ატომი

 წარმოდგენა ელემენტარულ ნაწილაკებზე, ნივთიერების დისკრეტულობის (წყვეტილი) ფაქტს ეფუძნება, ის არსებობს როგორც მატერიის, ასევე ენერგიის სახით (ელემენტარული ნაწილაკები, ენერგია და ნივთიერება ერთი და იგივეა, E=mc²). ზოგიერთ ნაწილაკს რთული შიდა სტრუქტურა აქვს, თუმცა მათი ნაწილებად დაყოფა შეუძლებელია. სხვებს არ გააჩნიათ სტრუქტურა, მათ ფუნდამენტურებს უწოდებენ.

 ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტული მოდელი დროებითი თეორიაა, კვლევებთან ერთად ის იცვლება. შესაძლებელია არსებობდეს ნაწილაკები, რომლებსაც სტანდარტული მოდელი არ მიუდგება, მაგალითად გრავიტონი (გრავიტაციული ურთიერთქმედების გადამტანი), ან სუპერსიმეტრიული პარტნიორები არსებული ნაწილაკებისა.

 ატომი შედგება ბირთვისა და ბირთვის გარშემო მოძრავი ელექტრონებისგან. ბირთვის შემადგენლობაში პროტონები და ნეიტრონები შედის. ატომის ფიზიკურ თვისებებს (მასას) პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობა განსაზღვრავს.
ბირთვში პროტონების რიცხვი ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში ატომის რიგობით ნომერს ემთხვევა. პროტონების რაოდენობა განსაზღვრავს, თუ რომელ ქიმიურ ელემენტს მიეკუთვნება ატომი. ატომში ელექტრონების რიცხვი პროტონების რიცხვს ემთხვევა.

 პროტონებისა და ნეიტრონების ჯამური რიცხვი, ელემენტის მასური რიცხვის ტოლია (მასური რიცხვი ელემენტის ატომური მასის ერთეულებამდე დამრგვალებული რიცხვია). ასე, რომ ნეიტრონების რიცხვი (N) ბირთვში მასური რიცხვისა (A) და ელემენტის რიგობითი ნომრის (Z) სხვაობის ტოლია: N = A – Z.

 ერთადერთი სტაბილური ატომი, რომელიც ნეიტრონს არ შეიცავს არის წყალბადი (მსუბუქი წყალბადი – პროთიუმი), რომელიც ელემენტთა პერიოდულ სისტემაში პირველ ადგილზე დგას (რიგობითი ნომერია Z = 1, ხოლო მასური რიცხვი A =1). მისი ბირთვი მხოლოდ 1 პროტონისგან შედგება. ნეიტრონების რაოდენობა N = A – Z = 1 – 1 = 0.

 ჰელიუმის ატომში (Z = 2, A = 4 ) 2 პროტონი, 2 ნეიტრონი და 2 ელექტრონია;

 ოქროს ატომში (Z = 79, A = 197 ) 79 პროტონი, 118 ნეიტრონი და 79 ელექტრონია.

 ნეიტრონების რაოდენობა შეიძლება სხვადასხვა იყოს ერთი და იგივე ქიმიური ელემენტის ატომბირთვში. ერთი და იგივე ატომებს, რომლებიც ერთმანეთისგან ნეიტრონების რაოდენობით განსხვავდება – იზოტოპები ჰქვია.

 ნეიტრონების რაოდენობით ქიმიური ელემენტის იზოტოპები განისაზღვრება. ანიმაცია წარმოგვიდგენს წყალბადის ატომის იზოტოპს – დეითერიუმს (1 პროტონი, 1 ნეიტრონი და მათ გარშემო მოძრავი 1 ელექტრონი). არსებობს წყალბადის კიდევ ერთი იზოტოპი – ტრითიუმი, რომლის ბირთვში 1 პროტონი და 2 ნეიტრონია. მათ გარშემო კი 1 ელექტრონი მოძრაობს (არსებობს სხვა იზოტოპებიც, რომლებიც მხოლოდ ლაბორატორიულ პირობებში მიიღება).

