અવપરમાણુ કણો

January, 2001

અવપરમાણુ કણો

[subatomic (fundamental) particles]

દ્રવ્યના સ્વયંસંપૂર્ણ (self-contained) બંધારણીય એકમો. આને પ્રાથમિક કે મૂળકણો પણ કહે છે.

1960-65ના સમયગાળામાં અવપરમાણુ કણોનું સંશોધન એવે તબક્કે હતું કે એને પ્રાણીસંગ્રહાલય સાથે સરખાવવું કોઈને પણ વાજબી લાગે. સોથીયે વધુ આવા કણો શોધાયા હતા. એમના ભાતભાતના વિશિષ્ટ ગુણધર્મો એટલા વિચિત્ર લાગતા હતા કે દરેકનું અલગ અલગ વર્ણન કર્યા સિવાય વૈજ્ઞાનિકોને બીજી કંઈ સૂઝ પડતી નહોતી; પરંતુ છેલ્લાં વીસ વર્ષમાં આ ક્ષેત્રમાં સારી એવી સરળતા અને વ્યવસ્થિત ગોઠવણી શક્ય બની છે. જગતના બધા પદાર્થોની રચના ફક્ત છ ક્વાર્ક અને છ લૅપ્ટૉન મૂળકણોમાંથી જ થઈ છે, એવો મત હવે સર્વસ્વીકાર્ય થયો છે.

1808ની સાલમાં અંગ્રેજ રસાયણશાસ્ત્રી ડાલ્ટને પરમાણુ વિશે સૌપ્રથમ વૈજ્ઞાનિક કહી શકાય એવો વિચાર રજૂ કર્યો. તત્વોની રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓના નિયમ સમજવા માટે દરેક તત્વ એના વિશિષ્ટ ગુણધર્મો ધરાવતા પરમાણુઓનું બનેલું છે અને આ ઘટક પરમાણુઓ અચલ અને અવિભાજ્ય હોય છે એવું માનવું જરૂરી છે એ ડાલ્ટને બતાવ્યું. પરમાણુવાદ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં સિદ્ધાંતોની એક નવી જ સરળ અને સુંદર ભાત ઉત્પન્ન કરે છે. ડાલ્ટનના વખતમાં તો ફક્ત પચીસેક મૂળ તત્વો જ જાણીતાં હતાં. ઓગણીસમી સદીના અંત સુધીમાં તો નવી શોધખોળને પરિણામે મૂળતત્વોની સંખ્યા લગભગ સિત્તેર જેટલી થઈ હતી; પણ આ જ અરસામાં રશિયન વૈજ્ઞાનિક મન્દેલિયેવે પદાર્થના બંધારણના વર્ણનમાં એક નવી સરળતા ઉમેરી. તેણે બતાવ્યું કે મૂળતત્વોને જુદા જુદા સમૂહો કે કુટુંબોમાં વહેંચી શકાય. દરેક કુટુંબમાં રહેલાં રાસાયણિક તત્વો(ટૂંકમાં તત્વો)ના ગુણધર્મો, એટલે કે એમના ઘટક પરમાણુઓના બંધારણમાં ખાસું એવું સામ્ય રહેલું હોય છે. પદાર્થના મૂળ એકમોમાં આવી કૌટુંબિક રચના, સમાનતા હોય છે. તત્વોની સંખ્યા વધતી ગઈ છે. આજે લગભગ 108-109 પ્રકારના પરમાણુઓની જાણકારી છે. પણ તે બધા એકંદરે આઠ કુટુંબોમાં વહેંચાયેલા છે. સ્વાભાવિક પ્રશ્ન થાય કે જેમ અસંખ્ય અને વિવિધ પદાર્થોની રચના ફક્ત સોએક પરમાણુનાં સંયોજનોથી સમજાવી શકાય છે તેમ જ આ પરમાણુઓને પણ કોઈક આંતરિક બંધારણ હશે કે જેથી એમની રચના પણ થોડાક જ કણોના સંયોજનથી સમજાવી શકાય.

પરમાણુ અચળ અને અવિભાજ્ય નથી એનો પુરાવો ઓગણીસમી સદીના અંતભાગમાં જ મળ્યો. ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ વીજળીની પદાર્થના પરમાણુઓ પર થતી અસરનો અભ્યાસ કરતા હતા. એક કાચની નળી લઈ તેમાં બને તેટલો અવકાશ ઉત્પન્ન કરવામાં આવતો, જેથી એમાં રહેલા વાયુના અણુ-પરમાણુઓની સંખ્યા શક્ય તેટલી ઓછી રહે. આવી નળીમાંથી ઊંચા વોલ્ટેજે વીજપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવતાં માલૂમ પડ્યું કે પરમાણુઓ ઉત્તેજિત થાય છે અને તેમાંથી ઇલેક્ટ્રૉન કણો ઉત્પન્ન થાય છે. અનેક જુદી જુદી જાતના વાયુઓના પરમાણુમાંથી ઉત્પન્ન થતા ઇલેક્ટ્રૉન એકસરખા ગુણધર્મો ધરાવતા કણ છે, એમ પણ સાબિત થયું. આ બતાવે છે કે પરમાણુને પણ આંતરિક બંધારણ છે, અને દરેક પ્રકારનાં પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રૉન કણ રહેલા હોય છે. એ રીતે સૌથી પહેલો અવપરમાણુ મૂળકણ ઇલેક્ટ્રૉન શોધાયો. શરૂઆતનાં વર્ષોમાં તો ઇલેક્ટ્રૉન કણ છે કે કોઈક પ્રકારના તરંગોનું વિકિરણ છે એ સ્પષ્ટ નહોતું અને એની ચર્ચા પણ ખૂબ થયેલી. અંતે જે. જે. ટૉમસન નામે અંગ્રેજ ભૌતિકશાસ્ત્રીએ ઇલેક્ટ્રૉન કણ છે એવું પુરવાર કર્યું અને એનું દળ તેમજ વીજભાર માપ્યાં (1897). વિધિની વિચિત્રતા એવી છે કે આ જ ટૉમસનના પુત્ર જી. પી. ટૉમસને ઇલેક્ટ્રૉન તરંગોના ગુણધર્મો દર્શાવે છે એવું પ્રતિપાદિત કર્યું. બંને પિતાપુત્રને નોબેલ પારિતોષિક મળેલું. (જે. જે. ટૉમસન 1906; જી. પી. ટૉમસન 1937).

પરમાણુ કણ તો વીજભારની દૃષ્ટિએ સાવ તટસ્થ છે. એના પર વીજભારની માત્રા શૂન્ય હોય છે. આથી પ્રશ્ન ઊભો થાય છે કે પરમાણુમાં કેટલા ઇલેક્ટ્રૉન કણ હશે ? ઇલેક્ટ્રૉનનો વીજભાર ઋણ હોય તો પરમાણુમાં ક્યાંક પૂરતો ધન વીજભાર પણ હોવો જોઈએ. આ ધન વીજભાર પરમાણુમાં ક્યાં અને કયા સ્વરૂપમાં હશે તે વિશે થોડાંક વર્ષ અનિર્ણાયક પરિસ્થિતિ રહી, પરંતુ 1911માં અંગ્રેજ વૈજ્ઞાનિક રધરફર્ડે બતાવ્યું કે પરમાણુની રચના સૂર્યમંડળ જેવી છે. એના કેન્દ્રમાં ધન વીજભાર ધરાવતું ન્યૂક્લિયસ હોય છે અને એની આસપાસ ગ્રહોની જેમ ઇલેક્ટ્રૉન જુદી જુદી કક્ષાઓમાં ભમતા હોય છે. પરમાણુનું મોટા ભાગનું દળ અને બધો જ વીજભાર ન્યૂક્લિયસ ધરાવે છે. ન્યૂક્લિયસના પ્રમાણમાં ઇલેક્ટ્રૉન બહુ જ હલકા હોઈ એમનું કુલ દળ ન્યૂક્લિયસના દળના કેટલાક હજારમા ભાગ જેટલું જ હોય છે. બધાય ઇલેક્ટ્રૉનના કુલ ઋણ વીજભાર જેટલો જ ધન વીજભાર ન્યૂક્લિયસ પર હોય છે, જેથી પરમાણુનો કુલ વીજભાર તદ્દન શૂન્ય બની રહે છે. પરમાણુનું કદ અને રાસાયણિક ગુણધર્મો એમાંના ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા, કક્ષાઓ અને ગોઠવણી ઉપરથી નક્કી થાય. ન્યૂક્લિયસની શોધ પછી થોડાં જ વર્ષોમાં જુદા જુદા પરમાણુઓમાં કેટલા ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે તે સંખ્યાબંધ પદ્ધતિસરના પ્રયોગોથી નક્કી થયું.

હલકાંમાં હલકો અને સૌથી સરળ પરમાણુ હાઇડ્રોજનનો છે. એમાં એક જ ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે. એના ન્યૂક્લિયસને વિશિષ્ટ નામ પ્રોટૉન આપવામાં આવ્યું છે. પ્રોટૉન ઉપર ઇલેક્ટ્રૉન જેટલો જ પણ ઋણને બદલે ધન વીજભાર હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં પ્રોટૉનનું દળ લગભગ 1836ગણું વધારે હોય છે. પ્રોટૉન પણ એક મૂળકણ છે અને બધા જ ન્યૂક્લિયસના બંધારણમાં તે મહત્વનો ભાગ ભજવે છે.

મૂળકણોની વધુ ચર્ચા કરતા પહેલાં એમના કેટલાક સામાન્ય ગુણધર્મો વિશે માહિતી મેળવવી રહી. પહેલો ગણુધર્મ તે મૂળકણોનું દળ. એ માપવા માટે ગ્રામનું એકમ બહુ જ મોટું પડે. ઇલેક્ટ્રૉન અને પ્રોટૉનનાં દળ અનુક્રમે,

m_e = ૦.911 × 10^–27 ગ્રા. m_p = 1.672 × 10^–24 ગ્રા. થાય.

આવી સંખ્યાઓ લખવાને બદલે ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ આઇન્સ્ટાઇનના E = mc² સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને દળને બદલે મૂળકણમાં રહેલા પ્રચ્છન્ન શક્તિસંચયનું માપ ગણે છે. આ માટે દળશક્તિના એકમ તરીકે દસ લાખ (million) ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટ MeV લેવામાં આવે છે.

