ČESTICE ELEMENTARNE (e. č.) jesu u fizici najsitnije, prema našemu mišljenju nesložene čestice. Kada je Dalton početkom 19. st. stao tumačiti kemijske pretvorbe spajanjem i rastavljanjem sićušnih čestica, držalo se, da su upravo te čestice one zadnje nedjeljive čestice atomističke nauke, pa im se prema tome dalo ime atomi (grč. ἄτομος »nedjeljiv«). Govorimo o atomu 1. vodikovu, 2. helijevu, 3. litijevu, .... 92. uranovu. Zarana se međutim počelo sumnjati o nedjeljivosti tih čestica, dok se nije najposlije u našem stoljeću jasno utvrdilo, da atomi fizičara i kemičara nisu jednostavni. Prema tomu kod tih čestica ime atom po svom jezičnom značenju nije u skladu s tom novom spoznajom; no ono se toliko uvriježilo, da nisu ni pokušali dirati u taj terminološki običaj, posvećen golemom predajom kemije. Riječ atom ne može dakle više služiti kao ime za čestice, koje danas smatramo prvotnima. Mi te čestice zovemo e. č.

Ovdje se iznosi pregled e. č., i to redom, kojim su one otkrivene. Za daljnje v. pojedinačne članke.

Već prije otkrićâ e. č. zaključilo se na osnovu pojava elektrolize, da postoji određena sitna »množina« elektriciteta, pozitivnog ili negativnog, od koje su sve druge množine mnogokratnici. Prema tomu, a u svezi s prvim krupnim računom broja atoma našao je Stoney 1874, da spomenuta množina elektriciteta iznosi kojih 10^-20 »ampera« (tadašnje ime jedinice kulon). U istinu je ona

e = 1∙60 × 10^-19 kulon = 4∙80 × 10^-10 el.-st. c-g-s-jed. To je najmanja množina elektriciteta, što je poznajemo.

Elektron je negativno električna e. č., u kojoj su nerazdruživo spojeni elektricitet množine e i tvar mase m₀=9∙10×10^-28 gram.

Ta je masa 1/1840 mase najlakšeg atoma, običnog atoma vodikova. Elektroni su prisutni posvuda. Svaki atom, koji kao cjelina nije električan, veže u okolišu svoje jezgre toliko elektrona, kolik je njegov redni broj u periodičkom sustavu elemenata. U katodnim i sličnim zrakama lete »slobodni« elektroni manjih ili većih brzina sve do blizu brzine

c=3∙00×10¹⁰ cm/sek (brzina svjetlosti u praznom prostoru), tako u rentgenskim cijevima i u cijevima radioaparata; pa i beta-zrake radioaktivnih tvari jesu elektronske zrake. Električna struja u bakrenoj žici jest strujanje elektrona.

Uz elektron povezana su mnoga otkrića osnovne važnosti. Tako se ispitivanjem osobito brzih beta-zraka potvrdilo, da masa čestice nije stalna veličina, nego da raste, kada raste brzina. To biva u skladu s teoretskom formulom

m=m₀ : √ 1 − v²/c²  gdje je m masa čestice, kada je brzina v, m₀ »masa u mirovanju« (v=0). Prema toj formuli brzina c za česticu je nedostiživa. Kako klasična (Newtonova) mehanika smatra masu konstantnom i ne zna ni za kakvu granicu brzina, ta mehanika kod velikih brzina prestaje vrijediti.

Drugo je osnovno otkriće, da elektronu treba pripisati valnu prirodu: u izvjesnim prilikama on se vlada, kao da s njim putuju valovi dužine λ = h : mv, gdje je v brzina elektrona,

h=6∙61 × 10^-27 erg sek (Planckova konstanta).

Bližu predodžbu o tom valovitom pojavu ne umijemo izgraditi. U ostalom, na njemu se osniva izum elektronskog nadmikroskopa.

Pojavi spektara upućuju, da se elektron u mehaničkom pogledu vlada, kako bi se vladala čestica, koja se vrti, i to sa sasvim određenim impulzom vrtnje. S obzirom na to govori se o elektronu zvrku, čime se ipak ne želi reći, da elektronu pripisujemo prostornu strukturu i zbiljsku vrtnju.

Možemo pomišljati, da je s elektronovim impulzom vrtnje povezano drugo svojstvo njegovo: da je magnetičan. Elektron je magnetić sa sasvim određenim sićušnim magnetskim momentom.

Kako za druge e. č. tako ni za elektron ne mislimo, da je od vijeka i vječan. Elektroni u beta-zrakama izlijeću iz atomskih jezgara, premda držimo, da u tim jezgrama nema elektrona. Da jezgra izbaci elektron, treba dakle da se elektron tekar stvori (→ neutron). O stvaranju elektrona iz fotona → pozitron.