 ელექტრონი (აღმოაჩინა ჯ.ჯ. ტომსონმა 1897 წ) – სტაბილური ნაწილაკია, მასა 9,10938215(45)×10−³¹ კგ. (ატომის გარეთ მოხვედრის შემთხვევაში არ გადაიქცევა გამოსხივებად), ის ნივთიერების შემადგენელი ერთ-ერთი მთავარი სტრუქტურული ერთეულია. ელექტრონული ღრუბლისგან შედგება ყველა ატომის გარსი, სადაც მათი რაოდენობა და მდებარეობა ნივთიერების ყველა ქიმიურ თვისებას განსაზღვრავს. თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობა (გარე შრეზე მდებარე ელექტრონები) განაპირობებს ისეთ მოვლენებს, როგორიცაა ელექტრული დენი გამტარსა და ვაკუუმში.

 თანამედროვე წარმოდგენებით, ელექტრონი გაუყოფელია და უსტრუქტურო (მინიმუმ 10¯ ¹7 სმ მანძილებამდე). ელექტრონი მონაწილეობს სუსტ, ელექტრომაგნიტურ და გრავიტაციულ ურთიერთქმედებებში. ის ლეპტონების ჯგუფს მიეკუთვნება და არის (თავის ანტინაწილაკ(1) პოზიტრონთან ერთად) ყველაზე მსუბუქი, მუხტის მქონე ლეპტონებს შორის. რადიოაქტიური დაშლის დროს გამოსხივებულ ელექტრონებს, ბეტა ნაწილაკებს ან ბეტა სხივებს უწოდებენ. მათი ნივთიერებიდან გამოსვლა ხდება აგრეთვე თერმოელექტრული და ფოტოელექტრული (ფოტოელემენტი) ემისიის დროს. უფრო მაღალი ენერგიის ელექტრონების მიღება ხდება ატომურ ამაჩქარებელში. სწრაფად მოძრავი ელექტრონების დამუხრუჭებისას (შეჯახება რაიმე მატერიალურთან), ამაჩქარებელი წყაროსგან მიღებული ზედმეტი ენერგია რენტგენის სხივებად გამოსხივდება.

 ლეპტონები (ბერძნ-მსუბუქი) – ფუნდამენტური ნაწილაკები ½ სპინით, რომლებიც არ მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებაში. სახელი “ლეპტონი” შემოთავაზებულ იქნა ლ.როზენფელდის მიერ 1948 წელს და მიუნიშნებდა ფაქტზე, რომ იმ დროისათვის ცნობილი ყველა ლეპტონი მნიშვნელოვნად მსუბუქი იყო ბარიონების(მძიმე) ჯგუფში შემავალ ნაწილაკებზე. ამჟამად სახელწოდების ეტიმოლოგია ბოლომდე ვერ შეესაბამება სინამდვილეს, რადგან 1977 წელს აღმოჩენილი ტაუ-ლეპტონი ორჯერ მძიმე აღმოჩნდა ყველაზე მსუბუქ ბარიონებზე, პროტონზე და ნეიტრონზე. არსებობს ლეპტონების სამი თაობა, პლიუს შესაბამისი ანტინაწილაკები:
1- ელექტრონი, ელექტრონული ნეიტრინო(არა ნეიტრონი!!!)
2- მიუონი, მიუონური ნეიტრინო
3- ტაუ-ლეპტონი, ტაუ-ნეიტრინო

 ასე რომ, ყოველ თაობაში შედის უარყოფითად დამუხტული ლეპტონი, დადებითი ანტილეპტონი, ნეიტრალური ნეიტრინო და ანტინეიტრინო. ყველა მათგანს აქვს ნულზე მეტი მასა, თუმცა ნეიტრინოს მასა გაცილებით მცირეა სხვა ყველა ელემენტარულ ნაწილაკებზე( 1 ევ-ზე ნაკლები ელექტრონული ნეიტრინოსთვის. ელექტრონ ვოლტებით შეიძლება გამოვსახოთ ნაწილაკის მასა, რადგან მატერია და ენერგია ერთი და იგივეა. ატომურ კვლევებში მიზანშეწონილია მასის ენერგიებით გამოსახვა).

