Ответьте на вопросы, страница 240 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему нельзя утверждать, что нейтрон состоит из протона?

2. Почему при столкновении быстрых частиц появляются частицы с массой, превышающей массу сталкивающихся?

3. Почему для ускорения частиц до скоростей, близких к космическим, необходим ускоритель больших размеров?

1. Почему нельзя утверждать, что нейтрон состоит из протона?

Утверждение о том, что нейтрон состоит из протона (и электрона), является устаревшей гипотезой, которая была опровергнута по нескольким причинам.

Во-первых, согласно современной физике элементарных частиц (Стандартной модели), и протон, и нейтрон являются составными частицами, но состоят они не друг из друга, а из более фундаментальных частиц — кварков. Протон состоит из двух верхних (up) и одного нижнего (down) кварка (конфигурация $uud$), а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков (конфигурация $udd$).

Во-вторых, существуют строгие квантово-механические запреты. Спин (собственный момент импульса) протона, электрона и нейтрона равен $1/2$. Если бы нейтрон состоял из протона и электрона, то по законам сложения моментов в квантовой механике, их суммарный спин мог бы быть равен только 0 или 1, но никак не $1/2$.

Хотя свободный нейтрон действительно распадается на протон, электрон и антинейтрино ($n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}_{e}$), этот процесс (бета-распад) не является простым разделением на составные части. Это фундаментальное превращение, опосредованное слабым взаимодействием, в ходе которого один из d-кварков нейтрона превращается в u-кварк, а электрон и антинейтрино *рождаются* в процессе распада, а не содержатся в нейтроне изначально. Масса нейтрона немного больше суммы масс протона и электрона, и эта разница в массе-энергии как раз и позволяет произойти такому распаду.

Ответ: Нельзя утверждать, что нейтрон состоит из протона, потому что, во-первых, оба они состоят из кварков (разного набора), а во-вторых, это противоречит законам сохранения в квантовой механике (в частности, закону сложения спинов).

2. Почему при столкновении быстрых частиц появляются частицы с массой, превышающей массу сталкивающихся?

Это явление объясняется одним из фундаментальных принципов специальной теории относительности — эквивалентностью массы и энергии. Этот принцип выражается знаменитой формулой Эйнштейна $E=mc^2$, где $E$ — полная энергия, $m$ — масса, а $c$ — скорость света в вакууме.

В отличие от классической механики, где масса сохраняется, в релятивистской физике сохраняется полная энергия системы. Полная энергия частицы складывается из её энергии покоя ($E_0=m_0c^2$, где $m_0$ — масса покоя) и кинетической энергии движения ($E_k$).

При столкновении быстрых (релятивистских) частиц их кинетическая энергия может быть колоссальной. В момент столкновения эта огромная кинетическая энергия, наряду с энергией покоя исходных частиц, становится доступной для преобразования. Часть этой общей энергии может перейти в массу покоя новых, более тяжелых частиц, которые рождаются в результате взаимодействия.

Таким образом, суммарная масса частиц после столкновения может оказаться больше суммарной массы частиц до столкновения. "Дополнительная" масса возникает за счет преобразования кинетической энергии исходных частиц. Именно на этом принципе основана работа всех современных коллайдеров, таких как Большой адронный коллайдер, где, сталкивая протоны, физики получают и изучают гораздо более массивные частицы (например, бозон Хиггса).

Ответ: Появление более массивных частиц происходит благодаря преобразованию огромной кинетической энергии сталкивающихся частиц в энергию покоя (массу) новых частиц в соответствии с принципом эквивалентности массы и энергии $E=mc^2$.

3. Почему для ускорения частиц до скоростей, близких к космическим, необходим ускоритель больших размеров?

В контексте физики элементарных частиц под "космическими скоростями" обычно понимают не скорости космических аппаратов, а релятивистские скорости, близкие к скорости света ($c$). Достижение таких скоростей (и соответствующих им огромных энергий) требует ускорителей больших размеров по причинам, зависящим от типа ускорителя.

Основной тип ускорителей для достижения предельных энергий — это кольцевые ускорители (синхротроны), такие как Большой адронный коллайдер (БАК). Главная проблема при ускорении в них — это синхротронное излучение. Любая заряженная частица, движущаяся по криволинейной траектории (в кольце), испытывает ускорение, направленное к центру, и в результате излучает электромагнитные волны, теряя при этом энергию.

Мощность этих потерь энергии растет чрезвычайно быстро с увеличением энергии частицы (пропорционально четвертой степени энергии, $E^4$) и обратно пропорциональна радиусу кольца ($R$). Чтобы минимизировать эти катастрофические потери энергии при достижении очень высоких значений $E$, необходимо делать радиус кривизны траектории $R$ как можно большим. Больший радиус означает более плавный поворот, меньшее центростремительное ускорение и, следовательно, меньшие потери на излучение. Именно поэтому БАК имеет длину окружности 27 км.

В случае линейных ускорителей, где частицы движутся по прямой, проблемы синхротронного излучения нет. Однако для достижения высокой конечной энергии частица должна пройти очень длинный путь, на протяжении которого она будет получать "порции" энергии от ускоряющих электрических полей. Чем выше требуемая энергия, тем больше таких ускоряющих секций нужно, и тем длиннее получается ускоритель.

Ответ: Для кольцевых ускорителей большие размеры необходимы, чтобы уменьшить потери энергии на синхротронное излучение, которые растут с четвертой степенью энергии частицы и обратно пропорциональны радиусу кольца. Для линейных ускорителей большой размер напрямую связан с необходимостью длинного пути для последовательного набора энергии.