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物理科学において、粒子（古い文献では微粒子）は、より大きなシステムを構成する独立した部分です。システムによって、粒子の大きさや量は大きく異なり、電子のような素粒子から、原子や分子のような微粒子、粉末やその他の粒状物質のような巨視的な粒子まで多岐にわたります。粒子は、群衆の中を移動する人間、軌道上の天体、宇宙の膨張における銀河など、非常に大きなシステムの中にある大きな物体の科学モデルを作成するためにも使用できます。
一部の分野では、粒子は体積、密度、質量などのいくつかの物理的または化学的特性によって記述できる小さな局所的な物体です。[ 1 ] [ 2 ]粒子 という用語は意味がかなり一般的で、さまざまな科学分野で必要に応じて洗練されています。粒子で構成されているものはすべて、粒子状であると言われることがあります。[ 3 ]ただし、名詞の粒子状は、地球の大気中の汚染物質を指すために最も頻繁に使用されます。汚染物質は、連結した粒子の集合体ではなく、連結していない粒子の懸濁液です。
物理学では、粒子の概念は自然をモデル化する 際に単純化の仮定を行うために使用できます。たとえば、空中に投げられた野球ボールの着地位置と速度を計算するには、回転、浮力、摩擦を無視して、野球ボールを剛体で滑らかな球体として理想化し、問題を古典力学の弾道学に還元することができます。[ 4 ]
「粒子」という用語は、通常、3 つのサイズのクラスに異なる意味で適用されます。マクロ粒子という用語は、通常、原子や分子よりもはるかに大きな粒子を指します。これらは、体積、形状、構造などを持っているにもかかわらず、通常は点状粒子として抽象化されます。マクロ粒子の例としては、粉末、塵、砂、自動車事故の破片、あるいは銀河の星ほど大きな物体などが挙げられます。[ 5 ] [ 6 ]
もう一つの種類である微粒子は、通常、二酸化炭素、ナノ粒子、コロイド粒子など、原子から分子までの大きさの粒子を指します。これらの粒子は、化学だけでなく、原子物理学や分子物理学でも研究されています。
最も小さい粒子は素粒子であり、原子よりも小さい粒子を指します。[ 7 ]これには、原子の構成要素である陽子、中性子、電子などの粒子や、粒子加速器や宇宙線でのみ生成される他の種類の粒子が含まれます。これらの粒子は素粒子物理学で研究されています。
極めて小さいサイズのため、微視的および亜原子粒子の研究は量子力学の領域に属します。それらは、箱の中の粒子モデルで実証された現象[ 8 ] [ 9 ] 、波動粒子二重性[ 10 ] [ 11 ]などを示し、粒子を別個のものとみなせるか同一とみなせるか[ 12 ] [ 13 ]は多くの状況で重要な問題となります。
素粒子物理学では、質量のある粒子は静止質量がゼロでない素粒子であり、質量のない粒子は静止質量がゼロである。[ 14 ]： 436光子とグルーオンは質量がない。仮説上の重力子は質量がないと予想されている。他の既知の素粒子はすべて質量を持つ。[ 15 ] [ 16 ]
原子の質量は、陽子と中性子からなる原子核に圧倒的に集中しており、陽子と中性子はそれぞれ電子の1800倍以上の質量を持っています。陽子と中性子はクォークとグルーオンから構成されているため、この質量は主にクォークとグルーオンの相互作用に由来します。電子と電子と陽子の電磁結合によって、さらにいくらかの質量が加わります。[ 15 ]
質量のある粒子は光速よりも遅い速度で移動しなければならない。一方、質量のない粒子は光速で移動しなければならない。 [ 16 ]
静止質量（粒子とともに静止した系で観測される質量）は、粒子間の相互作用では保存されない。質量のある粒子は質量のない粒子に崩壊することがあり、質量のない粒子は結合して質量のある粒子を生成することがある。例えば、中性パイ中間子は質量があるが、約10⁻¹⁶秒で2つの光子に崩壊する。[ 14 ]： 436
