Что нужно знать
Элементарные частицы — это мельчайшие известные составляющие вещества, которые участвуют в физических взаимодействиях и не имеют установленной внутренней структуры в рамках школьного курса физики. К основным частицам относятся электрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино и кварки; протоны и нейтроны состоят из кварков. Частицы могут иметь электрический заряд: электрон имеет заряд −e, протон +e, а нейтрон и фотон электрического заряда не имеют, где e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл — элементарный электрический заряд. Для многих частиц существуют античастицы с такой же массой, но противоположными электрическим зарядом и некоторыми другими характеристиками; например, античастица электрона называется позитроном. При встрече частицы и соответствующей античастицы может происходить аннигиляция — их превращение в другие частицы, например фотоны, с сохранением энергии и импульса. При взаимодействиях частиц выполняются законы сохранения электрического заряда, энергии, импульса и других физических величин. Частицы участвуют в различных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Например, при столкновении частиц в ускорителе могут возникать новые частицы, если энергии столкновения достаточно для их рождения. Типичная ошибка учеников — считать, что античастица обязательно имеет отрицательный электрический заряд: на самом деле заряд античастицы противоположен заряду соответствующей частицы, поэтому античастица нейтрального нейтрона также электрически нейтральна.
Тест: 11 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют элементарными частицами?
- Мельчайшие известные частицы, из которых состоит вещество и которые участвуют в физических взаимодействиях
- Только атомы химических элементов
- Молекулы, состоящие из нескольких атомов
- Только положительно заряженные частицы атомного ядра
Элементарными частицами называют фундаментальные составляющие вещества и переносчики взаимодействий. К ним относятся, например, электроны, кварки и фотоны.
2. Какой электрический заряд имеет электрон?
- +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл
- −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл
- +3,2 · 10⁻¹⁹ Кл
- 0 Кл
Электрон имеет отрицательный элементарный электрический заряд, равный −e, где e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.
3. Какая частица является античастицей электрона?
- Нейтрино
- Протон
- Позитрон
- Нейтрон
Позитрон является античастицей электрона. Он имеет такую же массу, но положительный электрический заряд.
4. Какое утверждение о фотоне является правильным?
- Фотон имеет отрицательный электрический заряд
- Фотон имеет положительный электрический заряд
- Фотон обязательно входит в состав атомного ядра
- Фотон не имеет электрического заряда и является частицей электромагнитного излучения
Фотон — квант электромагнитного излучения. Он не имеет электрического заряда и переносит электромагнитное взаимодействие.
5. Какое явление происходит при встрече электрона и позитрона?
- Аннигиляция
- Ионизация нейтрона
- Образование молекулы
- Деление ядра
Электрон и позитрон являются частицей и античастицей. При их встрече возможна аннигиляция с превращением их энергии в энергию других частиц, например фотонов.
6. Какой закон обязательно выполняется при реакциях с участием элементарных частиц?
- Закон сохранения числа частиц каждого вида
- Закон сохранения электрического заряда
- Закон сохранения числа электронов во всех реакциях
- Закон сохранения массы каждой отдельной частицы
Полный электрический заряд замкнутой системы сохраняется при любых физических взаимодействиях. При этом число частиц конкретного вида может изменяться.
7. Какие частицы входят в состав протона?
- Три электрона
- Один протон и два нейтрона
- Два верхних кварка и один нижний кварк
- Два нижних кварка и один верхний кварк
Протон состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d). Их суммарный электрический заряд равен +1 элементарному заряду.
8. Какой пример демонстрирует практическое применение изучения элементарных частиц?
- Измерение длины школьного стола линейкой
- Получение звука при колебании струны
- Определение температуры воды обычным термометром
- Работа ускорителей частиц для исследования строения материи
В ускорителях частицы разгоняют до больших энергий и сталкивают друг с другом. Изучение результатов столкновений позволяет исследовать свойства элементарных частиц.
9. Какой суммарный электрический заряд имеют три протона?
- +4,8 · 10⁻¹⁹ Кл
- +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл
- −4,8 · 10⁻¹⁹ Кл
- 0 Кл
Заряд одного протона равен +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл. Суммарный заряд: q = 3e = 3 · 1,6 · 10⁻¹⁹ = +4,8 · 10⁻¹⁹ Кл.
11. В результате взаимодействия частицы образовались две новые частицы. До взаимодействия суммарный электрический заряд составлял +2e. Заряд одной новой частицы равен −e. Какой заряд должна иметь вторая частица?
По закону сохранения электрического заряда: +2e = −e + q₂. Следовательно, q₂ = +3e.
12. Какой суммарный электрический заряд имеют четыре электрона и три протона?
- +11,2 · 10⁻¹⁹ Кл
- −11,2 · 10⁻¹⁹ Кл
- −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл
- +1,6 · 10⁻¹⁹ Кл
Суммарный заряд равен q = 3e − 4e = −e. Подставляем: q = −1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.