Cząstki elementarne

Teoria atomowa Daltona w naturalny sposób doprowadziła do pytania, czy atomy same w sobie są podzielne. Seria kolejnych eksperymentów wykazała, że atom składa się w rzeczywistości z trzech fundamentalnych cząstek zwanych cząstkami subatomowymi – elektronów, protonów i neutronów.

Elektrony zostały odkryte przez J.J. Thomsona, kiedy zaobserwował wiązkę naładowanych cząstek poruszających się w linii prostej w kierunku elektrody dodatniej w lampie katodowej i był w stanie odchylić te wiązki za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Thomson doszedł do wniosku, że cząstki te są ujemnie naładowanymi, niskomasowymi składnikami atomu. Cząstkom tym nadano później nazwę elektrony.

Robert Millikan ustalił, że ładunek elektronu wynosi od –1,6 × 10 ^{do 19} kulombów, gdzie kulomb jest jednostką ładunku w układzie SI.

Wraz z odkryciem elektronów atomy przestały być postrzegane jako niezniszczalne i zaproponowano modele opisujące strukturę atomu.

Największym sukcesem okazał się model jądrowy Ernesta Rutherforda – oparty na jego słynnym eksperymencie ze złotą folią, w którym kierował dodatnio naładowane cząstki alfa na cienki arkusz złotej folii. Ponieważ większość cząstek alfa przeszła przez złotą folię bez odchylenia, doszedł do wniosku, że większość przestrzeni wewnątrz atomu jest pusta. Kilka z nich zostało jednak rozrzuconych pod dużymi kątami, a niewielka liczba odbiła się z powrotem, co potwierdziło, że cały ładunek dodatni i większość masy atomu znajdują się w maleńkim centralnym jądrze zwanym jądrem.

Rutherford postulował również, że atom ma tyle elektronów, znajdujących się w pustej przestrzeni wokół jądra, ile jest potrzebnych do zrównoważenia dodatniego ładunku jądra i utrzymania neutralności elektrycznej atomu.

Następnie sam Rutherford odkrył protony jako dodatnio naładowane cząstki w jądrze, a James Chadwick odkrył neutrony jako elektrycznie obojętne cząstki w jądrze.

Ładunek i masa to dwie podstawowe właściwości cząstek subatomowych.

Ładunek protonu i elektronu są równe pod względem wielkości, ale przeciwne pod względem znaku. W jednostkach względnych elektronowi przypisuje się ładunek -1, a protonowi przypisuje się ładunek +1. Neutron nie ma ładunku.

Masa protonu wynosi 1,673 × 10^–27 kg, podczas gdy masa elektronu wynosi 9,1 × 10^–31 kg, a masa neutronu wynosi 1,675 × 10^–27 kg.

Bardziej powszechną jednostką wyrażającą te ekstremalnie małe masy jest jednostka masy atomowej lub amu. 1 amu jest równa 1,66 × 10^–27 kg, czyli jednej dwunastej masy atomu węgla zawierającego sześć protonów i sześć neutronów. Zatem masa protonu lub neutronu wynosi około 1 amu. Elektrony mają prawie znikomą masę 5,5 × 10^–4 amu.