1 MeV = 1.602 × 10^–6 અર્ગ

આ પ્રમાણે ગણતાં,

m_e = ૦.511 MeV, m_p = 938.256 MeV થાય છે.

બીજો મહત્વનો ગુણધર્મ તે મૂળકણનો વીજભાર. પ્રકૃતિની એક વિચિત્ર સરળતા એ છે કે બધા જ મૂળકણના વીજભાર ઇલેક્ટ્રૉનના વીજભારને એકમ લઈએ તો પૂર્ણાંક એકમ સંખ્યામાં દર્શાવી શકાય. માટે જ ઇલેક્ટ્રૉન વીજભારનું માપ એ ખૂબ મહત્વનું છે. અને તે અતિશય ચોકસાઈથી માપવામાં આવ્યું છે. એને માટે e સંજ્ઞા વપરાય છે.

e = 4.803 × 10^–14 સ્થિર વિદ્યુત એકમ

= (electrostatic units) (esu)

= 1.602 × 10^–24 વિદ્યુતચુંબક એકમ

= (electromagnetic units) (emu)

ઇલેક્ટ્રૉનનો વીજભાર –e, અને પ્રોટૉનનો વીજભાર +e. બધા જ મૂળકણોના વીજભાર આ પ્રમાણે ઇલેક્ટ્રૉન વીજભારના પૂર્ણાંક ગુણક કેમ છે, તે તો રહસ્ય જ છે. આપણે જોઈશું કે ક્વાર્ક કણોના વીજભાર /e કે /e હોય છે, પરંતુ તે કણો કદીયે છૂટાં દર્શન આપતા નથી, એટલે પ્રયોગશાળામાં માપી શકાય એવા વીજભાર તો હંમેશ eના પૂર્ણાંક હોય છે. સામાન્ય રૂઢિ એવી છે કે eને અધ્યાહાર રાખીને વીજભાર ફક્ત પૂર્ણાંક સંખ્યાથી જ દર્શાવી શકાય; જેમ કે ઇલેક્ટ્રૉનનો વીજભાર –1, પ્રોટૉનનો વીજભાર +1.

ત્રીજો મહત્વનો ગુણધર્મ છે દેખીતું આંતરિક કોણીય વેગમાન. ‘દેખીતું’ શબ્દપ્રયોગ એટલા માટે કે ઇલેક્ટ્રૉન જેવા કણ લગભગ બિંદુ જેવા જ, લગભગ શૂન્ય કદના હોય છે. એને કોણીય ગતિ કે વેગમાન કેવી રીતે હોય એ કલ્પનાતીત છે; પરંતુ મૂળકણોના ક્વૉન્ટમ વિશ્વમાં મનુષ્યની ઘણી બધી રૂઢ માન્યતાઓ અને કલ્પનાઓ તૂટી પડે છે. મૂળકણો એવી રીતે વર્તે છે કે જાણે એને કોણીય ગતિ અને વેગમાન હોય અને આ વેગમાન બહારના કોઈ બળથી ઉત્પન્ન થવાને બદલે મૂળકણના બંધારણનો જ ભાગ છે, તે એની અંતર્ગત ખાસિયત છે. (માટે ‘આંતરિક’ કહ્યું). મૂળકણોના કોણીય વેગમાન (angular momentum) જે પ્રચક્રણ (spin) સાથે સંબંધિત છે તે માપવાનો એકમ પ્લાંકનો અચલાંક કહેવાય છે અને h સંજ્ઞાથી દર્શાવાય છે.

= h/2π = 1.૦54 x 10^–27 અર્ગ. સે.

મૂળકણોનું કોણીય વેગમાન ના પૂર્ણાંક કે અર્ધપૂર્ણાંક ગુણકમાં જ હંમેશ હોય છે; જેમ કે, ઇલેક્ટ્રૉન માટે , પ્રોટૉન માટે પણ . પણ બીજા કેટલાક મૂળકણો માટે ૦, 1 , વગેરે પણ હોઈ શકે. અહીં પણ સામાન્ય રૂઢિ પ્રમાણે ઘણી વાર અધ્યાહાર રાખીને કોણીય વેગમાન ૦, , 1, એ રીતે દર્શાવાય છે. જે મૂળકણોનાં કોણીય વેગમાન પૂર્ણાંક હોય તે બધા બોઝકણ કહેવાય છે અને સમૂહમાં બોઝ-આઇન્સ્ટાઇન સાંખ્યિકી(statistics)ના નિયમોને અનુસરે છે. અર્ધપૂર્ણાંક કોણીય વેગમાનવાળા મૂળકણ ફર્મીકણ કહેવાય છે. અને સમૂહમાં તે ફર્મી-ડિરાક સાંખ્યિકીને અનુસરે છે. આમ કોણીય વેગમાન પ્રમાણે બધા મૂળકણોના બે મોટા ભાગ રચાય છે. આની અગત્ય આગળ ઉપર જોઈ શકાશે.

હવે પ્રસ્તુત છે વધુ એક મૂળકણની ચર્ચા એનું નામ છે ન્યૂટ્રૉન અને તે ન્યૂક્લિયસના બંધારણમાં પ્રોટૉન જેટલો જ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. જુદી જુદી જાતના પરમાણુનાં દળ હાઇડ્રોજન પરમાણુના કે પ્રોટૉનના દળને એકમ તરીકે લઈને ગણીએ તો લગભગ પૂર્ણાંક સંખ્યા મળે. આ સંખ્યાને A સંજ્ઞાથી ઓળખવામાં આવે છે; જેમ કે પ્રાણવાયુના પરમાણુનું દળ 16 એકમ, A = 16, કાર્બનના પરમાણુનું દળ 12 એકમ, A = 12 વગેરે. આથી એમ માન્યતા થઈ કે પરમાણુ ન્યૂક્લિયસ પ્રોટૉન કણોનું બંધાયેલું હશે, ઑક્સિજનના ન્યૂક્લિયસમાં 16 પ્રોટૉન હોય અને કાર્બનના ન્યૂક્લિયસમાં 12. આ દરમ્યાન ઘણાંખરાં ન્યૂક્લિયસ પરના ધન વીજભાર એટલે કે પરમાણુમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રૉનની સંખ્યા પણ અનેક પ્રયોગોથી સ્પષ્ટ નક્કી થઈ હતી. આ વીજભારને Z સંજ્ઞાથી ઓળખવામાં આવે છે. Aને પરમાણુ દળ ને Zને પરમાણુ વીજભાર કહે છે અને બંને પૂર્ણાંક સંખ્યાઓ હોય છે. હવે ઑક્સિજન માટે Z=8 છે, પણ એના ન્યૂક્લિયસમાં 16 પ્રોટૉન હોય તો Z = 16 થવા જોઈએ. આ કોયડો ઉકેલવા માટે એમ ધારવામાં આવ્યું કે ન્યૂક્લિયસમાં A પ્રોટૉન હોય અને A – Z ઇલેક્ટ્રૉન હોય, જેથી કુલ વીજભાર તો A–(A–Z) = Z જ થાય; પરંતુ ધીરે ધીરે જણાયું કે ન્યૂક્લિયસ પ્રોટૉન તથા ઇલેક્ટ્રૉનનાં બનેલાં હોય એવા મૉડેલમાં ઘણી તાત્વિક અને પ્રાયોગિક મુશ્કેલીઓ ઊભી થાય તેમ છે.

1932માં ન્યૂક્લિયસના બંધારણનો ભેદ ખૂલ્યો. રૂધરફર્ડના વિદ્યાર્થી જેમ્સ ચૅડવિકે ન્યૂટ્રૉન નામના વીજભાર વગરના નવા મૂળકણની શોધ કરી અને ત્યારપછી તરત જ હાઈઝનબર્ગે સૂચવ્યું કે ન્યૂક્લિયસ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન કણોનાં બનેલાં હોય છે. હાઈઝનબર્ગના મત પ્રમાણે ન્યૂક્લિયસ પર જેટલો ધન વીજભાર Z, એટલા જ એમાં પ્રોટૉન હોય અને બાકીનું દળ A–Z ન્યૂટ્રૉનથી પુરાય. એટલે કે પ્રત્યેક ન્યૂક્લિયસમાં Z પ્રોટૉન અને N = A – Z ન્યૂટ્રૉન હોય છે. આ ન્યૂક્લિયસ સાથે Z ઇલેક્ટ્રૉન બંધાય એટલે પરમાણુની રચના પૂરી થાય. આમ જગતમાં સર્વ તત્ત્વો અને તેમના પરમાણુ ફક્ત ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉનનાં બનેલાં હોય છે, એવું પદાર્થના બંધારણનું સરળ, સુગમ, સુંદર મૉડેલ બન્યું. પદાર્થનાં અગણિત સ્વરૂપોને સમજવા માટે ફક્ત ત્રણ મૂળકણો અને એમની ગોઠવણી સમજવાં પૂરતાં છે.

