ĐIỆN HỌC ĐIỆN TỪ HỌC TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ Chủ đề 7 HẠT SƠ CẤP I CÁC KIẾN THỨ CƠ BẢN CẦN NHỚ 1 Hạt sơ cấp là gì? Hạt sơ cấp (còn gọi là hạt cơ bản) là hạt có kích thước và khối lượng nhỏ hơn hạt nhân ngu[.]
TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ Chủ đề HẠT SƠ CẤP I CÁC KIẾN THỨ CƠ BẢN CẦN NHỚ Hạt sơ cấp gì? Hạt sơ cấp (cịn gọi hạt bản) hạt có kích thước khối lượng nhỏ hạt nhân nguyên tử Các đặc trưng hạt sơ cấp a) Khối lượng nghỉ m0 Thay cho m0 người ta dùng lượng nghỉ E0 = m0c2 b) Điện tích Q tính theo đơn vị đo điện tích nguyên tố e Các hạt sơ cấp có Q = ±1 Q = Q gọi số lượng tử điện tích c) Spin: hạt sơ cấp có momen động lượng riêng momen từ riêng, đặc trưng cho chuyển động nội chất hạt Momen đặc trưng số lượng tử spin, kí hiệu S Momen động lượng h riêng hạt s với h số Plăng 2 d) Thời gian sống trung bình: Có hạt khơng phân rã gọi hạt bền (prơtơn, electron phơtơn, nơtrino), cịn tất hạt khác không bền phân rã thành hạt khác; riêng nơtron thời gian sống dài, khoảng 932s, lại thời gian sống ngắn cỡ 10-24 đến 10 - 6s Phân loại hạt sơ cấp Người ta thường xếp hạt sơ cấp biết thành loại theo khối lượng nghỉ m0 tăng dần a) Phơtơn b) Leptơn: gồm hạt nhẹ, có khối lượng từ đến 200m e như: electron, pôzitrôn, nơtrinô, muyôn (( , ), hạt tau ((+, -), c) Hađrơn: gồm hạt có khối lượng 200me bao gồm nhóm con: - Mêzơn: gồm hạt có khối lượng trung bình, lớn 200m e nhỏ khối lượng nuclôn Mêzơn gồm hai nhóm: mêzơn mêzơn K - Nuclơn - Hipêron gồm hạt có khối lượng lớn nuclơn Nuclơn hipêron có tên chung barion Trong tác hạt sơ cấp Có loại tương tác hạt sơ cấp: a) Tương tác hấp dẫn Đó tương tác hạt vật chất có khối lượng Tương tác hấp dẫn có cường độ nhỏ so với tương tác khác có bán kính tác dụng lớn vơ b) Tương tác điện từ Đó tương tác hạt mang điện, vật tiếp xúc gây nên ma sát Tương tác điện từ mạnh tương tác hấp dẫn 1037 lần có bán kính tác dụng lớn vơ hạn c) Tương tác yếu Đó tương tác hạt phân rã Tương tác yếu có bán kính tác dụng cỡ -18 10 m, có cường độ nhỏ tương tác điện từ khoảng 1012 lần lớn lực tương tác hấp dẫn d) Tương tác mạnh Đó tương tác hađrôn Một trường hợp riêng tương tác mạnh lực hạt nhân Phản hạt Phần lớn hạt sơ cấp tạo thành cặp gồm hạt phản hạt Phản hạt có khối lượng nghỉ, spin đặc trưng khác điện tích, momen từ có trị số độ lớn trái dấu Trong trình tương tác hạt sơ cấp, xảy tượng huỷ cặp "hạt + phản hạt” có khối lượng nghỉ khác thành phôtôn hoặc, lúc sinh cặp "hạt + phản hạt" từ phôtôn: c- + e+ + + e- + e+ Hạt quac Tất hađrôn cấu tạo từ hạt nhỏ hơn, gọi quac Có loại quac e 2e (kí hiệu u, d, s, c, b, t) phản quac, mang điện tích, , 3 Các hạt quac quan sát thấy thí nghiệm, trạng thái liên kết, chưa quan sát hạt quac tự II PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG TOÁN CƠ BẢN (tự luận trắc nghiệm) Dạng BÀI TẬP VỀ CÁC ĐẶC TRƯNG, PHÂN LOẠI VÀ TƯƠNG TÁC CỦA CÁC HẠT SƠ CẤP A PHƯƠNG PHÁP GIẢI Để xác định lượng khối lượng hạt sơ cấp, ta sử dụng hệ thức Anh - xtanh E = mc công thức thuyết tương đối Chú ý lượng hạt thường tính MeV nên tính khối lượng m đơn vị nguyên tử