Номер 2, страница 230 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 62. Классификация элементарных частиц. Глава 8. Элементарные частицы - номер 2, страница 230.

2. Чем отличаются фермионы от бозонов?

Решение

Фермионы и бозоны — это два фундаментальных класса элементарных частиц в квантовой физике. Они различаются по ряду ключевых характеристик, которые определяют их роль в строении Вселенной и их коллективное поведение.

1. Спин

Главное и фундаментальное различие между фермионами и бозонами заключается в значении их спина — собственного момента импульса частицы.

- Фермионы имеют полуцелый спин. Значение их спина $s$ (в единицах редуцированной постоянной Планка $\hbar$) равно $1/2, 3/2, 5/2, \dots$. К фермионам относятся все частицы, из которых состоит вещество: кварки (из них состоят протоны и нейтроны) и лептоны (электрон, мюон, тау-лептон и все виды нейтрино).

- Бозоны имеют целый спин. Значение их спина $s$ равно $0, 1, 2, \dots$. К бозонам относятся частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (так называемые калибровочные бозоны): фотон (электромагнитное), глюоны (сильное), W- и Z-бозоны (слабое). Также бозоном является бозон Хиггса (спин 0), который отвечает за наличие у частиц массы.

2. Квантовая статистика и принцип запрета Паули

Это различие является прямым следствием значения спина (в соответствии с теоремой о связи спина со статистикой).

- Фермионы подчиняются статистике Ферми-Дирака и, следовательно, принципу запрета Паули. Этот принцип утверждает, что два или более идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно это свойство объясняет структуру электронных оболочек в атомах, что делает возможным существование химии и стабильной, структурированной материи.

- Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. На них принцип запрета Паули не распространяется. Это означает, что любое количество идентичных бозонов может занимать одно и то же квантовое состояние. Это свойство лежит в основе таких макроскопических квантовых явлений, как сверхтекучесть, сверхпроводимость и работа лазеров (которые генерируют когерентный поток фотонов, находящихся в одном состоянии).

3. Роль в природе

- Фермионы — это частицы вещества. Из них построены все материальные объекты.

- Бозоны — это частицы взаимодействия (или поля). Они служат переносчиками сил между частицами вещества.

Таким образом, можно образно сказать, что фермионы — это "кирпичи" мироздания, а бозоны — "цемент", который их скрепляет.

Ответ:

Фермионы отличаются от бозонов по трем основным критериям:

1. Спин: у фермионов он полуцелый ($s = 1/2, 3/2, \dots$), а у бозонов — целый ($s = 0, 1, 2, \dots$).

2. Статистическое поведение: фермионы подчиняются принципу запрета Паули (не могут находиться в одном квантовом состоянии), а бозоны — нет (могут накапливаться в одном состоянии).

3. Роль в природе: фермионы (электроны, кварки) являются частицами вещества, в то время как бозоны (фотоны, глюоны) являются частицами-переносчиками взаимодействий или частицами полей.