Cząstkami elementarnymi nazywamy cząstki, które stanowią podstawowe składniki materii lub będące podstawowymi cząstkami pól, dzięki którym te pierwsze oddziałują ze sobą. Obecnie za cząstki elementarne uważane są cząstki, których istnienie przewiduje Model Standardowy (teoria ta opisuje materię oraz siły we Wszechświecie, z wyjątkiem grawitacji, umożliwia on opis wszystkich zjawisk w mikroświecie). Model ten wyróżnia dwa rodzaje cząstek tworzących materię: kwarki i leptony. Kwarki, w przeciwieństwie do leptonów ulegają oddziaływaniom silnym. Wszystkie leptony i kwarki posiadają swoje antycząstki. Kwarki są nietypowe pod względem ładunku, gdyż posiadają ułamkowy ładunek elektryczny 2/3 albo -1/3, w przeciwieństwie do elektronu (ładunek -1) czy protonu (ładunek +1).

Do leptonów zaliczane są elektron, mion oraz cząstka tau, a także neutrina: elektronowe, mionowe i taonowe. Pierwsze trzy z wymienionych leptonów posiadają ujemne elementarne ładunki. Ich antycząstki są naładowane dodatnio. Natomiast neutrina są elektrycznie obojętne.

Kwarki w naturze nie występują jako cząstki swobodne. Istnieją jedynie w postaci związanej, tworząc hadrony, czyli bariony i mezony. Wyróżniamy sześć różnych kwarków: dolny, górny, powabny, prawdziwy, piękny i dziwny.

Wielkościami charakteryzującymi cząstki elementarne są masa cząsteczkowa, ładunek elektryczny, moment magnetyczny, spin oraz średni czas życia.

Pojęcie cząstki elementarne zostało wprowadzone w latach 1930 - 1935 i oznaczało ono wówczas elektron, proton, neutron i kwant gama. W tamtych czasach uważano, że cała materia zbudowana jest z tych cząstek.

W latach późniejszych odkryte zostały: miony, mezony, kwarki i wiele innych cząstek oraz ich antycząstki, wszystkie je też uznano za elementarne, obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek.

  • Rodzaje i opis cząstek:

ANION - jest atomem lub grupa atomów posiadająca ładunek ujemny. Ładunek ten jest konsekwencja posiadania większej ilości elektronów niż protonów. Aniony powstają na przykład podczas jonizacji lub dysocjacji elektrolitycznej. Wyróżnia się aniony proste oraz złożone.

ANTYCZĄSTKA - jest odpowiednikiem cząstki elementarnej, na przykład elektronu, protonu lub neutronu, posiadającym ten sam spin, masę, czas życia, ale mającym przeciwny ładunek oraz zwrot momentu magnetycznego. W wyniku zderzenia cząstki z jej antycząstką obserwujemy zjawisko nazywane anihilacją. Na skutek anihilacji, cząstka i antycząstka zostają zamienione na fotony o sumarycznej energii równoważnej ich masom.

BARIONY - są cząstkami posiadającymi spin połówkowy. Są one zdolne do oddziaływań silnych. Barionami są nukleony oraz hiperony, a także odpowiadające im struktury rezonansowe. Termin "barion" wywodzi się z języka greckiego i oznacza "ciężki". Bariony składają się z trzech kwarków.

BOZONY - są cząstkami o całkowitym spinie. Należą do nich mezony, fotony oraz układy składające się z parzystej ilości fermionów oraz z bozonów. Jądro atomowe jest fermionem, albo bozonem w zależności od tego czy suma liczby protonów i neutronów jest parzysta czy nieparzysta.

DEUTERON - jest jądrem atomu deuteru, czyli ciężkiego wodoru. Zbudowany jest z jednego neutronu i jednego protonu. Jego liczba atomowa wynosi 1, natomiast masa atomowa ma wartość 2. Deuterony znalazły zastosowanie w akceleratorach do wywoływania reakcji jądrowych, a następnie produkcji nuklidów promieniotwórczych. Deuteron oznaczamy symbolem chemicznym D lub częściej symbolem d, przyjętym w zapisach przemian jądrowych.

