانیک کوانتومی با فرادرس

شناخت ذرات زیر اتمی و ویژگی‌های آن‌ها قدمی بسیار مهم و اساسی برای درک پدیده‌های مربوط به اتم‌ها و نوع برهمکنش آن‌ها بر یکدیگر بود. برای شناخت دقیق و کامل ذرات زیر اتمی و ساختار آن‌ها باید با مفاهیمی مانند فیزیک کوانتومی، نظریه دیدگاه ذره‌ای و موجی، طیف اتم هیدروژن و معادلات شرودینگر، اصولی مانند اصل عدم قطعیت هایزنبرگ و اصل طرد پاولی و .. آشنا شوید. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم و مباحث، به مجموعه فیلم آموزش مکانیک کوانتومی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مباحث می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه مکانیک کوانتومی و ذرات زیر اتمی دسترسی داشته باشید.

کاربرد ذرات زیر اتمی

ذرات زیر اتمی در زمینه‌های مختلفی مانند الکترونیک، نور و تکنولوژی هسته‌ای کاربرد دارند. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس، برخی از این کاربرد‌ها را توضیح می‌دهیم.

فناوری‌های الکترونیکی و نوری

ذرات زیر اتمی مانند الکترون‌ها در دستگاه‌هایی مانند لامپ‌های اشعه کاتدی (CRT) نقش دارند که در آن‌ها پرتوهای الکترون به سمت صفحه‌ای هدایت می‌شوند تا تصویر ایجاد شود. تلویزیون‌ها، مانیتورها و سایر فناوری‌های نمایشگر از تفنگ‌های الکترون برای تاباندن پرتوهای الکترون به صفحه نمایش استفاده می‌کنند.

فناوری‌های هسته‌ای

در کاربردهای پزشکی، پرتوهای پروتون در درمان سرطان استفاده می‌شوند، و در برخی از دستگاه‌‌های آشکارساز، ذرات آلفا برای یونیزه کردن مولکول‌های هوا به کار می‌روند. انرژی هسته‌ای و سلاح‌های هسته‌ای به کنترل نوترون‌ها برای تولید انرژی یا آغاز واکنش زنجیره‌ای نیاز دارند. پوزیترون نیز در فناوری‌های تصویربرداری مانند اسکن‌های PET برای مشاهده فعالیت متابولیک در زمان واقعی استفاده می‌شوند.

پژوهش

فیزیک ذرات از جمله کشف بوزون‌های W و Z و کوارک بالا پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است. تحقیقات در فیزیک نوترینو نشان داده که نوترینوها دارای جرمی کوچک اما غیر صفر هستند، هرچند که این جرم برای توضیح «ماده تاریک» کافی نیست. اما این امر منجر به تغییر تمرکز به سوی «انرژی تاریک» به عنوان توضیحی برای جرم نامرئی در جهان شده است.