ન્યૂટ્રૉન કણ આમ તો પ્રોટૉનનો જોડિયો ભાઈ જ છે. આ બંને કણના લગભગ બધા જ ગુણધર્મો એકસરખા છે. એક મોટો તફાવત એ છે કે પ્રોટૉનને વીજભાર છે, જ્યારે ન્યૂટ્રૉન આપણે જોયું તેમ વીજભારરહિત છે. બંનેના દળમાં ખૂબ જ સામ્ય છે. નીચેના કોષ્ટકામાં ત્રણેય મૂળકણના ગુણધર્મો બતાવ્યા છે :

કોષ્ટક 1

દળ	વીજભાર ચુંબકીય ચાકમાત્રા	કોણી વેગમાન
gms.	(magnetic moment) અર્ગ/ગૉસ
ઇલેક્ટ્રૉન (e)	– e
૦.511 × 10^–27	૦.283 × 10^–21 eh/m_ec
પ્રોટૉન (p)	+ e
1.672 × 10^–24	1.410 × 10^–23 = 2.793 eh/2mc
ન્યૂટ્રૉન (n)	O
1.675 × 10^–24	૦.956 × 10^–23 = 1.913 eh/2mc

વીજભારના ફેરને લીધે જ ન્યૂટ્રૉન પ્રોટૉન કરતાં દળમાં સહેજ ભારે છે; પરંતુ આનું પરિણામ એવું છે કે ન્યૂટ્રૉનનો જીવનકાળ મર્યાદિત છે. ન્યૂટ્રૉનને અવકાશમાં છૂટો મૂકી દીધો હોય તો એ કાળે કરીને પ્રોટૉનમાં ફેરવાઈ જાય છે, અને આ પ્રક્રિયામાં એક ઇલેક્ટ્રૉન તેમજ ન્યૂટ્રીનો નામનો તદ્દન નવી જ જાતનો કણ ઉત્પન્ન થાય છે. ન્યૂટ્રીનો વિશે આગળ વાત કરીશું. અલબત્ત, ન્યૂટ્રૉનની આ ક્ષયક્રિયા (decay) સાંખ્યિકી(statistics)ના નિયમોને આધારે થાય છે એટલે કે કોઈ એક ન્યૂટ્રૉન ક્યારે પ્રોટૉનમાં ક્ષય પામશે તે કહેવું અશક્ય છે. એટલું જ કહી શકાય કે જો એક પાત્રમાં 1,૦૦૦ ન્યૂટ્રૉન ભર્યા હોય તો લગભગ 11 મિનિટ પછી એમાંના અડધા એટલે કે 5૦૦ ન્યૂટ્રૉન પ્રોટૉનમાં ફેરવાઈ જશે. બીજી 11 મિનિટ પછી બાકીના 5૦૦ ન્યૂટ્રૉનમાંથી 25૦નો પ્રોટૉનમાં ક્ષય થશે. પણ કઈ વખતે કયો ન્યૂટ્રૉન ક્ષય પામશે તે ક્યારેય કહી શકાય નહિ. એક જ ન્યૂટ્રૉન પર નજર માંડીને બેઠા હોઈએ તો તે કણ તો એક સેકંડમાં પણ ક્ષય પામે કે અનેક વર્ષો સુધી એવો ને એવો અક્ષય રહે. જે સમયગાળામાં બરાબર અડધી સંખ્યાના મૂળકણોનો ક્ષય થાય છે, એ સમયને અર્ધઆયુ કહે છે. ન્યૂટ્રૉનનો અર્ધઆયુ 11 મિનિટ છે.

પરમાણુ કણોનું વિશ્વ અને તેમાં બનતી પ્રક્રિયાઓ સહેલાઈથી સમજાય એવી નથી. આ વિશ્વમાં એટલી સૂક્ષ્મ પરિસ્થિતિઓ જોવાની મળે છે કે તેનું વર્ણન કરવા માટે રોજિંદા વ્યવહાર માટે ઊભી કરેલી ભાષા અસંબદ્ધ બની જાય છે. સામાન્ય જગતની પ્રક્રિયા માટેના ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રશિષ્ટ (classical) નિયમો પરમાણુ-જગતમાં કામ લાગતા નથી. એ વિશ્વ માટે નવું જ ભૌતિકશાસ્ત્ર રચવામાં આવ્યું છે, જેમાં સાપેક્ષવાદ અને ક્વૉન્ટમવાદ ઘણો મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. આપણે સામાન્ય રીતે એમ કહીએ છીએ કે પદાર્થનું બંધારણ કણસ્વરૂપ છે (જેમ કે, પરમાણુઓ) અને વિકિરણો તરંગસ્વરૂપમાં હોય છે (જેમ કે, વિદ્યુત-ચુંબકીય તરંગોનાં એક્સ કિરણો). જે. જે. ટૉમસને ઇલેક્ટ્રૉનનું કણસ્વરૂપ સાબિત કરેલું તે આગળ જોયું. તે પહેલાં ઓગણસમી સદીના પૂર્વ ભાગમાં જ પ્રકાશ એ તરંગસ્વરૂપનું વિકિરણ છે અને પછી તે એક પ્રકારના વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો છે એવું પણ સાબિત થયેલું. વીસમી સદીમાં ક્વૉન્ટમવાદની જે ક્રાંતિ થઈ તેને પરિણામે પરમાણુવિશ્વમાં કણ ને તરંગના ભેદનું જ અસ્તિત્વ નથી રહ્યું. પ્લાન્ક, આઇન્સ્ટાઇન અને બીજા વૈજ્ઞાનિકોએ સિદ્ધ કર્યું કે કેટલાક પ્રયોગો, જેમ કે, ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર, કૉમ્પ્ટનના પ્રકીર્ણન(scattering)નાં પરિણામ સમજવા માટે પ્રકાશ ફોટૉન કણોનો બનેલો છે એમ ધારવું પડે. પ્રકાશના તરંગો માટે જેમ તરંગલંબાઈ l અને આવૃત્તિ v પ્રયોગોથી નક્કી થઈ શકે તેમ જ જ્યારે ફોટૉન કણોની વાત કરીએ ત્યારે તેમને માટે શક્તિ (E) અને વેગમાન (p) જેવા ગુણ ધારવા પડે. આ બંને ચીજોનો સમન્વય કરતાં સૂત્રો નીચે પ્રમાણે છે :

E = h v · P = h c/λ

વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો માટે λν = c માટે E = cp થાય. આઇન્સ્ટાઇનનું સાપેક્ષવાદનું સૂત્ર છે. ફોટૉન કણોનું દળ શૂન્ય લેતાં (m = ૦) તો E = cp મળે છે. આમ પરમાણુ-વિશ્વમાં પહેલી જ વાર શૂન્ય દળના કણો – ફોટૉન દાખલ થયા.

આવી જ રીતે જી. પી. ટૉમસન, ડેવિસન વગેરેના પ્રયોગોથી સાબિત થયું કે ઇલેક્ટ્રૉન અને પછી એવી જ રીતે પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન વગેરે પણ કેટલાક પ્રયોગોમાં તરંગસ્વરૂપે જ વર્તે છે અને એને તરંગો માનીએ તો જ આ પ્રયોગોનાં પરિણામ સમજી શકાય. આમ મૂળકણોના વિશ્વમાં કણ કે તરંગ એ પ્રશ્ન જ અપ્રસ્તુત બની જાય છે અને એ ક્વૉન્ટમવાદનું પાયાનું લક્ષણ છે.

ન્યૂટ્રૉનનો ક્ષય થાય છે અને તે બીજા મૂળકણોમાં પલટાઈ જાય છે. આવી ક્ષયપ્રક્રિયા પરમાણુવિશ્વમાં ઘણી જ સ્વાભાવિક છે અને મોટા ભાગના મૂળકણો અસ્થાયી હોય છે. એ એમની ખાસ લાક્ષણિકતા છે. અક્ષય કણ તો બહુ ઓછા હોય છે. 195૦ પછી ઘણા બધા મૂળકણો પ્રયોગશાળામાં ઉત્પન્ન કરી શકાયા છે. એ બધાની ખાસિયત ક્ષય પામીને એકમેકમાં પલટાઈ જવાની છે. મૂળકણોનાં અર્ધઆયુ 1૦^–6 સેકંડથી માંડીને 1૦^–21 સેકંડ સુધીનાં હોય છે. આજ સુધી એમ મનાતું કે પ્રોટૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન તો ખરેખર અક્ષય હોય છે; પરંતુ છેલ્લાં થોડાંક વર્ષોમાં મૂળકણોના સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રમાં એક એવી નવીન ધારણા રજૂ થઈ છે કે પ્રોટૉનનો પણ ક્ષય થાય છે. જોકે પ્રોટૉનનો અર્ધઆયુકાળ આ ગણતરીઓ પ્રમાણે 1૦³² વર્ષ કે એથીય વધુ હોઈ શકે. હજુ સુધી પ્રયોગશાળામાં પ્રોટૉનક્ષય જોવા મળ્યો નથી, પણ તે માટે અનેક વૈજ્ઞાનિકો પ્રયોગો કરી રહ્યા છે. આ મનુષ્યના આપણા વિશ્વનું જ આયુ 1૦^1૦ વર્ષ જેટલું છે, તો મનુષ્ય માટે તો પ્રોટૉન લગભગ અક્ષય જ ગણાય.

હવે ન્યૂટ્રીનોની વાત : ન્યૂટ્રૉન પ્રોટૉનમાં ક્ષય પામે ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉન સાથે ન્યૂટ્રીનો કણની ઉત્પત્તિ થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન ને ન્યૂટ્રીનો કણ બહુ ગાઢ રીતે એકમેક સાથે સંકળાયેલા છે. પ્રત્યેક રેડિયોઍક્ટિવિટીની પ્રક્રિયામાં ન્યૂટ્રીનો કણ ઉત્પન્ન થાય છે. આમ 1896માં રેડિયોઍક્ટિવિટીની શોધ થઈ ત્યારે જ ન્યૂટ્રીનો તો વૈજ્ઞાનિકો સમક્ષ હતો જ, પરંતુ એને પારખતાં વૈજ્ઞાનિકોને બીજાં પાંત્રીસેક વર્ષ વીતી ગયાં. 1931માં સ્વિટ્ઝરલૅન્ડના વૈજ્ઞાનિક પાઉલીએ ન્યૂટ્રીનોની ઉત્પત્તિ β (બીટા) રેડિયોઍક્ટિવિટી(રેડિયો ઍક્ટિવતા)માં થાય છે, એમ ધારણા રજૂ કરી. આ પ્રક્રિયામાં ન્યૂક્લિયસમાંનો ન્યૂટ્રૉન કણ પ્રોટૉનમાં ફેરવાઈ જાય છે. અને સાથે સાથે ઇલેક્ટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનો ઉત્પન્ન થાય છે. ન્યૂટ્રીનોનો ગુણધર્મ અદભુત છે. છેલ્લાં થોડાંક વર્ષો પર્યંત સામાન્ય માન્યતા એવી હતી કે ન્યૂટ્રીનો પણ ફોટૉનની જેમ દળ વગરનો કણ છે, પણ હમણાં હમણાં રશિયામાં થયેલા કેટલાક પ્રયોગો અને સૈદ્ધાંતિક ધારણાઓને કારણે એમ માનવામાં આવે છે કે ન્યૂટ્રીનોને કદાચ 15થી 2૦ eV જેટલું દળ હોઈ શકે. હજી આ બાબતમાં ઘણો મતભેદ છે; છતાંયે ઇલેક્ટ્રૉનના 5,11,૦૦૦ eV જેટલા દળની તુલનાએ આ દળ નહિવત્ ગણાય. ન્યૂટ્રીનોને વીજભાર પણ હોતો નથી. એનું કોણીય વેગમાન ઇલેક્ટ્રૉન જેટલું જ હોય છે. દળ ને વીજભાર વગરનાં ન્યૂટ્રીનોનું પગેરું પ્રયોગશાળામાં મેળવવું અત્યંત દુષ્કર છે. દળ વગર એના ઉપર ગુરુત્વાકર્ષણની અસર થતી નથી. વીજભાર વગર તે વિદ્યુતચુંબકીય બળોથી અલિપ્ત રહે છે. ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન જેવા કણો સાથે પ્રબળ (strong) ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓમાં એ ભાગ લેતો નથી. ફક્ત રેડિયોઍક્ટિવિટી જેવી દુર્બળ (weak) ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓમાં જ એ દેખા દે છે. આમ, જોકે 1932થી વૈજ્ઞાનિકો ન્યૂટ્રીનોના અસ્તિત્વનો સૈદ્ધાંતિક સ્વીકાર કરે છે પણ છેક 1956માં જ એનું પહેલું પ્રાયોગિક દર્શન થયું.