ELEKTRON - jest trwałą cząstką elementarną będącą jednym z elementów atomu. Charakteryzuje się ona ładunkiem elektrycznym e = -1,6021917(70) x 10-19C (ujemny ładunek elektryczny elementarny) i masą spoczynkową me≈9,10938 x 10-31kg. Elektrony w atomach najczęściej pojawiają się na usytuowanych wokół jądra obszarach zwanych powłokami elektronowymi. Ujemny ładunek elektryczny elektronów zobojętnia dodatni ładunek zawarty w jądrze. Elektrony mogą występować w stanie wolnym (np. w przewodniku), co znaczy, że mają zdolność swobodnego ruchu wewnątrz jego objętości. Jeżeli elektrony po przyłożeniu napięcia elektrycznego zaczną się poruszać w uporządkowany sposób, to pojawi się prąd elektryczny. Elektrony należą do leptonów i mogą oddziaływać z innymi cząstkami tylko na drodze elektromagnetycznych oddziaływań i słabych oddziaływań. Elektron ma spin równy 1/2, jest więc zaliczany do fermionów. Jak każda cząstka elementarna, elektron posiada swoja antycząstkę (antyelektron, zwany również pozytonem lub elektronem dodatnim), mającą taką samą masę spoczynkową i równy co do wartości, ale przeciwny co do znaku ładunek elektryczny. Istnienie elektronu przewidział w roku 1891 i nadał mu nazwę G.J. Stoney, odkrył zaś w 1897 roku J.J. Thomson. Wiązki elektronów stosowane są w mikroskopie elektronowym. Elektrony mogą swobodnie poruszać się w próżni, co jest wykorzystywane w próżniowych lampach elektronowych. W innych środowiskach (np. powietrzu) ich ruch jest hamowany, bo przyłączają się do atomów substancji tworząc jony ujemne.

FERMIONY - to cząstki, które mają połówkowy spin. Konsekwencja ich połówkowego spinu jest to, ze podlegają one Zakazowi Pauliego. Ferminami są na przykład elektrony.

FONON - elementarne skwantowane wzbudzenie drgania normalnego atomów (lub jonów, molekuł) tworzących sieć krystaliczną i harmonicznie oscylujących wokół położeń równowagi, którymi są statyczne węzły sieci.

FOTON - jest cząstką elementarną, nazywaną kwantem pola elektromagnetycznego. Foton bierze udział tylko i wyłącznie w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Światło jest z kwantowego punktu widzenia dużym strumieniem fotonów. Foton nie posiada ładunku elektrycznego oraz masy spoczynkowej. Energia fotonu promieniowania elektromagnetycznego jest proporcjonalna do częstotliwości promieniowania. W odróżnieniu od cząsteczek relatywistycznych (poruszającymi się z prędkościami o wiele mniejszymi od prędkości światła w próżni) energia fotonu jest proporcjonalna do jego pędu. Fotonowi przypisywany jest spin 1, dlatego też fotony zaliczane są do bozonów. Foton to cząsteczka trwała, która nie ulega rozpadowi. W próżni fotony poruszają się z prędkością światła. Nie trafiając na żadne przeszkody mogą przebyć wiele miliardów lat świetlnych.

GLUONY - są cząstkami, które są nośnikami oddziaływań silnych pomiędzy kwarkami. Są to bozony, które posiadają spin 1 i nie posiadają masy spoczynkowej (podobnie jak fotony, które przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne). Gluony mogą oddziaływać same ze sobą. Gluony występują w ośmiu odmianach posiadających różne kolory (stany ładunkowe).

Nazwa gluonów wywodzi się od angielskiego słowa "glue", które oznacza klej.

GRAWITON - jest hipotetyczną cząstką, kwantem energii pola grawitacyjnego. Zgodnie z teoretycznymi obliczeniami cząstka ta powinna być bozonem o spinie 2 i nie powinna mieć masy spoczynkowej. Ponieważ dotąd nie została sformułowana kwantowa teoria grawitacji, trudno jest przypisywać jakieś znaczenie grawitonowi.