Fotoni su svjetlosne čestice; oni lete kroz prostor brzinom svjetlosti. Pojam svjetlosti uzimlje se ovdje u najširem smislu, te obuhvata i rentgenske i gama-zrake. U 19. st. upoznala je fizika valnu prirodu svjetlosti; u 20. st. otkriveni su pojavi, koji nesumnjivo upućuju na svjetlosne čestice (korpuskule). Različnim vrstima svjetlosti pripadaju različiti fotoni, te je foton obilježen svojom energijom. Fotoni ljubičaste svjetlosti imaju veće energije negoli fotoni crvene svjetlosti, još su veće energije rentgenskih fotona. Energija je fotona naime jednaka h×v erg, gdje je v frekvencija svjetlosti (broj titraja u sekundi). Fotoni nisu sastojina tvari. Kada se svjetlost emitira, fotoni se tekar stvaraju, a kad neka tvar upija svjetlost, fotoni u tvari gube svoj bitak. Prema tvrđenju nove fizike, da je masa jednakovaljana s energijom i da je masa od 1 grama isto, što i energija c² erg, može se reći, da foton ima i masu, naime hν:c². To je masa u gibanju, pri brzini v = c. Iz zavisnosti mase o brzini slijedi, da bi fotonova masa mirovanja bila 0. Tim se foton bitno razlikuje od »tvarnih« e. č.

Proton je pozitivno električna e. č. s elektricitetom + e i masom 1∙67 × 10^-24 gram. On je jezgra najlakšega atoma, vodikova; zato mu je masa približno jednaka masi toga atoma, te iznosi u kemijskim jedinicama 1∙0076. Proton je istovjetan s običnim ionom vodikovim. Iz protona i neutrona izgrađuju se i sve druge atomske jezgre, te je broj protona u atomu ujedno i redni broj atomov. On daleko više negoli broj neutrona odlučuje o kemijskim i optičkim svojstvima atoma. Poput elektrona i proton se vlada kao zvrk, a i magnetičan je, tek je njegov magnetski momenat mnogo manji od elektronova.

Neutron je e. č., koja ima masu približno jednaku masi protonovoj, a za razliku od protona i elektrona nije električan. Od te električke neutralnosti dobio je neutron svoje ime. Njegova je masa 1∙0090 kemijskih jedinica, te je samo za 0∙0014 veća od protonove. Budući da nije električan, lakše prodire kroz tvari negoli elektron ili proton. Ako naime ne pogodi baš atomsku jezgru, prođe kroz atom nesmetano, jer atomski elektriciteti na nj ne djeluju. Broj neutrona u atomskoj jezgri ponešto je veći — uz nekoliko iznimaka — od broja protona. Slobodni neutroni, neutronske zrake, dobivaju se iz tih jezgara, ako ih iz njih tjeramo zgodnim udarcima. Tako na pr. kada se smiješa berilij i polonij, alfa-čestica, koju je izbacio atom polonijev, te je udarila u jezgru berilijevu, iz te jezgre izbije neutron.

Poradi neelektričnosti neutronove ne možemo neposredno motriti njegove putove (→ Wilsonova komora); međutim te putove dokučujemo posredno, po stazama električnih čestica, koje je neutron stavio u gibanje (v. sl.).

Pomišljamo, da se neutron može pretvoriti u proton. To biva u atomima tvari, koja je radioaktivna, te izašilje beta-zrake. Neelektrički neutron (elektricitet = 0) jezgre pretvori se u proton (elektr. = + e), koji u jezgri ostaje, i u elektron (elektr. = — e), koji kao beta-čestica iz jezgre izleti. Ta je pretvorba u skladu sa zakonom uzdržavanja elektriciteta [0=(+e)+(—e)]. Velika je uloga neutrona u istraživanjima o umjetnoj pretvorbi atoma. Budući da nije električan, atomske ga jezgre ne odbijaju, pa kada jezgru pogodi, može u nju lako i ući i pretvoriti je u jezgru novoga atoma. I neutron ima svojstvo zvrka, a i magnetičan je, što se nije očekivalo, jer nije električan.

Pozitron je srodan elektronu. Jedna i druga čestica imaju jednake mase (možda čak točno jednake), i dok je elektronov elektricitet — e, pozitronov je + e. Ta je e. č. otkrivena u visinskim zrakama, a malo kasnije umjetno su dobivene radioaktivne tvari, koje izbacuju pozitrone. Najposlije našlo se, da se pozitron zajedno s elektronom može stvoriti uništenjem jednog fotona. Nestaje foton, a rađaju se »dvojci«: elektron i pozitron. I ovdje iz elektriciteta 0 nastaju jednake množine pozitivnog i negativnog elektriciteta, što zajedno čini opet 0, u skladu sa zakonom uzdržavanja elektriciteta. I zakon energije kod te se »materijalizacije« fotona potvrđuje na zanimljiv način. Prema nauci jednakovaljanosti mase i energije računamo, da za stvaranje mirnoga elektrona (masa m₀ gram) treba utrošiti energiju m₀c² erg. Isto tolika energija treba, da nastane mirni pozitron. Za oboje treba dakle foton, kojemu je energija hv = 2m₀ c² erg. Frekvencija je toga fotona 248 × 10¹⁸ titraja u sek, što je ½ milijuna puta više od frekvencije žute svjetlosti; to su fotoni gama-zraka. Od fotona manje frekvencije ne mogu nastati dvojci, a kada se foton frekvencije veće od v materijalizira, onda na račun njegova viška energije obje stvorene čestice dobivaju brzine (kinetičke energije). Mjerenja toliko dobro potvrđuju teoretski račun, da ih smatramo odličnom neposrednom potvrdom nauke o jednakovaljanosti.