粒子は素粒子または複合粒子である。複合粒子は他の粒子から構成される。[ 17 ]例えば、陽子はクォークから構成される。対照的に、素粒子（基本粒子とも呼ばれる）は他の粒子から構成されていない。[ 18 ]現在の知識によれば、レプトン、クォーク、グルーオンなど、ごく少数の素粒子しか存在しないが、現在知られていない方法で複合粒子である可能性もある。 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]複合粒子は内部構造を持つものの、点状とみなされることが非常に多いが、素粒子はこれまでのところ構造を持たないことがわかっている。[ 22 ]
素粒子（ミューオンなど）と複合粒子（ウラン原子核など）はどちらも粒子崩壊を起こすことが知られています。崩壊を起こさない粒子は安定粒子と呼ばれ、電子やヘリウム4原子核などがこれに該当します。安定粒子の寿命は無限である場合もあれば、崩壊を観測しようとする試みを妨げるほど長い場合もあります。後者の場合、これらの粒子は「観測的に安定」と呼ばれます。一般に、粒子は高エネルギー状態から低エネルギー状態へ、光子の放出などの何らかの放射線を放出することによって崩壊します。
相互作用する粒子が多数存在する物理系では、個々の粒子の運動を解析することは非現実的です。例えば、1グラムのO₂には分子。これらの場合、粒子の特性からエネルギーなどの平均量を予測できる統計的手法が開発されています。[ 23 ]この手法は、熱力学、理想気体の法則、ブラウン運動の理解のための理論的基礎を提供します。[ 24 ]
天体物理学では、「粒子」という概念が様々なレベルで用いられています。粒子放射線は恒星から放出され、宇宙線は高エネルギー粒子（主に裸の原子核）であり、惑星環の構成要素、太陽風の構成要素、流星、太陽内部の水素原子核、惑星に集積する塵粒子、星間ガスが収縮して恒星を形成する際にも用いられます。[ 25 ] 恒星を表す点粒子の自己重力系は、銀河形成のモデル化に用いられます。[ 26 ] : 85
計算物理学では、N体シミュレーション（N粒子シミュレーションとも呼ばれる）は、重力の影響を受けるなどの特定の条件下にある粒子の動的システムのシミュレーションである。[ 27 ]これらのシミュレーションは、宇宙論や計算流体力学でよく見られる。
Nは考慮される粒子の数を表します。Nが大きいほどシミュレーションの計算負荷が高くなるため、実際の粒子数が多いシステムはより少ない粒子数で近似されることが多く、シミュレーションアルゴリズムはさまざまな方法で最適化する必要があります。[ 27 ]
大気科学において、粒子とは、体積、密度、質量などのいくつかの物理的または化学的特性によって記述できる、局所的な小さな物体である。[ 1 ]塵、すす、煙は粒子状物質のより大きな形態であり、より小さな形態は原子や分子である。[ 28 ]
土壌は粒子から構成されていると考えられています。土壌中の個々の粒子は固体であり、液体中の粒子のように互いに容易に相対的に動くことはできません。土壌にかかる力は、土壌粒子間の接触点を介して伝達され、その力の一部は粒子を変形させます。粒子は、その力に応じて互いに滑り合います。[ 29 ]
コロイド粒子はコロイドの構成要素です。コロイドとは、別の物質全体に微細に均一に分散した物質です。[ 30 ]このようなコロイド系は、固体、液体、気体、連続相、分散相のいずれにもなり得ます。分散相粒子の直径は約5～200ナノメートルです。[ 31 ]これより小さい可溶性粒子は、コロイドではなく溶液を形成します。コロイド系（コロイド溶液またはコロイド懸濁液とも呼ばれる）は、界面科学およびコロイド科学の対象です。懸濁固体は液体中に保持されることがあり、固体または液体の粒子が気体中に懸濁するとエアロゾルを形成します。粒子は、大気汚染を構成する可能性のある大気浮遊粒子状物質の形で懸濁されることもあります。より大きな粒子は、同様に海洋ゴミや宇宙ゴミを形成する可能性があります。個々の固体巨視的粒子の集合体は、粒状物質として記述できます。
「粒子状」という言葉は、「粒子系の、または粒子系に関する」という意味です。
粒子と呼ぶ。粒子は、点の近似値となるほど小さい場合もあれば、粒子に作用するすべての力の作用線が一点で交わる限り、どんな大きさでもよい。
「粒子状」という言葉は、「粒子系の、または粒子系に関する」という意味です。