u thay uc = 931,5MeV đổi đơn vị theo hệ thức: MeV = 1,6.10-13J Các hạt bị phân rã nên tập hạt áp dụng định luật phóng xạ hạt nhân đồng vị phóng xạ Muốn chọn nhận xét hạt sơ cấp, Cần nhớ tên gọi xếp chúng theo đặc trưng khác để so sánh B CÁC VÍ DỤ Ví dụ Hạt ơmêga trừ ( -) có lượng 1672MeV spin Khối lượng momen động lượng riêng hạt có trị số bao nhiêu? Hướng dẫn giải Áp dụng cơng thức tính khối lượng theo lượng tính momen động lượng theo spin Khối lượng hạt là: m E 1672.1,6.10 13 2,97.10 27 kg c (3.10 ) Momen động lượng riêng hạt là: s h 6,625.10 34 kg.m 1,58.10 34 2 2.3,14 s Ví dụ Thời gian T để số hạt phóng xạ giảm e lần (e 2,72) gọi thời gian sống trung bình hạt phóng xạ Biết chu kì bán rã loại hạt T T Chứĩìg minh ln Xác định thời gian sống trung bình hạt nói (theo T) người quan sát mặt đất, hạt chuyển động với tốc độ v = 0,999c (c = 3.108m/s) Hướng dẫn giải a) Áp dụng định luật phóng xạ: T 1 N = N0e N 0e N 0e 1 (đpcm) ln b) Với V = 0,9999 0,999 1,999.10 0,0447 ; T ' 32,3T 0,0447.ln 2 http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word Ví dụ Chọn phát biểu hạt sơ cấp A Tốc độ hạt sơ cấp nhỏ tốc độ ánh sáng B Mọi hạt sơ cấp tự quay quanh C Đa số hạt sơ cấp có thời gian sống ngắn D Một số hạt sơ cấp khơng có phản hạt tương ứng Hướng dẫn chọn đáp án A sai phơtơn chuyển động với tốc độ ánh sáng hạt sơ cấp B sai nhiều hạt có spin D sai hạt có phản hạt tương ứng Chọn C đa số hạt khơng bền có thời gian sống ngắn, từ 10-24s đến 10- 6s Ví dụ Chọn phát biểu sai hạt sơ cấp A Hạt sơ cấp có khối lượng kích thước nhỏ hạt nhân nguyên tử B Hạt sơ cấp có điện tích khơng C Các hạt sơ cấp hạt bền có khối lượng D Mọi hạt sơ cấp có phản hạt tương ứng với Hướng dẫn chọn đáp án Chọn C số hạt bền có electron phơtơn hạt có khối lượng khác Ví dụ Phát biểu tương tác điện từ nêu không đúng? Tương tác điện từ A có bán kính tác dụng lớn vơ hạn B có cường độ lớn so với tương tác hấp dẫn C tương tác hạt mạng điện D hấp thụ phôtôn hạt mang điện Hướng dẫn chọn đáp án Tương tác điện từ không hấp thụ mà trao đổi phôtôn hạt mang điện Chọn D C BÀI TẬP ƠN LUYỆN 7.1 Biết nơtron có khối lượng nghỉ 1,67493.10-24g Tính lượng nơtron theo đơn vị MeV 7.2 Đại lượng sau đặc trưng hạt sơ cấp? A Năng lượng nghỉ B Tốc độ C Điện tích D Thời gian sống trung bình 7.3 Chọn phát biểu sai hạt sơ cấp A Các hạt sơ cấp có điện tích khơng B Có loại hạt sơ cấp tồn chuyển động C Điện tích hạt phản hạt có độ lớn ngược hướng D Momen từ hạt phản hạt có độ lớn hướng 7.4 Chọn phát biểu sai A Đối với hạt sơ cấp có loại tương tác B Tương tác mạnh tương tác có cường độ lớn C Tương tác yếu có cường độ nhỏ tương tác hấp dẫn D Tương tác điện từ có cường độ lớn tương tác yếu 1012 lần 7.5 Trong bốn loại tương tác hạt sơ cấp vũ trụ, lực tương tác hạt phân rã thuộc loại A tương tác yếu B tương tác mạnh C tương tác điện từ D tương tác hấp dẫn 7.6 Giữa hai cầu mang điện chuyển động khơng có http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word A Tương tác hấp dẫn B Tương tác yếu C Tương tác điện D Tương tác từ 7.7 Mêzôn barion khác điểm A Điện tích B Khối lượng C Thời gian sống