Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и типа, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых мы поговорим ниже.
Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса . Помимо этих классов, предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитационного поля). Экспериментально эти частицы ещё не обнаружены.
Дадим краткую характеристику четырем классам элементарных частиц.
К одному из них относится только одна частица – фотон .
Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.
Второй класс образуют лептоны , третий – адроны и, наконец, четвертый – калибровочные бозоны (табл. 2)
Таблица 2
| Элементарные частицы |
|||
| Лептоны |
Калибровочные бозоны |
Адроны |
|
|
|
|||
| n , p , гипероны Барионные резонансы |
Мезонные резонансы |
||
Лептоны (греч. «лептос » – лёгкий) - частицы , участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях . К ним относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (), мюоны (), таоны (), а также электронные нейтрино (), мюонные нейтрино () и тау-нейтрино (). Все лептоны имеют спины, равные 1/2 , и следовательно являются фермионами . Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях.
Адроны (греч. «адрос » – крупный, массивный) - частицы , участвующие в сильных , электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сегодня известно свыше сотни адронов и их подразделяют на барионы и мезоны .
Барионы - адроны , состоящие из трёх кварков (qqq ) и имеющие барионное число B = 1.
Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p , n ) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 , так что барионы являются фермионами . За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда .
Мезоны - адроны , состоящие из кварка и антикварка () и имеющие барионное число B = 0.
Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат -мезоны или пионы (), K-мезоны, или каоны (
), и -мезоны. Массы и мезонов одинакова и равна 273,1 , 264,1 время жизни, соответственно, и с. Масса К-мезонов составляет 970 . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка с. Масса эта-мезонов 1074 , время жизни порядка с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами
.
Калибровочные бозоны - частицы , осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W + , W – , Z 0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ.
Свойства элементарных частиц
Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.
Масса частицы , m . Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z -бозон). Z -бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.
Время жизни , τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы , имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные .
К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10 - 16 с.
К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами . Характерное время жизни резонансов - 10 - 23 -10 - 24 с.
Спин J . Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе–Эйнштейна.
Электрический заряд q . Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10 - 19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.
Внутренняя четность Р . Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа : барионное число В , странность s , очарование (charm ) с , красота (bottomness или beauty ) b , верхний (topness ) t , изотопический спин I приписывают только сильновзаимодействующим частицам - адронам .
Лептонные числа
L e
, L
μ , L
τ . Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e
, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν e
, n μ и n τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения L e
, L
μ , L
τ = 0, +1, -1. Например, e - , электронное нейтрино n e
имеют L e
= +l; , имеют L e
= - l. Все адроны имеют 
.
Барионное число В . Барионное число имеет значение В = 0, +1, -1. Барионы, например, n , р , Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = -1.
Странность s . Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K + - , K – - мезоны имеют s = + l.
Charm с . Квантовое число с с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ + имеет с = +1.
Bottomness b . Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В + -мезон имеет b = +1.
Topness t . Квантовое число t может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.
Изоспин I . Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты . Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 , входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет , 2I + 1.
G - четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G- четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.
Урок физики в 11 классе
«МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ»
Учитель физики
ГБОУ СОШ № 603 г.
Санкт - Петербурга
Дубиляс Наталья Юрьевна
(Слайд № 1) Тема: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия.
Цель: Продолжить формирование научно-материалистического мировоззрения и целостной Картины Мира на основе современных представлений о строении материи.
Задачи:
Образовательные :
Обеспечить усвоение знаний учащихся по теме «Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия», дать понятие «элементарная частица» и показать историю развития теории элементарных частиц; познакомить учащихся с основами классификаций элементарных частиц; обобщить и закрепить знания о фундаментальных взаимодействиях.
Развивающие:
Совершенствование умения анализировать учебный материал; самостоятельно формулировать выводы, развития мышления, познавательной активности и самостоятельности.
Воспитывающие:
Воспитание интереса к предмету через занимательность материала, культуры учебной деятельности, создание благоприятной психологической обстановки на уроке, привитие уважения к достижениям современной науки.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Форма урока: лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.
