در این درس، مفهوم اساسی ذرات و اهمیت فوق‌العاده آنها در شیمی و فیزیک را بررسی خواهیم کرد. ذرات بلوک های سازنده کیهان هستند، از ریزترین عناصر سازنده ماده گرفته تا نیروهایی که بر تعامل آنها حاکم هستند. ما به ویژگی‌ها، طبقه‌بندی‌ها و کاربردهای ذرات در حوزه‌های شیمی و فیزیک خواهیم پرداخت.
ذره در هسته خود یک جسم کوچک موضعی است که می توان چندین ویژگی فیزیکی یا شیمیایی مانند حجم، جرم یا بار را به آن نسبت داد. ذرات می توانند از ذرات زیراتمی مانند الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها تا مقیاس های بزرگتر مانند اتم ها و مولکول ها متغیر باشند. مفهوم ذره برای کمک به درک ترکیب و رفتار همه اشکال ماده بسیار مهم است.
در شیمی، ذرات به اتم ها و مولکول ها اطلاق می شود که پایه و اساس مواد شیمیایی هستند. اتم کوچکترین واحد یک عنصر است که خواص شیمیایی خود را حفظ می کند. اتم ها از هسته ای ساخته شده از پروتون و نوترون تشکیل شده اند که الکترون ها به دور هسته می چرخند. از سوی دیگر، مولکول‌ها گروه‌هایی از اتم‌ها هستند که به یکدیگر پیوند می‌خورند و نشان‌دهنده کوچکترین واحد یک ترکیب هستند که می‌توانند در یک واکنش شیمیایی شرکت کنند.
فیزیک درک ما از ذرات را به سطحی حتی اساسی تر می برد و بر ذراتی که خود اتم ها را تشکیل می دهند، مانند پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها، و همچنین ذراتی که ماده را آن طور که به طور سنتی درک می شود، مانند فوتون ها و کوارک ها تشکیل نمی دهند، تمرکز می کند. مطالعه این ذرات به دانشمندان کمک می کند تا نیروها و فعل و انفعالات حاکم بر جهان را کشف کنند.
ذرات زیراتمی ذرات کوچکتر از اتم هستند. آنها عبارتند از:
مدل استاندارد نظریه ای در فیزیک ذرات است که سه نیروی از چهار نیروی اساسی شناخته شده در جهان را به استثنای گرانش توصیف می کند و همه ذرات زیر اتمی شناخته شده را طبقه بندی می کند. دو نوع ذره را تشخیص می دهد: فرمیون ها که اجزای سازنده ماده هستند و بوزون ها که میانجی نیروها بین فرمیون ها هستند. به عنوان مثال، فوتون ها بوزون هایی هستند که نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کنند و به الکترون ها اجازه می دهند با یکدیگر تعامل داشته باشند.
ذرات از طریق نیروهای بنیادی با یکدیگر برهم کنش می کنند که در چارچوب مدل استاندارد شامل نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای ضعیف، نیروی هسته ای قوی و گرانش است. این فعل و انفعالات در تعیین خواص ماده در هر دو سطح میکروسکوپی و ماکروسکوپی بسیار مهم هستند. برای مثال، نیروی الکترومغناطیسی مسئول واکنش‌های شیمیایی بین اتم‌ها و مولکول‌ها است، در حالی که نیروی هسته‌ای قوی هسته‌های اتم‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.
درک ذرات و تعاملات آنها منجر به پیشرفت های متعددی در شیمی و فیزیک شده است. در اینجا چند نمونه آورده شده است:
از لحاظ تاریخی، آزمایش‌ها نقش مهمی در پیشرفت دانش ما در مورد ذرات داشته‌اند. برای مثال، کشف الکترون توسط جی جی تامسون در سال 1897 شامل مشاهده پرتوهای کاتدی در یک لوله خلاء بود که او را به وجود ذرات با بار منفی به این نتیجه رساند. بعداً، آزمایش ورقه طلا ارنست رادرفورد در سال 1911 بینشی در مورد هسته اتم ارائه داد و نشان داد که اتم ها از یک هسته متراکم و دارای بار مثبت تشکیل شده اند که توسط الکترون ها احاطه شده است.
اخیراً، برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن در کشف ذرات پیش بینی شده توسط مدل استاندارد، از جمله بوزون هیگز در سال 2012 نقش بسزایی داشته است. از ماده
علیرغم پیشرفت های قابل توجه، مطالعه ذرات همچنان با چالش ها روبرو شده و سوالات جدیدی را مطرح می کند. به عنوان مثال، مدل استاندارد نیروی گرانش را در نظر نمی گیرد و ماهیت ماده تاریک و انرژی تاریک تا حد زیادی مرموز باقی می ماند. این پازل ها مرزهایی را در فیزیک ذرات نشان می دهند و تحقیقات و آزمایش های مداوم را هدایت می کنند.
به طور خلاصه، ذرات پایه و اساس جهان هستند، از اتم ها و مولکول های مورد مطالعه در شیمی تا ذرات زیر اتمی مورد بررسی در فیزیک. مطالعه ذرات، بلوک‌های سازنده ماده و نیروهایی را که بر فعل و انفعالات آنها حکومت می‌کنند، آشکار می‌کند، که منجر به اکتشافات پیشگامانه و پیشرفت‌های تکنولوژیکی می‌شود. همانطور که ما به بررسی اسرار جهان ادامه می دهیم، درک ذرات و رفتار آنها کلیدی برای کشف رازهای کیهان کوچک و وسیع است.
