Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Нині 34 фундаментальні частинки зручно класифікувати таким чином:
8 баріонів (протон, нейтрон і шість важчих частинок)
8 антибаріонів
8 мезонів і антимезонів
8 лептонів і антилептонів
фотон
гравітон
Більшість наведених фундаментальних частинок можна описати або як частинки, що утворюють речовину, або як частинки, що утворюють антиречовину. Існування цих двох видів матерії було передбачено на підставі релятивістської квантової механіки англійським фізиком-теоретиком П. А. М. Діраком (нар. 1902 р.), який першим розвинув теорію квантової механіки, сумісну з теорією відносності. Його передбачення цілком підтвердилися експериментальними даними. Кожній електрично зарядженій частинці відповідає античастинка, ідентична їй за одними властивостями й протилежна за іншими: маси й спіни таких частинок однакові, а електричні заряди протилежні. Так, електрон, що є складовою частиною звичайної речовини, і позитрон, що являє собою антиелектрон, мають протилежні електричні заряди: −e і +e відповідно, їхні маси однакові; кожна з цих частинок має спін, що виражається спіновим квантовим числом 1/2, а це припускає два способи орієнтації частинки в магнітному полі. Деякі нейтральні частинки мають античастинки, інші ж тотожні своїм античастинкам. Щоразу, коли частинка зіштовхується з відповідною античастинкою, відбувається їхня анігіляція. Маси таких частинок цілком перетворюються на світлові хвилі високої енергії або в деяких випадках на легші частинки, що рухаються з величезними швидкостями. Рівняння Ейнштейна E = mc2 дає змогу розрахувати кількість енергії, що вивільняється під час анігіляції частинки та її античастинки, цей процес супроводжується утворенням променевої енергії. Нейтральні частинки, тотожні своїм античастинкам, розпадаються дуже швидко.
Антиречовина на Землі існує не інакше, як у процесах швидких перетворень. Частинки антиречовини виникають під час зіткнень (як описано в наступному підрозділі), а потім ці античастинки швидко припиняють своє існування (анігілюють) унаслідок реакції при зіткненнях із частинками звичайної речовини.
Можливо, що деякі області Всесвіту (імовірно, деякі туманності) складаються з антиречовини. Атом Гідрогену в таких областях складається з позитрона, що рухається навколо антипротона. Зіткнення між антиречовиною такої туманності й туманністю, що складається зі звичайної речовини, має призводити до вивільнення величезної кількості променевої енергії й може бути зафіксоване астрономами.
Ферміони й бозони
Елементарні частинки за величиною їхнього спіну можна поділити на два класи. Електрон можна описати як частинку, що має спін, який дорівнює 1/2. Він має момент імпульсу, що відповідає спіновому квантовому числу 1/2; у магнітному полі він може орієнтувати свій момент імпульсу з компонентами як +1/2, так і −1/2 у напрямку даного поля (момент імпульсу вимірюється в одиницях h/2π). У розд. 5 згадувалося також, що два електрони не можуть займати одну й ту саму орбіталь в атомі, якщо вони не мають протилежно орієнтованих спінів; іншими словами, вони не можуть перебувати цілком в однаковому квантовому стані, тобто займати одну й ту саму орбіталь і мати однакову (наприклад, додатну) орієнтацію спіну. До цього й зводиться принцип заборони (принцип Паулі).
Частинки, що мають спін, який дорівнює 1/2, названо ферміонами на честь фізика Енріко Фермі. Згідно з принципом Паулі, два однакові ферміони не можуть перебувати в цілком однаковому квантовому стані.
Баріони, антибаріони, лептони й антилептони — усе це ферміони. Частинки зі спінами 3/2, 5/2,… також ферміони.
Частинки з цілим спіном (0, 1, 2,…) називають бозонами, їх так названо на честь індійського фізика С. Н. Бозе; бозони взаємодіють між собою так, що допускається перебування двох або більше частинок в однаковому квантовому стані. Фотон, гравітон і мезони є бозонами. Усі мезони мають спін, який дорівнює 0. Фотон має спін, який дорівнює 1. Гравітон, що являє собою квант гравітаційного поля, повинен мати спін, який дорівнює 2.
Фотон, або квант світла, нині вважають однією з фундаментальних частинок. Ньютон розглядав як корпускулярну, так і хвильову теорію світла. Упродовж XIX ст. перевагу незмінно віддавали хвильовій теорії світла у зв'язку з успішними експериментами з дифракції світла. У 1905 р. Ейнштейн звернув увагу на те, що значну частину дослідних даних, які раніше не піддавалися поясненню, можна досить просто інтерпретувати в припущенні, що світло (видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, радіохвилі, гамма-промені тощо) має деякі властивості частинок (підрозд. 3.10). Він назвав ці «частинки» світла «світловими квантами», і відтоді ж у вжиток увійшла назва «фотон». Кількість енергії, що становить світловий квант, визначається частотою даного випромінювання; енергія кванта E = hν.
Властивості світла не можна вичерпно описати на підставі аналогії лише зі звичайними хвилями або лише зі звичайними частинками. Встановлено, що для розуміння одних явищ зручніше вважати світло хвильовим рухом, тоді як при розгляді інших явищ краще вважати світло таким, що складається з фотонів (підрозд. 3.11 і 3.12). Ця корпускулярно-хвильова двоїстість властива також матерії. Електрони, протони, нейтрони й інші матеріальні частинки, як встановлено, мають деякі властивості, які вчені зазвичай пов'язують із хвильовим рухом. Так, пучок електронів або пучок нейтронів може бути дифрагований точно так само, як і пучок рентгенівських променів. На дифракції електронів і нейтронів ґрунтуються важливі методи вивчення структури кристалів і молекул газів. Довжина хвилі електрона, нейтрона чи якоїсь іншої частинки залежить від її маси спокою та швидкості, з якою вона переміщується. Довжина хвилі частинки визначається рівнянням де Бройля: λ = h/mv, де λ — довжина хвилі частинки, h — стала Планка, m — маса й v — швидкість (підрозд. 3.11).
Основна відмінність між фотоном і матеріальними частинками зі скінченною масою спокою полягає в тому, що у вакуумі фотон рухається завжди зі сталою швидкістю — зі швидкістю світла, тоді як частинки зі скінченною масою спокою здатні переміщуватися з різною щодо спостерігача швидкістю аж до максимальної, що дорівнює швидкості світла; за такої швидкості ці частинки мали б мати нескінченно велику енергію.
Для позначення фотона використовують символ γ (грецька літера «гамма»). Раніше цим символом позначали γ-промені, що являють собою фотони високої енергії, які вивільняються в процесі радіоактивного розпаду ядра.
Зі спіном фотона, що дорівнює одиниці, пов'язана поляризація світла, розглянута в розд. 6. Права колова поляризація світла відповідає складовій спіну +1 у напрямку поширення світла, а ліва колова поляризація — складовій спіну −1.
Фотони можуть випромінюватися або поглинатися електричним диполем, що коливається, наприклад негативно зарядженим електроном, який обертається навколо позитивно зарядженого протона. Можна вважати, що система, яка складається з двох окремих мас, таких як Земля й Місяць, при обертанні відносно їхнього спільного центра повинна випромінювати гравітаційні кванти. Такі гравітаційні кванти називають гравітонами. Нині виконано деякі роботи з вивчення властивостей гравітаційних хвиль, проте існування гравітона, квантованої гравітаційної хвилі, дослідними даними поки що не підтверджено.