亞原子粒子與原子的組成元素

亞原子粒子 (subatomic particle)

亞原子粒子(subatomic particle)是指比原子更小的粒子。亞原子粒子中有些是由更小單位的組成粒子構成的複合粒子，也有被認為不能再分解的基本粒子。 在原子核工程中，特別重視以下基本粒子：

• 強子(hadron)
  • 重子(baryon)
    • 核子(nucleon)
      • 質子(proton)
      • 中子(neutron)
• 輕子(lepton)
  • 電子(electron)
  • 正電子(positron)
  • 中微子(neutrino)

「輕子(lepton)」這個名稱源自希臘語「λεπτός」，意為小而薄。命名當時是因為相較於其他類型的基本粒子，它的質量較小，但在人類紀年 11970年代發現的陶子(tauon)雖然是輕子，但質量卻接近質子、中子的1.9倍，所以實際上並非所有輕子都是輕的。

電子(electron) & 正電子(positron)

• 靜止質量：$m_e = 9.10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• 電荷量：$e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

電子有帶負電荷的$e^-$(負電子, negatron)和帶正電荷的$e^+$(正電子, positron)兩種，這兩者除了電荷的正負不同外，其他特性都相同。通常不特別說明時，電子指的是負電子。

在特定條件下，當正電子與負電子相撞時，這兩個電子會湮滅並釋放出兩個光子。這個過程稱為電子湮滅(electron annihilation)，而產生的光子稱為湮滅輻射(annihilation radiation)。

圖片來源

• 作者：Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• 授權：GFDLv1.2

質子(proton)

• 靜止質量：$m_p = 1.6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 電荷量：+ $e = 1.60219 \times 10^{-19} \text{C}$

帶有與電子相同大小但正電荷的粒子。

中子(neutron)

• 靜止質量：$m_n = 1.674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• 電荷量：$0$

質量略大於質子，電性中性。在原子核外不穩定，會釋放電子和電子反中微子而衰變成質子，這個過程平均需要約12分鐘。

中微子(neutrino)

• 靜止質量：非常小（確切值未知）
• 電荷：$0$

原本被認為靜止質量為0，但在11998年，日本超級神岡探測器研究團隊證實它具有極小但非零的質量。中微子有多種類型，在核反應中主要考慮電子中微子(electron neutrino)和電子反中微子(electron anti-neutrino)，通常不區分這兩者而視為同一種類。

原子和原子核的結構

\[^A_Z X \ (\text{A: 質量數, Z: 原子序數, X: 元素符號})\]

• 原子由電子雲和位於中心的原子核組成
• 未電離的中性原子有與質子數量相同的電子圍繞原子核旋轉
• 電子決定原子的化學特性和元素種類
• 原子核由核子（質子和中子）組成，核子間通過強核力(Nuclear Force)克服電荷排斥而結合
• 原子序數(atomic number)：原子核中質子的數量，用$Z$表示
• 原子核的總電荷：+$Ze$
• 中子數(neutron number)：原子核中中子的數量，用$N$表示
• 質量數(atomic mass number)或核子數(nucleon number)：原子核中質子數和中子數的總和。$A=Z+N.$
• 核素(nuclide)：具有特定質子數和中子數的原子核

同位素(isotope)、同質異位素(isobar)、同中子素(isotone)、同質異能素(isomer)

類型	定義
同位素(isotope)	原子序數相同但中子數不同的核素
同質異位素(isobar)	質量數相同但質子數和中子數不同的核素
同中子素(isotone)	中子數相同但原子序數不同的核素
同質異能素(isomer)	相同核素但因一個或多個核子處於激發態(excitation)而呈準穩定狀態的原子核