Najmniejsze cegiełki materii

Emisja i pochłanianie mezonów przez nukleony tłumaczy istotę tzw. sił jądrowych wiążących nukleony w jądrze atomowym. Właśnie dla wytłumaczenia tych sił fizyk japoński Yukawa wprowadził pojęcie nowej hipotetycznej wówczas cząstki elementarnej, którą nazwał mezonem. Co więcej, na podstawie wartości sił jądrowych obliczył masę hipotetycznego mezonu (około 150 mas elektronowych), jego spin i przewidział nietrwałość tej cząstki. Jak wiemy, cząstkę taką później istotnie wykryto w promieniach kosmicznych. Był to jeden z najbardziej imponujących triumfów fizyki teoretycznej.

Przeglądu cząstek elementarnych materii nie możemy zakończyć na cząstkach ciężkich. Musimy jeszcze wspomnieć o cząstkach, że tak powiem, nadciężkich, bo i takie fizycy wykryli. Mianowicie wśród waritronów, wykrytych przez braci Alichanowów, występują między lżejszymi towarzyszami również waritrony o masie kilka, a nawet kilkanaście razy większej od masy nukleonu.

Ponieważ nukleony kwalifikujemy jako cząstki ciężkie, więc owe ciężkie waritrony mamy chyba prawo uznać za cząstki nadcięż-kie (czy ultraciężkie).

Znamy jeszcze inne cząstki cięższe od nukleonów, np. deuterony (czyli jądra deuteru, tj. ciężkiego wodoru), cząstki a (czyli jądra helu) itd. Nie możemy ich jednak zaliczyć do cząstek elementarnych, gdyż każda z nich składa się z kilku nukleonów (a więc cząstek elementarnych) np. pierwsza — z dwóch (proton + neutron), druga — z czterech (2 protony + 2 neutrony).

Stwierdzamy więc, że cząstki elementarne mogą wieść żywot samotniczy lub tworzyć całe kolektywy. Wolne cząstki elementarne spotykamy np. w promieniach kosmicznych (których badanie posiada m. i. z tego powodu tak doniosłe znaczenie dla poznania budowy materii). Częściej jednak materia, przynajmniej nasza ziemska, występuje w postaci zorganizowanych zespołów. Neutrony z protonami łączą się w jądra. Te otaczają się elektronami, tworząc atomy. Atomy z kolei łączą się w większe kolektywy zwane cząsteczkami (cząsteczki stanowią przedmiot badań chemicznych).

Zespoły, zależnie od doboru składników (ich ilości i stosunku), mogą być trwałe lub nietrwałe. Nietrwałe łatwo rozpadają się. W przypadku nietrwałych jąder występuje zjawisko promieniotwórczości. Z jąder wyrzucane są nukleony (pojedynczo lub grupami) albo cząstki lekkie rodzące się w akcie rozpadu jądra. W wyniku współdziałania cząstek elementarnych powstają również kwanty: fotony, grawitony i wreszcie mezony.

Życiem „społecznym“ cząstek elementarnych, tj. ich występowaniem w zespołach, rządzą swoiste prawa „socjologii“ jądrowej. Nasuwa się pytanie, czy owa „socjologia“ jądrowa nie przewiduje możliwości istnienia nowych, nieznanych jeszcze zespołów jądrowych.

Współczesna fizyka i chemia znają kilkaset rodzajów ugrupowań nukleonów (z uwzględnieniem poszczególnych izotopów), którym przypisujemy liczby porządkowe w układzie periodycznym od 1 do 96. Czy możliwe są pierwiastki chemiczne o liczbach porządkowych większych niż 96? Niewątpliwie tak.

Ale jeśli istnieją, to muszą być nietrwałe, a więc trudne do wykrycia.

Zupełnie natomiast dziwacznym wydaje się pytanie, czy mogą istnieć pierwiastki lżejsze od wodoru. Pytanie to, jak się jednak okazuje, nie jest wcale tak bardzo pozbawione sensu. Teoretycy przewidują np. możliwość tworzenia się z elektronów i pozytronów, obracających się wokół wspólnego środka ciężkości, nowego układu. Byłyby to atomy jakiegoś ultralekkiego pierwiastka (ultralekkiego izotopu wodoru). Nazwijmy go pozytroninem. Ba, nie koniec na tym. Fizycy mówią nawet o dwóch odmianach tego pierwiastka, zależnie od tego, czy spiny elektronu i pozytronu są jednakowo, czy przeciwnie zwrócone. Możliwe są również cząsteczki złożone z dwóch atomów pozytroninu.

Pozytronin musiałby jednak być izotopem niezmiernie nietrwałym, jako bowiem skłonny do wewnętrznej anihilacji łatwo dawałby dwa fotony. Według obliczeń fizyków średni okres życia para pozytroninu, tj. odmiany o spinach odwrotnie zwróconych, oowinien być rzędu 10 do pot. minus 10 sek. Odmiana orto czyli o spinach równoległych może żyć sto razy dłużej, co jednak również daje czas niezmiernie krótki.

Fizycy nie poprzestali na pozytroninie. Przewidują również istnienie układu złożonego z mezonu i elektronu (nazwijmy ten układ mezoninem) i układu złożonego z dwóch mezonów (nazwijmy go dwumezonem).

Wszystkie te hipotetyczne ultralekkie „izotopy“ powinny być bardzo nietrwałe. Okres ich życia leży na granicy dokładności współczesnych metod badawczych. A ponieważ metody te nieustannie doskonalą się, więc można oczekiwać w niedalekiej przyszłości doświadczalnego odkrycia tych „izotopów“.

Może już wkrótce powstanie nowa gałąź chemii jądrowej, poświęcona ultralekkim izotopom.