Состав и сумма зарядов
Выбирай частицу, чтобы увидеть её класс и, где применимо, валентный кварковый состав.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Кварковые значки условны; цвет не обозначает наблюдаемую окраску. Схема валентного состава не показывает глюоны и квантовые пары.
Кварки и лептоны
Элементарной называют частицу, для которой в рамках современных проверенных моделей не обнаружена внутренняя составная структура. В Стандартной модели частицы вещества включают кварки и лептоны. Электрон — лептон; протон и нейтрон являются составными адронами.
Существуют шесть типов кварков и шесть лептонов, включая три заряженных лептона и три соответствующих нейтрино. Нейтрино электрически нейтральны, но не лишены взаимодействий. Их осцилляции показывают, что по крайней мере некоторые нейтрино имеют ненулевые массы.
Лептоны
Электрон, мюон, тау и нейтрино
Кварки
Компоненты адронов
Адроны
Составные системы, включая протон и нейтрон
Малый размер не является достаточным основанием назвать частицу элементарной.
Почему протон не относят к элементарным частицам Стандартной модели?
Он имеет кварк-глюонную внутреннюю структуру и относится к составным адронам.
Заряд протона и нейтрона
Валентный кварковый состав протона uud, нейтрона udd. Заряд u-кварка +2e/3, d-кварка −e/3. Поэтому протон имеет (2/3 + 2/3 − 1/3)e = +e, нейтрон (2/3 − 1/3 − 1/3)e = 0.
Эта запись фиксирует валентный состав, но не исчерпывает полную динамику: важны глюоны и квантовые пары. Нейтральность нейтрона не означает, что все его составляющие нейтральны. Свободные изолированные кварки в обычных условиях не наблюдаются.
Протон
uud: +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1
Нейтрон
udd: +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0
Электрон
Элементарный лептон, заряд −1 в единицах e
Сумма дробных кварковых зарядов даёт целый заряд обычных нуклонов.
Как нейтральная частица может содержать заряженные составляющие?
Их заряды могут взаимно компенсироваться, как +2/3 и два раза −1/3 в валентном составе нейтрона.
Частицы Стандартной модели
Таблица группирует элементарные частицы. Протоны и нейтроны — составные адроны, поэтому их не следует добавлять как ещё два элементарных лептона.
Cush · Public domain · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Следы частиц в камере Вильсона
Камера Вильсона делает видимыми следы ионизации: капли образуются вдоль путей заряженных частиц. Саму частицу обычным глазом здесь не видят.
Own work · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Взаимодействия
Электромагнитное взаимодействие связано с электрическим зарядом и фотоном. Сильное взаимодействие кварков описывается глюонами; его остаточное проявление связывает нуклоны в ядре. Слабое взаимодействие участвует, например, в бета-превращениях и связано с W- и Z-бозонами.
Гравитация действует на системы с энергией и описывается общей теорией относительности. Она не включена в Стандартную модель как завершённая квантовая теория. Бозон Хиггса связан с полем Хиггса, но не означает, что вся масса обычного вещества непосредственно равна сумме «хиггсовских» масс кварков.
| Взаимодействие | Пример | Квантовый переносчик в Стандартной модели |
|---|---|---|
| Электромагнитное | Атомные связи | Фотон |
| Сильное | Связывание кварков | Глюоны |
| Слабое | Бета-превращения | W и Z |
| Гравитационное | Движение планет | В Стандартную модель не включено |
Четыре фундаментальных взаимодействия имеют разные проявления, а Стандартная модель не является полной теорией гравитации.
Все ли взаимодействия исчезают у электрически нейтральной частицы?
Нет. Например, нейтрон участвует в сильном взаимодействии, а нейтрино — в слабом.
Модель состава и античастицы
Выбирай протон, нейтрон, электрон или фотон. Для нуклонов схема показывает валентные кварки и сумму зарядов. Для электрона и фотона она прямо указывает отсутствие установленного составного строения в данной модели, вместо выдуманного разложения на кварки.
Античастица имеет ту же массу и противоположные соответствующие аддитивные квантовые числа; для заряженной частицы электрический заряд противоположен. Позитрон — античастица электрона. Некоторые нейтральные частицы, например фотон, являются собственными античастицами.
Определить класс
Лептон, адрон или бозон
Если адрон — указать состав
Валентная схема не вся динамика
Сложить заряды
Проверить общий результат
Античастицы нельзя определять только по слову «отрицательная»: у позитрона положительный заряд.
Является ли электрон античастицей протона из-за противоположных зарядов?
Нет. Их массы и другие свойства различны. Античастица электрона — позитрон, протона — антипротон.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 44. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 44. Элементарные частицы и их взаимодействия.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.
Дополнительная проверка: CERN: Стандартная модель.