Przełom wieku XIX i XX to dla fizyki czasy w których nastąpiło wiele zmian. W powszechnym przekonaniu uważa się że był to okres w którym nastąpiło przejście od fizyki klasycznej do fizyki kwantowej.

Należy jednak pamiętać że mimo tego iż w latach 1895 – 1905 dokonano wielu milowych kroków na gruncie doświadczalnym i teoretycznym proces krystalizowania się nowych koncepcji w fizyce nie następował bez przeszkód, pomyłek i fałszywych teorii. Co więcej samo środowisko fizyków uważało pod koniec XIX wieku że fizyka jako nauka jest kompletną i pozostało jedynie niewiele obszarów wymagających rozstrzygnięcia, uzupełnienia i dopracowania.

W niniejszym rozdziale zajmiemy się przypomnieniem historii związanej stricte z opisem budowy atomu, należy jednak przy tym pamiętać że czasy w których następował znaczny postęp w poszerzaniu wiedzy o mikroświecie, charakteryzowały się o wiele obszerniejszym spektrum badań, które nawzajem się przenikały i uzupełniały, wspominając tu choćby o badaniach promieniotwórczości, które były zasadniczo główną przyczyną i motorem zgłębiania tajemnic atomu.

Co więcej spory, teorie oraz doświadczenia prowadzone od tamtej pory cały czas odkrywają przed nami kolejne tajemnice, i choć dziś wiemy znacznie więcej niż przed stu laty pozostaje jeszcze wiele zagadek materii do odkrycia.

a. Odkrycie elektronu i model Thomsona budowy atomu

Joseph John Thomson 1856-1940

Model Thomsona powstał przede wszystkim po to aby wyjaśnić w jaki sposób wprowadzenie w strukturę atomu cząstek naładowanych elektrycznie nie wpływa na jego stabilność. Rzecz poprzedziły jednak badania wielu fizyków, a w szczególności J. J. Thomsona, nad zjawiskiem zakrzywienia promieni katodowych co w rezultacie przyniosło odkrycie elektronu.

Postulat istnienia cząstek naładowanych ujemnie wysuwany był przed podjęciem badań nad problemem przez Thomsona.
Zaczęło się od tego gdy to Michael Faraday badając zjawisko elektrolizy odkrył, że masa substancji wydzielanej w jej trakcie jest proporcjonalna do ilości ładunku elektrycznego przenoszonego między elektrodami. To pozwoliło postawić tezę o istnieniu elementarnych porcji elektryczności.

Samą nazwę – elektron, wymyślił George Stoney gdy w 1874 r. podjął próbę oszacowania wartości ładunku elementarnego. Jego ustalenia były około 20 krotnie mniejsze od obecnie przyjmowanych.

Kolejnymi osobami, które postulowały istnienie elektronu oraz zajmowały się weryfikacją doświadczalną teorii istnienia elementarnych porcji elektryczności byli Hendrik Lorentz, Cromwell Varley, Emil Wiechert czy Walter Kufmann.

Droga ku precyzyjnemu określeniu czym jest elektron rysuje zatem chronologicznie m.in.  próba wyjaśnienia zjawiska rozszczepiania linii widmowych w polu magnetycznym które zaobserwował Peter Zeeman, podjęta przez Lorentza. Zeeman próbując zweryfikować model Lorentza, stosując go do swych obserwacji, otrzymał wynik, który skłonił go do sformułowania tezy, iż „jony” Lorentza są czymś innym niż jony elektrolityczne, w związku z czym zaniechał drążenia tematu. Należy wspomnieć, że w 1902 roku Zeeman i Lorentz za odkrycie i opis zjawiska dziś znanego jako zjawisko Zeemana, otrzymali nagrodę Nobla.

W dalszym biegu historii Varley wypowiedział po raz pierwszy hipotezę, na podstawie obserwacji kierunku odchylenia toru promieni katodowych, że są to drobne, ujemnie naładowane cząstki materii.

