Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных) имеет свою античастицу. Причем масса, спин, время существования и некоторые другие внутренние характеристики у частицы и античастицы одинаковые, но отличаются они знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда и др. При их столкновении происходит аннигиляция, то есть частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и вид которых лимитируется законами сохранения. Например, при малых энергиях столкновения в процессе аннигиляции пары позитрон — электрон возникают фотоны, а пары нуклон — антинуклон — основные пи-мезоны.
Процессы, протекающие с элементарными частицами, довольно различны по интенсивности. В соответствии с этим выделяют три класса взаимодействия: сильное, электромагнитное и слабое. Все микрочастицы обладают также гравитационным взаимодействием.
Сильное взаимодействие приводит к самой сильной связи между элементарными частицами. Так, связь протона и нейтрона в ядрах атомов обусловлена этим взаимодействием. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь частиц с электромагнитным полем. Связь электронов атомов с ядрами и атомов в молекулах обусловлена электромагнитным взаимодействием. Слабое взаимодействие вызывает весьма медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией слабого взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают толщу Земли и Солнца. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных фундаментальных взаимодействий из-за малости масс этих частиц.
В зависимости от типа взаимодействия все известные элементарные частицы (за исключением фотона) разделяются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны обладают сильным взаимодействием, наряду с электромагнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, а лептонов — электрон. Фотон, обладающий только электромагнитным взаимодействием, не может быть отнесен ни к лептонам, ни к адронам, и поэтому его выделяют в отдельную «группу».
Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса, время существования, электрический заряд и спин (собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого). В зависимости от времени существования элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными являются фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы (время существования у них неограниченно большое), остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от ~ 103
секунд (для свободного нейтрона) до 10–22 –10–24 секунд (для резонансов).По современным представлениям физики микромира не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы материи наряду с корпускулярными (корпускулы — частицы), обладают также волновыми свойствами. Согласно квантовой механике, свободное движение элементарных частиц можно представить как плоскую волну (волну де Бройля).
Атом — наименьшая составная часть вещества, в которой сохраняется индивидуальность химического элемента. Сам химический элемент являет собой совокупность атомов одного сорта. Взаимодействие между одинаковыми или разными атомами может приводить к образованию из них более сложных комплексов — молекул. Любые твердые, жидкие и газообразные вещества составлены из одного или нескольких химических элементов. Фактически именно атомы выступают в роли строительных «кирпичей» вещества и в конечном счете ответственны за его механические, химические, оптические, электрические, магнитные и другие свойства.
Атом состоит из тяжелого ядра с положительным электрическим зарядом и окружающих его электронов с отрицательным зарядом. По современным представлениям ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых в ядре мощными ядерными силами. Масса протона в 1836, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро окружено облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки и составляют величину порядка 10–8
см, что в десятки тысяч раз превышает размеры ядра. В обычных условиях атом электрически нейтрален: число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре. Причем положительный заряд протона и отрицательный электрона одинаковы по абсолютной величине. Нейтрон электрическим зарядом не обладает. Теряя электроны, нейтральный атом превращается в ионизированный атом — положительно заряженный ион, а в результате присоединения одного или нескольких электронов — в отрицательный ион.