V.7.5. Proprietățile particulelor.

• V.7.5.1. Masa de repaus a particulelor.
• V.7.5.2. Sarcina electrică.
• V.7.5.3. Sarcina barionică.
• V.7.5.4. Stranietatea.
• V.7.5.5. Spinul.
• V.7.5.6. Timpul mediu de viață al particulelor.
• V.7.5.7. Antiparticulele.
• V.7.5.8. Tabel cu proprietățile particulelor elementare și compuse.

V.7.5.1. Masa de repaus a particulelor.

Unitatea atomică de masă (u.a.m. sau u) este o unitate de măsură pentru masă, utilizată în special în exprimarea maselor atomilor, moleculelor și particulelor subatomice. Este definită ca fiind a douăsprezecea parte din masa izotopului carbon-12.

În SI masa este exprimată în kg.

În general un atom cu număr de masă A are masa apropiată de A unități atomice de masă, iar masa unui proton, precum și a unui neutron sunt apropiate de m_u. Există însă diferențe datorate energiei de legătură între protonii și neutronii din nucleul atomic.

În fizica subatomică energiile se măsoară în multipli ai electronvoltului (eV):
1 MeV (megaelectronvolt) = 10⁶ eV
1 GeV (gigaelectronvolt) = 10⁹ eV
1 TeV (teraelectronvolt) = 10¹² eV

În fizica nucleară, masa particulelor se exprimă în eV/c², sau pe scurt scris în eV (electron volt).

Acest lucru este posibil deoarece, conform ecuației lui Einstein (E = m ∙ c²), orice are masă are şi energie, iar orice are energie are şi masă, fiind interschimbabile. În formulă, c este valoarea vitezei luminii în vid, adică 3 ∙ 10⁸ m/s. Astfel, conform relației lui Einstein, masele particulelor sunt măsurate în unități de energie echivalente.
1 u = 931,494 MeV/c²

Dacă scriem ecuația lui Einstein în funcție de impulsul corpului (p) și masa lui obținem următoarea formulă:
E² = p² ∙ c² + m₀² ∙ c²

Din această formulă deducem că numai particulele cu masă de repaus zero (de exemplul fotonul) poate atinge viteza luminii. Electronul are masa de repaus de 9,11 ∙ 10^-31 kg și nu poate atinge viteza luminii (s-a reușit în acceleratoarele de particule să atingă 99,99% din viteza luminii).

🔦 Observație

De obicei masa particulelor se exprimă în MeV/c², dar de cele mai multe ori (din comoditate) se neglijează numitorul și apare numai MeV.

Masa de repaus (m₀) a particulelor elementare variază în limite foarte largi:
• Fotonul și gluonul au masa de repaus 0.
• Neutrinul si antineutrinul au masa de repaus aproape de zero, mai mică de 12 eV.
• Electronul are o masă de 0,511 MeV.
• Quarcul up are 3 MeV.
• Quarcul down are aproximativ 4 MeV.
• Quarcul strange are masa de 104 MeV.
• Masa miuonului (fratele mai mare al electronului) are 106 MeV.
• Quarcul charm are 1,2 GeV.
• Tauonul (fratele și mai mare al electronului) are masa de circa 1,8 GeV.
• Quarcul bottom are în jur de 4,2 GeV.
• Bosonul W are aproximativ 80,4 GeV.
• Bosonul Z are aproximativ 91,2 GeV.
• Bosonul Higgs are aproximativ 125 GeV.
• Cea mai masivă particulă elementară cunoscută este quarcul top, cu o masă de aproximativ 171 GeV.

🔦 Observație

Masele particulelor și antiparticulelor lor sunt egale.

V.7.5.2. Sarcina electrică.

Sarcina electrică este caracteristică unor particule subatomice, fiind un multiplu întreg al sarcinii elementare (e), care are valoarea de 1,602· 10^-19 C (coulomb). Existența sarcinilor electrice este întotdeauna legată de existența materiei. Electronii, prin convenție, au sarcina -1, iar protonii au sarcina opusă, +1. Quarcii au o sarcină fracționară, de −1/3 sau +2/3. Antiparticulele echivalente acestora au sarcina egală și de semn opus.

Sarcina electrică este o mărime fizică ce exprimă din punct de vedere macroscopic o proprietate fundamentală a materiei care determină interacțiunile prin câmp electromagnetic.

Sarcina electrică a unui obiect macroscopic este suma sarcinilor electrice ale componentelor ce îl constituie.

Când sarcina electrică a unei particule (de exemplu, la atom) este zero, numărul de electroni din învelișul electronic este egal cu numărul de protoni din nucleu și astfel sarcinile acestora se anulează reciproc, atomul fiind neutru din punct de vedere electric.

Când sarcina netă a unui corp este nenulă spunem că el este electrizat.

Există situații când sarcina netă este zero, dar dacă este distribuită neuniform (de exemplu, din cauza unui câmp electric extern), atunci spunem despre material că este polarizat, iar sarcinile legate de polarizare sunt numite sarcini legate.

Sarcinile în exces aduse din exterior se numesc sarcini libere.

O mișcare ordonată a particulelor încărcate electric (în metale - electronii și în soluții sau topituri de electroliți - ionii) este cunoscută sub numele de curent electric.

V.7.5.3. Sarcina barionică.

Într-o reacție nucleară se conservă nu numai sarcina electrică, ci și numărul de nucleoni ai particulelor. Pentru a explica, conservarea numărului de nucleoni s-a introdus, prin analogie cu sarcina electrică, sarcina barionică B (număr cuantic barionic). Astfel, fiecare particulă are o sarcină electrică și o sarcină barionică bine definite. Toți quarcii au sarcina barionică B = +1/3.