Wichert jako jeden z nielicznych fizyków niemieckich wśród, których panowało powszechne przekonanie że promienie katodowe to nic innego jak rodzaj światła uważał, że są to naładowane cząstki. Na podstawie założeń Stoneya i odchyleń promieni katodowych w polu magnetycznym, wyznaczył on stosunek ładunku postulowanych cząstek do masy. W swoich opracowaniach doszedł do wniosku, że masa takich cząstek musi być od 2000 do 4000 razy mniejsza od masy atomu wodoru, w związku z czym nie mogą być one znanymi z chemii atomami.

Podobne badania zależność e/m prowadził Kaufman. W swoich założeniach uznał że gdyby przyjąć najprostszą interpretacje tj. gdyby cząstki te miały być podobne do jonów otrzymywanych podczas elektrolizy to stosunek e/m powinien być zależny od rodzaju resztek gazu w rurze oraz tego samego rzędu co stosunek e/m dla jonu wodorowego. Tymczasem pomiary pokazały że stosunek ten jest stały i około 1000 razy większy niż w przypadku jonów wodorowych.

Promieniami katodowymi zainteresował się również Joseph John Thomson. Jak pokazano wyżej nie był on jedynym, którego pole zainteresowań kierunkowało się w te obszary. To co odróżniało Thomsona od innych to konsekwencja, determinacja oraz systematyczność badań.

Thomson w swej pracy przeprowadził szereg doświadczeń m.in. pomiar ładunku elektrycznego niesionego przez promienie katodowe, pomiar odchylenia promieni katodowych w polu elektrycznym, pomiar odchylenia magnetycznego promieni katodowych w różnych gazach, wyznaczenie prędkości promieni katodowych.

Źródło: http://adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/Budowa_jadra.pdf

Na tej podstawie Thomson wysunął następujące wnioski:
Z tych wyznaczeń widzimy, że wielkość m/e nie zależy od natury gazu i że jej wartość 10^-7 jest bardzo mała w porównaniu z wartością 10^-4, która jest najmniejszą wartością dotychczas znaną dla jonu wodorowego przy elektrolizie… Mała wartość m/e może wynikać albo z małej wartości m, albo z dużej wartości e, albo z kombinacji obu tych wartości…

Wyjaśnienie które wydaje mi się zdawać z faktów najprościej i najbardziej bezpośrednio, jest oparte na poglądzie budowy pierwiastków chemicznych, który przychylnie przyjęło wielu chemików; pogląd ten polega na przyjęciu, że atomy różnych pierwiastków chemicznych są różnorodnymi skupiskami atomów tego samego rodzaju. W postaci, w której tę hipotezę wypowiedział Prout, atomy różnych pierwiastków byłyby atomami wodoru. W tej formie hipoteza nie da się utrzymać, ale jeśli zastąpimy wodór jakąś nieznaną materią pierwotną X, to nie ma faktów niezgodnych z tą hipotezą. Hipotezę tę ostatnio podtrzymywał Sir Norman Lockyer ze względu na wyniki badań widm gwiazd.

Gdyby w bardzo silnym polu elektrycznym w sąsiedztwie katody cząsteczki gazu ulegały dysocjacji i rozszczepiały się nie na zwykłe atomy, lecz na te atomy pierwotne, które dla krótkości będziemy nazywali korpuskułami, i gdyby te korpuskuły były naładowane elektrycznością i wyrzucane z katody przez pole elektryczne, to zachowywałyby się dokładnie tak, jak promienie katodowe. Dawałyby one oczywiście wartość m/e niezależną od natury gazu i ciśnienia, gdyż cząstki niosące ładunek byłyby niezależne od gazu. Dalej, średnie drogi swobodne tych korpuskuł zależałyby tylko od gęstości ośrodka, który przebywają… Na podstawie znakomitych pomiarów Lenarda pochłaniania promieni katodowych przez różne ośrodki, można sądzić, że taka musi być właściwość nośnika ładunku w tych promieniach…

