Warto przeczytać

W tych e‑materiałach zajmiemy się tzw. zwykłą materią. Czym w ogóle jest zwykła materia? Jeżeli jest materia, którą fizycy nazywają zwykłą, to czy jest też jakaś inna, „niezwykła” materia? Okazuje się, że materia, która buduje nas, otaczające nas przedmioty, naszą planetę, nasz układ Słoneczny i wszystkie inne układy astronomiczne stanowi niecałe 5% masy i energii we Wszechświecie. Pozostałą część masy i energii, według dominujących wśród naukowców poglądów, stanowią ciemna materia i ciemna energia (patrz Rys. 1.). Natura zarówno ciemnej materii, jak i ciemnej energii nie jest jeszcze poznana. Są to postulowane (hipotetyczne) formy masy i energii, które tłumaczą obserwacje astronomiczne. Nie ma jednak bezpośredniego dowodu ich istnienia. Przyjęte nazwy wzięły się stąd, że w przeciwieństwie do zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii, nie da się bezpośrednio zaobserwować. Dlatego też zwykłą materię nazywa się również materią widzialną.

RG66yJgFeuz3P

Rys. 1. Rysunek przedstawia wykres kołowy dotyczący udziału ciemnej energii, ciemnej materii i zwykłej materii w bilansie masy i energii Wszechświata. Najwięcej jest ciemnej energii 68,3%. 26,8% stanowi ciemna materia, natomiast jedynie 4,9% to zwykła materia.

Z czego zatem składa się zwykła, widzialna materia? Zacznijmy od najmniejszych i najbardziej podstawowych obiektów, czyli cząstek fundamentalnych. Są to cząstki, dla których nie jest znana struktura wewnętrzna. Według modelu standardowego, czyli teorii cząstek elementarnych, jest 12 cząstek, z których zbudowana jest materia i 12 cząstek, odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między nimi. Zajmiemy się jednak tylko trzema z tych cząstek: elektronem (e), kwarkiem górnym (u) i kwarkiem dolnym (d). Te trzy cząstki są podstawowymi cegiełkami widzialnej materii, która nas na co dzień otacza. Materia, w skład której wchodzą inne cząstki fundamentalne, jest nietrwała.

Cząstki niefundamentalne, np. nukleonynukleonynukleony, czyli proton i neutron, zbudowane są z różnych kombinacji kwarkówkwarkikwarków. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, co możemy zapisać jako uud. Neutron zbudowany jest z jednego kwarku górnego i dwóch dolnych, co zapisujemy jako udd. Budowę nukleonów przedstawiono schematycznie na Rys. 2. Kwarki znajdujące się wewnątrz cząstki oddziałują na siebie wzajemnie z ogromną siłą. Oddziaływanie to jest najsilniejszym z czterech występujących oddziaływań fundamentalnych i z tego powodu nazywane jest oddziaływaniem silnym. Kwarki nie występują swobodnie poza cząstkami złożonymi. Więcej na temat budowy nukleonów możesz przeczytać w e‑materiale „Z jakich kwarków składa się proton, a z jakich neutron?”.

RO5mRgweUso4f

Rys. 2. Rysunek przedstawia uproszczone schematy budowy protonu i neutronu. Po lewej stronie, wewnątrz czerwonego okręgu opisanego jako proton, umieszczono trzy kulki, symbolizujące kwarki. Kwarki są tak usytuowane wewnątrz protonu, jakby znajdowały się na wierzchołkach trójkąta równobocznego, wpisanego w okrąg, zwróconego podstawą do góry. Na wierzchołkach przy podstawie zaznaczono pomarańczowe kółeczka z małą literą u wewnątrz. Na wierzchołku, u dołu, narysowano fioletowe kółko z małą literą d w środku. Pomiędzy kółkami zaznaczono sprężynki. Sprężynki pomiędzy kwarkami symbolizują wzajemne oddziaływania między nimi. Po prawej stronie rysunku znajduje się zielony okrąg podpisany neutron. Wewnątrz, podobnie, trzy kółka ze sprężynkami. Jednak tym razem, u góry przy podstawie, po lewej stronie pomarańczowe kółko z opisem mała litera u, natomiast po stronie prawej oraz w dolnym wierzchołku, fioletowe kółko z napisem mała litera d.

Protony i neutrony budują jądra atomowe wszystkich atomów we Wszechświecie. Obie cząstki różnią się przede wszystkim ładunkiem elektrycznym. Neutron jest cząstką obojętną elektrycznie, natomiast proton ma ładunek dodatni, +1e, gdzie e oznacza ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu. Rozmiary i masy spoczynkowe obu cząstek są do siebie zbliżone. Nukleony mają rozmiary rzędu femtometrów1 fmfemtometrów (1 fm = 10Indeks górny -15^-15 m), a ich masy spoczynkowe wynoszą: 1,673⋅10Indeks górny -27^-27 kg dla protonu i 1,675⋅10Indeks górny -27^-27 kg dla neutronu. Jądro atomowe można wyobrażać sobie jako kroplę bardzo gęstej cieczy o promieniu rzędu kilku femtometrów zbudowaną z wzajemnie oddziałujących, znajdujących się blisko siebie nukleonów. Na Rys. 3. pokazano schematyczny wygląd jądra atomowego zbudowanego z wielu nukleonów.