Mezotroni jesu e. č. s elektricitetom + e ili —e i masom, koja je veća od elektronove, a manja od protonove. Poradi te »srednje« vrijednosti mase čestice dobile su svoje ime (grč. μέσος »srednji«). U ostalom, ta masa nije dobro poznata. Ona je jednaka kojih 150 elektronovih masa. Za mezotrone znamo samo u visinskim zrakama i držimo, da nastaju pod utjecajem kozmičkih zraka u atomima gornjih slojeva naše atmosfere. Silno su prodirni. Značajno je za te e. č., da su radioaktivne, te je srednje trajanje života mezotronova možda ½ milijuntine sekunde. Mezotronova je radioaktivnost u tom, da se mezotron raspadom uništi i da od negativnoga mezotrona nastaje elektron, od pozitivnoga pozitron. Druga čestica, koja tim raspadom nastaje, bila bi hipotetični neutrino.

Sve u svemu, današnje znanje obuhvata šest tvarnih e. č., od kojih po dvije imadu približno ili točno (?) jednake mase. Onima od njih, koje su električne, pripisujemo jednake elektricitete, + e ili — e. Obje najteže jesu pozitivni proton i neelektrički neutron; neke srednje mase imaju pozitivni i negativni mezotron, a najmanje su mase negativnog elektrona i pozitivnog pozitrona. Udara u oči nesimetrija svojstava protonovih i neutronovih; ona nam daje misliti na česticu jednake mase i negativno električnu, no takve čestice ne poznajemo. Oba mezotrona upućuju na česticu jednake mase, koja bi bila neelektrična; ni taj neutralni mezotron nije poznat. Konačno ne poznajemo neutralne čestice, kojoj bi masa bila jednaka elektronovoj i pozitronovoj.

Simetrija svojstava elektrona i pozitrona nameće pitanje, kako to, da se s pozitronom samo rjeđe susrećemo, dok nas elektroni posvuda prate. Ima ih, koji drže, da je to slučajan pojav, značajan za zvijezdu, na kojoj živimo. Kada se pozitron stvori, naskoro u svom lijetu naiđe na elektron, pa se oni srazom unište. Za elektron ne postoji takva obilna prilika nestajanja. Drukčije bi bilo u svijetu, u kojemu bi atomske jezgre bile negativne (ako je to po prirodnim zakonima moguće), te bi oko njih kružili pozitroni, a ne elektroni. U takvoj bi »kontraterenoj« (protuzemaljskoj) tvari elektroni bili neobičniji pojav, kako su to u nas pozitroni.

Neutrino je hipotetična e. č., koja nije električna, a masa joj je mnogo manja od elektronove. Da ima takvih čestica, na to upućuju pojavi beta-radioaktivnosti. Elektron, izbačen iz atoma neke radioaktivne tvari, može imati različite energije (brzine) počevši od neke najveće pa na niže. No kako treba za različite atome iste tvari pomišljati, da im se emisijom elektrona energija jednako smanji, nije jasno, kako izbačeni elektroni mogu imati različite energije, a ne samo uvijek onoliku, koliko iznosi smanjenje energije atomove. I kada bi elektron bio jedina čestica, koja izleti iz atoma, bio bi povrijeđen zakon energije. Međutim, ako pretpostavimo, da emisiju elektrona prati emisija hipotetičnog, nama neprimjetljivog neutrina, i pomišljamo, da se energija izgubljena od atoma u pojedinim primjerima različito razdijeli među elektron i neutrino, zakon energije nije više povrijeđen.

Nije samo pouzdanje u zakon energije, koje nas vodi na neutrino. Prema onome, što znamo o impulzu vrtnje atoma i elektrona, emisija samoga elektrona ne bi bila u skladu sa zakonom stalnosti impulza vrtnje. Ako uvedemo neutrino i damo mu primjereni impulz vrtnje, nestaje i ta teškoća.

Neutrino ne može biti električan, jer je i bez njega bilanca elektriciteta kod beta-radioaktivnosti u redu. Ta neelektričnost i onda sićušnost neutrinove mase čine nevjerojatnim, da bi se ta čestica mogla otkriti. Poletjevši iz radioaktivnoga atoma silnom prodirnošću vjerojatno prevali dug put ne ostavljajući nikakva traga.St. H.