Номер 4, страница 106 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

4. Может ли какая-либо частица иметь заряд, превышающий заряд электрона в 2,5 раза?

Дано:

Предполагается существование частицы с зарядом $q_{ч}$, для которого выполняется условие:

где $|e|$ - элементарный заряд (модуль заряда электрона).

Найти:

Может ли существовать такая частица в свободном состоянии?

Решение:

В основе ответа лежит фундаментальный физический принцип — принцип дискретности (квантования) электрического заряда. Этот принцип гласит, что заряд любого макроскопического тела или свободно существующей элементарной частицы всегда кратен элементарному электрическому заряду $e$.

Математически это выражается формулой:

В этой формуле $q$ — это заряд объекта, $e$ — элементарный заряд (по модулю равный заряду электрона, $|e| \approx 1.6 \times 10^{-19}$ Кл), а $N$ — это обязательно целое число ($N = 0, \pm1, \pm2, \ldots$).

Рассмотрим условие задачи. Нам дана гипотетическая частица с зарядом $q_{ч} = 2.5 \cdot |e|$. Если бы такая частица существовала, то для нее коэффициент кратности $N$ был бы равен 2,5.

Однако число 2,5 не является целым. Это прямо противоречит принципу квантования заряда, который является одним из наиболее строго установленных законов природы. Невозможно отделить или добавить к телу дробную часть элементарного заряда.

Стоит упомянуть, что в Стандартной модели физики элементарных частиц существуют кварки, которые имеют дробные заряды (например, u-кварк с зарядом $+{2 \over 3}e$ и d-кварк с зарядом $-{1 \over 3}e$). Однако кварки не могут существовать в свободном состоянии из-за явления, называемого цветовым удержанием (конфайнментом). Они всегда объединяются в составные частицы (адроны, такие как протоны и нейтроны) таким образом, что суммарный заряд адрона всегда является целым кратным $e$. Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, и его заряд равен $(+{2 \over 3} + {2 \over 3} - {1 \over 3})e = +1e$.

Таким образом, свободно существующая частица с зарядом, в 2,5 раза превышающим заряд электрона, невозможна.

Ответ: Нет, такая частица существовать не может. Согласно принципу квантования заряда, заряд любой свободно существующей частицы должен быть равен целому числу элементарных зарядов ($q=N \cdot e$, где $N$ — целое число). Коэффициент 2,5 не является целым.