Елементарни частици

Лептони

1. Коя от изброените частици е лептон?

   • Електронът
   • Протонът
   • Неутронът
   • Пионът

   Отговор: Електронът

   Лептоните не участват в силното взаимодействие; протонът, неутронът и пионът са адрони.

2. Какъв е електричният заряд на електрона?

   • +e
   • −e
   • 0
   • +2e

   Отговор: −e

   Електронът носи елементарен отрицателен заряд −e ≈ −1,6·10⁻¹⁹ C.

3. Какъв електричен заряд има неутриното?

   • −e
   • +e
   • 0
   • −e/3

   Отговор: 0

   Неутриното е неутрален лептон, затова взаимодейства с веществото изключително слабо.

4. Колко вида (аромата) лептони познаваме?

   • 3
   • 12
   • 2
   • 6

   Отговор: 6

   Електрон, мюон, тау и трите вида неутрино.

5. Колко поколения (семейства) лептони има?

   • 2
   • 4
   • 3
   • 6

   Отговор: 3

   Лептоните се групират в три поколения: електрон, мюон и тау, всеки със своето неутрино.

6. Каква е античастицата на мюона μ⁻?

   • Позитронът
   • Антимюонът μ⁺
   • Тау-лептонът
   • Протонът

   Отговор: Антимюонът μ⁺

   Всеки лептон има античастица с противоположен заряд; на μ⁻ съответства μ⁺.

7. Какво е мюонът?

   • Частица от три кварка
   • Античастица на протона
   • Лептон, подобен на електрона, но около 207 пъти по-тежък
   • Преносител на силното взаимодействие

   Отговор: Тежък „брат“ на електрона

   Мюонът има заряд −e и живее около 2,2 μs.

8. Кой лептон има най-голяма маса?

   • Електронът
   • Мюонът
   • Електронното неутрино
   • Тау-лептонът

   Отговор: Тау-лептонът

   Тау-лептонът е около 3500 пъти по-масивен от електрона и е най-тежкият лептон.

9. Къде се образуват мюоните, които достигат земната повърхност?

   • В ядрото на Земята
   • В АЕЦ
   • В мълниите
   • В горните слоеве на атмосферата при удари на космически лъчи

   Отговор: В горните слоеве на атмосферата при удари на космически лъчи

   Космическите лъчи (главно протони) се сблъскват с ядра във въздуха и създават пиони, които се разпадат на мюони.

10. Кое е вярно за неутриното?

    • Има заряд +e
    • Съставено е от кварки
    • Тежко е колкото протона
    • Няма заряд, има изключително малка маса и участва само в слабото (и гравитационното) взаимодействие

    Отговор: Неутрално, почти без маса, взаимодейства слабо

    През тялото ни всяка секунда минават трилиони неутрина от Слънцето.

11. В кое фундаментално взаимодействие не участва нито един лептон?

    • Слабото
    • Силното
    • Гравитационното
    • Електромагнитното

    Отговор: Силното

    Лептоните не са изградени от кварки и не участват в силното взаимодействие.

12. Колко пъти приблизително масата на мюона е по-голяма от масата на електрона?

    • ≈ 207
    • ≈ 2
    • ≈ 1836
    • ≈ 3500

    Отговор: ≈ 207

    Мюонът е около 207 пъти по-тежък от електрона (≈ 106 MeV), но иначе прилича на него.

13. Кой физик предполага съществуването на неутриното през 1930 г., за да спаси закона за запазване на енергията при бета-разпада?

    • Енрико Ферми
    • Пол Дирак
    • Волфганг Паули
    • Нилс Бор

    Отговор: Волфганг Паули

    Паули предполага нова неутрална лека частица.

14. Кои частици се образуват при бета-минус разпада на неутрона?

    • Протон и гама-фотон
    • Протон, позитрон и неутрино
    • Протон, електрон и електронно антинеутрино
    • Два протона и електрон

    Отговор: Протон, електрон и електронно антинеутрино

    n → p + e⁻ + ν̄_e: запазват се зарядът и лептонното число.

15. Защо мюоните от атмосферата достигат Земята, въпреки че средното им време на живот е само около 2,2 μs?

    • Защото се движат по-бързо от светлината
    • Защото не се разпадат във въздуха
    • Поради забавянето на времето при скорости, близки до скоростта на светлината
    • Защото Земята ги привлича силно

    Отговор: Поради забавянето на времето при скорости, близки до скоростта на светлината

    За 2,2 μs дори със скоростта на светлината мюонът би изминал около 660 m; поради релативисткото забавяне на времето той живее в земната система много по-дълго и изминава километри.

