01 표는 표준 모형의 기본 입자들을 전하량에 따라 A, B, C, D로 분류한 것이다. e는 기본 전하량이다.

Ⅰ. 시공간과 우주 / 2. 시공간의 새로운 이해

12. 상호 작용과 표준 모형

소단원 문제

전하량	-e	[eqn: - {1} over {3} e]	0	[eqn: + {2} over {3} e]
종류	A	B	C	D

A~D에 알맞은 입자를 <보기>에서 골라 쓰시오.

	<보 기>
•.위 쿼크 •아래 쿼크 •맵시 쿼크 •야릇한 쿼크 •뮤온 •뮤온 중성미자 •전자 •전자 중성미자 •타우입자

A :                         B :

C :                         D :

02 그림은 자연계의 4가지 기본 힘에 대해 철수, 영희, 민수가 대화하고 있는 모습을 나타낸 것이다.

옳게 말한 사람은 O, 옳지 않은 말을 한 사람은 X로 표시 하시오.

철수 (     )       영희 (     )      민수 (     )

03 다음은 자연계에 존재하는 기본 힘을 설명한 것이다.

(가)                (나)           (다)

전자기력과 약력에 대한 설명을 옳게 짝지은 것은?

전자기력    약력       전자기력    약력

①    (가)       (나)   ②    (가)       (다)

③    (나)       (가)   ④    (나)       (다)

⑤    (다)       (나)

04 표는 표준 모형에서 어떤 입자 A, B를 설명한 것이다.

입자 A	입자 B
•쿼크의 한 종류이다. •중성자를 구성하는 입자이다. •전하량은 [eqn: + {2} over {3} e]이다.	•렙톤에 속한다. •ⓐ중성자가 베타 붕괴할 때 생성된다. •전하를 띠지 않는다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, e는 기본 전하량이다.)

	<보 기>
ㄱ. A는 위(u) 쿼크이다. ㄴ. ⓐ의 과정에서 관여하는 힘은 약력이다. ㄷ. A와 B는 강한 상호 작용을 할 수 있다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

05 그림은 원자핵 속의 중성자가 양성자로 바뀌면서 입자 A와 중성미자를 방출하는 모습을 모식적으로 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. A는 렙톤에 속한다. ㄴ. 중성자는 위 쿼크 1개, 아래 쿼크 2개로 이루어져 있다. ㄷ. 약한 상호 작용의 매개 입자는 광자이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 다음은 표준 모형을 설명한 것이다.

표준 모형에서는 물질을 구성하는 기본 입자를 쿼크와 (가) (으)로 구분한다. 쿼크의 종류는 6가지이며, (가) (에)는 전자, 뮤온, 타우 입자뿐만 아니라 중성미자와 같이 전하량이 없고 질량이 매우 작은 입자도 포함된다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 렙톤이다. ㄴ. 뮤온과 타우 입자의 전하량은 같다. ㄷ. 전자는 강한 상호 작용을 한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

07 그림은 원자, 원자핵, 양성자의 구성 입자를 모형으로 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 원자핵과 전자 사이에 작용하는 전자기력을 매개하는 입자는 광자이다. ㄴ. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 사이에는 강력이 작용한다. ㄷ. 양성자는 표준 모형의 기본입자에 속한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

08 다음은 4가지 기본 상호 작용에 관한 글이다.

•전하를 띤 입자들은 광자를 주고받으며 (가) 상호 작용을 한다.

•핵자 속에 있는 (나) 은/는 글루온을 주고받으며 강한 상호 작용을 한다.

•약한 상호 작용에 의해 중성자가 양성자로 변하는 베타(beta) 붕괴에서는 중성자를 구성하는 쿼크가 W보손을 통해 렙톤의 일종인 (다) 과/와 전자를 방출한다.

•중력을 매개하는 것으로 추정되는 중력자는 아직 발견되지 않았다.

이에 대한 설명으로 옳은 것을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)에 알맞은 말은 전자기이다. ㄴ. (나)에 알맞은 말은 전자이다. ㄷ. (다)에 알맞은 말은 전기장 안에서 힘을 받지 않는다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

09 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

그림은 핵 안에서 위(u) 쿼크 1개와 아래(d) 쿼크 2개로 이루어진 중성자가 양성자로 바뀌면서 (A)와 중성미자가 방출되는 베타 붕괴를 모식적으로 나타낸 것이다.

중성자를 이루는 u와 d에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 중성자와 양성자의 질량은 같다.)