Методы обучения: словесные, наглядные, самостоятельная работа по выполнению теста.
Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная.
Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, стандартное оборудование физического кабинета, раздаточный материал (таблицы)
План урока:
Организационный этап.
Актуализация опорных знаний.
Изучение нового материала.
Домашнее задание.
Подведение итогов урока и рефлексия.
Ход урока:
Организационный этап.
Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.
(Слайд № 2) У Пушкина есть удивительное стихотворение:
Эпиграф:
О! сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог-изобретатель…
А.С.Пушкин
Эти строки поражают глубиной мысли. В них – поэтическое выражение принципов современной физики. Здесь есть намек на метод последовательных приближений (опыт, сын ошибок трудных), на развитие через разрешение парадоксов, требующих гениальных идей (гений, парадоксов друг), на идею отбора информации из шума (случай – бог изобретатель). Можно сказать, что в этих строчках выражены принципы современного познания (принцип цикличности). Сегодня наш с вами урок будет посвящен самому передовому краю науки – физике элементарных частиц.
Актуализация опорных знаний. (Слайд № 3)
Задание учащимся: ответить на вопросы:
1) Из чего состоит окружающий мир?
2) Из чего состоят тела?
3) Что является мельчайшей частицей вещества?
4) Из чего состоят молекулы?
5) Атом в переводе с греческого означает «неделимый». Так ли это на самом деле?
6) Что мы знаем о строении атома?
7) Какие элементарные частицы вам известны? Можно ли назвать их элементарными с точки зрения современной физики?
(фотон, протон, электрон, нейтрон, нейтрино)
Изучение нового материала.
(Слайд № 4) На доске появилась схема:
Природа –
тело –
вещество –
молекула –
атом –
ядро –
нуклоны – протон, нейтрон
электрон.
(Слайд №4) Так возник новый раздел физики – физика элементарных частиц, которая изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 t = 10 -8 1 ГэВ).
Рассмотрим основные характеристики уже известных нам элементарных частиц
(таблицу вклеить в тетрадь)
Частица
Символ
Масса покоя
Заряд
Время жизни
Электрон
Протон
Нейтрон
Нейтрино
Фотон
e –
p
n
ν
γ
m e
1836 ,1 m e
1838,6 m e
10 – 4 m e
0
-1
+1
0
0
0
Стабилен
Стабилен
1000 с
Стабильно
Стабилен
Перед физикой встали определенные вопросы: (А какие вопросы могли бы поставить вы?)
Каковы их свойства?
Будут ли открыты новые? (слайд № 5)
(Слайд № 6) В истории развития физики элементарных частиц принято выделять 3 этапа:
1 этап – от атомов Демокрита до 1932 года.
Превращения, наблюдаемые в мире – это простая перестановка атомов. Атомы неизменны.
2 этап – от 1932 года до 1964 года.
1932 год вошел в историю науки как «год чудес». Первое чудо – открытие нейтрона, которое имело революционное значение, так как фактически означало крушение электромагнитной концепции в физике. До этого ФКМ строилась на двух фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном и гравитационном и обходилась всего тремя «кирпичиками мироздания»: электроном, протоном и фотоном. С появлением нейтрона в физике появилось дополнительное фундаментальное взаимодействие, его стали называть ядерным или сильным. Сразу же была предложена протонно – нейтронная модель ядра, согласно которой ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием.
При дальнейших исследованиях оказалось, что в отличие от уже известных частиц, нейтрон нестабилен – он спонтанно превращается в другие частицы, одна из которых - нейтрино, частица, которая была открыта позднее, в 1955г, хотя ее существование было предсказано еще П. Дираком в 1931г.
(Слайд № 7) Данное превращение нейтрона обусловлено еще одним взаимодействием – слабым. Это четвертое из фундаментальных взаимодействий.