 ყველა ლეპტონები ფერმიონები არიან, ანუ მათი სპინი არ არის მთელი რიცხვის ტოლი(s = 1/2, 3/2, …). ლეპტონები კვარკებთან ერთად(კვარკები მონაწილეობენ ოთხივე ურთიერთქმედებაში, ძლიერის ჩათვლით) წარმოადგენენ ფუნდამენტური ნაწილაკების კლასს — ნაწილაკებისა, რომლებისგანაც შედგება ნივთიერება და რამდენადაც დღეისათვისაა ცნობილი მათ არ გააჩნიათ შინაგანი სტრუქტურა.

 მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტალურად არ დამტკიცებულა მათი წერტილოვანი სტრუქტურა, ხდება მცდელობა თეორიების შექმნისა, სადაც ლეპტონბი და კვარკები კიდევ რაღაცისგან შედგებიან, ამ ჰიპოთეტურ ნაწილაკებს პრეონები შეარქვეს.

 ნეიტრონი – ელემენტარული ნაწილაკი, რომელსაც არა აქვს მუხტი. მიეკუთვნება ბარიონებს. ის აღმოაჩინა ჯ.ჩედვიკმა, რისთვისაც 1935 წელს ნობელის პრემია მიიღო.
მასა:1,674927211(84)×10^-27 კგ, რაც დაახლოებით 0,14 %-ით მეტია პროტონის მასაზე, სპინი: 1/2(ანუ ფერმიონია), სიცოცხლის ხანგრძლივობა ატომს გარეთ მოხვედრის შემთხვევაში: ~14,8 წთ. ნულოვანი მუხტის მიუხედავად, ნეიტრონი არ არის ჭეშმარიტად ნეიტრალური ნაწილაკი. მისი ანტინაწილაკია ანტინეიტრონი.
დადგენილია, რომ ნეიტრონი წარმოადგენს დაკავშირებულ მდგომარეობას სამი კვარკისა: ერთი “ზედა”(u) და ორი “ქვედა”(d) კვარკი.

კვარკული სტრუქტურა udd.
რადგან ნეიტრონი მაინც პროტონზე მძიმეა, მას შეუძლია დაიშალოს თავისუფალ მდგომარეობაში ყოფნის დროს (ატომს შიგნით ის სტაბილურია). დაშლის ერთად-ერთი გზა, რომელიც არ არღვევს ენერგიის და მუხტის შენახვის კანონს, ბარიონულ და ლეპტონურ კვანტურ რიცხვს, არის ნეიტრონის ბეტა-დაშლა პროტონად, ელექტრონად და ელექტრონულ ანტინეიტრინოდ (შესაძლებელია გამა კვანტის გამოსხივებაც).

 გარდა ამისა, ნეიტრონსა და პროტონს შორის არსებული მასათა სხვაობა1,3 მევ-ია (ძალიან უმნიშვნელოა). ამიტომ ატომის ბირთვში მდებარე ნეიტრონს შეუძლია იყოს უფრო მეტი სიღრმის პოტენციალურ ორმოში (სივრცე, სადაც განაწილებულია ნაწილაკის ენერგია), ვიდრე პროტონს. ამის გამო ბირთვში მოქცეული ნეიტრონი სტაბილურია.

 პროტონი -(ბერძნ. პირველი,მთავარი) ელემენტარული ნაწილაკი, ბარიონი 1/2 სპინით, აქვს დადებითი მუხტი +1, სტაბილურია. მასა – 1,672 621 637(83) × 10^-27 კგ.