Кварки

1. Колко вида (аромата) кварки има?

   • 3
   • 2
   • 6
   • 8

   Отговор: 6

   u, d, s, c, b, t (горен, долен, странен, чаровен, дънен, върхов).

2. Кои два аромата кварки изграждат протоните и неутроните?

   • u и d
   • s и c
   • b и t
   • u и s

   Отговор: u и d

   Протонът е uud, а неутронът е udd, т.е. те са изградени от u- и d-кварки.

3. Какъв е електричният заряд на d-кварка?

   • +2/3 e
   • −1/3 e
   • +1/3 e
   • −e

   Отговор: −1/3 e

   d-кваркът има заряд −1/3 e; например неутронът udd има заряд 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.

4. Какъв е електричният заряд на u-кварка?

   • +1/3 e
   • −1/3 e
   • +e
   • +2/3 e

   Отговор: +2/3 e

   Кварките имат дробни заряди.

5. Кой е най-тежкият кварк?

   • b-кваркът
   • s-кваркът
   • c-кваркът
   • t-кваркът

   Отговор: t-кваркът

   t-кваркът (top) има маса около 173 GeV/c², почти колкото атом на злато.

6. От какви кварки е съставен неутронът?

   • uud
   • uuu
   • udd
   • ddd

   Отговор: udd

   Неутронът е udd: 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.

7. От какви кварки е съставен протонът?

   • udd
   • uuu
   • uud
   • ud̄

   Отговор: uud

   2/3 + 2/3 − 1/3 = +1.

8. Какво означава характеристиката „цвят“ при кварките?

   • Заряд на силното взаимодействие
   • Дължина на вълната на излъчената светлина
   • Електричният им заряд
   • Масата им

   Отговор: Заряд на силното взаимодействие

   „Цветът“ е условно име на заряда, чрез който кварките участват в силното взаимодействие; няма връзка с видимите цветове.

9. Кой кварк се съдържа в така наречените странни частици, например каоните?

   • u
   • d
   • t
   • s

   Отговор: s

   Странните частици съдържат s-кварк (странен кварк); каоните са мезони със s-кварк или анти-s-кварк.

10. Какъв е зарядът на частица, съставена от кварките uus?

    • 0
    • +2
    • −1
    • +1

    Отговор: +1 (Σ⁺)

    s-кваркът има заряд −1/3: 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1.

11. Какъв е електричният заряд на анти-u-кварка (ū)?

    • +2/3 e
    • −1/3 e
    • −2/3 e
    • +1/3 e

    Отговор: −2/3 e

    Античастицата има противоположен заряд: u е +2/3 e, значи ū е −2/3 e.

12. Колко поколения кварки има?

    • 3
    • 2
    • 4
    • 6

    Отговор: 3

    Кварките се групират в три поколения: (u, d), (c, s), (t, b), подобно на трите поколения лептони.

13. Защо не се наблюдават свободни кварки?

    • Кварките нямат маса
    • Силата между кварките не намалява при раздалечаване (конфайнмънт)
    • Кварките се разпадат мигновено на електрони
    • Кварките са неутрални

    Отговор: Конфайнмънт (затваряне)

    При опит да се раздалечат, енергията поражда нови двойки кварк-антикварк.

14. Кои частици пренасят силното взаимодействие между кварките?

    • Фотони
    • Глуони
    • W и Z бозони
    • Пиони

    Отговор: Глуони

    Преносители на силното (цветно) взаимодействие между кварките са глуоните.

15. Какво се случва с кварките при бета-минус разпад на неутрона?

    • u-кварк се превръща в d-кварк
    • d-кварк се превръща в u-кварк
    • s-кварк се превръща в u-кварк
    • Кварките не се променят

    Отговор: d-кварк се превръща в u-кварк

    Неутронът udd става протон uud: един d-кварк се превръща в u-кварк чрез слабото взаимодействие (с излъчване на W⁻ бозон).

Адрони

1. Какво са адроните?

   • Частици, съставени от кварки, които участват в силното взаимодействие
   • Частици без маса
   • Преносители на електромагнитното взаимодействие
   • Видове неутрино

   Отговор: Съставни частици от кварки

   Делят се на бариони и мезони.