Взаимодействие
Взаимодействующие частицы
Максимальный радиус действия
Относительные силы взаимодействия
Носители взаимодействия
Гравитационное
Все частицы
10 -39
Гравитоны
Электромагнитное
Частицы с электрическими зарядами
10 -2
Фотоны
Сильное
Нуклоны
Кварки
10 -15
Мезоны
Глюоны
Слабое
Лептоны
Кварки
10 -17
10 -3
Промежуточные бозоны
Но! Год чудес еще не закончился. Американский физик К.Д. Андерсон обнаружил первую античастицу – позитрон, существование которой теоретически предсказал П.Дирак в 1928 году.
(Слайд № 8) Позитрон образуется из гамма - кванта с большой энергией: γ → е - + е + (электронно – позитронная пара).
Здесь необходимо упомянуть еще об одном важном моменте:
с открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем. Оказывается, поле может превращаться в вещество, а вещество в поле.
Реакция аннигиляции: е - + е + → γ + γ
В настоящее время обнаружено, что античастица есть у каждой частицы. Представление ученых об «элементарности» частиц изменилось, когда были открыты античастицы.
Если к началу 1932 г было известны 4 элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон, то к середине 20 века в арсенале экспериментальной физики появились мощные ускорители, и число элементарных частиц, открытых с помощью новой техники, сильно возросло, их число стало измеряться сотнями (на сегодняшний день открыто около 400 частиц). Среди них мезоны, бозоны, гипероны и другие.
Практически все они оказались нестабильными. Самая долгоживущая частица – нейтрон (15 минут).
(Слайд № 9) Кроме того, выяснилось, что все частицы могут испытывать различные превращения (самопроизвольные или при столкновении с другими частицами) и это является их характерной особенностью. (записать)
В 1964 г американский физик М.Гелл-Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о том, что сильновзаимодействующие частицы построены из трех частиц, получивших название кварков. С этого момента в физике элементарных частиц начался
3 этап, который продолжается по сей день. Более сложными стали и экспериментальные методы.
(Слайд №) В 2008 году в работу был запущен Большой Адронный Коллайдер, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Большим он называется из-за своих размеров: диаметр кольца 27 км. На строительство БАК было потрачено 8 миллиардов долларов и 20 лет. Для записи информации с тысяч детекторов было создано одно из самых больших файловых хранилищ на планете. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее провести было невозможно.
Первичное осмысление и закрепление знаний.
(Слайд №) Итак,
В современной физике элементарными частицами называют мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами или атомными ядрами.
2) Давайте вместе попытаемся выделить основные свойства элементарных частиц:
Масса;
Заряд;
Время жизни;
Взаимопревращаемость;
Участие в фундаментальных взаимодействиях;
И другие, названия которых совершенно непривычны нашему уху
Барионный заряд;
Странность, очарование, …..
3) Физика элементарных частиц изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 м) расстояниях, в течение сверхмалых (t = 10 -8 с) промежутков времени и при сверхвысоких энергиях (Е 1 ГэВ).
4) Взаимопревращаемость – характерное свойство всех элементарных частиц.
5) Существование античастиц;
6) Превращение поля в вещество и вещества в поле (Аннигиляция частиц и античастиц);
7) Количество ЭЧ перевалило за 400, поэтому возникла необходимость в их классификации.
8) Для классификации элементарных частиц можно выбрать какие- то общие свойства, но один из наиболее удачных способов классификации ЭЧ основан на взаимодействиях частиц.
(таблица 2) (Слайд №)
Для закрепления полученных знаний предлагаю выполнить тест. (учащиеся выполняют тест с дальнейшей самопроверкой)
Тест.
Какое из перечисленных излучений не отклоняется в магнитном поле?
Альфа – частицы;
Поток протонов;
Бета – частицы;
Гамма – излучение.
Какое из представлений о строении атома верно? Большая часть атома сосредоточена…
В ядре, заряд электронов положителен;
В ядре, заряд ядра отрицателен;
В электронах, заряд электронов отрицателен;
В ядре, заряд электронов отрицателен.
Ядро состоит из…
Нейтронов и электронов;
Протонов и нейтронов;
Протонов и электронов;
Нейтронов.
