"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Микромир устроен не только из привычных протонов, нейтронов и электронов: физики классифицируют частицы по их свойствам и внутреннему строению. Адроны участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков, а лептоны, например электрон, такого взаимодействия не испытывают. По сочетанию кварков различают барионы и мезоны, а дробные заряды кварков помогают определить заряд составной частицы. Эта классификация объясняет устройство протонов и нейтронов и помогает описывать процессы в атомных ядрах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Адрон — частица, участвующая в сильном взаимодействии. Адроны состоят из кварков, поэтому имеют внутреннее строение и не относятся к элементарным частицам. К этой группе принадлежат, например, протон и нейтрон. Понятие помогает отличать составные частицы, связанные сильным взаимодействием, от лептонов.
Лептон — элементарная частица, которая не участвует в сильном взаимодействии. Электрон и нейтрино — примеры лептонов; нейтрино не имеет электрического заряда, а электрон имеет заряд −e. Отсутствие сильного взаимодействия отличает лептоны от адронов. Поэтому классифицировать частицу только по наличию электрического заряда нельзя.
Кварк — элементарная частица, из сочетаний которых складываются адроны. Различают шесть ароматов: u (верхний), d (нижний), c (очарованный), s (странный), t (истинный) и b (прелестный). Заряды u, c и t равны +⅔e, а d, s и b — −⅓e; у антикварка заряд противоположный. Эти обозначения позволяют описать состав адрона и вычислить его заряд.
Барион и мезон — два вида адронов, различающиеся составом. Барион образован тремя кварками, например протон или нейтрон, а мезон — кварком и антикварком. Различие нужно, чтобы по набору составляющих частиц определить тип адрона. В обоих случаях электрический заряд составной частицы связан с зарядами её компонентов.
Деление частиц на адроны и лептоны основано на том, участвует ли частица в сильном взаимодействии. Это взаимодействие связывает кварки внутри адронов и играет важную роль в строении атомных ядер. Поэтому протон относится к адронам, а электрон — к лептонам, хотя оба имеют электрический заряд. Именно характер взаимодействия, а не заряд, служит главным критерием этой классификации.
Адроны не считают элементарными частицами, потому что у них есть внутреннее строение. Эксперименты показывают, что протон и нейтрон можно описать как системы из кварков, связанных сильным взаимодействием. В таком описании свойства адрона объясняются свойствами его составляющих и взаимодействием между ними. Лептоны, напротив, в принятой модели считаются элементарными: их внутреннее строение не обнаружено.
Тип адрона определяют по числу и сочетанию кварков. Если соединены три кварка, получается барион; если кварк и антикварк — мезон. Такое правило позволяет классифицировать частицу, даже если её название неизвестно: достаточно сведений о составе. Барионы и мезоны оба являются адронами, поскольку участвуют в сильном взаимодействии.
Электрический заряд адрона получают сложением зарядов его кварков с учётом знаков. У протона кварковый состав uud: два u-кварка дают суммарно +⁴⁄₃e, а d-кварк — −⅓e; вместе это +e. Нейтрон имеет состав udd: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0. Так дробные заряды кварков складываются в целый заряд протона или нулевой заряд нейтрона.
Свободные кварки не наблюдаются, потому что сильное взаимодействие удерживает их внутри адронов. Если попытаться разнести кварки, энергия, затраченная на разделение, может привести к рождению новых частиц; кварк не выходит наружу в одиночку. Поэтому кварковый состав устанавливают по свойствам и продуктам взаимодействия адронов. Лептоны не состоят из кварков и в принятой классификации остаются элементарными частицами.
| Группа или частица | Состав | Участие в сильном взаимодействии | Пример | Электрический заряд |
|---|---|---|---|---|
| Адроны | Состоят из кварков | Участвуют | Протон, нейтрон | Зависит от состава; заряд протона +e, нейтрона 0 |
| Барионы | Три кварка | Участвуют | Протон (uud), нейтрон (udd) | Сумма зарядов трёх кварков |
| Мезоны | Кварк и антикварк | Участвуют | Пион | Сумма зарядов кварка и антикварка |
| Лептоны | Элементарные частицы | Не участвуют | Электрон, нейтрино | Например, −e у электрона и 0 у нейтрино |
| Кварки | Элементарные частицы; входят в адроны | Участвуют в составе адронов | u-кварк, d-кварк | +⅔e или −⅓e; у антикварков знак обратный |
Сначала определите, какая характеристика дана: состав частицы или её участие во взаимодействии. Для различения бариона и мезона смотрите на кварковый состав, а для нахождения заряда складывайте заряды компонентов. В таблице приведены типичные примеры, а не полный перечень частиц.