આપણે પાંચ મૂળકણોનો પરિચય કર્યો. તેમાંના ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન, ઇલેક્ટ્રૉન તેમજ ન્યૂટ્રીનોનાં કોણીય વેગમાન છે, અને તે બધા ફર્મી કણ છે. ફોટૉન આ ચારેયથી જુદો તરી આવે છે. એ તો ખરેખર વિદ્યુતચુંબકીય બળક્ષેત્ર સાથે સંકળાયેલો કણ છે અને એનું કોણીય વેગમાન 1 છે. એ બોઝકણ છે. આમ, મૂળકણોના બે વિભાગ પડે. બંને વિભાગમાં અનેક નવા મૂળકણો જોવા મળે છે, પણ એમના ગુણધર્મ મોટે ભાગે સમજી લેવાયા છે. ફોટૉનની ઓળખાણ વિદ્યુતચુંબકીય બળક્ષેત્રના ક્વૉન્ટમવાદમાંથી થઈ. એમ ગુરુત્વાકર્ષણના બળક્ષેત્રને પણ ક્વૉન્ટમવાદ લાગુ પાડી શકાય. એ ઉપરથી આ બળક્ષેત્ર સાથે સંકળાયેલો નવો કણ મળે. એને ગ્રૅવિટૉન કહે છે. ગ્રૅવિટૉન એ ગુરુત્વાકર્ષણના બળક્ષેત્ર સાથે સંકળાયેલો ક્વૉન્ટમકણ છે. આ જ પ્રમાણે ન્યૂક્લિયર બળક્ષેત્ર સાથે સંકળાયેલા મૂળકણોનો પરિચય આગળ થશે. ગ્રૅવિટૉન પણ બોઝકણ છે અને તેનું કોણીય વેગમાન 2 છે. બળક્ષેત્રો સાથે સંકળાયેલા બધા ક્વૉન્ટમકણ બોઝકણ હોય છે.

ઇલેક્ટ્રૉન તથા ન્યૂટ્રીનો, પ્રોટૉન તથા ન્યૂટ્રૉનથી દળમાં અત્યંત હલકા છે. માટે તેમને લૅપ્ટૉન કણ કહેવામાં આવે છે. ટૂંકમાં જ બીજા લૅપ્ટૉન કણોનો પરિચય કરી લઈ શકાશે. આ લૅપ્ટોન સમૂહના કણોની ખાસિયત એ છે કે તે બધા રેડિયોઍક્ટિવિટી જેવી મંદ અને દુર્બળ (slow and weak) ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓમાં ભાગ લે છે, પરંતુ પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓમાં એમનું કોઈ સ્થાન નથી. ન્યૂક્લિયસ જેટલા અત્યંત નાના વિસ્તારમાં 1૦૦, કે તેથીય વધુ ન્યૂટ્રૉન તેમજ પ્રોટૉન કણોને બાંધી રાખવાનું કામ પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ કરે છે. પરમાણુ-બૉમ્બ કે તારાઓના ગર્ભમાં ઉત્પન્ન થતી આવી વિપુલ ઊર્જા આવી પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓને આભારી છે. પ્રબળ કે દુર્બળ ન્યૂક્લિયર બળક્ષેત્રનો વિસ્તાર ખૂબ જ મર્યાદિત હોય છે. વિદ્યુતચુંબકીય કે ગુરુત્વાકર્ષણનાં બળક્ષેત્ર અનંત અંતર સુધી વિસ્તરેલાં હોય છે, જ્યારે ન્યૂક્લિયર બળો ન્યૂક્લિયસની બહાર એટલે કે 1૦^–12 સેમી.થી વધુ દૂર લગભગ શૂન્ય થઈ જાય છે અને એમની અસર ફક્ત ન્યૂક્લિયસના વિસ્તારમાં જ અનુભવાય છે. આમ, પ્રકૃતિમાં ચાર જાતનાં મૂળ કે પ્રાથમિક કહી શકાય એવાં બળક્ષેત્ર છે. ગુરુત્વાકર્ષણ, વિદ્યુતચુંબકીય અને બે પ્રકારનાં ન્યૂક્લિયર બળ. રેડિયોઍક્ટિવિટી દુર્બળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા છે. એમાં ન્યૂટ્રીનો કણનું અસ્તિત્વ એ આવશ્યક અંગ છે. ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન સમૂહના કણો પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ અનુભવે છે અને તે બધા ‘હૅડ્રૉન’ કહેવાય છે.

હવે લૅપ્ટૉન કુટુંબની ચર્ચા કરી લઈએ. આજે આ કુટુંબ છ સભ્યોનું બનેલું મનાય છે. 1938માં ઇલેક્ટ્રૉન જેવો જ, પણ દળમાં વધુ ભારે, મ્યુ (μ) કણ શોધાયો. એનું દળ ઇલેક્ટ્રૉન દળથી લગભગ બસોગણું વધુ છે, પરંતુ આ સિવાય બીજા બધા જ ગુણ ઇલેક્ટ્રૉન જેવા જ છે. એને μ સંજ્ઞાથી દર્શાવાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન જેમ જ ઋણ વીજભારવાળો મ્યુ કણ (μ^–) અને ધન વીજભારવાળો પ્રતિકણ (μ⁺) હોય છે. ઇલેક્ટ્રૉન સાથેના સામ્યને લીધે પ્રશ્ન એ થાય કે વિશ્વરચનામાં મ્યુ કણની જરૂર શી હતી ? ખરેખર, મ્યુ કણ પરમાણુરચનામાં કંઈ ખાસ ફાળો આપતો નથી. એ અસ્થાયી કણ છે, અને તેનું અર્ધઆયુ લગભગ 1૦^–6 સેકન્ડ છે. તેનો ક્ષય થતાં ઇલેક્ટ્રૉન, ઇલેક્ટ્રૉન સાથે સંકળાયેલો ઈ-ન્યૂટ્રીનો અને બીજા એક મ્યુ કણ સાથે જ ખાસ સંકળાયેલો મ્યુ–ન્યૂટ્રીનો ઉત્પન્ન થાય છે.

સંજ્ઞા પ્રતિ-ન્યૂટ્રીનો કણ દર્શાવે છે. આ ઉપરાંત, 1975માં જ ટાઉ કણ (τ) શોધાયો છે, જે વળી મ્યુ કણ કરતાંય વીસગણો ભારે છે, પણ દળ સિવાય બીજી બધી રીતે ઇલેક્ટ્રૉન અને મ્યુ કણ જેવો જ છે. ટાઉ પણ ઋણ અને ધન વીજભારવાળો કણ ને પ્રતિકણ હોય છે. એનું પણ કોણીય વેગમાન છે. એ પણ અસ્થાયી છે અને ક્ષય થતાં મ્યુ કણ, મ્યુ-ન્યૂટ્રીનો અને ટાઉ ન્યૂટ્રીનોમાં પરિવર્તન પામે છે. આમ ન્યૂટ્રીનો પણ હવે ત્રણ જાતના થયા. દરેક લૅપ્ટૉન કણ e, μ, τ સાથે એના વિશિષ્ટ ન્યૂટ્રીનો સંકળાયેલા હોય છે. ટાઉ-ન્યૂટ્રીનો કણનું હજી પ્રત્યક્ષ દર્શન નથી થયું, પણ ભૌતિકશાસ્ત્રીઓને શ્રદ્ધા છે કે મોડો-વહેલો એનો પરચો જરૂર મળશે.