კვარკული სტრუქტურა duu.
პროტონები ნეიტრონებთან ერთად ატომის შემადგენელ ძირითად ნაწილაკებს წარმოადგენენ. რიგითი ნომერი პერიოდულ სისტემაში მთლიანად დამოკიდებულია ამ ატომის ბირთვის მუხტზე, რომელიც თავის მხრივ ბირთვში პროტონების რაოდენობის ტოლია(პროტონული რიცხვი). პროტონები მინაწილეობენ თერმობირთვულ რეაქციაში, რაც ვარსკვლავების მიერ გენერირებული ენერგიის წყაროა (მზეც). ანტიპროტონს აქვს უარყოფითი მუხტი და ბარიონული რიცხვი. პროტონთან შეჯახების შემთხვევაში ხდება მათი ანიჰილაცია, ანტიპროტონი ანიჰილირებს აგრეთვე ნეიტრონებთანაც.

 ანიჰილაცია – ნაწილაკების და ანტინაწილაკების ერთმანეთთან შეჯახების მერე სხვა განსხვავებულ ნაწილაკებად გადაქცევის რეაქციაა. ელექტრონისა და პოზიტრონის ანიჰილაციის დროს გამოსხივდება სამი ფოტონი, დიდ ენერგიებზე შესაძლებელია მეტ ფოტონებადაც გადაქცევა, ხოლო ასეულობით მევ ენერგიაზე ეს ნაწილაკები გადაიქცევიან ჰადრონებად. 1 კგ მატერიისა და ამდენივე ანტიმატერიის ანიჰილაციის დროს გამოსხივდება 1,8×10¹⁷ ჯოული ენერგია, რაც 47 მეგატონა (!!!) ტროტილური ექვივალენტის ტოლია. ყველაზე მძლავრი თერმობირთვული ბომბი, რომელიც სსრკ ააფეთქა იწონიდა 20 ტონას და აფეთქების სიმძლავრე 50 მეგატონა იყო. ანიჰილაციის დროს ენერგიის 50% ნეიტრინოების სახით გამოსხივდება, დაბალი ენერგიის ნეიტრინოები კი თითქმის არ ურთიერთქმედებენ მატერიასთან, მათთვის რამოდენიმე დედამიწის ზომის პლანეტის წიაღში გავლა პრობლემას არ წარმოადგენს.

 ნეიტრინო – სტაბილური ნეიტრალური ლეპტონი ½ სპინით. დაბალი ენერგიის ნეიტრინო უკიდურესად სუსტად ურთიერთქმდებს ნივთიერებასთან. 3-10 მევ. ენერგიის მქონე ნეიტრინოს წყალში თავისუფალი გარბენის სიგრძეა 100 სინათლის წელი(!!!). ცნობილია აგრეთვე, რომ ყოველ წამში რაიმე შესამჩნევი ცვლილებების გარეშე 1 სმ²-ზე გადის მზიდან მომავალი 10¹¹ რაოდენობის ნეიტრინო.

 ბარიონები – ელემენტარულ ნაწილაკთა ოჯახი, ძლიერ ურთიერთქმედებაში მონაწილე ფერმიონები, შედგებიან 3 კვარკისაგან(ჯერჯერობით დაუმტკიცებელი ვარაუდია, რომ არსებობენ ბარიონები 5 და მეტი რაოდენობის კვარკებით,პენტაკვარკები). ბარიონები მეზონებთან ერთად (ეს უკანასკნელი შედგება 2 კვარკისაგან) ქმნიან ელემენტალურ ნაწილაკთა ჯგუფს, რომლებიც მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებაში და წარმოადგენენ ჰადრონებს(ჰადრონები არ არიან ჭეშმარიტად ელემენტარულნი, მათ გააჩნიათ შიდა სტრუქტურა). ბარიონულია ჩვენთვის ცნობილი ნორმალური ნივთიერება, მატერია, რომელიც შედგება პროტონების, ნეიტრონების და ელექტრონებისგან. არსებობს ბარიონული ანტიმატერიაც. ყველაზე მძიმე ბარიონი, ომეგა-ჰიპერიონი 1,8-ჯერ მძიმეა პროტონზე.

