Номер 5, страница 233 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 63. Лептоны и адроны. Глава 8. Элементарные частицы - номер 5, страница 233.

5. Как происходит бета-распад с участием промежуточного W-бозона?

Бета-распад является проявлением слабого ядерного взаимодействия. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, этот процесс происходит не напрямую, а через испускание и последующий распад виртуального промежуточного векторного бозона — $W^-$ или $W^+$. Эти бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия.

Существует несколько видов бета-распада, и в каждом из них механизм с участием W-бозона является ключевым.

Бета-минус (β⁻) распад

При бета-минус распаде один из нейтронов ($n$) в атомном ядре превращается в протон ($p$). Этот процесс сопровождается испусканием электрона ($e^-$) и электронного антинейтрино ($\bar{\nu}_e$).

На более фундаментальном, кварковом уровне, процесс выглядит следующим образом. Нейтрон состоит из одного верхнего (up) и двух нижних (down) кварков ($n = udd$), а протон — из двух верхних и одного нижнего ($p = uud$). Во время распада один из d-кварков нейтрона превращается в u-кварк. Это превращение происходит путем испускания виртуального $W^-$-бозона:

$d \rightarrow u + W^-$

$W^-$-бозон является чрезвычайно массивной и нестабильной частицей, поэтому он практически мгновенно распадается на лептоны — электрон и электронное антинейтрино:

$W^- \rightarrow e^- + \bar{\nu}_e$

Таким образом, суммарная реакция для распада нейтрона выглядит так:

$n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$

Примером такого распада является превращение углерода-14 в азот-14:

$^{14}_{6}C \rightarrow ^{14}_{7}N + e^- + \bar{\nu}_e$

Ответ: При β⁻-распаде один из d-кварков нейтрона превращается в u-кварк, испуская виртуальный $W^-$-бозон. Этот бозон немедленно распадается на электрон и электронное антинейтрино.

Бета-плюс (β⁺) распад

При бета-плюс распаде (позитронном распаде) один из протонов ($p$) в ядре превращается в нейтрон ($n$), при этом испускаются позитрон ($e^+$) — античастица электрона — и электронное нейтрино ($\nu_e$). Этот процесс возможен только внутри атомных ядер, так как масса покоя протона меньше массы покоя нейтрона.

На кварковом уровне один из u-кварков протона ($p = uud$) превращается в d-кварк ($n = udd$), испуская виртуальный $W^+$-бозон:

$u \rightarrow d + W^+$

Промежуточный $W^+$-бозон, как и $W^-$-бозон, нестабилен и сразу же распадается на позитрон и электронное нейтрино:

$W^+ \rightarrow e^+ + \nu_e$

Суммарная реакция для превращения протона в нейтрон внутри ядра:

$p \rightarrow n + e^+ + \nu_e$

Примером может служить распад магния-23 в натрий-23:

$^{23}_{12}Mg \rightarrow ^{23}_{11}Na + e^+ + \nu_e$

Ответ: При β⁺-распаде один из u-кварков протона превращается в d-кварк, испуская виртуальный $W^+$-бозон. Этот бозон немедленно распадается на позитрон и электронное нейтрино.

Электронный захват (ε-захват)

Электронный захват — это процесс, при котором протон ядра захватывает один из электронов с внутренних электронных оболочек атома (чаще всего с K-оболочки) и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино.

На кварковом уровне u-кварк протона взаимодействует с захваченным электроном ($e^-$), превращаясь в d-кварк. Это взаимодействие также опосредовано виртуальным $W^+$-бозоном. Можно представить это так: u-кварк испускает $W^+$-бозон, превращаясь в d-кварк, а этот $W^+$-бозон затем взаимодействует с электроном, в результате чего образуется нейтрино.

Реакция на кварковом уровне:

$u + e^- \rightarrow d + \nu_e$

Суммарная реакция для всего процесса:

$p + e^- \rightarrow n + \nu_e$

Пример электронного захвата — превращение калия-40 в аргон-40:

$^{40}_{19}K + e^- \rightarrow ^{40}_{18}Ar + \nu_e$

Ответ: При электронном захвате u-кварк протона взаимодействует с орбитальным электроном через обмен виртуальным $W^+$-бозоном, в результате чего образуются d-кварк (превращая протон в нейтрон) и электронное нейтрино.