2. Кои от изброените частици са адрони?

   • Електронът и мюонът
   • Протонът и неутронът
   • Фотонът и глуонът
   • Неутриното и електронът

   Отговор: Протонът и неутронът

   Протонът и неутронът са изградени от кварки, затова са адрони (бариони).

3. Какво е барионното число на протона?

   • 0
   • +1
   • −1
   • +1/3

   Отговор: +1

   Всички бариони имат барионно число +1, антибарионите −1, а мезоните 0.

4. От колко кварка е съставен всеки барион?

   • От кварк и антикварк
   • От два кварка
   • От пет кварка
   • От три кварка

   Отговор: Три кварка

   Протонът и неутронът са бариони.

5. От какво е съставен всеки мезон?

   • Три кварка
   • Два кварка
   • Три антикварка
   • Кварк и антикварк

   Отговор: Кварк и антикварк

   Мезоните са съставени от кварк и антикварк, например π⁺ = ud̄.

6. Какъв е кварковият състав на пиона π⁺?

   • uud
   • ūd
   • ud̄
   • uū

   Отговор: ud̄

   π⁺ е u-кварк и анти-d-кварк: заряд 2/3 + 1/3 = +1.

7. Кое от изброените е мезон?

   • Пионът (π-мезон)
   • Протонът
   • Неутронът
   • Електронът

   Отговор: Пионът

   π⁺ е съставен от u-кварк и анти-d кварк.

8. Около колко е средното време на живот на свободния неутрон?

   • около 15 минути
   • около 1 секунда
   • около 1 година
   • около 10⁻⁸ s

   Отговор: около 15 минути

   Свободният неутрон живее средно около 880 s (около 15 минути) и се разпада на протон, електрон и антинеутрино.

9. Какво е барионното число на един кварк?

   • 1
   • 0
   • 3
   • 1/3

   Отговор: 1/3

   Барионът се състои от три кварка и има барионно число 1, затова на всеки кварк се пада 1/3.

10. Кой от изброените бариони е стабилен в свободно състояние?

    • Неутронът
    • Протонът
    • Σ⁺ хиперонът
    • Λ хиперонът

    Отговор: Протонът

    Свободният неутрон се разпада на протон, електрон и антинеутрино.

11. Кой закон за запазване забранява разпада p → e⁺ + γ?

    • На електричния заряд
    • На енергията
    • На барионното число
    • На масата

    Отговор: На барионното число

    Зарядът се запазва (+1 = +1), а енергията стига, но барионното число намалява от 1 на 0, затова разпадът е забранен.

12. Какъв е кварковият състав на хиперона Λ⁰?

    • uds
    • uud
    • udd
    • uus

    Отговор: uds

    Λ⁰ е барион от u-, d- и s-кварк: заряд 2/3 − 1/3 − 1/3 = 0.

13. Кой учен (заедно с Джордж Цвайг) предлага кварковия модел през 1964 г.?

    • Ричард Файнман
    • Енрико Ферми
    • Мъри Гел-Ман
    • Питър Хигс

    Отговор: Мъри Гел-Ман

    Гел-Ман получава Нобелова награда през 1969 г. за класификацията на частиците.

14. Кой японски физик предсказва през 1935 г. мезоните като преносители на ядрените сили?

    • Енрико Ферми
    • Мъри Гел-Ман
    • Пол Дирак
    • Хидеки Юкава

    Отговор: Хидеки Юкава

    Хидеки Юкава предсказва частица с междинна маса (мезон), открита по-късно като пион; получава Нобелова награда през 1949 г.

15. Около колко е средното време на живот на заредените пиони?

    • ≈ 15 минути
    • ≈ 1 s
    • ≈ 2,6·10⁻⁸ s
    • Стабилни са

    Отговор: ≈ 2,6·10⁻⁸ s

    Заредените пиони се разпадат за около 26 ns, главно на мюон и неутрино; всички мезони са нестабилни.

Античастици

1. Как се нарича античастицата на електрона?

   • Протон
   • Неутрино
   • Позитрон
   • Мюон

   Отговор: Позитрон

   Позитронът има същата маса като електрона и заряд +e.

2. Какъв е електричният заряд на антипротона?

   • −e
   • +e
   • 0
   • −2e

   Отговор: −e

   Античастицата има заряд, противоположен на частицата: протонът е +e, антипротонът е −e.

3. Коя е античастицата на фотона?