પરમાણુવિશ્વની બીજી મહત્વની શોધ 1932માં થઈ તે પ્રતિકણોની. તે પહેલાં 1928માં જ ડિરાક નામના યુવાન અંગ્રેજ ભૌતિકશાસ્ત્રીએ ક્વૉન્ટમવાદમાં સાપેક્ષવાદ ઉમેરીને ઇલેક્ટ્રૉન માટે નવું જ સમીકરણ રચ્યું હતું. આ સમીકરણ ઉકેલતાં એને એક આશ્ચર્યજનક ઉકેલ મળ્યો. એને પરિણામે એણે ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રતિકણ – જેને પૉઝિટ્રૉન નામ અપાયું તેની આગાહી કરી. પૉઝિટ્રૉનનો વીજભાર +e હોય, તે સિવાય તેના બીજા બધા જ ગુણ, જેમ કે, દળ, કોણીય વેગમાન, જુદાં જુદાં બળક્ષેત્રો સાથેની પ્રક્રિયાઓ, બરાબર ઇલેક્ટ્રૉન જેવાં જ હોવાં જોઈએ. જો વીજભાર ન હોય તો ઇલેક્ટ્રૉન અને પૉઝિટ્રૉન વચ્ચે કોઈ ભેદ જણાય જ નહિ. 1932માં અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક ઍન્ડરસને વિશ્વકિરણો(cosmic rays)નો અભ્યાસ કરતાં પૉઝિટ્રૉનની શોધ કરી. ડિરાકના સમીકરણ પ્રમાણે તો પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન અને બીજા બધા જ મૂળકણોને પ્રતિકણ હોવો જ જોઈએ. પ્રતિપ્રોટૉન, પ્રતિન્યૂટ્રૉન, પ્રતિન્યૂટ્રીનો વગેરે માટે પ્રયોગશાળામાં પૂરતા પુરાવા મળી ચૂક્યા છે. ફોટૉન એ તો ખુદ પોતાનો જ પ્રતિકણ છે એટલે કે ફોટૉન માટે પ્રતિકણ ને કણ વચ્ચે કોઈ ભેદ જ નથી. અલબત્ત, ન્યૂટ્રૉન અને ન્યૂટ્રીનો ઉપર વીજભાર નથી, માટે આવા કણ અને પ્રતિકણ વચ્ચેનો ભેદ જરા વધુ સૂક્ષ્મ હોય છે. કોઈ પ્રાયોગિક પરિસ્થિતિમાં જો ન્યૂટ્રૉન (કે ન્યૂટ્રીનો) કણ એક દિશામાં (દા. ત., ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર હેઠળ) અભિમુખ હોય તો, એમના પ્રતિકણ એથી વિરુદ્ધ દિશામાં અભિમુખ હોય, એટલો જ ફેર પડે. આમ મૂળકણોના વિશ્વ સાથે જ આખું એક પ્રતિવિશ્વ પણ છે. મોટેભાગે કણ અને પ્રતિકણ ભેગા થાય ત્યારે બંનેનો વિનાશ થઈને ઊર્જાવિકિરણ (energy radiation) ઉત્પન્ન થાય છે. એ વિકિરણમાંથી વળી બીજા કણ-પ્રતિકણનાં દ્વંદ્વ ઊભાં થઈ શકે. વિશ્વ સમસ્ત કણોનું બનેલું છે, એમાં પ્રતિકણ ઉત્પન્ન થાય તોપણ થોડી જ ક્ષણમાં એનો વિનાશ થાય છે. પ્રતિકણોના વિશ્વનો અભ્યાસ પ્રયોગશાળામાં જ થઈ શકે. ખાસ સાધનો વડે પ્રતિકણોને ઉત્પન્ન કરવા પડે છે.

લૅપ્ટૉન કણો વિશેની માહિતી કોષ્ટક 2માં આપેલ છે.

કોષ્ટક 2

કણ વીજભાર	સંજ્ઞા કોણીય વેગમાન	દળ (MeV) ક્ષયકાળ
ઇલેક્ટ્રૉન	e	૦.511	–1
	સ્થાયી
ઈ-ન્યૂટ્રીનો	νe	< 2૦ eV	૦
		સ્થાયી
મ્યુ	m	1૦6.6	1
	2 × 1૦^–6 સે.
મ્યુ-ન્યૂટ્રીનો	νμ	લગભગ શૂન્ય	૦
	સ્થાયી
ટાઉ	t	1784	-1
	3 × 10^–13 સે.
ટાઉ-ન્યૂટ્રીનો	_νt	લગભગ શૂન્ય	૦
	સ્થાયી

હૅડ્રૉન પરિવારના ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન કણોનો પરિચય કર્યો. 1947 પછી તો આ સમૂહમાં ઘણા નવા કણો શોધાયા અને આજે તો સોથીયે વધુ મૂળકણો આ કુટુંબના સભ્યો તરીકે ગણાય તેમ છે. આમાંથી થોડાક જ કણની એમના ગુણધર્મ અને લઘુસમૂહોની રચના વિશે અહીં ચર્ચા પ્રસ્તુત છે. આગળ જોયું તેમ વીજભાર સિવાય બીજી બધી જ રીતે ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન જોડિયા ભાઈ જ છે. આવી રીતે એક જ પ્રકારના કણો વચ્ચે ફક્ત વીજભારનો તફાવત હોય તે દર્શાવવા માટે ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ આઇસો-સ્પિન (isotopin spin) નામના ગુણનો ઉપયોગ કરે છે. આ ગુણ I સંજ્ઞાથી (કે ક્યારેક T સંજ્ઞાથી) દર્શાવાય છે. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન કણ માટે Iનું મૂલ્ય 1 છે. કોઈ પણ I સંખ્યાવાળા કણસમૂહમાં 2I + I સભ્યો હોઈ શકે. I = હોય ત્યારે સમૂહમાં બે જ કણ હોય (જેમ કે, ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન). I = 1 હોય ત્યારે ત્રણ સભ્યોનો સમૂહ હોય, જેમાં બધા જ સભ્યો વીજભાર સિવાય બીજી બધી રીતે સરખા જ હોય. પ્રત્યેક સભ્ય માટે વીજભારની માત્રા દર્શાવવા માટે I_૩ સંજ્ઞાનો ઉપયોગ થાય છે અને I₃નું મૂલ્ય I, I – I, I – 2 …. I. સુધીના આંકડાથી દર્શાવાય. દા. ત., I તો I₃ + અને –, I = I તો I₃ = 1, ૦. 1 હોય. વીજભાર અને I_૩નો સંબંધ નીચેના સૂત્રથી મળે છે :

વીજભાર Q = I_૩ +

આમ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન માટે I = છે, પ્રોટૉન માટે I₃ = 1 અને ન્યૂટ્રૉન માટે I₃ = – મુકાય તો તેના વીજભાર + 1 અને ૦ મળી રહેશે. પ્રતિકણો માટે I_૩ની સંજ્ઞા બદલાઈ જાય છે; દા. ત., પ્રતિપ્રોટૉન માટે I₃ = – અને પ્રતિન્યૂટ્રૉન માટે I_૩ = + .

હવે મૂળકણોનો બીજો એક ગુણ જોઈએ. હૅડ્રૉન મૂળકણોના કોણીય વેગમાન પ્રમાણે બે વર્ગ બને છે. પ્રોટૉન જેવા અર્ધાંક કોણીય વેગમાનવાળા કણો એટલે કે ફર્મી કણો, જેને બૅરિયૉન કહેવામાં આવે છે, તે બધાને બૅરિયૉન ગુણની માત્રા + 1 આપવામાં આવે છે. બૅરિયૉન ગુણ માટેની સંજ્ઞા B છે. પ્રતિકણો માટે બૅરિયૉન માત્રા –1 ગણવામાં આવે છે. આમ પ્રતિપ્રોટૉન માટે B = –1. આ ગુણ ધ્યાનમાં લેતાં વીજભારનું સૂત્ર આમ લખાય :

Q = I_૩ + B

આમ, પ્રતિપ્રોટૉન માટે I_૩ = – અને B = –1, એટલે Q = –e મળી રહે છે. જે હૅડ્રૉન કણોના કોણીય વેગમાન પૂર્ણાંક હોય તેમને મેસૉન કહેવામાં આવે છે અને બધાયે મેસૉન માટે B = ૦ મૂકવામાં આવે છે. આ સમૂહમાં સૌથી પહેલાં શોધાયેલું ને સૌથી વધુ જાણીતું મેસૉન, પાઇ-મેસૉન છે. આ પાઇ-મેસૉન માટે I = 1 છે, જેથી I_૩ = I, ૦ અને –1વાળા ત્રણ કણોનો એ સમૂહ છે. આ દરેક કણનો વીજભાર

Q = I_૩ (B = ૦) = + e, ૦, –e થાય.

આ ત્રણેય પાઇ-મેસૉન કણને π⁺, π^o, π^– સંજ્ઞાથી ઓળખવામાં આવે છે.

હૅડ્રૉન કણોની વિશિષ્ટ ખાસિયત, અર્થાત્ વ્યાખ્યા જ એ છે કે તે બધા એકમેક સાથે પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓથી સંકળાયેલા છે. બૅરિયૉન પરિવારમાં ઝડપથી લૅમ્બડા (Λ), સિગ્મા (Σ), અને કૅસ્કેડ Ξ એમ ત્રણ જાતના કણો શોધાયા. આ ત્રણેય માટે Iની માત્રા ૦, 1 અને 1 અનુક્રમે છે અને અલબત્ત, B = + 1. પરંતુ આવા કણો એક નવો જ ગુણ ધરાવે છે. એ ગુણને વૈજ્ઞાનિકો વિચિત્રતા(strangeness)નો ગુણ કહે છે. આ કણોની ઉત્પત્તિ અને ક્ષય માટેની સમયમર્યાદા સમજવા માટે આ ગુણની ધારણા કરવાનું જરૂરી બન્યું હતું. વિચિત્રતા માટેની સંજ્ઞા S છે, અને L તથા માટે S = –1 અને X માટે S = –2 મૂલ્ય નક્કી કરવામાં આવ્યાં છે. પ્રતિકણો માટે Sની સંજ્ઞા (I_૩ની જેમ) બદલાઈ જશે. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન જેવા પરિચિત કણો માટે S = ૦ જ છે. હવે વીજભાર મેળવવા માટેનું પૂર્ણ સૂત્ર નીચે પ્રમાણે બન્યું :

Q = I_૩ + B + S

જેમ કે, L માટે I = ૦; માટે I_૩ = ૦, B = 1 અને S = –1, માટે Q = ૦ થાય. લૅમ્બડા એ વીજભારશૂન્ય કણ છે, માટે L°ની સંજ્ઞાથી પણ તે ઓળખાય છે. એવી જ રીતે Σ માટે I = 1 એટલે I_૩ = + 1. ૦, –1 અને B = 1, Σ = –1 હોવાથી એ ત્રણ Σ કણો Σ⁺, Σ°, Σ^– માટે વીજભાર +e, 0, –e થાય. કૅસ્કેડની વાત જરા જુદી છે. I = માટે I_૩ = + અને – થાય. Σ = –2 છે, માટે બંને કૅસ્કેડ કણ માટે વીજભાર ૦ અને –e (Ξ° Ξ^–) થાય. અલબત્ત, પ્રતિકૅસ્કેડ કણો Ξ° અને Ξ^– માટે વીજભાર ૦ અને + e થશે.

જેમ જેમ આ બધા મૂળકણ વિશે વધુ ને વધુ માહિતી મળતી ગઈ, તેમ તેમ સ્પષ્ટ થયું કે જેમ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન વચ્ચે ફક્ત વીજભારનો જ તફાવત છે, તેમ પ્રોટૉન, સિગ્મા, લૅમ્બડા અને કૅસ્કેડ કણો વચ્ચે ફક્ત ‘વિચિત્રતા’નો જ ફેર છે; બાકી બધી રીતે આ કણોમાં કૌટુંબિક સામ્ય છે, સમાન ગુણ છે. આમ આ આઠ કણને ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ આવી રીતે ગોઠવે છે :

S
O		p+		n°
–1	^∑+		∑°		^∑–
			Å
–2		Ξ°		^Ξ–
I_૩	1		૦	–	–1

જેમ જેમ વધુ ને વધુ મૂળકણ શોધાતા ગયા અને એમના જુદા જુદા ગુણ નક્કી થતા ગયા તેમ તેમ મેન્દેલિયેવના કોષ્ટકની જેમ એમના પણ સમૂહ રચાવા લાગ્યા. એક વધુ કણસમૂહની વાત જોઈએ. એક સમૂહ નવ કણોનો બનેલો ધીરે ધીરે સ્પષ્ટ થયો. એ બધા કણો નીચે મુજબ ગોઠવી શકાય :

I_૩
		1		૦	–	–1	–
	^Δ++		^Δ+		Δ°		^Δ–	S = ૦
		Y^*+		Y^*°		Y^*–		S = – 1
			^Ξ*°		^Ξ*–			S = – 2

આ ગોઠવણી જોતાં તરત જ ખ્યાલ આવે કે એક છેલ્લી લીટી ખૂટે છે, જેમાં એક જ કણ હોવો જોઈએ, અને એના ગુણ I = I_૩ = ૦ અને S = –૩ હોવા જોઈએ. એનો વીજભાર –e હોવો જોઈએ. આ આગાહી થોડા જ વખતમાં સાચી ઠરી ને આવો ઓમેગા (Ω) નામનો કણ શોધાયો. એનું દળ, વીજભાર, તેના ક્ષયમાં ઉત્પન્ન થતા જુદા જુદા કણો વગેરે માટેની બધી આગાહી સાચી ઠરી. વિચિત્રતાનો ગુણ વિચિત્ર લાગે, પણ મૂળકણો માટે સરળ ગોઠવણી મેળવવામાં અને નવા કણ શોધવા માટે એ સાચો અને ઉપયોગી બન્યો.

હૅડ્રૉન પરિવારના કણો વચ્ચે પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ થાય છે. અને ઘણી ઝડપથી થાય છે. આ પ્રક્રિયાઓમાં કેટલાક ગુણ અચળ રહે છે. જેમ કે બૅરિયૉન સંખ્યાની અચળતા, આઇસોસ્પિનની માત્રાની અચળતા, અને વિચિત્રતાના મૂલ્યની અચળતા. કોઈ પણ પ્રક્રિયાની પહેલાંના અને પછીના કણો માટે આ બધી સંખ્યાઓ અચળ રહેવી જોઈએ. તો જ આ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા પ્રબળ કહેવાય અને ખૂબ ઝડપથી, અત્યંત ટૂંકા સમયગાળામાં બને.

p + π^– → n + π° વીજભાર અને બૅરિયૉન સંખ્યાની અચળતા

Σ° → Λ° + ફોટૉન વીજભાર, બૅરિયૉન સંખ્યા અને વિચિત્રતાની અચળતા

પરંતુ Λ° → p + π^– વીજભાર અને બૅરિયૉન સંખ્યા અચળ, પરંતુ વિચિત્રતાની અચળતાનો ભંગ !

આમ, આ ત્રીજી Λ°ના ક્ષયની પ્રક્રિયા બહુ જ મંદ ગતિથી, લાંબા સમયગાળે થાય. તે દુર્બળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયા છે.

બૅરિયૉનની જેમ મેસૉન કણોના પણ સમૂહ શોધાયા છે. પાઇ-મેસૉન સાથે કે-મેસૉન અને ઇટા-મેસૉન ભેગા મળીને એક સરળ સમૂહ રચાય છે :

	K⁺		K°		S = 1
^π+		π°		^π–
		h°			S = ૦
	Κo		K		S = –1

I_૩ 1 1 ૦ –1 –1

K⁺ અને K° કણોના પ્રતિકણ K^– અને K^–° આ સમૂહ રચવામાં અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. π^– એ π⁺નો પ્રતિકણ ગણાય છે. આ બધા કણો માટે B = ૦ છે.

આમ ધીરે ધીરે સોથીય વધુ મૂળકણો શોધાયા. આ બધાય કણ અસ્થાયી અને ક્ષય પામનારા છે. તે બધા યોગ્ય પ્રક્રિયાઓમાં એકબીજામાં રૂપાંતરિત થાય છે. મેન્દેલિયેવની જેમ જુદા જુદા સમાન ગુણવાળા સમૂહોમાં તેમને ગોઠવી શકાયા, એટલે જ વૈજ્ઞાનિકોને લાગ્યું કે પરમાણુઓ જેમ આ મૂળકણોને પણ કોઈ આંતરિક બંધારણ હશે. એમાં બીજા વધુ પ્રાથમિક કે પરમકણો હોવા જોઈએ, જેથી તેમની વિવિધ ગોઠવણીથી આ બધા કણોનાં બંધારણ, સ્વરૂપ અને ગુણ સમજી શકાય. ગેલમાન નામના અમેરિકન વૈજ્ઞાનિકે આ કોયડાની ચાવી સૂચવી. તે જ અરસામાં, આવી જ ધારણા ઝ્વાઇંગ નામના વૈજ્ઞાનિકે પણ સૂચવેલી હતી.

ગેલમાનની મૂળ ધારણા પ્રમાણે આ બધા કણ ત્રણ પ્રકારના પરમકણોમાંથી બનેલા હોવા જોઈએ. આ પરમકણોને એણે ‘ક્વાર્ક’ નામ આપ્યું. આ ક્વાર્ક કણોમાંથી બધાયે બૅરિયૉન અને મેસૉન – એટલે કે બધા જ હૅડ્રૉન – કેવી રીતે રચી શકાય એ જોઈએ તો ક્વાર્ક કણોની ઘણી ખાસિયત આપોઆપ મળી આવે. ગેલમાનની ધારણા પ્રમાણે બૅરિયૉન કણો આ ત્રણ ક્વાર્કની ગોઠવણીમાંથી બને છે અને મેસૉન કણો ક્વાર્ક-પ્રતિ ક્વાર્કના દ્વંદ્વમાંથી બને છે; દા. ત., પ્રોટૉનમાં ત્રણ ક્વાર્ક હોય અને પ્રોટૉનનો બૅરિયૉન અંક +1 છે, માટે ક્વાર્કનો બૅરિયૉન અંગ હોવો જોઈએ એમ સહેજે જોઈ શકાય. આ ત્રણે ક્વાર્કને u [up, ઉત્તર (ઊર્ધ્વ)], d [(down, દક્ષિણ (અધો)] અને s, [(strange, વિચિત્ર)] એમ સંજ્ઞાઓથી ઓળખવામાં આવે છે. ઉત્તર અને દક્ષિણ ક્વાર્ક આઇસોસ્પિન નું જોડકું છે, જ્યારે વિચિત્ર ક્વાર્ક માટે આઇસોસ્પિન શૂન્ય છે. એ તો દેખીતું જ છે કે વિચિત્ર ક્વાર્ક માટે વિચિત્રતાનો અંક –1 હોવો જોઈએ અને ઉત્તર, દક્ષિણ ક્વાર્ક માટે આ ગુણની માત્રા શૂન્ય હોવી જોઈએ. પ્રોટૉન, ન્યૂટ્રૉન જેવા શૂન્ય વિચિત્રતાવાળા કણ ઉત્તર, દક્ષિણ ક્વાર્કમાંથી રચાય છે. વિચિત્ર હૅડ્રૉન કણોમાં વિચિત્ર ક્વાર્ક હોવો જોઈએ. વળી ક્વાર્ક કણોનું કોણીય વેગમાન હોવું જોઈએ એવી ધારણા છે. આમ બધા જ હૅડ્રૉન કણોના પરિવાર રચી શકાય અને તેમના ગુણધર્મ સમજી શકાય તે ગેલમાને બતાવ્યું.

અત્યાર સુધી બધા જ મૂળકણોના વીજભાર eના એકમમાં પૂર્ણ સંખ્યા તરીકે આવતા હતા, પરંતુ આ ક્વાર્ક કણો માટે તેવું નથી; દા. ત., ઉત્તર ક્વાર્ક લઈએ તો I = , I_૩ = , B = , S = ૦ માટે વીજભાર e થાય અને એમ જ દક્ષિણ ક્વાર્ક માટે વીજભાર –e થાય. વિચિત્ર ક્વાર્ક માટે વીજભારની માત્રા (I_૩ = ૦, B = , S = –1) પણ –e થાય. આવા અણધાર્યા અપૂર્ણાંક વીજભારવાળા કોઈ કણ હજી સુધી અનેક પ્રયત્નો છતાં શોધાયા નથી. આજે એકંદરે સર્વમાન્ય એવી ધારણા પ્રવર્તે છે કે ક્વાર્ક કદીયે છૂટું સ્વતંત્ર એકલવાયું અસ્તિત્વ ધરાવી શકે નહિ. બીજા કણોના અંતર્ગત ભાગ તરીકે એમની અપરોક્ષ ઝાંખી જરૂર થઈ શકે, પણ પ્રકૃતિમાં કે પ્રયોગશાળામાં એકાદ ક્વાર્કને એકલો છૂટો પાડી શકાય નહિ કે માપી શકાય નહિ. એવું તો જોવા મળ્યું છે કે અત્યંત શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રૉન કણોનો પ્રોટૉન પર મારો ચલાવવામાં આવે તો આ ઇલેક્ટ્રૉન પ્રોટૉનની અંદર રહેલા કોઈક સૂક્ષ્મ ભારે કણો સાથે અથડાઈને પાછા પડે છે. બીજા પ્રયોગોમાં પણ પરોક્ષ રીતે ક્વાર્કના અસ્તિત્વના પુરાવા મળે છે, પરંતુ ગમે તેટલી શક્તિ વાપરવા છતાં પણ હજી સુધી ક્વાર્કને કોઈ મૂળકણમાંથી અલગ કરી શકાયા નથી.

ક્વાર્ક સિદ્ધાંત પ્રમાણે પ્રોટૉન બે ઉત્તર અને એક દક્ષિણ ક્વાર્કના બનેલા હોય છે – uud; જ્યારે ન્યૂટ્રૉન એક ઉત્તર અને બે દક્ષિણ ક્વાર્કમાંથી બને છે – udd. એવી જ રીતે સિગ્મા કણો suu, sud અને sddમાંથી બનેલા હોવા જોઈએ અને કૅસ્કેડ ઘણો ssu, ssd ક્વાર્કના બનેલા હોવા જોઈએ. હવે ઑમેગા કણ જોઈએ તો એને s = –૩ છે માટે તે sssનો બનેલું હોવું જોઈએ. વળી તેનું કોણીય વેગમાન હોવાથી આ બધાય s કણોનું કોણીય વેગમાન સમાંતર – એક જ દિશામાં હોય તો જ આવું બને. આ બધા ક્વાર્ક ફર્મી કણ હોવાથી, આવી રચનામાં પાઉલીનો સિદ્ધાંત આડો આવે છે. ઓમેગાની રચના એને લીધે અશક્ય કે ઘણી મુશ્કેલ બની ન જાય, તે માટે એવું ધારવામાં આવ્યું છે કે પ્રત્યેક ક્વાર્ક પણ ત્રણ જુદા જુદા પ્રકારના હોય છે; જેમ કે, ત્રણ જાતના ઉત્તર ક્વાર્ક હોય. આ ત્રણેયને જુદા તારવવા માટેના ગુણને ‘રંગ’ (colour) કહેવામાં આવે છે. અલબત્ત, ‘રંગ’નો અક્ષરશ: અર્થ કરવાની જરૂર નથી. મૂળ કણોને રંગ જેવું કંઈ હોતું નથી. ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ ગમ્મત ખાતર નવા નવા ગુણનું વર્ણન કરવા આવા શબ્દો વાપરે છે. આમ દરેક ક્વાર્ક – ઉત્તર, દક્ષિણ કે વિચિત્ર – ત્રણ રંગના હોય છે. ઑમેગા કણની રચનામાં ત્રણેય વિચિત્ર ક્વાર્ક ત્રણ જુદા જુદા રંગના હોય છે, જેથી પાઉલીનો સિદ્ધાંત નડે નહિ.

ક્વાર્કમાંથી મેસૉન કણોની રચના પણ નીચે પ્રમાણે થાય :

, અને પ્રતિકણો છે અને એમના વીજભાર –, + અને + છે. ની વિચિત્રતા +1 થાય. અને π⁺ કણ-પ્રતિકણ છે તે પણ હવે સ્પષ્ટ દેખાય છે.

ક્વાર્ક કણોનું એકમ તરીકે સ્વતંત્ર અસ્તિત્વ હોઈ શકે નહિ, એ ક્વાર્કશાસ્ત્રનો મૂળભૂત સિદ્ધાંત છે. આનું કારણ ક્વાર્ક વચ્ચેની પ્રતિક્રિયાની વિચિત્ર ખાસિયત છે. ગુરુત્વાકર્ષણબળ, વીજચુંબકીય બળ કે ન્યૂક્લિયર બળની ખાસિયત એ છે કે જેમ બે કણ પાસે આવે તેમ બળક્ષેત્ર વધુ તીવ્ર બને અને પ્રતિક્રિયા વધુ બળવાન થાય. જેમ જેમ કણ એકમેકથી વધુ દૂર જતા જાય, તેમ બળક્ષેત્ર વધુ શિથિલ બને અને પ્રતિક્રિયા મંદ થાય. ક્વાર્ક-ક્વાર્ક પ્રતિક્રિયા આનાથી વિરુદ્ધ પ્રકારની છે. જેમ જેમ બે ક્વાર્ક કણ એકમેકથી વધુ દૂર જવા પ્રયત્ન કરે તેમ આ આકર્ષણબળક્ષેત્રનું જોર વધે છે, એટલે કે બે ક્વાર્ક છૂટા પાડવા પ્રયત્ન કરીએ તેમ એ વચ્ચેનું આકર્ષણબળ એટલું જ ઝડપથી વધે કે તે છૂટા પડી જ ન શકે. આથી જ પ્રોટૉન કે બીજા કોઈ મૂળકણના બંધારણમાંથી ક્વાર્કને છૂટા પાડી શકાતા નથી અને છૂટક ક્વાર્કને સ્વતંત્ર રીતે જોઈ-ચકાસી શકાતા નથી. બીજી બાજુ જેમ ક્વાર્ક કણ એકબીજાથી વધુ નજીક આવે તેમ તેમ તેમની વચ્ચેનું બળ વધુ શિથિલ થતું જાય છે અને બહુ જ નજીક હોય (જેમ કે પ્રોટૉનના અંતર્ગત ભાગમાં) ત્યારે તો ક્વાર્ક એકબીજાની અસર વગર મુક્ત અને સ્વતંત્ર રીતે ગતિ કરે છે. ખૂબ પાસે હોય તો એકમેકથી સાવ અલિપ્ત અને દૂર ખસેડીએ તો ખૂબ જોરથી તેનો વિરોધ એવી વિચિત્ર ક્વાર્કની પ્રતિક્રિયા છે. આમ આજ સુધી અનુભવેલાં બળક્ષેત્રો કરતાં ક્વાર્ક-ક્વાર્ક બળક્ષેત્ર જુદું જ તરી આવે છે. આ પ્રક્રિયાઓના શાસ્ત્રને ક્વૉન્ટમ રંગગતિશાસ્ત્ર (quantum chromodynamics) એવું નામ આપવામાં આવ્યું છે.

જેમ જેમ મૂળકણોના અંતર્ગત બંધારણનો વધુ ને વધુ ઊંડાણથી અભ્યાસ થતો ગયો અને વૈજ્ઞાનિકો ક્વાર્કશાસ્ત્રની મદદથી આ બંધારણ સમજવા માટે સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓ મૂકવા લાગ્યા, તેમ તેમ જણાયું કે ત્રણ ક્વાર્કની ધારણા પૂરતી નથી. પહેલાં તો ચોથા એક ક્વાર્કને ઉમેરવાની – ધારવાની જરૂર પડી. આ ક્વાર્કને C (charm–મોહક) નામ આપવામાં આવ્યું. શરૂઆતમાં તો આ ચોથો ક્વાર્ક સૈદ્ધાંતિક કલ્પનાઓમાં જ હતો, પણ કુદરત પણ વૈજ્ઞાનિકો ઉપર ચાર હાથ રાખે છે. ખરેખર પ્રયોગશાળામાં પણ 1974માં અમેરિકામાં બે જુદી જુદી વૈજ્ઞાનિક ટુકડીએ આ ચોથા ક્વાર્કના અસ્તિત્વની પ્રાયોગિક સાબિતી રજૂ કરી. ત્રણ જ વર્ષ પછી વળી એક જુદી પાંચમી જાતના ક્વાર્કમાંથી બનેલો કણ પ્રયોગશાળામાં શોધાયો. એને b (beauty સુંદર) નામ આપવામાં આવ્યું છે. આ ઉપરાંત, ક્વાર્કશાસ્ત્રના આજના સિદ્ધાંતોને આધારે એમ મનાય છે કે છઠ્ઠો પણ એક ક્વાર્ક હોવો જોઈએ, અને એનું નામ t (truth – સત્ય) વૈજ્ઞાનિકોએ આપી મૂક્યું છે. આ સત્ય ક્વાર્ક ખરેખર પ્રયોગશાળામાં જોવા – અલબત્ત, પરોક્ષ પ્રચ્છન્ન સ્થિતિમાં – મળ્યો છે એવા દાવા થયા છે, પણ તે હજી સર્વમાન્ય નથી.

આમ, છ લૅપ્ટૉન અને છ ક્વાર્કમાંથી સંપૂર્ણ વિશ્વની રચના થઈ છે એમ વૈજ્ઞાનિકો આજે માને છે.

હવે ફોટૉન કુટુંબની વાત કરીએ. મૂળકણો વચ્ચે જે વિવિધ પ્રકારની પ્રક્રિયાઓ થાય છે તે બધી કેટલાંક મૂળભૂત બળક્ષેત્રોના માધ્યમથી થાય છે, એ હવે માન્ય સિદ્ધાંત છે. કોઈ પણ પદાર્થ પોતાના દળના ગુણને લીધે એની આજુબાજુ ગુરુત્વાકર્ષણનું ક્ષેત્ર ઊભું કરે છે અને અને બીજો જે કોઈ પદાર્થ આ બળક્ષેત્રમાં હોય તે પણ પોતાના દળના ગુણને આધારે આ બળ અનુભવે છે. આ બળક્ષેત્રને જ્યારે ક્વૉન્ટમવાદની ભાષામાં વર્ણવવામાં આવે ત્યારે એના એકમ કણનું અસ્તિત્વ સ્વીકારવું જરૂરી બને છે. ગુરુત્વાકર્ષણના ક્વૉન્ટમવાદમાં આ બળક્ષેત્ર ગ્રૅવિટૉન નામના (2h કોણીય વેગમાનવાળા) કણની આપલેથી ઉત્પન્ન થાય છે. દળ ધરાવતા બે પદાર્થો એકમેક વચ્ચે સતત ગ્રૅવિટૉન કણની આપલે કરે અને આ પ્રતિક્રિયાને લીધે એ બંને ગુરુત્વાકર્ષણનું બંધન અનુભવે. દરેક બળક્ષેત્ર સાથે ક્વૉન્ટમવાદ એના એકમ કણને સાંકળે છે. આવી જ રીતે વીજચુંબકીય ક્ષેત્ર સાથે ફોટૉન કણ સંકળાયેલો છે. એનું શૂન્ય દળ અને 1h કોણીય વેગમાન હોય છે. ફોટૉનની આપલેથી વીજભારવાળા કણો વિદ્યુતચુંબકીય પ્રતિક્રિયાઓ અનુભવે છે.

