Giải Vật Lý 12 Bài 40. Các hạt sơ cấp

Chương VII. TỪ VI MÔ ĐẾN vĩ MÔ
Bài 40. CÁC HẠT sơ CẤP
A. KIẾN THỨC CẨN NẮM VỮNG
Hạt sơ câp
Cho đến nay người ta đã phát hiện được các hạt có kích thước và khôi lượng rất nhỏ, chẳng hạn như electron, prôtôn, nơtron, mêzôn, muyôn, piôn. Tất cả các hạt này được gọi là các hạt sơ cấp (đôi khi còn gọi là các hạt cơ bản). Nói chung hạt sơ cấp nhỏ hơn hạt nhân nguyên tử.
Các đặc trưng của hạt sơ cấp
Khôi lượng nghỉ mo:
Phôtôn có khối lượng nghỉ bằng không. Ngoài phôtôn, trong tự nhiên còn có các hạt khác có khôi lượng nghỉ bằng không, như hạt nơtrinô ve, hạt gravitôn. Thay cho m0 người ta còn thường dùng đại lượng đặc trưng là năng lượng nghỉ Eo tính theo hệ thức Anh-xtanh Eo = moc2.
Điện tích
Hạt sơ cấp có thể có điện tích Q = +1 (tính theo đơn vị đo là điện tích nguyên tô' e), hoặc Q =-l, hoặc Q = 0 (hạt trung hòa).
Q được gọi là số’ lượng tử điện tích, biểu thị tính gián đoạn của độ lớn điện tích các hạt.
Spin
Một hạt sơ cấp khi đứng yên cũng có momen động lượng riêng và momen từ riêng. Các momen này được đặc trưng bằng số lượng tử spin.
Momen động lượng riêng của hạt bằng s -ụ- (h là hằng số Plăng).
2n
Chẳng hạn prôtôn, nơtron, có spin s = —, nhưng phôtôn có spin
2
bằng 1, piôn có spin bằng 0.
Thời gian sông trung bình
Trong số các hạt sơ cấp, chỉ có 4 hạt không phân rã thành các hạt khác, gọi là hạt bền (prôtôn, electron, phôtôn, nơtron). Tất cả các hạt khác là các hạt không bền và phân rã thành các hạt khác. Trừ nơtron có thời gian sống dài, khoảng 932s, các hạt không bền khác đều có thời gian sống rất ngắn, từ 10~24s đến 10"6s.
Phản hạt
Phần lớn các hạt sơ cấp đều tạo thành cặp, mỗi cặp gồm hai hạt có khôi lượng nghỉ mo và spin s như nhau, nhưng chúng có điện tích Q bằng nhau về độ lớn và trái dấu. Chẳng hạn, electron và pôzitôn có khối lượng nghĩ bằng Hie và spin bằng ỉ nhưng có điện tích tương ứiig bằng +1 và -1,
2
tạo thành một cặp.
Trong mỗi cặp, có một hạt và một phản hạt của hạt đó.
Trong các quá trình tương tác của các hạt sơ cấp, có thể xảy ra hiện tượng hủy một cặp “hạt + phản hạt ” có khôi lượng nghỉ khác không thành các phôtôn, hoặc cùng một số lúc sinh ra một cặp “hạt + phản hạt” từ những phôtôn.
Ví dụ như quá trình hủy cặp hoặc sinh cặp “electron + pôzitrôn”: e+ + e~ —> y + Ỵ và Ỵ + Y -» e+ + e_
Phân loại hạt sơ câp
Phôtôn (lượng tử ánh sáng) có mo = 0.
Leptôn, gồm các hạt nhẹ như electron, muyôn (p+, |T), các hạt tau (t+’ t’)...
Mêzôn, gồm các hạt có khôi lượng trung bình trong khoảng từ 200 đêh 900 me, gồm hai nhóm: mêzôn 71 và mêZôn K.
Barion, gồm các hạt nặng có khôi lượng bằng hoặc lớn hơn khôi lượng prôtôn. Có hai nhóm barion là nuclon và hipêrôn, cùng các phản hạt của chúng. Năm 1964 người ta đã tìm ra một hipêrôn mới đó là hạt ômêga trừ (Q“).