При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
При альфа – распаде;
При бета – распаде;
При излучении гамма – квантов;
При любых ядерных превращениях;
При аннигиляции электрона и позитрона:
Выделяется энергия с излучением;
Рождается новая пара электрон – позитрон;
Поглощается энергия;
Атом переходит в возбужденное состояние.
(Слайд №) Результаты теста:
Вопрос
Ответ
(Слайд №) Домашнее задание: Глава 14, 114, 115, статья о кварках, Интернет – ресурсы для желающих узнать больше.
Итоги урока и рефлексия. (Слайд №)
Итак, сегодня на уроке мы с вами познакомились с интересным миром элементарных частиц, но современная картина мира элементарных частиц не является окончательной. Впереди нас ждут захватывающие теоретические и экспериментальные открытия, которые расширят и углубят наши понятия о мире, в котором мы живем, дадут нам новые технологии и возможности. Но не будем забывать, что Мир сложнее, чем нам кажется.
Вернемся к вопросам начала урока (Слайд №)
Существуют ли другие частицы?
Каковы их свойства?
Что характерно для элементарных частиц?
Сколько частиц может существовать?
Будут ли открыты новые?
На память о нашей встрече я приготовила для вас закладки.
У вас на столах есть конверты с фишками, а на доске – модель Вселенной, пока еще не наполненная частицами. Если вам понравился урок и вы узнали что то новое – прикрепите фишку красного цвета – протон, если не понравилось – зеленый электрон, если вы остались равнодушны к происходящему – синий нейтрон.
Спасибо за работу, желаю успехов в изучении физики!
План-конспект урока
по теме
«Понятие
об элементарных частицах»
(11 класс)
Учитель физики
Черпита Валерий Николаевич
ГБОУ Школа 2051
города Москвы
Понятие об элементарных частицах.
Классификация элементарных частиц.
/data/files/u1514922328.pptx (Презентация к уроку по теме "Понятие об элемент частицах")
Задачи урока: ознакомить учащихся с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне меньших 10 ¯ ¹⁵ м пространственных размеров и расстояний; раскрыть общие свойства элементарных частиц, дать их классификацию.
План урока
| Этапы урока | Время, мин | Методы и приемы |
| Введение: постановка учебных проблем урока | 3 - 5 | Рассказ и формулировка учителя |
| Изучение нового материала: понятие об элементарных частицах, классификация частиц, кварки и др. | 30 - 35 | Рассказ учителя с использованием элементов беседы. Работа с учебником. Хрестоматийный материал. Таблица. Записи в тетради |
| Подведение итогов, выделение главного. Домашнее задание | 5 - 7 | Беседа по вопросам. Формулировка выводов |
1. На протяжении курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны; далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне.
Заключительные уроки могут быть проведены в форме школьных лекций, включающих элементы беседы, краткие выступления учащихся по отдельным вопросам. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблемы, выдвижение гипотез и т.д.). При подготовке уроков следует позаботиться о средствах наглядности, подготовить таблицы, фотографии треков и т.д. Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует возможно больше связывать новое с раннее изученным.
2. Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны.
Если мы будем рассматривать строение вещества с учетом этих сведений, то в микромире на уровне малых расстояний, порядка 10¯¹ ⁴ - 10¯¹ ⁵ м, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Но материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из микрочастиц - фотонов.
Микрочастица - фотоны, электроны, протоны, нейтроны - называются элементарными частицами. Слово «элементарная» означает простейшая, лежащая в основе материи: все материальные объекты - тела, поля - состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, т.е. они более не из ничего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чем будет сказано ниже.
В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными.
Характерная особенность большинства элементарных частиц - их нестабильность . Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и частиц нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10 ¯ ⁶ - 10 ¯ ¹⁴ с, а имеются и частицы, живущие всего 10 ¯ ²² - 10 ¯ ²³ с.
Нейтрон вне ядра также неустойчив: среднее время жизни его 16 мин, но по сравнению с временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок.
Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время ее существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились бы в стабильные или исчезли бы, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы? Их открыли и получают как в ядерных реакциях, так и в различных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц.
В качестве примера реакции распада приведем следующую реакцию:
n → p + e ¯+ ṽ ,
где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Антинейтрино и нейтрино - это частицы с очень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой легкой частицы - электрона. Они электронейтральны. Нейтрино - стабильная частица. Долгое время, посте теоретического предсказания, действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 году была осуществлена реакция
p + ṽ → n + e ˖
в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон - позитрон.
Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном, - он «исчезает» вместе с электроном:
e ˖ + e ¯ → 2 y
Реакция называется аннигиляцией электронно-позитивной пары; в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счетчиками.
Взаимная превращаемость элементарных частиц при взаимодействиях - вторая их особенность.
Третья, присущая всем элементарным частицам особенность - наличие у каждой частицы двойника - античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несет противоположный по знаку заряд. Но существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, т.е. к исчезновению, к превращению в фотоны или другие частицы. В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получен антипротон, антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, - антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в поле, к аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда; при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc ². Но в настоящее время известно, что Вселенная состоит только из вещества, а антивещества в ней нет, как нет или очень мало стабильных античастиц.
Далее следует дать классификацию элементарных частиц с подразделением всех частиц по массе на классы: лептоны, мезоны, барионы. При рассмотрении и анализе таблицы элементарных частиц обращаем внимание на их характеристики: массы, заряды, время жизни. Сообщаем, что в таблицу помещены основные частицы - стабильные и относительно стабильные. Множество нестабильных частиц - мезонов и барионов, называемых резонансами , - в таблицу не помещено.
Обсуждаем размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяженности и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядка 10 ¯ ¹⁵ м. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название кварки .
Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе,- гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами . Это, как и фотоны, частицы без массы покоя я заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен.
3. Подведение итогов. Рефлексия
Домашнее задание
Урок № 67.
Тема урока : Проблемы элементарных частиц
Цели урока:
Образовательные: познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с классификацией элементарных частиц, обобщить и закрепить знания об фундаментальных видах взаимодействий, формировать научное мировоззрение.
Воспитательные: формировать познавательный интерес к физике, привитие любви и уважения к достижениям науки.
Развивающие: развитие любознательности, умение анализировать, самостоятельно формулировать выводы, развитие речи, мышления.
Оборудование: интерактивная доска (или проектор с экраном).
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: лекция
Ход урока:
Организационный этап
Изучение новой темы.
В природе существуют 4 типа фундаментальных (основных) взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. По современным представлениям взаимодействие между телами осуществляется через поля, окружающие эти тела. Само поле в квантовой теории понимается как совокупность квантов. Каждый тип взаимодействия имеет своих переносчиков взаимодействия и сводится к поглощению и испусканию частицами соответствующих квантов света.
Взаимодействия могут быть длиннодействующие (проявляются на очень больших расстояниях) и короткодействующие (проявляются а очень малых расстояниях).
Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами. Экспериментально они не обнаружены. Согласно закону, открытому в 1687 году великим английским ученым Исааком Ньютоном, все тела независимо от формы и размеров притягиваются друг другу с силой, прямо пропорциональной их массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие всегда приводит к притяжению тел.
Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим. В отличие от гравитационного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие может привести как к притяжению, так и к отталкиванию. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – фотонами. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.
Сильное взаимодействие – это самые мощное из всех взаимодействий. Оно является короткодействующим, соответствующие силы очень быстро убывают по мере увеличения расстояния между ними. Радиус действия ядерных сил 10 -13 см
Слабое взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Радиус действия примерно в 1000 раз меньше, сем у ядерных сил.
Открытие радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы состоят из частиц. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. Первое время частицы, из которых построены атомы, считались неделимыми. Поэтому их назвали элементарными частицами. Представление о «простом» устройстве мира разрушилось, когда в 1932 году открыли античастицу электрона – частицу, которая имела макую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. Эту положительно заряженную частицу назвали позитроном.. согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица имеют одинаковою массу, но противоположные знаки всех зарядов. Если античастица совпадает с самой частицей, то такие частицы называют истинно нейтральными, заряд их равен 0. Например, фотон. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы (часто этими частицами является фотон).
