Страница 233 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. На какие две группы делятся все элементарные частицы по отношению к сильному взаимодействию?

На какие две группы делятся все элементарные частицы по отношению к сильному взаимодействию?

По способности участвовать в сильном взаимодействии все частицы, включая элементарные и составные, делятся на две большие группы: адроны и лептоны.

Адроны (от греч. ἁδρός — сильный, крупный) — это класс частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии. Это самая многочисленная группа частиц. Важно отметить, что адроны не являются истинно элементарными частицами, так как они имеют внутреннюю структуру и состоят из более фундаментальных частиц — кварков и антикварков, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием, переносимым глюонами. Адроны, в свою очередь, делятся на две подгруппы:

• Барионы — состоят из трех кварков (например, протон и нейтрон).
• Мезоны — состоят из одного кварка и одного антикварка.

Лептоны (от греч. λεπτός — легкий, тонкий) — это частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии. Они участвуют в слабом, электромагнитном (если имеют электрический заряд) и гравитационном взаимодействиях. В отличие от адронов, лептоны, согласно Стандартной модели, являются истинно элементарными, то есть бесструктурными, точечными частицами. К лептонам относятся:

• Электрон, мюон и тау-лептон (заряженные лептоны).
• Электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино (нейтральные лептоны).

Таким образом, хотя в вопросе говорится об "элементарных частицах", классификация на адроны и лептоны является общепринятой для разделения частиц по их участию в сильном взаимодействии.

Ответ: По отношению к сильному взаимодействию все частицы делятся на две группы: адроны (участвуют в сильном взаимодействии) и лептоны (не участвуют в сильном взаимодействии).

2. Какие фундаментальные частицы относят к лептонам?

Лептоны — это класс фундаментальных частиц, которые относятся к фермионам (имеют спин $1/2$) и не участвуют в сильном ядерном взаимодействии. Своё название они получили от греческого слова "leptos" (λεπτός), что означает «лёгкий», так как первые открытые лептоны (электрон и мюон) были значительно легче адронов. Лептоны подвержены гравитационному, слабому и, если заряжены, электромагнитному взаимодействиям.

Согласно Стандартной модели, существует шесть типов (или "ароматов") лептонов, которые объединяются в три поколения. Каждое поколение состоит из одного отрицательно заряженного лептона и одного связанного с ним нейтрального лептона — нейтрино. С каждым поколением масса частиц увеличивается.

Первое поколение:

• Электрон ($e^-$): стабильная частица, носитель отрицательного элементарного заряда, входит в состав атомов.

• Электронное нейтрино ($ν_e$): электрически нейтральная частица с очень малой, но отличной от нуля массой.

Второе поколение:

• Мюон ($\mu^-$): нестабильная частица, по свойствам аналогичная электрону, но примерно в 207 раз тяжелее.

• Мюонное нейтрино ($ν_\mu$): нейтральная частица, сопутствующая мюону в реакциях.

Третье поколение:

• Тау-лептон ($\tau^-$): самый массивный из лептонов (тяжелее протона), очень нестабилен.

• Тау-нейтрино ($ν_\tau$): нейтральная частица, ассоциированная с тау-лептоном.

У каждого из шести лептонов есть своя античастица (антилептон). Античастицы имеют ту же массу и спин, но противоположные по знаку электрический заряд и лептонные числа. Например, античастица электрона называется позитрон ($e^+$), а античастица электронного нейтрино — электронное антинейтрино ($\bar{ν}_e$).

Ответ: К фундаментальным частицам, которые относятся к лептонам, принадлежат шесть частиц, образующих три поколения:

1. Электрон ($e^-$) и электронное нейтрино ($ν_e$).

2. Мюон ($\mu^-$) и мюонное нейтрино ($ν_\mu$).

3. Тау-лептон ($\tau^-$) и тау-нейтрино ($ν_\tau$).

Для каждой из этих частиц существует соответствующая античастица.

3. Какие элементарные частицы относят к адронам?

Адроны (от греческого ἁδρός — сильный, крупный) — это класс составных субатомных частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии. В отличие от фундаментальных частиц, таких как лептоны (например, электрон) и кварки, адроны имеют внутреннюю структуру. Согласно Стандартной модели, они состоят из кварков и антикварков, связанных вместе глюонами — носителями сильного ядерного взаимодействия.

Адроны делятся на две основные группы в зависимости от их кваркового состава и спина: барионы и мезоны.

Барионы

Барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (в случае антибарионов — из трех антикварков). Они являются фермионами, то есть обладают полуцелым спином ($1/2$, $3/2$ и т.д.). Самые известные и стабильные барионы — это протон и нейтрон, которые являются основными компонентами атомных ядер.

Протон (p): состоит из двух верхних (up) кварков и одного нижнего (down) кварка (кварковый состав — $uud$). Является стабильной частицей.

Нейтрон (n): состоит из одного верхнего и двух нижних кварков (кварковый состав — $udd$). В свободном состоянии нестабилен, но стабилен внутри атомных ядер.

К барионам также относятся более тяжелые и нестабильные гипероны (лямбда- (Λ), сигма- (Σ), кси- (Ξ) и омега- (Ω) гипероны), которые содержат один или несколько странных (strange) кварков.

Мезоны

Мезоны — это адроны, состоящие из одной пары кварк-антикварк. Они являются бозонами, то есть обладают целым спином ($0, 1, 2$ и т.д.). Все мезоны нестабильны и имеют очень короткое время жизни. Примеры мезонов:

Пи-мезоны (пионы, π): самые легкие мезоны, состоят из верхних и нижних кварков и антикварков. Например, $π^+$-мезон имеет состав $u\bar{d}$ (верхний кварк и анти-нижний антикварк).

Ка-мезоны (каоны, K): содержат один странный кварк или антикварк.

Другие примеры включают D-мезоны (содержат очарованный (charm) кварк) и B-мезоны (содержат прелестный (bottom) кварк).

Экзотические адроны

В последние десятилетия были экспериментально подтверждены частицы, которые также участвуют в сильном взаимодействии, но не укладываются в простую схему "три кварка" или "кварк-антикварк". Их называют экзотическими адронами. К ним относятся:

Тетракварки: состоят из четырех валентных кварков (двух кварков и двух антикварков).

Пентакварки: состоят из пяти валентных кварков (четырех кварков и одного антикварка).

Существование глюболов (частиц, состоящих только из глюонов) пока гипотетическое.

Ответ: К адронам относят класс составных субатомных частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков. Адроны подразделяются на два основных семейства: барионы (состоящие из трех кварков, например, протон и нейтрон) и мезоны (состоящие из пары кварк-антикварк, например, пионы и каоны). Также существуют экзотические адроны, такие как тетракварки и пентакварки.

4. Какие частицы переносят слабое взаимодействие? Когда они были открыты?

Слабое взаимодействие, одно из четырех фундаментальных взаимодействий в Стандартной модели, переносится тремя типами калибровочных бозонов. Эти частицы-переносчики называются промежуточными векторными бозонами. К ним относятся два заряженных $W$-бозона ($W^+$ и $W^-$) и один электрически нейтральный $Z$-бозон ($Z^0$).

$W$-бозоны отвечают за так называемые взаимодействия заряженных токов. Именно при обмене этими частицами происходит изменение типа (или, как говорят физики, «аромата») кварков и лептонов. Классическим примером такого процесса является бета-распад нейтрона, где d-кварк в составе нейтрона превращается в u-кварк, испуская $W^-$-бозон, который затем распадается на электрон и антинейтрино. $Z$-бозон является переносчиком взаимодействий нейтральных токов, в которых ароматы частиц не изменяются.

Существование и свойства $W$- и $Z$-бозонов были теоретически предсказаны в 1960-х годах в рамках теории электрослабого взаимодействия, объединившей электромагнетизм и слабое взаимодействие. За создание этой теории Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году.

Экспериментально эти частицы были открыты значительно позже из-за их очень большой массы (примерно в 80-90 раз массивнее протона), для рождения которой требовались ускорители с огромной энергией. Открытие состоялось в 1983 году в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) в экспериментах UA1 и UA2 на протон-антипротонном коллайдере SPS. Это выдающееся достижение, подтвердившее Стандартную модель, принесло Нобелевскую премию по физике 1984 года руководителям экспериментов Карло Руббиа и Симону ван дер Меру.

Ответ: Слабое взаимодействие переносят промежуточные векторные бозоны: заряженные $W^+$- и $W^-$-бозоны и нейтральный $Z^0$-бозон. Они были экспериментально открыты в 1983 году.

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.