Тест 8 – 1

Укажите квантовую схему, соответствующую гравитационному взаимодействию.

Варианты ответов:

1) 2) 3) 4)

Решение.

В физике известно четыре вида фундаментальных взаимодействий тел. Рассмотрим их по мере уменьшения интенсивности.

---Сильное или ядерное взаимодействие обусловливает связь между нуклонами атомного ядра. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны – электрически нейтральные частицы со спином, равным единице, и с нулевой массой покоя.

--- Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, имеющими электрический заряд. Оно осуществляется путем обмена квантами электромагнитного излучения - фотонами.

--- Слабое взаимодействие осуществляется между элементарными частицами, оно ответственно за их распад, например, распад нейтронов и приводит, в частности, к бета-распаду атомных ядер. Переносчиками слабых взаимодействий являются кванты слабого поля – промежуточные бозоны W ⁺, W ^- , Z ⁰ .

--- Гравитационное взаимодействие существует между любыми телами и выражается в их взаимном притяжении с силой, зависящей от масс тел и расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие осуществляется благодаря обмену гравитонами. Теоретическое понятие – гравитон - это квант гравитационного поля.

Ответу на вопрос теста 8 – 1 соответствует рисунок 4.

Ответ: вариант 4.

Тест 8 – 2

В процессе электромагнитного взаимодействия принимают участие …

Варианты ответов:

1)нейтрино; 2) нейтроны; 3) фотоны.

Решение.

Фотоны являются квантами электромагнитного излучения, поэтому они принимают участие в процессе электромагнитного взаимодействия.

Ответ: вариант 3.

Задание С8-2 для самостоятельного решения.

В процессе сильного взаимодействия принимают участие...

Варианты ответов: 1) электроны; 2) нуклоны; 3) фотоны.

Тест 8 - 3

α - излучение представляет собой поток ...

Варианты ответов:

1) квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное;

2) электронов; 3) протонов; 4) ядер атомов гелия; 5) позитронов.

Решение.

При радиоактивном распаде испускается излучение трёх видов:

• α – излучение – поток ядер атомов гелия;

• – излучение – поток электронов;

• γ – поток квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное.

Таким образом, α - излучение представляет собой поток ядер атомов гелия.

Ответ: вариант 4.

Тест 8 – 4

На рисунке показана область существования β – активных ядер. Прямая линия соответствует равновесным значениям Z _β , соответствующим β – стабильным ядрам. Здесь Z – порядковый номер элемента, а N – число нейтронов в ядре. В области Z < Z _β …

Варианты ответов:

1) ядра обладают избытком протонов и β ^- - активны;

2) ядра обладают избытком нейтронов и β ^- - активны;

3) ядра обладают избытком нейтронов и β ⁺ - активны;

4) ядра обладают избытком протонов и β ⁺ - активны.

Решение.

Ядра атомов состоят из нуклонов (общее название протонов и нейтронов). Притяжение между нуклонами называется сильным (или ядерным ) взаимодействием. Сильное взаимодействие является короткодействующим (~ 10 ^-15 м). Одновременно между протонами, имеющими положительный заряд, действуют кулоновские силы отталкивания, т.е. электромагнитные силы, которые являются дальнодействующими. При нарушении баланса между количеством протонов и нейтронов ядра становятся нестабильными. Для легких и средних ядер характерен бета – распад, для тяжелых – альфа-распад. При заряде ядра Z > 82 стабильных ядер не существует.

На рисунке область Z > Z _β выше прямой линии, соответствующей равновесным значениям Z _β , содержит ядра, в которых число протонов преобладает над числом нейтронов. У этих ядер силы отталкивания между протонами превышают ядерные силы притяжения и ядра распадаются с испусканием позитрона β ⁺. При этом число протонов уменьшается, а число нейтронов растет.

В области Z < Z _β ниже прямой стабильности ядер число нейтронов превышает число протонов, и ядра распадаются с испусканием электрона β ^-.

Таким образом, в области Z < Z _β ядра обладают избытком нейтронов и β ^- активны, что соответствует варианту 2. Ответ: вариант 2.

Варианты ответов те же, что в тесте 8 – 4.

Тест 8 – 5

На рисунке показана кварковая диаграмма β^- - распада нуклона.

Эта диаграмма соответствует реакции ...

Варианты ответов: 1) р → р + е^- + ν̃ _e; 2) р → n + е^- + ν̃ _e ;

3) n → n + е^- + ν̃ _e; 4) n → p + е^- + ν̃ _e .

Решение.

Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

1)Фотоны – эта группа состоит всего из одной частицы – кванта электромагнитного излучения, обозначаемого буквой γ.

2)Лептоны (от греческого слова «лептос» - легкий). К лептонам относятся, например, такие частицы как электрон е ^-, имеющий заряд Q_е = - 1 и спин s _е = 1/2, а также нейтральная частица нейтрино ν , имеющая нулевой заряд и спин s _ν =1/2. Этим частицам соответствуют античастицы : позитрон е⁺ и антинейтрино ν̃ .

3) Адроны (от греческого слова «адрос» - крупный, сильный). К адронам относятся р – протон, п – нейтрон, Λ – гиперон, π - пионы и К - каоны. Частицы, входящие в группу адронов, состоят из кварков. В настоящее время установлено существование шести разновидностей кварков: u, d, s, c, b, t и соответствующих им шести антикварков. Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд. Ниже приведено название кварков, их обозначение, в скобках указан дробный электрический заряд.

Верхний u (+ 2/3) и нижний d (- 1/3);

Очарованный c ( + 2/3) и странный s (- 1/3);

Истинный t ( + 2/3) и красивый b (- 1/3).

Антикварки обозначаются буквой с волной и имеют противоположные по знаку электрические заряды. Из этих кварков и антикварков состоят все адроны.

Из кварковой диаграммы β – распада нуклона, приведенной на рисунке, следует, что набор кварков (u d d ) в левой части диаграммы соответствует нейтрону ( n), т.к. его заряд, вычисленный исходя из заряда кварков, Q_n = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0. Набор кварков (d u u ) в правой части диаграммы, вычисленный исходя из заряда кварков, соответствует протону ( p), т.к. его заряд Q_p= -1/3+2/3+2/3=1. Наклонные линии на кварковой диаграмме показывают, что в результате реакции испускаются электрон е ^-,заряд которого Q_е = - 1, и антинейтрино ν̃ _e, с нулевым зарядом Q _ν̃ = 0. Таким образом, суммарный заряд продуктов реакции равен нулю:

Q_p + Q_е+ Q_ν̃ =+1-1+0=0, т.е. выполняется закон сохранения заряда. Следовательно, кварковая диаграмма β –распада соответствует реакции: n→p + е^- + ν̃ _e .

Ответ: вариант 4.

Рассмотрим другой способ решения теста 8 – 5.

Проанализируем варианты ответов с точки зрения закона сохранения электрического заряда.

1) р → р + е ^- + ν̃ _e; Q_p = 1, Q_е = - 1, Q_ν̃ =0, т.е. 1 = 1 – 1+0. Понятно, что для этой реакции закон сохранения заряда не выполняется, т.к.1≠ 0. Поэтому такая реакция невозможна.

2) р → n + е ^- + ν̃ _e; Q_p =1, Q_n = 0, Q_p = 1, Q_е = - 1, Q_ν̃ =0, т.е. 1 = 0 – 1 +0. Понятно, что для этой реакции также не выполняется закон сохранения заряда.

3) n → n + е^- + ν̃ _e; Q_n = 0, Q_е = - 1, Q_ν̃ =0, т.е. 0 = 0 – 1 + 0. Реакция также невозможна.

4) n → p + е^- + ν̃ _e. Закон сохранения заряда для этой реакции выполняется, т.к. 0 = 1 – 1 + 0. Поэтому такая реакция возможна.

Ответ: вариант 4.

Тест 8 - 6

На рисунке показана кварковая диаграмма распада Λ -гиперона.

Эта диаграмма соответствует реакции ...

Варианты ответов: 1) Λº → n + π⁺ ; 2) Λº → n + π ^- ;

3) Λº → p + π ^- ; 4) Λº → p + πº.

Решение.

Элементарные частицы состоят из кварков. Вычислим заряд каждой частицы, участвующей в реакции. Для этого, воспользовавшись решением задачи 8 – 5 , запишем название и обозначения кварков, а в скобках укажем соответствующий заряд:

Верхний u (+ 2/3) и нижний d (- 1/3);

Очарованный c ( + 2/3) и странный s (- 1/3);

Истинный t ( + 2/3) и красивый b (- 1/3).

Антикварки обозначаются буквой с волной и имеют противоположные по знаку электрические заряды и некоторые другие характеристики.

Из кварковой диаграммы распада Λ - гиперона, приведенной на рисунке, следует, что набор кварков (u d s) в левой части диаграммы соответствует Λ гиперону. Заряд гиперона, вычисленный исходя из заряда кварков, равен: Q_Λ = 2/3 – 1/3 – 1/3 =0.