HADRONY - są cząstkami, które ulegają oddziaływaniom silnym. Są one zbudowane z kwarków i antykwarków. Do hadronów zaliczane są mezony oraz bariony. Pojedynczy kwark ma ułamkowy ładunek elektryczny, który jednak nigdy nie jest obserwowany, gdyż kwarki nie występują pojedynczo. Tworzą one cząstki zwane hadronami. Suma ładunku elektrycznego kwarków tworzących hadron jest zawsze całkowita. Znaczna część hadronów nie jest trwała.

HIPERONY - Hiperony są hadronami trwałymi ze względu na oddziaływania silne, posiadają czasy życia rzędu 10-10 sekundy. Hiperony są zaliczane do barionów mają one masę większą od masy nukleonów i są obdarzone ładunkiem elektrycznym lub są obojętne. Są to cząstki nietrwałe. Pierwszy hiperon odkryty był w 1947 roku przez G.D. Rochestera oraz C.C. Butlera w promieniowaniu kosmicznym.

JON - atom lub zbiór atomów z niedoborem lub nadmiarem elektronów walencyjnych. Jony z niedoborem elektronów mają ładunek dodatni i są nazywane kationami, na przykład kation potasowy K+. Jony z nadmiarem elektronów mają ładunek ujemny i są nazywane anionami, na przykład anion chlorkowy Cl-. Jony możemy podzielić na proste i złożone, które są obdarzone ładunkiem elektrycznym, a w zależności od ilości ładunków elementarnych jakie posiadają możemy wyróżnić jony dwu-, trój-, cztero-dodatnie itd. (podobnie jest w przypadku anionów, które mogą być dwu-, trój-ujemne itd.). Rozmiary jonów prostych są inne niż rozmiary ich macierzystych atomów. Usunięcie elektronów powoduje, że sfera elektronowa staje się bardziej zwarta. Kationy są więc mniejsze niż atomy, z których się utworzyły, natomiast aniony są większe. Powstawanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki nazywane jest jonizacją.

KATIONY - jony dodatnio naładowane. Kationy powstają na skutek oderwania się elektronów od atomów lub cząsteczek. W polu elektrycznym poruszają się one od dodatniej elektrody do elektrody ujemnej.

KWARKI - są cząstkami elementarnymi, z których zbudowane są wszystkie hadrony. Są więc podstawowym, obok leptonów, budulcem materii. Od czasu ich odkrycia nie można traktować neutronów i protonów jako podstawowych składnikiem materii. Istnienie kwarków zasugerowali w roku 1964 G. Zweig i M. Gell-Mann. Teoretycznie przewidziano istnienie sześciu kwarków. Są one obdarzone ułamkowym ładunkiem elektrycznym, określonym względem ładunku elementarnego (mają ładunek równy 2/3 lub -1/3 ładunku elektronu - ładunku elementarnego). Każdy z kwarków ma tak zwany kolor, czyli dodatkową liczbę kwantową, która go określa. Każdy z kwarków ma swoja antycząstkę. W przeciwieństwie do leptonów, kwarki podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym, zarówno słabym jak i silnym. Kwarki nie istnieją samodzielnie. Kwarki wiążą się w protony i neutrony poprzez oddziaływanie silne przenoszone przez gluony. Oddziałują również słabo i elektromagnetycznie.

LEPTONY - są cząstkami elementarnymi. Należą do fermionów, które podlegają oddziaływaniom słabym i elektromagnetycznym, ale nie ulegają oddziaływaniom silnym. Jako fermiony maja spiny połówkowe. Do leptonów zaliczamy: elektron i jego antyczastkę nazywana pozytonem, miony i cząstki tau (dodatnie u ujemne) oraz neutrina wraz z antyneutrinami. Spośród leptonów jedynie elektron jest trwałym składnikiem materii.

MEZONY - są bozonami zbudowanymi z kwarka i antykwarka. Cząstki te występują w promieniowaniu kosmicznym. Mogą one być także wytwarzane w akceleratorach cząstek. Historycznie nazwa mezon dotyczyła cząstek o masie pośredniej (po grecku mesos - pośredni) między masą elektronu a masą protonu. Obecnie do mezonów zalicza się także wiele rezonansów o masach większych od masy protonu.