Tak więc, według tego poglądu, w promieniach katodowych mamy materię w nowym stanie, w którym podział materii nastąpił znacznie dalej niż w zwykłym stanie gazowym, w stanie, w którym wszelka materia, to jest materia pochodząca z różnych źródeł, jak wodór, tlen itp., jest jednego i tego samego rodzaju. Ta materia jest substancją, z której są zbudowane wszystkie pierwiastki chemiczne…

Przy użyciu przyrządów zwykłej wielkości ilość materii wytworzonej wskutek dysocjacji na katodzie jest tak mała, że niemal wyklucza możliwość jakiegokolwiek badania chemicznego jej właściwości. Tak więc cewka, której używałem, działając nieprzerwanie dzień i noc przez rok, wytworzyłaby zaledwie około jednej trzymilionowej części grama tej substancji…[1]

Jak widzimy samo odkrycie elektronu to jedynie wstęp do dalszych odkryć, dalszych zagadek i dywagacji, którym musieli podołać fizycy.

Sam fakt istnienia wewnątrz atomu cząstek naładowanych ujemnie sprawiał problem – jak obojętne elektrycznie atomy zachowują stabilność? Już wtedy wiedziano, że ładunek elektryczny poruszający się po krzywej promieniuje, a co za tym idzie traci energię, w związku z czym atom w którego wnętrzu miałyby się poruszać elektrony musiałby być nietrwały, co było tezą absurdalną.

Co więcej przez kilka kolejnych lat nie wszyscy byli gotowi zgodzić się z Thomsonem co do istnienia cząstek mniejszych od atomu. Dopiero po latach uznano, że to właśnie Thomson wniósł największy wkład w badania nad ujemnymi cząstkami elementarnymi i określono go jako odkrywcę elektronu.

Wracając do problemu struktury atomu – w czasie gdy powstała teoria Thomsona obowiązującym modelem budowy atomu był model wirowy opierający się na koncepcji wirów w eterze. Thomson i tu wysnuł swą odrębną, konkretną hipotezę mającą na celu uwzględnienie jego wniosków dotyczących istnienia elektronów.

Swoją hipotezę budowy atomu oparł o doświadczenie z pływającymi magnesami Alfreda Mayera. Chodziło w nim o to, że pływające magnesy układały się w równowadze pod wpływem sił wzajemnie odpychających i centralnej siły przyciągającej bieguna dużego magnesu umieszczonego nad nimi. 

W 1902 r Kelvin zasugerował, że być może elektrony tworzą grupy wewnątrz chmury ładunku dodatniego. W 1904 r. Thomson podjął się badania ilościowego tej koncepcji, która z czasem uzyskała nazwę „modelu ciasta z rodzynkami”.

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Model_atomu_Thomsona

 Badania Thomsona miały m.in. na celu wyznaczenie ilości korpuskuł w atomie oraz zależności tejże ilości od rodzaju pierwiastka. Wyniki swe oparł na danych o rozproszeniu promieniowania różnego typu. Zakładając zgodnie z teorią Mayera, że elektrony tworzą wewnętrzne pierścienie w atomie i poruszając się po takich pierścieniach promieniują słabiej niż pojedyncze ładunki wnioskował, że ma to związek z periodycznością właściwości atomów ustaloną przez Mendelejewa. Zakładał na tej podstawie, że m.in. od okresowości właściwości chemicznych zależy liczba elektronów na najbardziej wewnętrznym pierścieniu atomu (co jak wiemy dziś jest błędne gdyż okresowość ma związek z ilością elektronów na zewnętrznej powłoce atomu). Thomson budując swój model zakładał również, że zewnętrzne warstwy korpuskuł rozpraszają światło widzialne, natomiast promienie X i β wnikają bardziej w strukturę atomu. Wszystkie te wnioski i założenia doprowadziły Thomsona na podstawie otrzymywanych wyników doświadczeń do stwierdzenia, że liczba elektronów w atomie jest tego samego rzędu co jego liczba atomowa.

