Страница 230 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

ВОПРОСЫ

1. Дайте определения элементарных и фундаментальных частиц.

Понятия "элементарная частица" и "фундаментальная частица" тесно связаны, но имеют некоторые различия в зависимости от контекста, в котором они используются. Часто их используют как синонимы, но в строгой физической терминологии существует важное различие.

Элементарные частицы

Исторически, термин "элементарная частица" использовался для обозначения мельчайших, неделимых частиц материи, из которых состоит все вещество. В разное время элементарными считались атомы, затем — протоны, нейтроны и электроны. С развитием физики высоких энергий выяснилось, что многие из этих частиц, в свою очередь, являются составными. Например, протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц — кварков.

Таким образом, в широком смысле, элементарными частицами называют большую группу субатомных частиц, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона). Этот термин охватывает как истинно неделимые частицы, так и составные (адроны, состоящие из кварков, например, протон и нейтрон). Это более общее и менее строгое определение, часто используемое в общем контексте ядерной физики и физики частиц.

Ответ: Элементарная частица — это обобщенный термин для всех субатомных частиц, которые не являются ядрами атомов. Этот класс включает в себя как истинно бесструктурные частицы, так и частицы, имеющие внутреннюю структуру (например, протоны и нейтроны).

Фундаментальные частицы

Термин "фундаментальная частица" является более строгим и современным. Он используется в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Фундаментальные частицы — это частицы, которые, согласно современным представлениям и экспериментальным данным, не имеют внутренней структуры и не состоят из других частиц. Их можно считать "первокирпичиками" вселенной. Они являются точечными объектами (в пределах точности современных измерений).

Все фундаментальные частицы, описываемые Стандартной моделью, делятся на три категории:

• Кварки: частицы, из которых состоят адроны (в том числе протоны и нейтроны). Существует 6 "ароматов" кварков: верхний (up), нижний (down), странный (strange), очарованный (charmed), прелестный (bottom) и истинный (top).
• Лептоны: к ним относятся электрон, мюон, тау-лептон, а также три вида нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). В отличие от кварков, лептоны не участвуют в сильном ядерном взаимодействии.
• Калибровочные бозоны: частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. К ним относятся фотон (электромагнитное взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Также к этой группе можно условно отнести гипотетический гравитон (гравитационное взаимодействие).
• Бозон Хиггса: частица, отвечающая за наличие инертной массы у фундаментальных частиц.

Таким образом, все фундаментальные частицы являются элементарными, но не все элементарные частицы (в широком понимании) являются фундаментальными. Например, протон — элементарная частица, но не фундаментальная, так как он состоит из кварков.

Ответ: Фундаментальная частица — это частица, которая в рамках Стандартной модели считается бесструктурной, точечной и не состоящей из других частиц. Это истинные "первокирпичики" материи и переносчики взаимодействий (кварки, лептоны, калибровочные бозоны и бозон Хиггса).

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.