Tập hợp các mêzon và các bariôn có tên chung là các hađrôn.
Tương tác của các hạt sơ cấp
Có 4 loại tương tác cơ bản đối với các hạt sơ cấp:
Tương tác hấp dẫn: Đó là tương tác giữa các hạt vật chất có khôi lượng. Bán kính tác dụng của lực hấp dẫn lớn vô cùng, nhưng so với các tương tác khác thì cường độ của tương tác hấp dẫn là rất nhỏ.
Tương tác điện từ: Đó là tương tác giữa các hạt mang điện, giữa các vật tiếp xúc gây nên ma sát... Cơ chế tương tác điện từ là sự trao đổi phôtôn giữa các hạt mang điện. Bán kính tác dụng của tương tác điện từ xem như lớn vô hạn. Tương tác điện từ mạnh hơn tương tác hấp dẫn khoảng 1038 lần.
Tương tác yếu: Đó là tương tác chịu trách nhiệm trong phân rã p. Chẳng hạn, phân rã p~ là do tương tác yếu của 4 hạt nơtron, prôtôn, electron và phản nơtriôn theo phương trình:
n -> p + e~ + V
Tương tác yếu có bán kính tác dụng cỡ 10"18 m và có cường độ nhỏ hơn tương tác điện từ 1011 lần.
Tương tác mạnh: Đó là tương tác giữa các hađrôn, như tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân, tạo nên lực hạt nhân, cũng như tương tác dẫn đến sự sinh hạt hađrôn trong quá trình va chạm của các hađrôn. Tương tác mạnh lớn hơn tương tác điện từ trên 100 lần và có bán kính tác dụng cỡ 10~15 m (bằng kích thước hạt nhân).
Hạt quae (quark)
- Có 6 hạt quae kí hiệu là u, d, s, c, b và t. Cùng với các quac, có 6 phản quac với điện tích có dấu ngược lại. Điều kì lạ là điện tích các hạt quac bằng ± , ±	.
3
Các hạt quac đã được quan sát thấy trong thí nghiệm, nhưng đều ở trạng thái liên kết; chưa quan sát được hạt quac tự do.
Cho đến nay, hầu hết các nhà vật lí đều thừa nhận sự tồn tại của hạt quac và như vậy, các hạt thực sự là sơ cấp (hiểu theo nghĩa là hạt không thể tách được thành các phần nhỏ hơn) chỉ gồm các quac, các leptôn và các hạt truyền tương tác.
B. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP
Bài 1. So sánh năng lượng liến kết của electron trong nguyên tử hiđrô và năng lượng liên kết của một prôtôn trong hạt nhân 2 He.
Trả lời
Năng lượng liên kết của electron trong trong nguyên tử hiđrô nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của một prôtôn trong hạt nhân 4 He vì tương tác giữa các electron và hạt nhân trong nguyên tử hiđrô là tương tác điện từ, còn tương tác giữa các nuclôn trong hạt nhân là tương tác mạnh.
Bài 2. Leptôn là gì? Đặc tính chung của các leptôn. Các leptôn tham gia những quá trình tương tác nào?
Trả lời
Leptôn là một loại hạt sơ cấp. Đó là những hạt nhẹ, có khôi lượng từ 0 đêh 200me như các hạt nơtrinô, electron, pozitron,...
Các leptôn tham gia những quá trình tương tác yếu chẳng hạn như quá trình phân rã p;: p—>n+e+ve; n-»p + e'+ve.
Bài 3. Phân loại các tương tác sau:
a) Lực ma sát.	b) Lực liên kết hóa học.
Trọng lực.	d) Lực Lo-ren.
e) Lực hạt nhân.	f) Lực liên kết trong phân tử rã p.
Trả lời
Lực ma sát: Tương tác điện từ.
Lực liên kết hóa học: Tương tác điện từ.
Trọng lực: Tương tác hấp dẫn.
Lực Lo-ren: Tương tác điện từ.
Lực hạt nhân: Tương tác mạnh.
í) Lực liên kết trong phần tử rã p: Tương tác yếu.