Model atomu nazywany potocznie modelem „ciastka z rodzynkami” był przez kolejne lata rozwijany, zarówno przez samego Thomsona jak i innych badaczy. Dopiero po pewnym czasie, gdy ugruntowanie w doświadczeniu zyskały inne modele, model ten przestał być obowiązującym.

Przy okazji rozważań na temat elementarnego ładunku ujemnego oraz opartego na jego odkryciu modelu atomu warto wspomnieć o pierwszej osobie, która wyznaczyła wartość ładunku elektronu. Był nim amerykański fizyk Robert Millikan.

Millikan opracował metodę obserwacji drobnych kropel oliwy spadających pod wpływem siły ciężkości w polu elektrycznym między okładkami kondensatora. Eksperyment ten pozwolił mu sformułować tezę, że wszystkie obserwowane ładunki elektryczne są wielokrotnością ładunku elementarnego. W toku swoich badań ustalił, iż ładunek ten ma wartość 4,65*10^-10 jednostek elektrostatycznych.

b. Odkrycie jądra atomowego i model Rutherforda budowy atomu

Ernest Rutherford 1871 – 1937

Przełom w poglądzie na budowę materii przyniósł w roku 1909 eksperyment Hansa Geigera i Ernesta Marsdena. Obaj byli współpracownikami Ernesta Rutherforda, który kierował katedrą fizyki na uniwersytecie w Manchesterze.

Johannes W. Geiger 1882 – 1945

Ernest Marsden 1889 – 1970

Zadaniem przydzielonym młodym fizykom było badanie rozproszenia cząstek α w cienkich foliach metalowych. Jak wspomina sam Rutherford:
„Pewnego dnia przyszedł do mnie Geiger i powiedział: Czy nie sądzi pan, że młody Marsden, którego uczę promieniotwórczości, powinien zacząć jakieś samodzielne badania? Też tak sądziłem, więc odrzekłem: Może pozwólmy mu sprawdzić czy jakieś cząstki alfa mogą ulegać rozproszeniu pod dużym kątem? Wyniki okazały się zupełnie niespodziewane.”[2]

Wspomniana na wstępie publikacja Geigera i Marsdena z 1909 roku przyniosła jak powiedział Rutherford niespodziewane wyniki. Opisując później swoje zdziwienie Rutherford miał powiedzieć:
Było to równie nieprawdopodobne jak odbicie się piętnastocentymetrowego pocisku od kawałka papierowej bibułki i jego powrót do lufy…[3]

Rysunek z pracy The Laws of Deflexion of a Particles through Large Angles Geigera i Marsdena prezentujący schemat przyrządu za pomocą, którego badali oni rozproszenie cząstek α na cienkich foliach metalowych. Cząstki α ze źródła R rozpraszane na foli F padały na ekran S, gdzie wywoływały scyntylacje obserwowane przez lunete M

Eksperyment Geigera – Marsdena polegał na bombardowaniu cienkiej foli złota (0,00004 cm) cząstkami α pochodzącymi ze źródła ²¹⁴Po. Po rozproszeniu na folii, cząstki były obserwowane za pomocą ruchomego mikroskopu z soczewką pokrytą ZnS. Siarczek cynku w momencie gdy pada na niego cząstka powoduje scyntylacje. W ten sposób można było badać kąty rozproszenia cząstek α.

Uzyskane wyniki pokazywały że rozproszenie pod kątem większym niż 90˚ było bardzo rzadkie i zdarzało się raz na około 20 tys. rozproszeń. Najbardziej prawdopodobnym kątem rozproszenia było 0,87˚. Fakt istnienia rozproszeń pod dużymi kątami, choć rzadkich, był właśnie tym co zadziwiło eksperymentatorów i samego Rutherforda najbardziej. Zgodnie bowiem z modelem Thomsona wewnątrz atomu cząstka α nie powinna napotykać znacznego ładunku, który mógłby się przyczynić do takiego rozproszenia.