Все элементарные частицы (которые нельзя разделить на составные) делятся на 2 группы: фундаментальные (бесструкaтурные частицы, все фундаментальные частицы на данном этапе развития физики считаются бесструктурными, то есть не состоят из других частиц) и адроны (частицы, имеющие сложное строение).
Фундаментальные частицы в свою очередь делятся на лептоны, кварки и переносчики взаимодействий. Адроны делятся на барионы и мезоны. К лептонам относятся электрон, позитрон, мьюон, таон, три типа нейтрино.
К кварками называют частицы, из которых состоят все адроны. Участвуют в сильном взаимодействии.
Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемые переносчиками этого взаимодействия: фотон (частица, переносящая электромагнитное взаимодействие), восемь глюонов (частиц, переносящих сильное взаимодействие), три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие, гравитон (переносчик гравитационного взаимодействия). Существование гравитонов пока не доказано экспериментально.
Адроны участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из двух кварков, один из которых является антикварком.
Самое сильное взаимодействие – это взаимодействие между кварками. Протон состоит из 2 u кварков одного d кварка, нейтрон из одного u кварка и 2 d кварков. Оказалось, что на очень малых расстояниях ни один из кварков не замечает соседей, и они ведут себя как свободные, невзаимодействующие между собой частицы. При удалении кварков друг от друга между ними возникает притяжение, которое с увеличением расстояния возрастает. Чтобы разделить адроны на отдельные изолированные кварки потребовалась бы большая энергия. Так как такой энергии нет, то кварки оказываются вечными пленниками и навсегда остаются запертыми внутри адрона. Кварки удерживаются внутри адрона глюонным полем.
III . Закрепление
Вариант 1.
Вариант 2.
3.. Сколько живет нейтрон вне атома ядра? А. 12 мин Б. 15 мин
Итог урока. На уроке познакомились частицами микромира, выяснили, какие частицы называются элементарными.
Д/з § 9.3
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
III . Закрепление
Назовите основные взаимодействия, которые существую в природе
Чем отличаются частица и античастица? Что у них общего?
Какие частицы участвую в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях?
Вариант 1.
1. Одно из свойств элементарных частиц – способность……… А. превращаться друг в друга Б. самопроизвольно видоизменятся
2.Частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время, называются….. А. нестабильными Б. стабильными.
3. Какая частица является стабильной? А. протон Б. мезон
4. Частица, являющаяся долгожителем. А. нейтрино Б. нейтрон
5.Нейтрино получается в результате распада….. А. электрона Б. нейтрона
Вариант 2.
Что является главным фактором существования элементарных частиц?
А. взаимное их проникновение Б. взаимное их превращение.
2. Какая из элементарных частиц не выделена в свободную частицу. А. пион Б. кварки
3. Сколько живет нейтрон вне атома ядра? А. 12 мин Б. 15 мин
Какая из частиц не является стабильной. А. фотон Б. лептон
Существуют ли в природе неизменные частицы? А. да Б. нет
>> Три этапа в развитии физики элементарных частиц
Глава 14. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
В этой главе речь пойдет о частицах, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя.
§ 114. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном , протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица?
Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 гг.
(Элементарные частицы - «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.)
Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.
Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон - частицы, входяпцие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.
Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, прос:тейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фуидаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).
Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинствo частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.
Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).
Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья - позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.
Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10 -8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.
Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.
Итак, в вечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.
Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать.
Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон ? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, - сильный удар.
Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.
Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.
Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, -это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.
На рисунке 14.1 вы видите результат столкновения ядра углерода , имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающ,иеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц - пионов. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.
Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц-«родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы , породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.
Итак, по современным представлениям, элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.
Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.
Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.
Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.
Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 -22 -10 -23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.
Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, - адроны - построены из более фундаментальных (или первичных) частиц - кварков.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки