کوچکترین و بزرگترین ذرههای جهان
وزن کوچکترین ذره کمتر از الکترون است.
کوچکترین ذره جهان چیست؟ (اعتبار تصویر: Shutterstock)
جهان مکان بزرگی است، اما از قطعات کوچک ساخته شده است. جدول تناوبی شامل عناصری مانند اکسیژن، کربن و سایر عناصر سازنده است که ستارهها، گربهها یا فنجانهای قهوه را تشکیل میدهند. اما از اوایل قرن بیستم، دانشمندان به فکر و یافتن ذرات بنیادی کوچکتر و کوچکتر بودند – ریزتر از اتمهایی که جهان را پر میکنند. بنابراین کدام یک از این ذرات بنیادی کوچکترین است؟ و بالعکس، کدام یک بزرگترین است؟
دون لینکلن، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی، نزدیک شیکاگو، یکی از دانشمندانی است که سعی دارد به این سوال پاسخ دهد. دانشمندان با استفاده از شتاب دهنده ذرات، ذرات منفرد را با هم خرد كرده و به ذرات بنیادی جدید احتمالی نگاه میكنند. لینکلن گفت: برای اندازهگیری اندازه ذرات دو راه وجود دارد: بررسی جرم آنها و اندازهگیری اندازه فیزیکی آنها، مانند محاسبه قطر یک توپ.
از نظر جرم، پاسخ به این سوالات نسبتاً ساده است. لینکلن گفت: کمترین ذره جرم غیر صفر که میدانیم نوترینو است. وی خاطرنشان کرد که ما اندازهگیری دقیق جرم نوترینو را نداریم زیرا ابزارهایی که برای محاسبه جرم ذرات بنیادی استفاده میشوند به اندازه کافی حساس نیستند.
لینکلن گفت: “نوترینو ذره است، به نوعی شبح جهان زیر اتمی است.” نوترینوها با ماده بسیار ضعیف برهم کنش دارند و بعد از فوتونها (که بیشتر شبیه موج تا ذرات واقعی هستند) دومین ذره فراوان است. در حقیقت، در این لحظه تریلیونها نوترینو از شما عبور میکنند. نوترینوها تقریباً هیچ وزنی ندارند و نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند.
یک هسته اتمی از نوترونها، پروتونها و الکترونها تشکیل شده است. لینکلن گفت، پروتونها و نوترونها تقریباً به اندازه یک دهم هسته هستند. الکترون دارای جرمی نزدیک به صفر است، اما وزن آن در واقع 500000 برابر بیشتر از نوترینو است (که باز هم اندازهگیری دقیق آن در این مرحله غیرممکن است).
اندازه ذرات را میتوان با بررسی جرم یا اندازه فیزیکی آنها اندازهگیری کرد. (اعتبار تصویر: Shutterstock)
لینکلن گفت، فیزیکدانان از الکترون ولت (eV) برای اندازهگیری جرم ذرات زیر اتمی استفاده میکنند. از نظر فنی، واحد eV / c ^ 2 است، که در آن c سرعت نور است. یک الکترون ولت معادل حدود 1.6x10 ^ -19 ژول است. برای ساده کردن کارها، فیزیکدانان از مجموعه واحدهایی استفاده میکنند که سرعت نور آنها 1 است. برای کشف جرم یک ذره زیر اتمی، میتوانید از معادله معروف آلبرت انیشتین E = mc ^ 2 برای بدست آوردن جرم به کیلوگرم استفاده کنید.
به گفته لینکلن، یک الکترون 511000 الکترون ولت وزن دارد که معادل 9.11 x 10 ^ -31 کیلوگرم است. برای مقایسه، یک پروتون معمولی در هسته اتم معمولی 938 میلیون الکترون ولت یا 10–27 kg 67/1 کیلوگرم وزن دارد.
برعکس، به گفته لینکلن، بزرگترین ذره بنیادی (از نظر جرم) که میشناسیم ذرهای به نام کوارک بالا است که 172.5 بیلیون الکترون ولت بزرگ دارد. کوارکها ذره اساسی دیگری هستند که تا آنجا که میدانیم نمیتوانند به قطعات بیشتری تقسیم شوند. دانشمندان شش نوع کوارک پیدا کردهاند: بالا، پایین، عجیب، جذاب، زیر و رو. کوارکهای بالا و پایین پروتونها و نوترونها را تشکیل میدهند و وزن آنها به ترتیب 3 میلیون و 5 میلیون الکترون ولت است. در مقایسه، وزن کوارک بالا 57500 برابر بیشتر از کوارک بالا است.
پاسخ به سوال اندازه فیزیکی دشوارتر است. ما اندازه فیزیکی برخی از ذرات را میدانیم، اما کوچکترین آنها را نمیدانیم. برخی از ذرات “ریز” که مردم در زندگی روزمره از آنها میشنوند ، مانند ذرات ویروس، در واقع بسیار بزرگ هستند.
لینکلن این حس مقیاس را ارائه داد: یک ذره ویروس معمولی حدود 250 تا 400 نانومتر طول دارد (یک نانومتر یک بیلیونم متر یا 10 ^ -9 متر است) و هسته اتمی معمولی حدود 10 ^ -14 متر (0.0000000000000001) اندازه دارد) این بدان معناست که یک هسته اتمی برای ویروس به اندازه ویروس برای ما کوچک است.
در حال حاضر، کوچکترین اندازه فیزیکی دانشمندان که میتوانند با شتاب دهنده ذرات اندازهگیری کنند، 2000 برابر کوچکتر از یک پروتون یا 5 10 10 ^ -20 متر است. تاکنون دانشمندان توانستهاند کوارکها را کوچکتر از آن ، اما نه به میزان آنها بدانند.
ترجمه: نجمه قاسمی
What is the smallest particle in the universe? (What about the largest?)
By JoAnna Wendel – Live Science Contributor
https://www.livescience.com/largest-smallest-particles-on-record.html