Na tej podstawie Rutherford rozpoczął prace nad teoretycznym zinterpretowaniem otrzymanych wyników. Wywnioskował on iż rozproszenie pod dużymi kątami może następować gdy na cząstkę α działa duża siła, której źródłem musi być ładunek o dużej wielkości. Co więcej otrzymywane wyniki skłoniły go do wysunięcia tezy że ładunek ten musi być skoncentrowany punktowo wewnątrz atomu.

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Model_atomu_Rutherforda

W modelu Thomsona pole elektryczne wewnątrz atomu, jak zauważono powyżej, jest słabe i wynika z równomiernego rozłożenia w jego wnętrzu kompensujących się ładunków, dlatego tor cząstki α powinien ulegać zakrzywieniu w niewielkim stopniu gdyż wewnątrz atomu odpychanie jest zależne liniowo od odległości cząstki α od jego centrum, natomiast na zewnątrz, poza atomem cząstka α jest odpychana od atomu zgodnie z prawem Coulomba.

Rutherford założył w swym modelu, że odpychanie to następuje nie na zewnątrz atomu a w jego wnętrzu, a odpowiada za nie właśnie punktowo zgromadzony ładunek w centrum atomu.

Opisem teoretycznym tego jak Rutheford wyznaczył wielkość tego centrum, czyli jądra atomowego zajmiemy się w dalszej części pracy. Tu należy wspomnieć jedynie, że wyznaczona wartość wielkości jądra atomu została wkrótce potwierdzona w kolejnym, żmudnym eksperymencie Geigera i Marsdena.

c. Model atomu Bohra

Niels Bohr 1885 – 1962

Opisując ewolucje poglądów na budowę atomu nie sposób zatrzymać się tylko na modelu zaproponowanym przez Rutherforda. Model ów bowiem sprawił nie lada problem, z którym podobnie na początku borykał się model Thomsona – jeżeli założyć, że elektrony poruszają się wewnątrz atomu, a dokładnie w przypadku modelu Rutherforda wokół jądra, to musiałyby one zgodnie z klasyczną mechaniką wypromieniowywać energię w postaci fali elektromagnetycznej, to natomiast prowadziłoby do tego, że elektron zamiast poruszać się „na orbicie” wokół jądra, poruszałby się po spirali i „spadał” na to jądro.

Co więcej w takiej interpretacji widmo promieniowania atomu powinno być widmem ciągłym a nie jak pokazywały eksperymenty widmem dyskretnym.

Czoła temu problemowi postanowił stawić Niels Bohr. Tworząc swój model budowy atomu Bohr zainspirowany został dwoma pracami: artykułem Johna Nicholsona z 1911 r. w którym ów sugerował, iż linie widmowe powiązane są z możliwością występowania jedynie dyskretnych zmian pędów atomu oraz pracą Balmera i jego empirycznym wzorem na długości fal linii widmowych wodoru.

 

W roku 1913 Bohr zaproponował model budowy atomu wodoru. Model ten pokonuje trudności związane ze stabilnością atomu tkwiące w modelu Rutherforda oraz daje poprawną interpretację widma wodoru. Model ten opiera się na trzech postulatach:

 

1. 1.    Elektron w atomie porusza się po kołowej orbicie dookoła jądra, a energia elektronu jest w tym ruchu stała, tzn. elektron nie wypromieniowuje fali elektromagnetycznej.
2. 2.    Dozwolone są tylko pewne orbity – takie, dla których orbitalny moment pędu elektronu jest równy całkowitej wielokrotności stałej Plancka podzielonej przez 2π.
3. Wypromieniowanie (lub pochłanianie) kwantu energii następuje wtedy, gdy elektron przeskakuje z jednej dozwolonej orbity na drugą. Częstotliwość wyemitowanego (lub pochłoniętego) promieniowania określona jest wtedy wzorem ΔE = hν gdzie  Δe jest różnicą energii elektronu w obu stanach.[4]

 

Postulaty Bohra wprowadzały jedno zasadnicze novum w świecie fizyki – zakładały one, że zasady fizyki klasycznej w mikroświecie nie obowiązują. Wielu ówczesnych fizyków podchodziło do tego bardzo sceptycznie. Dziś model Bohra uważany jest za początek kwantowej teorii atomu.