MIONY - są cząstkami elementarnymi należącymi do leptonów. Jako fermiony posiadają połówkowy spin. Posiadają one masę około 207 razy większą od masy elektronu. Są one obdarzone elementarnym ładunkiem elektrycznym (ujemnym albo dodatnim). Miony są to cząstki neitrwałe. Zostały one odkryte w 1936 roku w promieniowaniu kosmicznym przez C.D. Andersona i S.H. Nedenmeyera, przy czym początkowo błędnie uważano je za piony, czyli cząstki przenoszące oddziaływania jądrowe.

NEGATON - jest to trwała cząstka elementarna (lepton) będąca jednym z elementów atomu. Negaton nazywany elektronem (dla odróżnienia od dodatnio naładowanego pozytonu) ma elementarny ładunek ujemny.

NEUTRINO - cząstka elementarna pozbawiona ładunku elektrycznego o spinie połówkowym. Masa neutrino jest bardzo niewielka. Jest on zaliczany do leptonów. Wyróżnia się trzy rodzaje neutrin, które towarzyszą trzem naładowanym leptonom. Neutrino podlega jedynie oddziaływaniu słabemu. Istnienie tej cząstki przewidział w 1930 roku W. Pauli.

NEUTRON - cząstka znajdująca się w jądrze atomu. Liczba neutronów w atomie tego samego pierwiastka może być różna. Masa neutronu jest zbliżona do masy protonu, a więc jest większa od masy elektronu około 2 tysiące razy. Swobodny neutron nie jest cząstką długotrwałą. Jego średni czas życia to około 932 sekundy. Ma on spin połówkowy. Wiele lat uważano, ze jest on cząstką elementarna. Obecnie wiadomo, że składa się on z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Istnieje antycząstka neutronu, nazywana antyneutronem.

NUKLEONY - ogólna nazwa składników jądra atomowego, czyli dodatnio naładowanych protonów i elektrycznie obojętnych neutronów. Nukleony są zaliczane do barionów i jak wszystkie tego typu cząstki ulegają oddziaływaniom silnym, słabym i elektromagnetycznym. Masy protonu oraz neutronu są porównywalne. Nukleony maja swoje antycząstki. Zderzenia z nimi prowadzą do anihilacji.

POZYTON -jest antycząstką elektronu. Posiada on elementarny ładunek dodatni, a jego masa jest równa masie elektronu. Moment magnetyczny pozytonu jest przeciwny do momentu magnetycznego elektronu. Zderzenie elektronu i pozytonu powoduje anihilację, w wyniku której dochodzi do powstania fotonów. Pozytony zostały odkryte w 1932 roku przez C.D. Andersona. W 1936 roku naukowiec dostał za to odkrycie Nagrodę Nobla.

PROTON - to składnik jądra atomowego, który posiada ładunek dodatni. Proton oraz neutron są nazywane nukleonami. Proton ma ładunek równy ładunkowi elektronu, jednak o przeciwnym znaku. Wiele lat uważano go za cząstkę elementarną. Teraz wiemy, że jest złożony z trzech kwarków (jednego dolnego i dwóch górnych). Proton posiada spin połówkowy. Podobnie jak dla innych cząstek, istnieje antycząstka protonu. Liczbę protonów w jądrze atomowym określa liczba atomowa i jest to cecha charakterystyczna dla danego pierwiastka. Atomy tego samego pierwiastka występują w kilku odmianach zwanych izotopami. Wszystkie izotopy tego samego pierwiastka (np. wszystkie izotopy tlenu) mają identyczną liczbą protonów w jądrze, ale różnią się "dodatkiem" neutronów.

Na przykład izotop węgla 12C jest wzorcem masy; z kolei ten sam pierwiastek w odmianie 14C jest promieniotwórczy i służy naukowcom do określania wieku próbek. Izotopy tego samego pierwiastka nie różnią się (prawie, bo minimalne różnice się zdarzają) właściwościami chemicznymi i fizycznymi. Wyjątkiem od tej reguły jest jedna cecha - promieniotwórczość.

TACHIONY - są hipotetycznymi cząstkami, które poruszają się z prędkościami większymi niż prędkość światła w próżni. Nie jest znany dowód matematyczny zaprzeczający możliwości powstawania tych cząstek, chociaż istnienie takich cząstek w rzeczywistości naruszałoby zasadę przyczynowości.