D Spin 7.8 Đại lượng đặc trưng cho chuyển động nội hạt sơ cấp A khối lượng nghỉ B Thời gian sống trung bình C lượng D spin 7.9 Hạt nêu hạt sơ cấp có điện tích dương? A Anpha B Pozitrong C Nơtrino D Phôtôn 7.10 Trong hạt sơ cấp, hạt gọi bền hạt A khơng tương tác với hạt khác B có thời gian sống giá trị hàng trăm giây trở lên C không bị phân rã thành hạt khác D có spin số bán nguyên 7.11 Hađrôn tên gọi hạt sơ cấp A mêzôn barion B leptôn mêzôn C phôtôn hiperôn D nuclôn leptôn 7.12 Barion gồm A hạt truyền tương tác B hạt nhẹ êlectron muyon C hạt có khối lượng nhỏ khối lượng prôtôn D hạt có lớn khối lượng prơtơn 7.13 Gravitôn hạt truyền A tương tác điện từ B Tương tác hấp dẫn C Tương tác mạnh D Tương tác yếu 7.14 Chọn phát biểu sai hạt phản hạt A Hạt phản hạt có điện tích spin ngược dấu B Hạt phản hạt có khối lượng nghỉ C Khi hạt phản hạt gặp xảy tượng hủy cặp D Mỗi hạt sơ cấp có phản hạt 7.15 Tương tác vật tiếp xúc gây nên ma sát thuộc loại A tương tác hấp dẫn B Tương tác yếu C Tương tác điện từ D có bán kính tác dụng cỡ 10-15m Dạng BÀI TẬP VỀ SỰ VA CHẠM, CẤU TẠO VÀ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC HẠT SƠ CẤP A PHƯƠNG PHÁP GIẢI Để tìm vận tốc, lượng hạt sơ cấp sau va chạm, ta dùng định luật bảo toàn động lượng lượng với ý sau: - Động lượng đại lượng vectơ nên thường vẽ sơ đồ vectơ dùng phép chiếu vectơ để tìm mối liên quan đại lượng vô hướng - Cần khẳng định vận tốc hạt lớn hay nhỏ để định dùng công thức học cổ điển hay học tương đối tính Q trình hạt biến đổi thành hạt khác tuân theo định luật bảo tồn điện tích bảo tồn số nuclơn phản ứng hạt nhân Ta vận dụng định luật để hoàn thành phương trình biến đổi hạt sơ cấp http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word B BÀI TẬP VÍ DỤ Ví dụ Cho biết khối lượng electron 91.10 -31kg Trong trình va chạm trực diện electron pơzitron, có huỷ cặp tạo thành hai phơtơn, phơtơn có lượng 1,83MeV chuyển động theo hai chiều ngược a) Chứng tỏ trước va chạm êlectron pôzitron chuyển động ngược chiều với tốc độ b) Xác định động êlectron trước va chạm Hướng dẫn giải a) Hai phơtơn có động chuyển động ngược chiều nên tổng động lượng chúng Theo định luật bảo toàn động lượng, tổng động lượng êlectron pôzitron Mặt khác, êlectron pozitron có khối lượng (me) nên vận tốc chúng có độ lớn ngược chiều b) Theo định luật bảo toàn lượng: 2mec2 + 2Wđ = 2Wđ Từ suy ra: Wđ Wñ mec 1,83 9,1.10 31 (3.108 ) 1,83 0,51 1,32MeV 1,6.10 13 Ví dụ Một prôtôn chuyển động va chạm vào prôtôn đứng yên Sau va chạm hai hạt bay theo hai phương lệch với góc nhỏ 60° Va chạm có tuân theo học cổ điển hay không? Hướng dẫn giải Nếu tuân theo học cổ điển v 02 v2 v2 m m v 02 v12 v 22 2 Phương trình chứng tỏ v v2, góc hai phương chuyển động 90°, mâu thuẫn giả thiết Vậy va chạm không tuân theo vật lí cổ điển r Ví dụ Cho trình biến đổi hạt sơ cấp sau: n p + X + v r a) Cho biết tên đặc trưng hạt có kí hiệu v b) Cho biết chất, điện tích khối lượng hạt X Hướng dẫn giải r a) Hạt có kí hiệu v phản nơtrinơ Đây phản hạt nơtrinơ, khơng mang điện, có khối lượng xấp xỉ 0, có spin có thời gian sống vơ m b) Dùng định luậl