Zadanie Zadanie 4.1.2: Cząstki subatomowe a cztery oddziaływania fundamentalne

Punkty: 3 pkt
Dział: Ruch i siły · Odziaływania
Trudność: Poziom trudności: łatwe

W laboratorium fizyki cząstek elementarnych badane są właściwości czterech cząstek subatomowych: - Cząstka A: elektron (

e^-

) - Cząstka B: proton (

p

) - Cząstka C: neutron (

n

) - Cząstka D: neutrino elektronowe (

\nu_e

) Polecenia: a) Dla każdej z cząstek A, B, C, D określ, którym z czterech oddziaływań fundamentalnych podlega (przedstaw w formie czytelnej tabeli z kolumnami: Cząstka, Silne, Elektromagnetyczne, Słabe, Grawitacyjne). b) Wyjaśnij, dlaczego neutrina mogą przenikać przez całą planetę Ziemię niemal bez żadnego oddziaływania z materią. c) W stabilnym jądrze helu-4 znajdują się dwa protony i dwa neutrony. Wyjaśnij, dlaczego jądro to nie rozpada się pod wpływem sił odpychania elektrostatycznego między jednakowo naładowanymi protonami.

Odpowiedź i wynik końcowy

a) Tabela oddziaływań fundamentalnych dla badanych cząstek: $\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}$ $\hline$ Cząstka & Silne & Elektromagnetyczne & Słabe & Grawitacyjne \\ \hline Elektron (

e^-

) & NIE & TAK & TAK & TAK \\ \hline Proton (

p

) & TAK & TAK & TAK & TAK \\ \hline Neutron (

n

) & TAK & NIE & TAK & TAK \\ \hline Neutrino elektronowe (

\nu_e

) & NIE & NIE & TAK & TAK \\ \hline $\end{tabular}$ b) Neutrino nie posiada ładunku elektrycznego (brak oddziaływania elektromagnetycznego) ani ładunku kolorowego (brak oddziaływania silnego). Oddziałuje wyłącznie grawitacyjnie (ze względu na znikomą masę) oraz słabo. Oddziaływanie słabe ma skrajnie mały zasięg (

\sim 10^{-18}\,\text{m}

), co sprawia, że prawdopodobieństwo zderzenia z jądrem atomowym na drodze przez Ziemię jest bliskie zeru. c) Między nukleonami w odległościach rzędu

1-2\,\text{fm}

działają jądrowe siły silne (resztkowe oddziaływanie silne). W tej skali odległości siły przyciągania silnego są około 100 razy większe od sił odpychania kulombowskiego między protonami, co zapewnia stabilność jądra helu-4.