 კვანტური რიცხვი – კვანტურ მექანიკაში ეს არის მიკროსკოპული ობიექტის(ელემ.ნაწილაკის, ბირთვის, ატომის და ა.შ.) რომელიმე კვანტური ცვლადის რიცხობრივი მნიშვნელობა, რომელიც ნაწილაკის მდგომარეობას ახასიათებს.
ზოგიერთი კვანტური რიცხვი სივრცეში მოძრაობასთანაა დაკავშირებული და ნაწილაკის ტალღური ფუნქციის სივრცულ განაწილებას ახასიათებს. მაგალითად, ელექტრონის რადიალური (მთავარი), ორბიტალური და მაგნიტური კვანტური რიცხვები ატომში, რომლებიც განისაზღვრება როგორც რადიალური ტალღური ფუნქციის კვანძების რიცხვი, ორბიტალური კუთხური მომენტის მნიშვნელობა და მისი პროექცია მოცემული ღერძის მიმართ, შესაბამისად.

 ზოგიერთი სხვა კვანტური რიცხვები არანაირად არ არის დაკავშირებული ნაწილაკის სივრცულ გადაადგილებასთან, არამედ ნაწილაკის “შინაგან” მდგომარეობას აირეკლავს. ასეთ კვანტურ რიცხვებს ეკუთვნის სპინი და მისი პროექცია. ატომურ ფიზიკაში ასევე შემოღებულია ტერმინი იზოსპინი, ხოლო ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკაში ფერი, მომხიბვლელობა, სილამაზე და ჭემარიტობა.

 სპინი – (ინგლ.spin-ტრიალი) – ელემენტარული ნაწილაკის საკუთარი იმპულსის მომენტი, რომელსაც აქვს კვანტური ბუნება და არ ნიშნავს ნაწილაკის, როგორც ერთი მთლიანი წერტილის გადაადგილებას. სპინი არ არის ნაწილაკის მოძრაობა სივრცეში (ორბიტალური მომენტისგან განსხვავებით), ეს არის შინაგანი, კვანტური მახასიათებელი, რომელიც ვერ აიხსნება კლასიკური რელატივისტური მექანიკით. სპინის მნიშვნელობა შეიძლება იყოს როგორც მთელი რიცხვი(ბოზონები s = 0, 1, 2, …) ასევე წილადი (ფერმიონები s = 1/2, 3/2, …). ბოზონები არიან ურთიერთქმედების გადამტანები(ფოტონი, გრავიტონი,გლიუონი….), ფერმიონებისგან კი არის აწყობილი ჩვეულებრივი მატერია (პროტონი,ნეიტრონი, ელექტრონი…).

 ფოტონი (ბერძნ.«სინათლე») — ელემენტარული ნაწილაკი, ელ.მაგნიტური გამოსხივების კვანტი. ეს არის უმასო ნაწილაკი, მისი უძრაობის მასა ნულის ტოლია, ანუ არსებობს მხოლოდ მოძრაობში და აუცილებლად ზღვრული სიჩქარით (300 000 კმ/წმ. ვაკუუმში). სხვა და სხვა გარემოში სხივი, იგივე ელ.მაგნიტური ტალღა, განსხვავებული სიჩქარით ვრცელდება. გავრცელების სიჩქარის შემცირება მეორადი გამოსხივების გამო ხდება. მაგალითად, ნივთიერებაში ელექტრონთან შეჯახების დროს გამოსხივდება სხვა, იგივე მონაცემების ფოტონი. ელექტრონს შეჯახებული ფოტონისგან გადაეცა ენერგია, რის გამოც იგი ასხივებ სხვა ფოტონს, რათა დაუბრუნდეს არა აგზნებულ მდგომარეობას. ახლად გამოსხივებული ფოტონის სიჩქარეც რა თქმა უნდა იგივეა, როგორიც ჰქონდა პირველს. ფოტონის ელექტრული მუხტიც ნულის ტოლია.