R127kyQpwqhEm

Rys. 3. Rysunek pokazuje, jak wygląda jądro atomowe. Przedstawiono kulkę uformowaną z wielu czerwonych mniejszych kulek opisanych białym plusem oraz kulek niebieskich. Protony oznaczono kolorem czerwonym, neutrony kolorem niebieskim.

Jądro atomowe oraz krążące wokół niego elektrony tworzą wspólnie atom dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu występującemu między nimi. W obojętnym elektrycznie (niezjonizowanym) atomie liczba elektronów znajdujących się na powłokach elektronowych jest zawsze równa liczbie protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Jądro atomowe jest obiektem bardzo małym w porównaniu z rozmiarami atomu. Na Rys. 4. przedstawiono schematycznie budowę atomu litu‑7 i jego jądra. Typowe rozmiary jądra atomowego są rzędu 10Indeks górny -14^-14 m, natomiast rozmiary atomu są rzędu 10Indeks górny -10^-10 m. Oznacza to, że jądro atomowe jest prawie kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze od atomu. Elektron jest cząstką fundamentalną o masie ponad 1000 razy mniejszej niż masy nukleonów (masa elektronu wynosi 0,911⋅10Indeks górny -30^-30 kg). Oznacza to, że pomimo swoich małych rozmiarów, jądro atomowe skupia ponad 99% masy atomu. Tak duża kompresja masy wynika z olbrzymiej gęstości materii jądrowej. Więcej na temat budowy jądra atomowego możesz przeczytać w e‑materiale „Jak definiujemy jądro atomowe?”.

RqBXOZ6YjnTWf

Rys. 4. Rysunek przedstawia strukturę atomu litu 7. Narysowano szary, okrągły obszar, który gradientowo ciemnieje w kierunku środka. Wymiar tego obszaru opisano, jako Angstroem równy 10 do potęgi minus dziesiątej metra. Zacieniowany obszar przedstawia atom, w którego środku znajduje się jądro zbudowane z trzech protonów (czerwone kulki) i czterech neutronów (niebieskie kulki). Jądro zostało celowo powiększone – przy zachowaniu skali nie byłoby widoczne. Na prawo od atomu przedstawiono jądro w dużym powiększeniu i podpisano 1 femtometr.

Atomy o tej samej liczbie protonów w jądrze, zachowują się identycznie pod względem chemicznym. Obserwacja ta stanowi podstawę definicji pierwiastka chemicznego oraz sposobu uszeregowania substancji chemicznych w Układzie Okresowym Pierwiastków. W ogólności możemy powiedzieć, że dany pierwiastek chemicznypierwiastek chemicznypierwiastek chemiczny oznacza zbiór wszystkich atomów o identycznej liczbie protonów w jądrze. Atomy tego samego pierwiastka, różniące się między sobą liczbą neutronów w jądrach nazywamy izotopamiizotopyizotopami. Obecnie (stan na rok 2019) znamy 118 pierwiastków. Najlżejszym pierwiastkiem jest wodór o symbolu H. Natomiast najcięższym znanym pierwiastkiem jest oganesson o symbolu Og, w którego jądrze atomowym znajduje się aż 118 protonów. Więcej na temat pierwiastków i ich izotopów możesz przeczytać w e‑materiale „Skład izotopowy pierwiastków”.

Atomy różnych pierwiastków mogą łączyć się ze sobą. Grupy atomów utrzymywane razem dzięki wiązaniom chemicznym nazywamy cząsteczkami. Na Rys. 5. pokazano schematyczny wygląd cząsteczki wody, składającej się z dwóch atomów wodoru (H) oraz jednego atomu tlenu (O). Na kolejnych poziomach złożoności, coraz większa liczba cząsteczek i atomów łączy się ze sobą, tworząc coraz bardziej skomplikowane struktury i związki.

R1Vd0JJhNe2S4

Rys. 5. Rysunek pokazuje, jak zbudowana jest cząsteczka wody. Narysowano dużą czerwoną kulę podpisaną wielką literą O. W dolnej części, symetrycznie po prawej i lewej stronie, do czerwonej kuli dorysowano dwie szare, mniejsze kulki podpisane wielką literą H.

Z czego więc składa się materia? Wszystko, co nas otacza, składa się z atomów, a każdy atom składa się z jądra i otaczającej go chmury elektronowej. W jądrze atomowym znajdują się protony i neutrony, które z kolei zbudowane są z kwarków dolnego i górnego. Otaczająca nas materia ma bardzo złożoną strukturę, jednak na najbardziej podstawowym poziomie wszystko, co widzimy, składa się zaledwie z trzech cząstek fundamentalnych: elektronu i dwóch kwarków, górnego i dolnego.

Słowniczek