V.7.1. Generalități despre particulele elementare. Teoria Big Bang.

O particulă elementară (fundamentală) este o particulă care nu are o structură, adică nu este formată din particule mai mici.

Particulele elementare sunt considerate "cărămizile" Universului.

Conceptul de particulă fundamentală a evoluat în decursul timpului, mai ales în ultima sută de ani.

Ideea că materia este alcătuită din unități discrete și invizibile cu ochiul liber este foarte veche, care apare în multe culturi antice. Cuvântul „atom” înseamnă în limba greacă „indivizibil” și a fost inventat de vechii filosofi greci (Leucip și Democrit).

Teoria „Big Bang” este modelul care explică apariția materiei, energiei, spațiului și timpului, adică existența Universului. „Big Bang”-ul din urmă cu aproximativ 13,7 miliarde de ani consideră că Universul s-a extins de la o singularitate primordială extraordinar de fierbinte și cu o densitate incredibil de mare. Cu cât expansiunea se mărea, Universul devenea mai rece și mai puțin dens. Când s-a răcit suficient de mult, electronii au încetinit și nucleele au căpătat formă pentru formarea primilor atomi (hidrogen și heliu). Apoi sub acțiunea gravitației, norii de gaz s-au unit și astfel s-au format stelele și galaxiile. Atomii mai grei au fost și încă mai sunt creați în interiorul stelelor, iar când steaua explodează aceștia sunt răspândiți în tot Universul.

🔦 Observație

Chiar dacă denumirea „Big Bang” înseamnă în limba engleză „marea explozie”, nașterea Universului a avut loc printr-o expansiune a singularității primordiale și nu printr-o explozie

Teoria Big Bang și etapele majore ale evoluției Universului

🔦 Observație

În era radiației, radiația electromagnetică a fost cea care a determinat dinamica Universului, deoarece în primele momente imediat după Big-Bang cele mai multe particule erau încărcate cu sarcini electrice și circulau liber prin spațiu, fără a forma atomi. Fiind particule încărcate cu sarcină electrică, în mișcare, ele emiteau radiație electromagnetică. Când Universul s-a răcit suficient, electronii și nucleul format din protoni și neutroni s-au combinat în atomi, care sunt neutri din punct de vedere electric. Atunci a început era materiei și radiația electromagnetică deja formată a început să se plimbe prin Univers, care avea o vârstă de 380000 de ani. Deoarece radiația nu mai era reabsorbită de particule (care formaseră atomii neutri), spunem că ea s-a decuplat de materie. În timp, datorită expansiunii Universului, lungimea de undă a radiației electromagnetice libere a crescut, frecvența ei a scăzut, ajungând astăzi în domeniul microundelor, invizibil.

Rămășițele radiației electromagnetice decuplate de materie este detectată astăzi sub forma radiației de fond.

Prezența radiației de fond este o dovadă a expansiunii spațiului însuși în Univers, care a dus la creșterea lungimii de undă a radiației electromagnetice. Dacă expansiunea nu ar fi avut loc, atunci lumina primordială a radiației electromagnetice ar fi inundat și acum cerul în spectrul său vizibil și nopțile de azi ar fi fost albe. Astfel, vedem licăririle stelelor depărtate de noi datorită întunecimii Universului.

La începutul anilor 1800, John Dalton a folosit conceptul de atomi pentru a explica de ce elementele reacționează întotdeauna în raporturi de numere întregi mici (legea proporțiilor multiple).

Când s-a descoperit atomul, savanții au considerat că este o particulă elementară, care nu se mai poate divide. Asta până s-a descoperit că și el, la rândul lui, era compus din electroni, protoni și neutroni.

În 1897, fizicianul J. J. Thomson a măsurat masa razelor catodice, arătând că ele sunt formate din particule, dar că acestea sunt de circa 1800 de ori mai ușoare decât cel mai ușor atom de hidrogen. Astfel s-a descoperit prima particulă subatomică pe care a numit-o electron, după particula postulată de către Johnstone Stoney în 1874.

În 1909, Rutherford a considerat că sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-un nucleu mic aflat în centrul atomului pentru a explica de ce particule alfa sunt deviate la unghiuri mai mari de 90°, când se bombardează o foiță de aur foarte subțire.

Ernest Rutherford, în 1919, a observat că azotul, sub bombardament de particule alfa, radiază nuclee de hidrogen. În 1920, Rutherford era convins faptul că nucleul de hidrogen este o particulă distinctă în interiorul atomului și l-a numit proton.

Fizicianul James Chadwick, în 1932, a descoperit neutronul. El a bombardat cu particule alfa de 5 MeV ținte de beriliu, observând că din nucleele materialului bombardat erau emise particule fără sarcină și cu o masă similară cu a protonului.

După descoperirea lor, electronii, protonii și neutronii erau considerați de către savanți particule fundamentale.

Până astăzi, s-au descoperit peste 200 de particule, despre care se consideră că intră în alcătuirea materiei (majoritatea nefiind particule fundamentale).