 ფოტონს, როგორც კვანტურ ნაწილაკს, გააჩნია კორპუსკულარულ-ტალღური (!!!) დუალიზმი, ერთდროულად ავლენს ნაწილაკურ და ტალღურ თვისებებს. ფოტონების აღმნიშვნელი ასოა – γ, ამიტომაც მათ ხშირად გამა კვანტებსაც უწოდებენ (განსაკუთრებით მაღალი ენერგიების ფოტონებს), ეს ტერმინები პრაქტიკულად სინონიმურია. ფოტონები ელ.მაგნიტური ურთიერთქმედების გადამტანი ნაწილაკები არიან, მათი საშუალებით ხდება ურთიერთქმედება, მაგალითად, ორ ელექტრულ მუხტს შორის. ფოტონი რიცხობრივად ყველაზე გავრცელებული ნაწილაკია სამყაროში. ერთ ნუკლონზე (პროტონ-ნეიტრონული წყვილი) არა უმცირეს 20 მილიარდი ფოტონი მოდის.

 ითვლება, რომ ფოტონის თვისებებს კარგად ხსნის არსებული თეორია, სტანდარტული მოდელი, რომლის მიხედვითაც ფოტონები განიხილებიან, როგორც საკალიბრო ბოზონები 1-ის ტოლი სპინით, ნულის ტოლი უძრაობის მასით და ნულის ტოლი მუხტით. ფოტონისთვის უმცირესი მასის ან მუხტის აღმოჩენას შეუძლია სერიოზული დარტყმა მიაყენოს სტანდარტულ მოდელს, თუმცა ამ დრომდე ჩატარებულ არც ერთ ექსპერიმენტში არ დაფიქსირებულა ფოტონის არც უძრაობის მასა და არც მუხტი.

 გამა გამოსხივება – ელექტრომაგნიტური გამოსხივება უკიდურესად მცირე ტალღის სიგრძით – < 5×10⁻³ ნმ. ამის გამო მას ახასიათებს კარგად გამოხატული კორპუსკულარული (ნაწილაკური) და სუსტად გამოხატული ტალღური თვისებები. გამა კვანტები არიან მაღალი ენერგიის ფოტონები, 10⁵ევ-ზე მაღლა, თუმცა მკვეთრი საზღვარი მასა და რენტგენის გამოსხივებას შორის არ არსებობს. 1 – 100 კ.ევ. ენერგიაზე მათ განასხვავებენ წარმომქნელი წყაროების მიხედვით: თუ ის გამოსხივდება ბირთვული გადასვლებისას, მაშინ გამა გამოსხივებაა; თუ ელექტრონების ურთიერთქმედებებისას ან ატომურ ელექტრონულ გარსში გადასვლებისას, მაშინ რენტგენის გამოსხივებაა. ამ გამოსხივების წყაროებია: ატომური რეაქციები,ანიჰილაცია,ნეიტრალური პიონის დაშლა, მაღალი ენერგიების ელემენტარული ნაწილაკების გადახრა მაგნიტურ და ელექტრულ ველებში(სინქროტრონული გამოსხივება).

 გამა სხივები, α და ß სხივებისაგან განსხვავებით არ გადაიხრებიან ელმაგნიტურ ველში და ახასითებთ მაღალი შეღწევადობის უნარი ერთნაირი ენერგიებისა და სხვა თანაბარი პირობების მიუხედავად. გამა კვანტები ახდენენ ნივთიერების იონიზაციას (საშიშია ცოცხალი ორგანიზმებისთვის), ამ დროს ხდება ფოტოეფექტი, კომპტონისეული გაბნევა, ელექტრონ-პოზიტრონული წყვილების გაჩენა, ფოტობირთვული პროცესები.