   • Антифотон с отрицателен заряд
   • Самият фотон
   • Електронът
   • Неутриното

   Отговор: Самият фотон

   Фотонът няма заряд и други квантови числа, които да се обърнат, затова сам е своя античастица.

4. Кой учен теоретично предсказва позитрона?

   • Карл Андерсън
   • Пол Дирак
   • Нилс Бор
   • Ърнест Ръдърфорд

   Отговор: Пол Дирак (1928-1931)

   Андерсън открива позитрона в космическите лъчи през 1932 г.

5. Как се отнасят масата на частица и масата на нейната античастица?

   • Античастицата е по-лека
   • Равни са
   • Античастицата е по-тежка
   • Античастицата няма маса

   Отговор: Равни са

   Частицата и античастицата имат еднакви маси и противоположни заряди.

6. Какво е раждане на двойка?

   • Делене на ядро на две
   • Сливане на два протона
   • Превръщане на гама-фотон в електрон и позитрон
   • Излъчване на два фотона от атом

   Отговор: Превръщане на гама-фотон в електрон и позитрон

   Фотон с достатъчно енергия близо до ядро може да се превърне в двойка частица и античастица, например e⁻ и e⁺.

7. Какво се получава при анихилация на електрон и позитрон в покой?

   • Протон и неутрон
   • Два гама-фотона
   • Нищо, енергията изчезва
   • Нов електрон

   Отговор: Два гама-фотона

   Масата на двойката се превръща в енергия на лъчение.

8. Кой открива позитрона в космическите лъчи през 1932 г.?

   • Ърнест Ръдърфорд
   • Пол Дирак
   • Карл Андерсън
   • Джеймс Чадуик

   Отговор: Карл Андерсън

   Карл Андерсън наблюдава следите на позитрони в камера на Уилсън, поставена в магнитно поле.

9. Какъв е електричният заряд на антинеутрона?

   • −e
   • +e
   • −2e
   • 0

   Отговор: 0

   Антинеутронът е неутрален като неутрона, но е съставен от антикварки (ūd̄d̄) и има барионно число −1.

10. Каква е общата енергия на фотоните при анихилация на електрон и позитрон в покой?

    • ≈ 1,022 MeV
    • ≈ 0,511 MeV
    • ≈ 1876 MeV
    • ≈ 13,6 eV

    Отговор: ≈ 1,022 MeV

    2·m_ec² = 2·0,511 MeV.

11. Какъв е кварковият състав на антипротона?

    • uud
    • ūūd̄
    • udd
    • ūd̄d̄

    Отговор: ūūd̄

    Протонът е uud, затова антипротонът е съставен от съответните антикварки ūūd̄.

12. Защо антивеществото не може да се съхранява в обикновен съд?

    • Изпарява се моментално
    • При допир с веществото на стените анихилира
    • Има много голяма маса
    • Отблъсква се гравитационно

    Отговор: При допир с веществото на стените анихилира

    Античастиците анихилират с частиците на стените; в ЦЕРН антиводородът се задържа в магнитни капани във вакуум.

13. Кой медицински метод използва анихилацията на позитрони?

    • Рентгенография
    • Ехография (ултразвук)
    • Електрокардиография
    • Позитронно-емисионна томография (ПЕТ)

    Отговор: ПЕТ

    Вкарва се вещество, което излъчва позитрони, и се регистрират двойките гама-фотони.

14. Колко енергия се отделя при пълна анихилация на 1 g вещество с 1 g антивещество?

    • 9·10¹³ J
    • 1,8·10¹¹ J
    • 3·10⁸ J
    • 1,8·10¹⁴ J

    Отговор: 1,8·10¹⁴ J

    E = mc² = 2·10⁻³ kg · 9·10¹⁶ m²/s² = 1,8·10¹⁴ J (изчезват общо 2 g).

15. Коя е загадката на асиметрията между вещество и антивещество?

    • Защо наблюдаваната Вселена е съставена почти само от вещество
    • Защо античастиците имат по-голяма маса
    • Защо позитронът е по-тежък от електрона
    • Защо антивеществото е по-студено

    Отговор: Защо наблюдаваната Вселена е съставена почти само от вещество

    Ако при Големия взрив веществото и антивеществото са възникнали в равни количества, те биха анихилирали; малкото превишение на веществото още не е напълно обяснено.

Взаимодействия

1. Колко са фундаменталните взаимодействия в природата?