Odrzucenie klasycznej fizyki, założenie, że elektrony na orbitach wokół jądra nie wypromieniowują energii a dozwolone orbity to tylko takie, na których możliwe dla elektronu są tylko kwantowe momenty pędu wyrażone jako nh/2π, pozwoliło rozstrzygnąć zagadkę dyskretnego widma atomowego.
Oprócz opisanej przez Balmera serii widmowej, otrzymano dla wodoru kilka innych serii, które swoje nazwy otrzymały na cześć swych odkrywców (tj. serie: Lymana, Paschena, Bracketta, Pfunda). Na podstawie wszystkich serii wyprowadzić można ogólny wzór:

gdzie R_H = 10 972 000 m^-1 to stała Rydberga dla wodoru.

Widmo atomu wodoru – przedstawienie graficzne serii widmowych. Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Serie_widmowe_wodoru

W modelu Bohra serie widmowe opisują przejścia elektronu na postulowanych poziomach energetycznych.

Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_theory

Elektron, zwykle przebywający w stanie podstawowym (liczba kwantowa n = 1) może otrzymać pewną porcję energii, która pozwala mu przejść na jeden ze stanów o n>1. Z pomiarów doświadczalnych wynika, w przypadku atomu wodoru, że stan jonizacji tzn. przejścia elektronu ze stanu n=1 i oderwania elektronu od atomu osiągnąć można przy energii nie mniejszej niż 13,6 eV. Ponieważ stan wzbudzony nie jest stanem trwałym elektron wraca do stanu podstawowego bezpośrednio, bądź przez stany pośrednie. Wtedy też następuje emisja fotonu obserwowana jako linie widmowe.

Linie spektralne atomu wodoru z zaznaczonymi poziomami energetycznymi

Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Serie_widmowe_wodoru

Teoria Bohra, której podstawą był m.in. postulat o skwantowaniu energii elektronu w atomie zyskała wkrótce potwierdzenie w eksperymencie, który przeprowadzili James Franck i Gustav Hertz (bratanek odkrywcy fal elektromagnetycznych Heinricha Hertza).

W skrócie, eksperyment polegał na badaniu zależności prądu anodowego w funkcji napięcia przyśpieszającego. W bańce szklanej wypełnionej parami rtęci znajdowały się elektrody: katoda i anoda oraz siatka. Elektrony wysyłane przez katodę były przyśpieszane napięciem między katodą a anodą. Okazało się, że w wyniku uzyskiwany jest szereg ostrych maksimów odległych od siebie o 4,9 V.

Źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Franck-Hertz_experiment

Co do interpretacji, przez kilka lat panował spór pomiędzy Bohrem a autorami eksperymentu, którzy twierdzili że energia 4,9 V to energia potrzebna do oderwania elektronu od atomu. W ostateczności Franck i Hertz przyznali Bohrowi racje i dziś wiemy, że rzecz polega na tym że póki energia przyśpieszająca elektrony jest mniejsza od 4,9 V, następują zderzenia sprężyste między elektronami a atomami rtęci; gdy elektron osiąga energię 4,9 V następują zderzenia niesprężyste w których energia ta przekazywana jest atomowi rtęci a elektron wewnątrz atomu przechodzi na stan wzbudzony. Swobodne elektrony nie docierają już do anody, wychwytywane są na siatce, i obserwujemy spadek prądu anodowego. Dalsze maksima wynikają z faktu że elektron posiadający energię będącą całkowitą wielokrotnością 4,9 V może zderzyć się wielokrotnie z kolejnymi atomami rtęci. W ostateczności eksperyment pokazuje że energia 4,9 V to energia potrzebna do przejścia elektronu w atomie rtęci z stanu podstawowego na pierwszy stan wzbudzony. Dalsze eksperymenty potwierdziły ten fakt między innymi poprzez zaobserwowanie emisji fal widmowych towarzyszących powrotowi elektronu ze stanu wzbudzonego na stan podstawowy.