Определите, к какой группе относится электрон: к адронам или лептонам. Сильное взаимодействие — признак, по которому эти группы различают. Значит, для решения нужно выяснить, участвует ли в нём электрон. Наличие у электрона электрического заряда само по себе не отвечает на этот вопрос.
Ответ: электрон — лептон, а не адрон. Его отрицательный электрический заряд не меняет классификацию. Для проверки достаточно убедиться, что решающим признаком было участие в сильном взаимодействии.
Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Найдите его электрический заряд, если заряды u- и d-кварков равны соответственно +⅔e и −⅓e. Прежде чем складывать, нужно переписать заряд каждого кварка с правильным знаком. Заряд протона равен сумме зарядов всех его составляющих.
Ответ: электрический заряд протона равен +e. Два положительных заряда u-кварков перевешивают отрицательный заряд d-кварка. Проверка: итоговая сумма должна включать все три кварка и сохранять знаки их зарядов.
Частица состоит из кварка и антикварка. Определите, к какому виду адронов она относится, и объясните, может ли она быть барионом. Для решения сравним состав частицы с определениями двух типов адронов. Важно считать именно составляющие частицы, а не называть их все кварками.
Ответ: это мезон, и барионом такая частица быть не может. В её составе два компонента — кварк и антикварк, тогда как для бариона нужны три кварка. Так различают типы адронов по составу.
Ошибочно считать адроны элементарными частицами. Так могут решить, потому что протон и нейтрон часто описывают как отдельные частицы, не раскрывая их устройство. Однако адроны состоят из кварков, поэтому они составные. Проверьте себя: если для частицы указан кварковый состав, она не является элементарной.
Нельзя путать адроны с лептонами, ориентируясь лишь на электрический заряд. У обеих групп могут быть заряженные частицы, например протон и электрон, но в сильном взаимодействии участвует только адрон. При классификации спрашивайте себя не «заряжена ли частица?», а «участвует ли она в сильном взаимодействии?». Это и есть проверка выбранного критерия.
Барион не состоит из кварка и антикварка: такое сочетание характерно для мезона. Путаница возникает, если запомнить только, что оба типа относятся к адронам, и забыть число составляющих. Проверьте состав: три кварка означают барион, кварк с антикварком — мезон. В формулировке определения бариона не заменяйте кварк антикварком.
При вычислении заряда адрона нельзя забывать знаки и дробные значения зарядов кварков. Например, два u-кварка дают +⁴⁄₃e, а не +⅔e, поскольку их два; заряд d-кварка при этом отрицателен. Запишите заряд каждого компонента отдельно и только потом складывайте. В конце проверьте, что число учтённых зарядов соответствует составу частицы.
Для изучения адронов и лептонов нужны понятия элементарной частицы, электрического заряда и фундаментального взаимодействия. Без них трудно понять, почему частицы делят на группы и как находят заряд составного объекта. Кварковый состав протона и нейтрона связывает эту тему со строением атомного ядра. Классификация частиц также пригодится при изучении ядерных реакций, в которых участвуют адроны и другие частицы.
Почему протон и нейтрон называют адронами?
Протон и нейтрон участвуют в сильном взаимодействии, поэтому относятся к адронам. Каждый из них состоит из трёх кварков, то есть не является элементарной частицей.
Чем лептон отличается от адрона?
Лептон не участвует в сильном взаимодействии, а адрон участвует. Кроме того, адроны состоят из кварков, тогда как лептоны считаются элементарными частицами.
Из каких кварков состоит протон?
В составе протона два u-кварка и один d-кварк. Их заряды складываются: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e.
Почему кварки имеют дробный электрический заряд?
В принятой модели элементарных частиц кваркам приписывают заряды +⅔e или −⅓e, где e — элементарный заряд. В обычных наблюдаемых адронах заряды кварков складываются так, что заряд адрона получается целым кратным e.
Можно ли обнаружить отдельный свободный кварк?
Нет: кварки удерживаются внутри адронов и не наблюдаются как свободные частицы. При попытке разделить кварки энергия взаимодействия приводит к образованию новых адронов, а не к появлению отдельного кварка.
1. Адроны, лептоны и кварки
