Номер 1047, страница 288 - гдз по физике 11 класс сборник задач Дорофейчик, Силенков

1047. Какие из частиц являются стабильными: электрон, фотон, протон, нейтрон, позитрон, нейтрино?

Решение

Стабильность элементарной частицы означает, что она не распадается самопроизвольно на другие, более легкие частицы. Рассмотрим каждую из перечисленных частиц с этой точки зрения.

электрон

Электрон ($e^−$) является фундаментальной частицей (лептоном). Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон абсолютно стабилен. Это связано с тем, что он является самой легкой частицей, обладающей электрическим зарядом. Закон сохранения электрического заряда запрещает его распад на более легкие нейтральные частицы (например, нейтрино и фотоны). Экспериментальные данные устанавливают нижний предел времени жизни электрона на уровне более $6.6 \times 10^{28}$ лет, что для всех практических целей означает его стабильность.

Ответ: стабилен.

фотон

Фотон ($\gamma$) — это безмассовая фундаментальная частица, квант электромагнитного излучения. У фотона нет массы покоя, и он не может распасться на другие частицы, так как нет частиц с меньшей (или нулевой) массой, в которые он мог бы превратиться с соблюдением законов сохранения (например, энергии и импульса). Фотон может быть поглощен или испущен, но он не распадается самопроизвольно.

Ответ: стабилен.

протон

Протон ($p$) — это барион, состоящий из двух верхних (up) и одного нижнего (down) кварка. В рамках Стандартной модели протон считается стабильным. Он является легчайшим барионом, и закон сохранения барионного числа запрещает его распад. Некоторые теории Великого объединения предсказывают распад протона, но экспериментально такой распад никогда не наблюдался. Нижняя граница времени жизни протона составляет более $10^{34}$ лет, что значительно превышает возраст Вселенной. Таким образом, протон считается стабильной частицей.

Ответ: стабилен.

нейтрон

Нейтрон ($n$) — это барион, состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. В свободном состоянии (вне атомного ядра) нейтрон нестабилен. Он распадается в результате слабого взаимодействия на протон, электрон и электронное антинейтрино ($n \rightarrow p + e^− + \bar{\nu}_e$). Этот процесс называется бета-распадом. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 880 секунд (примерно 15 минут). Однако нейтроны, находящиеся в стабильных атомных ядрах, могут быть стабильными благодаря ядерным силам.

Ответ: нестабилен (в свободном состоянии).

позитрон

Позитрон ($e^+$) — это античастица электрона. Как и электрон, он является фундаментальной частицей и сам по себе стабилен, то есть не подвержен самопроизвольному распаду. Однако в нашем мире, состоящем из вещества, позитроны быстро взаимодействуют с электронами и аннигилируют, превращаясь в фотоны. Эта аннигиляция — процесс взаимодействия, а не самопроизвольного распада. С точки зрения внутренней структуры частицы, позитрон стабилен.

Ответ: стабилен.

нейтрино

Нейтрино ($\nu$) — это фундаментальная частица (лептон) с очень малой, но ненулевой массой. Существует три типа (аромата) нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Хотя нейтрино могут превращаться друг в друга (процесс нейтринных осцилляций), они не распадаются на другие частицы. В рамках Стандартной модели нейтрино считаются стабильными. Распад более тяжелых нейтрино на более легкие теоретически возможен, но не наблюдался и требует физики за пределами Стандартной модели.

Ответ: стабилен.