Номер 4, страница 238 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 65. Взаимодействие кварков. Глава 8. Элементарные частицы - номер 4, страница 238.

4. Перечислите и охарактеризуйте частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий.

В современной физике, согласно Стандартной модели, взаимодействия между элементарными частицами материи (фермионами) осуществляются путем обмена калибровочными бозонами — частицами-переносчиками взаимодействия. Существует четыре фундаментальных взаимодействия, каждому из которых соответствует свой переносчик (или переносчики).

Сильное взаимодействие

Это взаимодействие отвечает за связь кварков внутри адронов (протонов, нейтронов) и за удержание нуклонов в атомном ядре. Оно является самым сильным из четырех взаимодействий, но действует на очень коротких расстояниях.

Частица-переносчик:глюон (от англ. glue — клей).

Символ: $g$.

Масса: $0$. Глюоны являются безмассовыми частицами.

Спин: $1$.

Электрический заряд: $0$.

Особые свойства: Глюоны несут так называемый "цветовой заряд". Из-за этого глюоны могут взаимодействовать не только с кварками, но и друг с другом. Это свойство приводит к явлению конфайнмента (невозможности существования кварков в свободном состоянии) и асимптотической свободы.

Радиус действия: Очень малый, порядка размера атомного ядра ($ \sim 10^{-15} $ м).

Электромагнитное взаимодействие

Этим взаимодействием описываются все электрические и магнитные явления. Оно отвечает за притяжение и отталкивание электрически заряженных частиц, а его квантом является фотон — частица света.

Частица-переносчик:фотон.

Символ: $\gamma$.

Масса: $0$. Фотоны безмассовы и всегда движутся со скоростью света в вакууме.

Спин: $1$.

Электрический заряд: $0$.

Радиус действия: Бесконечный. Сила взаимодействия убывает с расстоянием пропорционально $1/r^2$.

Слабое взаимодействие

Отвечает за процессы радиоактивного распада (например, бета-распад) и за взаимодействия с участием нейтрино. Оно значительно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий.

Частицы-переносчики:промежуточные векторные бозоны: $W^+$, $W^-$ и $Z^0$-бозоны.

Символы: $W^+$, $W^-$, $Z^0$.

Масса: Очень большая. Масса $W$-бозонов составляет примерно $80,4$ ГэВ/c$^2$, а масса $Z^0$-бозона — около $91,2$ ГэВ/c$^2$. Это почти в 100 раз больше массы протона.

Спин: $1$.

Электрический заряд: $W^+$-бозон несет заряд $+1e$, $W^-$-бозон — $-1e$, а $Z^0$-бозон электрически нейтрален.

Радиус действия: Крайне малый, около $10^{-18}$ м. Большой массой переносчиков объясняется как малый радиус, так и "слабость" этого взаимодействия на больших расстояниях.

Гравитационное взаимодействие

Самое слабое из всех взаимодействий, но действующее на всех без исключения расстояниях. Это взаимодействие, которому подчиняются все объекты, обладающие массой или энергией.

Частица-переносчик:гравитон (гипотетическая частица).

Символ: $G$ (иногда используется).

Масса: Предположительно $0$.

Спин: Предположительно $2$.

Электрический заряд: $0$.

Особые свойства: Гравитон до сих пор не был экспериментально обнаружен. Его существование предсказывается квантовыми теориями гравитации, но его включение в Стандартную модель является одной из главных нерешенных проблем физики.

Радиус действия: Бесконечный.

Ответ:

Частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий являются калибровочные бозоны:

1. Сильное взаимодействие: переносчик — глюон ($g$). Это безмассовая, электрически нейтральная частица со спином 1, обладающая цветовым зарядом.

2. Электромагнитное взаимодействие: переносчик — фотон ($\gamma$). Это безмассовая, электрически нейтральная частица со спином 1.

3. Слабое взаимодействие: переносчики — $W^+$, $W^-$ и $Z^0$-бозоны. Это массивные частицы со спином 1. $W$-бозоны электрически заряжены ($+e$ и $-e$), а $Z$-бозон нейтрален.

4. Гравитационное взаимодействие: гипотетический переносчик — гравитон. Предполагается, что это безмассовая, нейтральная частица со спином 2.