	<보 기>
ㄱ. 질량은 u가 d의 2배이다. ㄴ. 전하량은 u가 d보다 크다. ㄷ. A는 약한 상호 작용을 매개하는 입자이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

10 그림은 전하량이 +e인 원자핵을 나타낸 것이다. A, B는 원자핵을 구성하는 입자이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 전자의 전하량은 -e이다.)

	<보 기>
ㄱ. 위(u) 쿼크의 전하량은 [eqn: - {2} over {3} e]이다. ㄴ. A는 양성자이다. ㄷ. A와 B는 강한 상호 작용으로 결합되어 있다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

11 다음은 표준 모형에서 어떤 입자를 설명한 것이다.

•물질을 구성하는 기본 입자이다.

•㉠ 강한 상호 작용을 한다.

•양성자를 구성하는 3개의 입자 중 2개에 해당한다.

이 입자에 대한 설명으로 옳은 것은? (단, 전자의 전하량은 e이다.)

① 아래(d) 쿼크에 대한 설명이다.

② 전하량은 +e이다.

③ 중성자를 구성하는 입자 중 하나이다.

④ ㉠을 매개하는 입자는 W보손이다.

⑤ 이 입자는 전자기 상호 작용은 하지 않는다.

서술형 문제

12 그림은 헬륨 원자핵이 핵자들로 구성된 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. 핵자를 구성하는 데작용하는 힘은 강력이며, 이를 매개하는 입자는 글루온이다.

자연계에 존재하는 네 가지 기본적인 힘 중 위에서 설명한 강력을 제외한 세 가지 힘에 대해 설명하시오. (각 힘의 설명을 15자 내외로 하시오.)

13 그림은 표준 모형에 대해 설명하는 모습을 나타낸 것이다. 표준 모형에서의 기본 입자에 해당하는 쿼크와 렙톤에 관해 간략하게 설명하시오

(1) 쿼크

(2) 렙톤

14 그림은 자연계의 기본 힘과 매개 입자에 대하여 정리한 자료이다.

자연계의 기본 힘과 매개 입자

힘	매개 입자
중력
전자기력	(가)
강한 상호 작용	(나)
약한 상호 작용

(가)와 (나)에 들어갈 매개 입자는 무엇인지 쓰시오.

정답과 해설

01 해설 참조 02 철수(O), 영희(O), 민수(X) 03 ③  04 ④ 05 ③ 06 ④  07 ④  08 ④  09 ②  10 ⑤  11 ③   12~13 해설참조

14 (가) 광자, (나) 글루온

01

A: 전자, 뮤온, 타우 입자

B: 아래 쿼크, 야릇한 쿼크

C: 뮤온 중성미자, 전자 중성미자

D: 위 쿼크, 맵시 쿼크

02

철수 (O), 영희 (O), 민수 (X)

•철수: 강력은 쿼크들 사이와 핵자(양성자, 중성자)들 사이에 작용하는 힘이다. 네 가지 기본 힘 중 가장 강한 힘이며 매우 짧은 거리에서만 작용한다.

•영희: 중력은 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 힘으로, 그 크기는 질량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

•민수: 전자기력을 매개하는 입자는 광자이다.

오답 체크

03

(가)는 중성자가 전자와 중성미자를 방출하면서 양성자로 붕괴되는 과정에 관여하는 약력이다.

(나)는 원자핵과 전자 사이에 작용하는 전자기력이다.

(다)는 핵자(중성자, 양성자)들 사이에 작용하는 강력이다.

04

ㄱ. A는 위(u)쿼크이고, B는 중성미자이다.

ㄴ. 중성자가 베타 붕괴할 때 관여하는 힘은 약력이다.

ㄷ. 중성미자는 렙톤에 속한다. 쿼크는 모든 상호 작용을 하며, 렙톤은 강한 상호 작용(강력)은 하지 않는다.

오답 체크

05

ㄱ. 중성자가 양성자로 붕괴되는 과정에서 방출되는 입자는 전자와 중성미자이다. 전자는 렙톤에 속한다.

ㄴ. 중성자는 위(u)쿼크 1개와 아래(d)쿼크 2개로 이루어져 있으며 전하량은 0이다.

ㄷ. 약한 상호 작용을 매개하는 입자는 W보손, Z보손이다.

오답 체크

06

ㄱ. 표준 모형에서 입자를 구성하는 기본 입자는 쿼크와 렙톤으로 구분한다.

ㄴ. 렙톤에는 전자, 뮤온, 타우입자, 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자가 있다. 뮤온과 타우 입자의 전하량은 e로 같다.

