Номер 1, страница 238 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 65. Взаимодействие кварков. Глава 8. Элементарные частицы - номер 1, страница 238.

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Подготовьте доклад «Виды классификаций элементарных частиц».

Подготовьте доклад «Виды классификаций элементарных частиц».

Мир элементарных частиц, фундаментальных «кирпичиков» материи, невероятно разнообразен. Для его изучения и систематизации физики разработали несколько систем классификации, основанных на различных свойствах частиц, таких как их масса, спин, состав и способность участвовать в фундаментальных взаимодействиях. Рассмотрим основные виды классификаций.

Классификация по типу взаимодействия

Это одна из наиболее фундаментальных классификаций, разделяющая частицы по их способности участвовать в сильном взаимодействии.

• Адроны (от греч. «ἁδρός» — сильный, крупный) — это частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии. Согласно современным представлениям, они не являются элементарными, а состоят из кварков. Адроны делятся на барионы и мезоны. Примерами адронов являются протон и нейтрон.
• Лептоны (от греч. «λεπτός» — лёгкий, тонкий) — частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Они участвуют в слабом и, если имеют электрический заряд, в электромагнитном взаимодействиях. В рамках Стандартной модели лептоны считаются фундаментальными, то есть бесструктурными частицами. К ним относятся электрон, мюон, тау-лептон, а также три соответствующих им вида нейтрино.

Классификация по значению спина

Спин — это собственный момент импульса частицы, одна из ее главных квантовых характеристик. По значению спина (измеряемого в единицах постоянной Планка $\hbar$) все частицы делятся на два больших класса, которые подчиняются разным законам квантовой статистики.

• Фермионы — частицы с полуцелым спином ($s = 1/2, 3/2, 5/2, \dots$). Они подчиняются статистике Ферми-Дирака и, что особенно важно, принципу запрета Паули. Этот принцип гласит, что два идентичных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно из фермионов (кварков и лептонов) состоит всё вещество во Вселенной.
• Бозоны — частицы с целым спином ($s = 0, 1, 2, \dots$). Они подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. В отличие от фермионов, в одном квантовом состоянии может находиться неограниченное количество одинаковых бозонов. К фундаментальным бозонам относятся частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюоны, $W$- и $Z$-бозоны) и бозон Хиггса. Составные частицы, состоящие из четного числа фермионов (например, мезоны), также являются бозонами.

Классификация по составу (в рамках Стандартной модели)

Наиболее современной и полной является классификация в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Она делит все частицы на фундаментальные (элементарные) и составные.

Фундаментальные частицы:

Это истинно элементарные, бесструктурные частицы, которые являются первоосновой всего сущего.

• Фундаментальные фермионы (частицы вещества): Они объединяются в три поколения, каждое из которых является более тяжелой копией предыдущего.

  • Кварки — участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они обладают свойством, называемым «цвет», и никогда не наблюдаются в свободном состоянии из-за явления конфайнмента. Существует 6 «ароматов» кварков:

    I поколение: верхний (up, $u$), нижний (down, $d$)

    II поколение: очарованный (charm, $c$), странный (strange, $s$)

    III поколение: истинный (top, $t$), прелестный (bottom, $b$)

  • Лептоны — не участвуют в сильном взаимодействии. Три заряженных лептона и три нейтральных нейтрино:

    I поколение: электрон ($e^−$), электронное нейтрино ($\nu_e$)

    II поколение: мюон ($\mu^−$), мюонное нейтрино ($\nu_\mu$)

    III поколение: тау-лептон ($\tau^−$), тау-нейтрино ($\nu_\tau$)

• Фундаментальные бозоны (переносчики взаимодействий и бозон Хиггса):

  • Калибровочные бозоны — кванты полей, переносящие фундаментальные взаимодействия:

    Фотон ($\gamma$) — переносчик электромагнитного взаимодействия (спин 1).

    Глюоны ($g$) — 8 типов, переносчики сильного взаимодействия (спин 1).

    $W^\pm$ и $Z^0$ бозоны — переносчики слабого взаимодействия (спин 1).

  • Скалярный бозон (бозон Хиггса, $H^0$) — квант поля Хиггса, которое отвечает за наличие инертной массы у фундаментальных частиц (спин 0).

Составные частицы (адроны):

Эти частицы состоят из кварков и/или антикварков, связанных сильным взаимодействием.

• Барионы — адроны, состоящие из трех кварков (антибарионы — из трех антикварков). Являются фермионами. Самые известные барионы — протон (кварковый состав $uud$) и нейтрон ($udd$).
• Мезоны — адроны, состоящие из пары кварк-антикварк. Являются бозонами. Примеры: пи-мезоны (например, $\pi^+$ состоит из $u$-кварка и $\bar{d}$-антикварка), каоны.

Историческая классификация по массе

На заре физики частиц, когда их было открыто не так много, использовалась простая классификация по массе покоя. Хотя сегодня она считается устаревшей, она важна для понимания истории развития науки.

• Лептоны — «легкие частицы» (электрон, нейтрино).
• Мезоны — «средние частицы» с массой, промежуточной между массой лептонов и барионов (пи-мезоны, каоны).
• Барионы — «тяжелые частицы» (протон, нейтрон и более тяжелые гипероны).

Эта классификация оказалась несостоятельной после открытия в 1975 году тау-лептона ($\tau^−$), который по своим свойствам является лептоном, но при этом его масса почти в два раза больше массы протона (бариона).

Ответ:

Представлен доклад, в котором рассмотрены основные виды классификаций элементарных частиц. Ключевыми являются:

1. Классификация по типу взаимодействия, разделяющая частицы на адроны и лептоны.

2. Классификация по спину, разделяющая частицы на фермионы (составляющие вещество) и бозоны (переносящие взаимодействия).

3. Классификация в рамках Стандартной модели, которая делит частицы на фундаментальные (кварки, лептоны, калибровочные бозоны, бозон Хиггса) и составные (адроны: барионы и мезоны).

Также упомянута историческая, но устаревшая классификация по массе.