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素粒子と基本的な力

次のことを答えたり、正しい記述を選んだりできる。陽子・中性子が 3 個のクォーク（電荷 , ）からできていること、電子やニュートリノがレプトンであること、4 つの基本的な力（重力・電磁気力・強い力・弱い力）の名前とはたらき（弱い力が β 崩壊を起こすなど）

前提

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算数中学高校大学大学院

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説明

物質を細かく分けていくと、それ以上分けられない粒子に行き着きます。これを素粒子といいます。この技能では、陽子・中性子が 3 個のクォークからできていること、電子やニュートリノがレプトンという別の仲間であること、自然界の 4 つの基本的な力（重力・電磁気力・強い力・弱い力）の名前とはたらきを学びます。これを使うと、原子核や放射性崩壊についての記述が正しいかどうかを選択式・用語の問題で判断できます。

なぜそうしてよいのか

陽子の電荷は 、中性子の電荷は です。これは「原子核の構成」で学びました。陽子と中性子は、クォークという素粒子 3 個ずつでできています。ふつうの物質をつくるクォークは 2 種類です。電荷 のアップクォーク（u）と、電荷 ではなく のダウンクォーク（d）です。陽子は uud なので電荷の和は 、中性子は udd なので となり、知っている電荷とぴったり合います。クォークは全部で 6 種類（アップ・ダウン・チャーム・ストレンジ・トップ・ボトム）あります。ただし、クォークが 1 個だけで単独に取り出されて観測されることはありません。一方、電子やニュートリノはクォークからできておらず、それ自身が素粒子です。この仲間をレプトンといい、クォークとは別のグループです。

次に力です。万有引力（重力）は質量をもつすべての物体の間にはたらき、距離の 2 乗に反比例して遠くまで届きます。ただし 4 つの力の中で最も弱い力です。電磁気力（クーロン力やローレンツ力のもと）は電荷をもつ粒子の間にはたらき、これも遠くまで届きます。一方、原子核の中では陽子どうしが電気的に反発し合うのに、原子核はばらばらになりません。これは、クォークどうしを強く結びつける強い力がはたらいているからです。核力も、この強い力がもとになっています。強い力は 4 つの中で最も強い力ですが、届く距離は原子核程度（約 ）ととても短い力です。

最後に β 崩壊を考えます。β 崩壊では、中性子が陽子に変わって電子を放出します（。 は反ニュートリノで、ニュートリノの反粒子です）。クォークで見ると udd が uud に変わり、d 1 個が u に変わっています。電荷は 増えますが、放出される電子の と打ち消し合うので、電気量は保存されます。重力・電磁気力・強い力は、クォークの種類を変えることができません。粒子の種類を変えるはたらきをもつのが弱い力で、β 崩壊は弱い力によって起こります。弱い力の届く距離は強い力よりさらに短いです。なお、力は粒子のやりとりで伝わると考えられています。電磁気力は光子、強い力はグルーオン、弱い力はウィークボソンが伝えます。

手順

  1. 粒子を分類する：陽子・中性子はクォーク 3 個からできている。電子・ニュートリノはレプトン（それ自身が素粒子）。

  2. クォークの組み合わせを電荷で確かめる：u は 、d は 。陽子 = uud（和 ）、中性子 = udd（和 ）。

  3. 現象からはたらいている力を決める：質量の引き合いは重力、電荷の間の力は電磁気力、クォークや核子を結びつけるのは強い力、β 崩壊（d→u の変化）を起こすのは弱い力。

  4. 力の強さと届く距離を確かめる：強さは 強い力 > 電磁気力 > 弱い力 > 重力。重力と電磁気力は遠くまで届き、強い力と弱い力は原子核程度以下の短い距離でしかはたらかない。

  5. 選択肢を 1 つずつ上の事実と照らし合わせ、正誤を判定する。

例題

素粒子と基本的な力についての記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　陽子は 2 個のアップクォークと 1 個のダウンクォークからなり、中性子は 1 個のアップクォークと 2 個のダウンクォークからなる。
イ　電子は 3 個のクォークからできている。
ウ　原子核の β 崩壊を引き起こすのは強い力である。
エ　4 つの基本的な力のうち、最も弱いのは電磁気力である。

例題の解答

手順 1（粒子の分類）：電子はレプトンで、それ自身が素粒子である。クォークからできてはいないので、イは誤り。
手順 2（電荷で確かめる）：アの陽子 uud の電荷は 、中性子 udd の電荷は で、どちらも正しい電荷になる。アは正しい。
手順 3（現象と力）：β 崩壊は中性子の d クォークが u クォークに変わる現象で、弱い力によって起こる。ウは誤り。
手順 4（力の強さ）：最も弱い力は重力で、電磁気力ではない。エは誤り。
手順 5（判定）：正しいのはア。

答え:

ア

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

この技能を使う問題

この技能の次に学べること