Model Bohra, choć stanowiący ogromny krok w rozumieniu natury atomu, był jednak pełen wad. Przede wszystkim jego opis ograniczał się do atomów jednoelektronowych takich jak wodór czy zjonizowany hel. Model mieszał ponadto bez żadnych konkretnych podstaw i ogólniejszych zasad teorie klasyczną z kwantową. Na jego gruncie nie można uzyskać żadnych konkretnych wyników zgodnych z obserwacjami dla atomów wieloelektronowych oraz wyprowadzić konkretnej teorii powstawania wiązań chemicznych. Co więcej model wyjaśnia jedynie położenie (długości fal) linii widmowych nic nie wspominając o ich natężeniu.

Mimo to koncepcja atomu Bohra jest uważana za bardzo ważny krok w ewolucji poglądów na budowę atomu i stanowi pierwsze istotne przybliżenie do współczesnego, kwantowego opisu mikroświata.

d. Model standardowy

Na koniec tego krótkiego opisu ewolucji poglądów na budowę materii należy wspomnieć o współczesnym podejściu reprezentowanym przez model standardowy.

Model Bohra jak wspomniano powyżej, zapoczątkował kwantowy opis mikroświata. Opis ten przez kolejne lata dwudziestego wieku rozwijał się w wielu płaszczyznach a zrelacjonowanie tej historii zajęłoby wiele stron. Dlatego też ograniczymy się do pobieżnego zaprezentowania współczesnego podejścia do materii.

Model standardowy jest to zbiór teorii obejmujący wiedzę na temat cząstek elementarnych oraz oddziaływań między nimi.

W ogólności model standardowy przyjmuje podział na cząstki będące nośnikami materii czyli fermiony oraz cząstki będące nośnikami oddziaływań czyli bozony. Zasadniczo  podział na fermiony i bozony polega tylko na rozróżnieniu cząstek pod względem przyjmowanych wartości spinów: fermiony są cząstkami o spinach połówkowych, bozony o spinach całkowitych.

Fermiony dzielimy dalej na leptony i kwarki. Podział ten uwzględnia oddziaływania jakim podlegają cząstki.

Źródło: http://oderon.fuw.edu.pl/~beksa/

Z kwarków zbudowane są hadrony. Hadrony są cząstkami o ładunku całkowitym i dzielą się na bariony mające spin połówkowy (będące fermionami) oraz mezony mające spin całkowity (będące bozonami). Bariony składają się z trzech kwarków a mezony z dwóch.

Oddziaływania między cząstkami jakie występują w przyrodzie dzielimy na cztery typy: grawitacyjne (model standardowy tych oddziaływań nie opisuje), słabe, elektromagnetyczne i silne. Jak wymieniono wcześniej nośnikami oddziaływań w modelu standardowym są bozony.

Źródło: http://oderon.fuw.edu.pl/~beksa/

Na podstawie modelu standardowego obraz atomu w dniu dzisiejszym przedstawia się następująco:

Źródło: http://www.cpepweb.org/

Wszystkie cząstki składające się na atom podlegają zasadą mechaniki kwantowej. Jądro tworzą nukleony czyli protony i neutrony. Nukleony są hadronami, a konkretnie barionami i zbudowane są z trzech kwarków. W oddziaływaniach między kwarkami uczestniczą gluony czyli bozony będące nośnikiem oddziaływań silnych.

Podsumowując niniejszy rozdział, a w szczególności powyższy krótki opis współczesnej wiedzy na temat materii, należy pamiętać że mimo swej szczegółowości model standardowy ma jeszcze dużo niewiadomych i zawiera wiele tez nie zweryfikowanych doświadczalnie a co za tym idzie nasza wiedza na temat otaczającej nas materii cały czas jest niepełna.