bảo tồn điện tích bảo tồn số khối, ta xác định X có chất êlectron có điện tích -1 có khối lượng 9,1.10 - 31kg Ví dụ Hạt nêu biến đổi thành nơtron phân rã ? A Phôtôn B Electron C Prôtôn D Nơtrinơ Hướng dẫn chọn đáp án Chọn C Q trình biến đổi là: p n + e+ + v 1 e, hạt , C BÀI TẬP ÔN LUYỆN 7.16 Cho khối lượng prôtôn 1,67262.10 - 27kg Khi xảy hủy cặp prơtơn phản hạt sinh hai phơtơn có tần số Tổng động ban đầu hệ hạt phản hạt 10MeV Tìm tần số phơtơn 7.17 Hai phơtơn có tần số f = 3,2.1020HZ, sản cặp electron - pozitron Xác định động hạt sinh động pozitron lần động êlectron 7.18 Tính động cực đại pôzitron phân rã + Cho biết khối lượng nguyên tử mẹ MX, nguyên tử MY khối lượng pôzitron me http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word 7.19 Một hạt có khối lượng m phản hạt gặp xảy tượng hủy cặp chân không Lúc đầu hạt đứng n Kết có phơtơn giống sinh Bước sóng phơtơn là: h h h h A B C D mc 2mc mc 2mc 7.20 Chọn phát biểu sai hạt quac A Các hađrôn cấu tạo từ quac e 2e B Các quac mang điện tích đương có trị số 3 C Các quac có phản hạt tương ứng D Các quac quan sát thấy thí nghiệm trạng thái liên kết 7.21 Hạt quac A khơng có phản hạt B có ba loại khác C loại hạt sơ cấp có khối lượng nhỏ e 2e D có điện tích là; ± ; 3 7.22 Nơtron A tạo nên từ sáu hạt quac B có spin C khơng có phản hạt khơng mang điên D Thuộc loại hạt có tên hiperon 7.23 Prôtôn A trạng thái tự biến đổi thành nơtron theo phương trình p n + e+ + v B thuộc loại hạt có tên gọi mêzon C có phản hạt có điện tích D loại hạt bền 7.24 Hạt nêu tách thành hạt nhỏ hơn? A Leptôn B Quac C Barion D Các hạt truyền tương tác 7.25 Trong trình phân rã có biến đổi theo phương trình nêu đây? r A p n + e- + v B p n + e v r C n p + e- + v D n p + e- + v http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ Chủ đề HẠT SƠ CẤP 7.1 E m 0c 1,67493.10 27 (3.108 ) MeV 940MeV 1,6.10 13 7.2 Chọn C 7.3 Chọn D 7.6 Chọn B 7.7 Chọn B 7.10 Chọn C 7.11 Chọn A 7.14 Chọn A 7.15 Chọn C 7.16 2hf = 2m0c + Wđ 7.4 Chọn C 7.8 Chọn D 7.12 Chọn D 7.5 Chọn A 7.9 Chọn B 7.13 Chọn B m 0c Wñ 1,67262.10 27.(3.108 ) 10.1,6.10 13 f 2 2,28.10 23 Hz 34 2h 6,625.10 7.17 Mỗi phôtôn có lượng hf 6.625.10 34.3,2.10 20 1,325MeV 1,6.10 13 Giải hệ: Wñe+ Wñe- 1,325 (1) Wđe+ 2Wđe- (2), ta có: 1,325 0,44MeV 2.1,325 0,89MeV Động pơzitron là: Wđe 7.18 Q = (MX - MY)c2 7.19 Chọn A 7.20 Chọn B 7.21 Chọn D 7.23 Chọn D 7.24 Chọn C 7.25 Chọn D Động êlectron là: Wñ- 7.22 Chọn B http://dethithpt.com – Website chuyên đề thi – tài liệu file word ... dụ Chọn phát biểu hạt sơ cấp A Tốc độ hạt sơ cấp nhỏ tốc độ ánh sáng B Mọi hạt sơ cấp tự quay quanh C Đa số hạt sơ cấp có thời gian sống ngắn D Một số hạt sơ cấp khơng có phản hạt tương ứng Hướng... không bị phân rã thành hạt khác D có spin số bán ngun 7.11 Hađrơn tên gọi hạt sơ cấp A mêzôn barion B leptôn mêzôn C phôtôn hiperôn D nuclôn leptôn 7 .12 Barion gồm A hạt truyền tương tác B hạt. .. kích thước nhỏ hạt nhân nguyên tử B Hạt sơ cấp có điện tích khơng C Các hạt sơ cấp hạt bền có khối lượng D Mọi hạt sơ cấp có phản hạt tương ứng với Hướng dẫn chọn đáp án Chọn C số hạt bền có electron