ㄷ. 전자는 렙톤에 속한다. 렙톤은 강한 상호 작용을 하지 않는다.

오답 체크

07

ㄱ. 원자에서 원자핵과 전자 사이에 작용하는 전자기력을 매개하는 입자는 광자이다.

ㄴ. 핵자를 구성하는 양성자와 중성자 사이에는 강력이 작용한다.

ㄷ. 표준 모형의 기본 입자에 속하는 것은 쿼크와 렙톤이다. 전자는 렙톤에 속하지만 양성자와 중성자는 기본 입자에 해당하지 않는다.

오답 체크

08

ㄱ. 광자가 매개하는 상호 작용은 전자기력이며, 전자기 상호 작용이라고도 한다.

ㄷ. 베타 붕괴 과정에서 방출되는 입자는 중성미자와 전자이다. 따라서 (다)에 알맞은 말은 중성미자이다. 렙톤인 중성미자는 전하를 띠지 않으므로 전기장 안에서 힘을 받지 않는다.

ㄴ. 글루온이 매개하는 상호 작용은 강한 상호 작용(강력)이다. (나)에 알맞은 말은 쿼크이다.

오답 체크

09

ㄴ. u의 전하량은 [eqn: + {2} over {3} e]이고, d의 전하량은 [eqn: - {1} over {3} e]이다. 따라서 전하량은 u가 d보다 크다.

ㄱ. 중성자와 양성자의 질량은 같다. u, d의 질량을 각각 x, y라 하면, x+2y=2x+y이다. 따라서 질량은 u와 d가 같다.

오답 체크

ㄷ. A는 중성미자이다. 약한 상호 작용을 매개하는 입자는 W보손, Z보손이다.

10

ㄴ. A는 위(u)쿼크 2개와 아래(d)쿼크 1개로 이루어진 양성자이다.

ㄷ. 양성자(A)와 중성자(B)는 핵을 구성하는 핵자로서 강한 상호작용으로 결합되어 있다.

ㄱ. 위(u)쿼크의 전하량은 [eqn: + {2} over {3} e]이다.

오답 체크

11

위 쿼크에 관한 설명이다. 중성자는 위(u)쿼크 1개와 아래(d)쿼크로 이루어져 있다.

① 아래 쿼크는 양성자를 구성하는 3개의 입자 중 1개에 해당한다.

오답 체크

② 위(u)쿼크의 전하량은 [eqn: + {2} over {3} e]이다.

④ ㉠을 매개하는 입자는 글루온이다.

⑤ 쿼크는 네 가지 기본 상호 작용을 모두 한다.

12

상호 작용, 중성자

정답 키워드

모범답안_ •중력: 질량을 가진 모든 물체 사이에 작용하는 힘으로, 작용 범위는 무한대이며 상호 작용 중에서 가장 약하다.

•전자기력: 전하를 띤 물체 사이에 작용하는 전기력과 자석 사이에 작용하는 자기력을 통합한 힘이다. 힘의 작용 범위는 무한대이다.

•약력 : 원자핵 내부의 중성자가 전자와 양성자로 또는 양성자가 양전자와 중성자로 붕괴할 때 관여하는 힘이다.

등급	채점 기준	배점(%)
A	3가지 기본힘에 대해 정확하게 서술한 경우	100
B	3가지 중 두 가지만 정확하게 답한 경우	70
C	3가지 중 한 가지만 정확하게 답한 경우	30

13

전하량, 질량

정답 키워드

모범답안_ ⑴ 쿼크는 6종류가 있으며, 쿼크의 전하량은[eqn: + {2} over {3} e] 또는 [eqn: - {1} over {3} e]이다.

⑵ 렙톤은 전자, 뮤온, 타우 입자 및 각각의 입자에 대응되는 중성미자인 전자 중성미자, 뮤온 중성미자, 타우 중성미자로 구성되어 있다. 전자, 뮤온, 타우 입자의 전하량은 -e이고, 중성미자는 질량이 거의 없고 전하를 띠지 않는다.

등급	채점 기준	배점(%)
A	쿼크와 렙토에 대해 정확하게 답한 경우	100
B	쿼크와 렙톤 중 한 가지만 정화가게 답한 경우	50

14

전자기력

정답 키워드

모범답안_ (가)광자, (나)글루온

해설_ 매개 입자는 상호 작용을 매개하는 입자이다. 전자기력을 매개하는 입자는 광자이고 강력을 매개하는 입자는 글루온이다.

약력을 매개하는 입자는 W 보손과 Z 보손이다.