   • 4
   • 2
   • 3
   • 6

   Отговор: 4

   Гравитационно, електромагнитно, силно и слабо.

2. Кое фундаментално взаимодействие ни задържа на повърхността на Земята?

   • Електромагнитното
   • Гравитационното
   • Слабото
   • Силното

   Отговор: Гравитационното

   Земята ни привлича чрез гравитационното взаимодействие.

3. Кое взаимодействие задържа електроните около ядрото в атома?

   • Гравитационното
   • Електромагнитното
   • Слабото
   • Силното

   Отговор: Електромагнитното

   Отрицателните електрони се привличат от положителното ядро чрез електромагнитното взаимодействие.

4. Кое фундаментално взаимодействие задържа кварките в протоните и неутроните и има най-голяма интензивност?

   • Гравитационното
   • Силното
   • Електромагнитното
   • Слабото

   Отговор: Силното

   То е около 100 пъти по-силно от електромагнитното на ядрени разстояния.

5. Коя частица е преносител на електромагнитното взаимодействие?

   • Глуонът
   • W бозонът
   • Фотонът
   • Хигсовият бозон

   Отговор: Фотонът

   Електромагнитното взаимодействие се пренася от фотони.

6. Коя частица, открита в ЦЕРН през 2012 г., е свързана с механизма, придаващ маса на частиците?

   • Глуонът
   • Гравитонът
   • Хигс бозонът
   • Неутриното

   Отговор: Хигс бозонът

   Хигс бозонът е открит в Големия адронен колайдер през 2012 г.; чрез полето на Хигс частици като W и Z бозоните получават маса.

7. Кое взаимодействие държи нуклоните заедно в ядрото?

   • Силното (ядреното)
   • Електромагнитното
   • Гравитационното
   • Слабото

   Отговор: Силното

   Ядрените сили са проява на силното взаимодействие.

8. Кое е най-слабото фундаментално взаимодействие?

   • Слабото
   • Електромагнитното
   • Силното
   • Гравитационното

   Отговор: Гравитационното

   Гравитационното е най-слабото: между два протона то е около 10³⁶ пъти по-слабо от електричното.

9. Коя хипотетична частица би била преносител на гравитационното взаимодействие?

   • Фотонът
   • Глуонът
   • Z бозонът
   • Гравитонът

   Отговор: Гравитонът

   Гравитонът е предполагаем преносител на гравитацията, но засега не е регистриран експериментално.

10. Кое взаимодействие е отговорно за бета-разпада?

    • Слабото
    • Силното
    • Гравитационното
    • Електромагнитното

    Отговор: Слабото

    При него неутрон се превръща в протон с отделяне на електрон и антинеутрино.

11. Какъв е радиусът на действие на ядрените сили между нуклоните?

    • около 10⁻¹⁵ m
    • около 10⁻¹⁰ m
    • около 1 m
    • безкраен

    Отговор: около 10⁻¹⁵ m

    Ядрените сили действат на разстояния от порядъка на размерите на ядрото, около 10⁻¹⁵ m.

12. Чрез кое взаимодействие протича първата стъпка на протон-протонния цикъл в Слънцето (p + p → d + e⁺ + ν)?

    • Слабото
    • Силното
    • Гравитационното
    • Електромагнитното

    Отговор: Слабото

    При тази реакция един протон се превръща в неутрон, което е възможно само чрез слабото взаимодействие; затова Слънцето „гори“ бавно.

13. Кои частици са преносители на слабото взаимодействие?

    • Фотоните
    • W и Z бозоните
    • Глуоните
    • Пионите

    Отговор: W⁺, W⁻ и Z⁰ бозони

    Открити са в ЦЕРН през 1983 г.

14. Кои две взаимодействия имат безкраен радиус на действие?

    • Гравитационното и електромагнитното
    • Силното и слабото
    • Гравитационното и слабото
    • Електромагнитното и силното

    Отговор: Гравитационното и електромагнитното

    Гравитационните и електромагнитните сили намаляват като 1/r², но не изчезват на никакво разстояние.

15. Как се нарича теорията, която описва елементарните частици и три от четирите взаимодействия (без гравитацията)?

    • Общата теория на относителността
    • Стандартният модел
    • Класическата механика
    • Теорията на хаоса

    Отговор: Стандартният модел

    Стандартният модел описва кварките, лептоните, преносителите на силното, слабото и електромагнитното взаимодействие, както и Хигс бозона.

Финален въпрос