V.7.5.4. Stranietatea.

În reacțiile nucleare la energii mari s-a constatat experimental că există particule care se generează numai în perechi. Pentru aceste particule s-a introdus un alt număr cuantic numit stranietate, care trebuie să se conserve în reacție. De exemplu, un hiperon Λ cu stranietatea -1 se generează împreună cu un mezon K cu stranietatea +1.

Nucleonii au stranietatea 0.

Particulele care conțin quarcul s sunt numite "stranii". Teoretic, dacă înlocuim 2 sau 3 quarci în nucleon, putem explica existența tuturor tipurilor de barioni "stranii", cum sunt hiperonii.

Prin analogie putem înlocui quarcii u sau d din componenta mezonului π introducând quarcul s și astfel obținem mezonii K.

V.7.5.5. Spinul.

Particulele au un moment cinetic propriu de rotație care este caracterizat prin numărul cuantic de spin (s).

Toți fermionii (protonul, neutronul, electronul, pozitronul etc.), neutrinii și quarcii au spinul s = 1/2.

Bosonii au spinul întreg: fotonul, bosonii W și Z au s = 1, gravitonul are s = 2, iar bosonul Higgs este unică între particulele elementare, având spinul s = 0.

Conform mecanicii cuantice, impulsul unghiular al oricărui sistem este cuantificat. Modulul impulsului unghiular S, poate lua valori doar conform acestei relații:

V.7.5.6. Timpul mediu de viață al particulelor.

Timpul mediu de viaţă al particulelor variază în limite foarte largi:

• Fotonul și gravitonul au timp de viață infinit.
• Protonul are timp de viață > 10³³ ani.
• Electronul are timp de viață > 4,6 ∙ 10²⁶ ani.
• Neutronul are timp de viață de 885 s.
• Leptonul miuon are timp de viață de 2,2 ∙ 10^-6 s.
• Mezonul K are timp de viață de 1,2 ∙ 10^-8 s.
• Barionii Ω și Λ⁰ au timp de viață de ≈ 10^-10 s.
• Leptonul tauon are un timp de viaţă de 2,9 ∙ 10^-13 s.
• Barionul Δ are un timp de viață de ≈10^-24 s.

🔦 Observație

Particulele și antiparticulele au timpul mediu de viață egal.

V.7.5.7. Antiparticulele.

Pentru fiecare particulă de materie există și o antiparticulă cu următoarele proprietăți :

• are sarcină electrică opusă particulei sale (de exemplu, electronul e^- și pozitronul e⁺);

• are sarcină barionică opusă particulei sale;

• are stranietatea opusă particulei sale (de exemplu, un mezon K^- cu stranietatea -1 se anihilează cu un mezon K⁺ cu stranietatea +1);

• are masa egală cu masa particulei;

• are timpul de viață egal cu cel al particulei.

🔦 Observație

Antiparticula este o particulă obișnuită, având masă și energie pozitive. Ceea ce o face antiparticulă este proprietatea de a se anihila cu particula sa și de a genera lumină (fotoni).

De exemplu, prin interacțiunea la energie joasă dintre un electron și un pozitron are loc o reacție de anihilare cu generarea de radiație gamma (2 fotoni):
e^- + e⁺ → γ + γ

🔦 Observații

• În urma anihilării dintre o particulă și antiparticula sa pot apărea nu numai fotoni, ci și particule cu masa de repaus diferită de zero.

• Fizicienii consideră antiparticula ca fiind o particulă care merge înapoi în timp față de particula sa.

• Procesele de anihilare au loc cu respectarea tuturor legilor de conservare valabile pentru orice reacție nucleară.

🤔 Pentru curioși

În 1995 s-au obținut primii atomi de antihidrogen alcătuiți dintr-un antiproton (cu sarcină electrică negativă) în jurul căruia se învârte un pozitron (cu sarcină electrică pozitivă). Atomii de antihidrogen se obțin prin ciocnirea protonilor cu pozitroni. Experimentele în care sunt creați antiatomi ajută la obținerea unui răspuns la întrebarea:
De ce Universul nostru este alcătuit din materie și nu din antimaterie?

După Big Bang-ul care a creat Universul, cantitățile de materie și antimaterie erau aproximativ egale, ceva mai multă materie. Astfel, exista un echilibru între perechile de electroni și pozitroni care se ciocneau pentru a crea fotoni și procesul invers. Ele se anihilau continuu generând lumină din care se forma, din nou, materie și antimaterie. În cele din urmă, cei mai mulți electroni și pozitroni din univers s-au anihilat, lăsând numai relativ puțini electroni prezenți azi. Totul dispare, în afara unei mici cantități de materie din care s-a format Universul actual, cu galaxii și super-roiuri de galaxii. Cantitatea de antimaterie în Univers este în prezent foarte redusă.

Antimateria poate fi produsă pe Pământ:

• în acceleratoare de particule prin ciocnirea unor fascicule de particule subatomice cu ținte fixe;
• prin descompuneri radioactive de nuclee atomice, de exemplu în tomografia cu emisie de pozitroni (PET) de către un radiotrasor (fluorodeoxiglucoză ce conține izotopul radioactiv fluor-18 );
• când particule din razele cosmice de înaltă se ciocnesc de nuclee din atmosfera Pământului, se formează noi particule și lumină.

V.7.5.8. Tabel cu proprietățile particulelor elementare și compuse.

Tabel cu proprietățile particulelor elementare și compuse