Номер 5, страница 365 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Электростатика. 14. Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Параграф 77. Электрический заряд. Квантование заряда - номер 5, страница 365.

Условие.

5. Почему экспериментальное обнаружение кварков не нарушает принцип квантования заряда?

Решение.

5. Принцип квантования электрического заряда гласит, что любой свободно существующий в природе электрический заряд $q$ кратен элементарному заряду $e$: $q = n \cdot e$, где $n$ — целое число, а $e \approx 1,602 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Гипотеза о существовании кварков, подтвержденная экспериментально, ввела в физику частицы с дробными электрическими зарядами. Например, верхний (u) кварк имеет заряд $+ \frac{2}{3}e$, а нижний (d) кварк — заряд $- \frac{1}{3}e$. На первый взгляд, это кажется прямым нарушением принципа квантования заряда.

Однако противоречие снимается благодаря фундаментальному свойству сильного взаимодействия, которое описывается квантовой хромодинамикой, — конфайнменту (в переводе — «удержание» или «невылетание»). Конфайнмент заключается в том, что кварки не могут существовать в свободном, изолированном состоянии. Они всегда связаны друг с другом, образуя составные частицы — адроны (например, барионы, состоящие из трёх кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка).

Важно, что комбинации кварков в адронах всегда таковы, что их суммарный электрический заряд оказывается целочисленным кратным элементарного заряда $e$. Например:

• Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (состав $uud$). Его суммарный заряд: $q_p = (+\frac{2}{3}e) + (+\frac{2}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) = +1e$.
• Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (состав $udd$). Его суммарный заряд: $q_n = (+\frac{2}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) + (-\frac{1}{3}e) = 0$.

Поскольку в экспериментах наблюдаются только частицы со свободным существованием (лептоны, как электрон, и адроны, как протон), а не отдельные кварки, то любой наблюдаемый свободный заряд по-прежнему является кратным $e$. Таким образом, принцип квантования заряда не нарушается.

Более того, открытие кварков позволило углубить понимание этого принципа. Можно считать, что истинным квантом заряда является не $e$, а его треть, то есть $\frac{e}{3}$. Тогда заряды абсолютно всех известных частиц (и кварков, и лептонов, и адронов) оказываются целочисленными кратными этой новой, более фундаментальной величины. Например, заряд u-кварка равен $2 \cdot (\frac{e}{3})$, а заряд электрона равен $-3 \cdot (\frac{e}{3})$.

Ответ: Экспериментальное обнаружение кварков с их дробными зарядами не нарушает принцип квантования заряда, потому что из-за явления конфайнмента кварки не могут существовать в свободном состоянии. Они всегда объединены в адроны (протоны, нейтроны и т.д.), суммарный заряд которых всегда является целым кратным элементарному заряду $e$. Таким образом, любой свободно существующий и наблюдаемый в опыте заряд подчиняется принципу квантования.