રેડિયો-ઍક્ટિવિટી જેવી પ્રક્રિયાઓ અતિમંદ ન્યૂક્લિયર બળક્ષેત્રને આધારે થાય છે. જે જે પ્રક્રિયાઓમાં લૅપ્ટૉન કણો ભાગ લે છે, તે બધી પ્રક્રિયાઓ મંદ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ છે; જેમ કે, પાઈમેસૉનનો ક્ષય :

આ પ્રક્રિયાઓમાં ક્વાર્ક લૅપ્ટૉનમાં ફેરવાઈ જાય છે. ન્યૂટ્રૉનની ક્ષયક્રિયા એટલે દક્ષિણ ક્વાર્કનું ઉત્તર ક્વાર્કમાં પરિવર્તન.

ન્યૂટ્રૉન (uud) → પ્રોટૉન (uud) + + νe અર્થાત્

d → + + νe

આવી પ્રતિક્રિયાઓ સાથે જે બળક્ષેત્ર સંકળાયેલું છે, તેને ક્વૉન્ટમવાદ ત્રણ એકમ કણોથી વર્ણવે છે. આ કણોને w⁺, w^– અને w° કહે છે. થોડાં વર્ષો ઉપર આ બળક્ષેત્ર અને વીજચુંબકીય બળક્ષેત્રનો સૈદ્ધાંતિક સમન્વય સાધી શકાયો છે, જેથી એક જ સિદ્ધાંત દ્વારા બંને બળક્ષેત્ર સાથે વર્ણવી શકાય. આ સિદ્ધાંતને લીધે w° ને ફોટૉન એકમેકના પૂરક બને છે, અને w° થોડો ફેર પામીને નવો કણ બને છે, જેને z° કહે છે. આમ ક્વૉન્ટમ પ્રતિક્રિયાઓના સૈદ્ધાંતિક વર્ણનમાં એક મોટી કરકસર ને સરળતા લાવી શકાઈ છે, જેથી વીજચુંબકીય અને મંદ ન્યૂક્લિયર પ્રતિક્રિયાઓ ચાર એકમકણ (w⁺, w^–, z° ને ફોટૉન)ની આપલેથી વર્ણવી શકાય છે.

હવે રહી પ્રબળ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓની વાત. આ પ્રક્રિયાઓ ક્વાર્ક-ક્વાર્ક બળક્ષેત્રથી થાય છે. ક્વાર્ક બળક્ષેત્ર સાથે આઠ એકમગણોનો સમૂહ સંકળાયેલો છે, તે બધાને ગ્લૂઓન પરિવાર કહેવામાં આવે છે. ગ્લૂઓન કણો પણ રંગીન હોય છે, અને ક્વાર્કની જેમ સ્વતંત્ર દેખા દેતા નથી. પરંતુ ગ્લૂઑનના રંગવિહીન સમૂહને (glueball) પ્રયોગશાળામાં જોઈ શકાય એમ વૈજ્ઞાનિકો માને છે, અને એના કેટલાક દાખલા નોંધાયા છે પણ ખરા. ક્વાર્કને ત્રણ રંગ હોવાથી એના બળક્ષેત્રને વર્ણવવા માટે આઠ ગ્લૂઑનની જરૂર પડે છે. માટે જ ક્વાર્કના ગતિશાસ્ત્રને ક્વૉન્ટમ રંગગતિશાસ્ત્ર કહેવામાં આવે છે. ગ્લૂઑનના વિનિમયથી ક્વાર્કના રંગ બદલાય છે અને એમની વચ્ચે બળક્ષેત્ર ઊભું થાય છે.

આમ પ્રાથમિક કણો, લૅપ્ટૉન અને ક્વાર્ક વચ્ચેની જુદી જુદી પ્રક્રિયાઓ સમજવા માટે જે બળક્ષેત્રો વપરાય છે, તેના એકમ કણો – ગ્રૅવિટૉન, ફોટૉન, w⁺, w^–, z° અને આઠ ગ્લૂઑન–નો પણ વિશ્વનું બંધારણ સમજવા માટે સમાવેશ કરવો જોઈએ. પરમાણુવિશ્વમાં જેમ પદાર્થકણ અને વિકિરણ તરંગો વચ્ચે ભેદ રહ્યો નથી, તેમ આ બધાં બળક્ષેત્રો પણ ખરેખર વિભિન્ન નથી પણ એનોય સમન્વય થઈ શકે. એક જ વૈશ્વિક બળક્ષેત્રનાં એ જુદાં જુદાં પાસાં છે એવું પુરવાર કરવા વૈજ્ઞાનિકો આજે ભગીરથ પ્રયાસ કરી રહ્યા છે. એ શક્ય બને તો પરમાણુવિશ્વના વર્ણનમાં એક અનોખી સુંદરતા, સરળતા ને કરકસરયુક્ત પદ્ધતિ પ્રાપ્ત થાય.

ક્વાર્ક્સ
નામ	સંજ્ઞા			ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુઅવધિ	વીજભાર	પ્રચક્રણ(spin)
ઉત્તર		–5 MeV	સ્થાયી	+
અને પ્રતિ-ઉત્તર				–
દક્ષિણ		– 1૦ Mev	પરિવર્તનશીલ	–
અને પ્રતિદક્ષિણ				+
વિચિત્ર		– 1૦૦ Mev	“	–
અને પ્રતિવિચિત્ર				+
મોહક		– 1.5 Gev	“	+
અને પ્રતિમોહક				–
સુંદર		– 4.7 GeV	“	–
અને પ્રતિસુંદર				+
સત્ય		> 3૦ GeV	“	+
અને પ્રતિસત્ય				–

ગેઝ બોઝોન્સ

નામ	સંજ્ઞા		ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુ અવધિ	વીજભાર	પ્રચક્રણ
ફોટૉન	ϒ	O	સ્થાયી	O	1
(W-ધન)	W⁺	83GeV	10^–25 સેકન્ડ	+1	1
(W-ઋણ)	W^–			–1
Z	Z	93 GeV	10^–25 સેકન્ડ	૦	1
ગ્લૂઓન	g	૦	સ્થાયી	૦	1

લૅપ્ટોન

નામ	સંજ્ઞા	ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુ અવધિ	વીજભાર	પ્રચક્રણ
ઇલેક્ટ્રોન	e^–	૦.511 Mev	સ્થાયી	–1
પોઝિટ્રૉન	e⁺			+1
મ્યુઑન	^π–	105.6 MeV	2 × 10^–6 સેકન્ડ	–1
અને				+1
પ્રતિમ્યુઑન	^π+
ટાઉ	^τ–	1.784 GeV	3 × 10^–13 સેકન્ડ	–1
અને
પ્રતિટાઉ	^τ+			+1
ઇલેક્ટ્રૉન ન્યૂટ્રીનો	νe	O(?)	સ્થાયી (?)	૦
અને
ઈ. પ્રતિન્યૂટ્રીનો		< 5૦eV
મ્યુઓન ન્યૂટ્રીનો	μ	O(?)	“	O
અને
મ્યુ પ્રતિ ન્યૂટ્રીનો	μ	> ૦.5 MeV
ટાઉ ન્યૂટ્રીનો	Vt	O(?)
અને		7૦		O
ટાઉ પ્રતિન્યૂટ્રીનો	t	MeV

મેસૉન

નામ	સંજ્ઞા	ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુ–અવધિ	વીજભાર	પ્રચક્રણ	ક્વાર્ક અંશ
પાયૉન	π°	135 MeV	૦.8 × 10^–16	૦	૦
(પાય–શૂન્ય)						અથવા
(pi–શૂન્ય)
(pi-ધન)	^π+	14૦ Mev	2.6 × 10^–8	+1	૦
પાયૉન
(pi-ઋણ)	^π–			–1
(K-શૂન્ય)	K°	498 MeV	લઘુ 10^–10	૦	૦
ક્રેઑન			દીર્ઘ 5 × 10^–8
(K-ઘન)	K⁺	494 MeV	1.2 × 10^–8	+1
ક્રેઑન
(K-ઋણ)	K^–			–1	‘
J/PSI	J/	3.1 GeV	1૦^–2૦	૦	1

નામ	સંજ્ઞા		ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુ–અવધિ સેકન્ડ	વીજભાર	પ્રચક્રણ	ક્વાર્ક અંશ
(D–શૂન્ય)	D°	1.87 GeV	1૦^–12	૦	૦
D
(D–ધન)	D⁺		4 × 1૦^–13	+1
અપસિલૉન	y	9.46 GeV	1૦^–2૦	૦	1

બૅરિયૉન

નામ	સંજ્ઞા		ભૌતિક ગુણધર્મો
		દળ	આયુ–અવધિ સેકન્ડ	વીજભાર	પ્રચક્રણ	ક્વાર્ક અંશ
પ્રોટૉન	p	938.3 MeV	સ્થાયી (?)	+1		uud
			> 10³² વર્ષ
પ્રતિપ્રોટૉન		“	“	–1
ન્યૂટ્રૉન	n	939.6 MeV	કેન્દ્રમાં સ્થાયી	૦		ddu
			મુક્ત 15 મિનિટ
પ્રતિન્યુટ્રૉન		“	“	૦
લેમ્બડા	∧	1.115 GeV	2.6 × 1૦^–1૦	૦		uds
પ્રતિ લેમ્બડા		1.115 GeV	“	૦
સિગ્મા (ધન)	^∑+	1.189 GeV	૦.8 × 1૦^–1૦	+1		uus
સિગ્મા (ઋણ)	^∑–	1.197 GeV	1.5 × 1૦^–1૦	–1		dds
સિગ્મા (શૂન્ય)	∑°	1.192 GeV	6 × 1૦^–2૦	૦		uds
ક્સાઈ (XI-ઋણ)	Ξ	1.321 GeV	1.6 × 1૦^–1૦	–1		dss
ક્સાઈ (XI-શૂન્ય)	Ξ°	1.315 GeV	૩ × 1૦^–1૦	૦		uss
ઓમેગા(ઋણ)	Ω	1.672 GeV	૦.8 × 1૦^–1૦	–1		sss
મોહિત (charmed)	Λc	2.28 GeV	2 × 1૦^–13	1		udc
લેમ્ડા

સુધીર પ્ર. પંડ્યા