Набор кварков (d u u) в правой части диаграммы соответствует p – протону, т.к. его заряд Q_p= -1/3+2/3+2/3=1. Набор кварков (d ũ) соответствует частице с зарядом Q_π = - 1/3 – 2/3 = - 1, т.е. π ^- - мезону. Таким образом, кварковая диаграмма распада Λ -гиперона соответствует реакции: Λº → p + π ^- .

Ответ: вариант 3.

Дополнительное задание.

Проверьте самостоятельно, используя закон сохранения электрического заряда, выполнимость реакций, записанных в вариантах ответов в задании 8 – 6, и выберите правильный ответ.

Тест 8 – 7

Для нуклонов верными являются следующие утверждения:

Варианты ответов:

1) оба нуклона нейтральны;

2) масса протона больше массы нейтрона;

3) спины нуклонов одинаковы;

4) оба нуклона обладают отличными от нуля магнитными моментами.

Решение.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Протон имеет массу m_p = 1,00759 а.е.м., спин s_p =1/2, положительный электрический заряд, равный одному элементарному заряду Q_P = e и магнитный момент µ_p = +2,79µ_Я , где µ_Я =5,0508٠10^{- 27} Дж/Тл – ядерный магнетон. Нейтрон имеет массу m_n=1,00879 а.е.м., спин s_n =1/2, электрический заряд, равный нулю, и магнитный момент µ_n = - 1,91µ_Я .

Следовательно, правильными ответами являются следующие утверждения:

3) спины нуклонов одинаковы;

4) оба нуклона обладают отличными от нуля магнитными моментами.

Ответ: варианты 3 и 4.

Тест 8 – 8 Сколько –α и β ^– – распадов должно произойти, чтобы уран  превратился в стабильный изотоп свинца ?

Варианты ответов:

1) 6  α –распадов и 8 β ^– – распадов; 2) 8  α – распадов и 6 β ^– – распадов;

3) 9  α –распадов и 5 β ^– – распадов; 4) 10  α –распадов и 4 β ^– – распада.

Решение.

При распаде изотопа урана происходит ряд радиоактивных превращений. При этом испускаются α- частицы (ядра атома гелия ⁴₂ Не ), β ^– - частицы (электроны) и γ –лучи. Массовое число А и зарядовое число Z изменяются за счет α- и β ^– - распадов.

При единичном α – распаде массовое число А изотопа уменьшается на 4, а зарядовое число Z уменьшается на 2. При единичном β ^– - распаде массовое число А не изменяется, а зарядовое число Z увеличивается на 1.

Тогда реакцию распада можно записать в виде:

→X· ₂ ⁴α + Y· _-1 ⁰e + .

Общее число нуклонов и полный электрический заряд должны сохраняться.

Тогда для определения числа распадов X и Y составим систему уравнений.

Для массового числа А: 238 = 4· X + 206. Отсюда: X = (232 – 206) / 4 = 8.

Для зарядового числа Z: 92 = 2· X + (- 1)· Y + 82. Отсюда:Y = (82 – 92 + 2·8) = 6.

Следовательно, при превращении урана в стабильный изотоп свинца должно произойти 8 α – распадов и 6 β ^– – распадов.

Ответ: вариант 2.

Тест 8 – 9

Неизвестный радиоактивный химический элемент самопроизвольно распадается по схеме: . Ядро этого элемента содержит…

Варианты ответов:

1) 92 протона и 144 нейтрона; 2) 94 протона и 142 нейтрона;

3) 94 протона и 144 нейтрона; 4) 92 протона и 142 нейтрона.

Решение.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Протон (p) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, нейтрон (n) – нейтральная частица. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядовым числом Z , которое равно числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: A_Z ^X, где X – символ химического элемента, Z- атомный номер (число протонов в ядре), А- массовое число (число нуклонов в ядре).

В ядерных реакциях сохраняется общее число нуклонов и электрический заряд. Заряд ядра неизвестного химического элемента равен суммарному заряду ядер элементов продуктов реакции: 36 +56 =92, поэтому число протонов в ядре неизвестного химического элемента равно: Z =92. Аналогично массовое число неизвестного химического элемента равно: А=91+142+3=236 , а число нейтронов в ядре равно: А- Z=236-92=144. Следовательно, ядро неизвестного химического элемента содержит 92 протона и 144 нейтрона.

Ответ: вариант 1.

Тест 8 – 10

Какая доля радиоактивных атомов распадется через интервал времени, равный двум периодам полураспада?