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

Название частицы Масса (в электронных массах) Электрический заряд Время жизни (с) Античастица Стабилен Нейтрино электронное Стабильно Нейтрино мюонное Стабильно Электрон Стабильн Пи-мезоны ≈ 10 –10 –10 –8 Эта-нуль-мезон Стабилен Лямбда-гиперон Сигма-гипероны Кси-гипероны Омега-минус-гиперон

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

Тема урока: «Этапы развития физики элементарных частиц». На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц Что такое элементарные частицы? Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это? Типология частиц.

Наш урок будет проходить в основном в форме лекции и если по ходу лекции у вас ребята возникнут вопросы или дополнения, я буду рада выслушать их.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.

Откроем учебник на стр. , пр. . Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

Этап 1.

Элементарный, т. е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово «атом» в переводе означает «неделимый». Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.

Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

Ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

После открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг).

В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие - иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века – помимо открытия электрона, ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).

Вспомним: что называется фотоном?

Открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап 2.

Однако такое мнение просуществовало не долго.

В 30 –е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).

Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.

Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.

Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.

Я упомянула об ещё одной частице – нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?

Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон . Время жизни нейтрона порядка 15 мин .

Другие частицы «живут» гораздо меньшее время.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10–17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10–22–10–23с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.

Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Позитрон – (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Среднее время жизни μ-мезона равно

Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны. Среднее время жизни нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с.

В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий «на встречных курсах» и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий «пойманных» частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике или приложение № 1). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны (приложение № 2 – таблица).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к различным группам.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов.

К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов.

Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.

За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны ), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны ) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки , электрический заряд которых равен +2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона.

Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up ) и d (down ). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud , а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.

Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed ) и странным - s (от strange ).

Третью пару составляют истинный - t (от truth , или в англ. традиции top ) и красивый - b (от beauty , или в англ. традиции bottom ) кварки.

Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.

Эксперимент по выделению свободных кварков зарождался около 10 лет назад, и в следующем году его запустят. Сейчас уже приготавливаются элементы самой большой экспериментальной установки в мире - это Большой адронный коллайдер в Швейцарии.

И вот этот эксперимент, который в следующем году запустится, даст ответ на многие вопросы и, фактически, подтолкнет физику к развитию дальше.

Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. 5. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют. 6. Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона. 7. Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2??е+ Б. е + 2??е- В. е+ +е- =2?. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.

Слайд 34 из презентации «Классы элементарных частиц» . Размер архива с презентацией 1337 КБ.

Физика 11 класс

краткое содержание других презентаций

««Строение атома» физика 11 класс» - Импульс фотона. Монохроматический свет. Определите энергию и импульс фотона видимого света. Каков заряд фотона. Первый постулат Бора. Сколько квантов с различной энергией. Диаграмма энергетических уровней атома. Как корпускулярные, так и волновые свойства. P = h. Фотон либо движется со скоростью света, либо не существует. Во сколько раз линейный размер ядра меньше размера атома. Можно ли остановить фотон.

«Ультразвук в медицине» - Ультразвук в помощь фармакологам. Ультразвуковое исследование. Вредно ли ультразвуковое лечение. Лечение ультразвуком. Рождение ультразвука. Ультразвуковые процедуры. Вредно ли ультразвуковое исследование. Детская энциклопедия. Ультразвук в медицине. План.

«Скорость волны» - В воздухе свет. Разобьем мысленно поверхность моря на полосы. Гляди в оба. Миражи в пустыне. Звуковые волны. Показатель преломления. Волны движутся все медленнее. Как, однако, полезно знать физику, даже полководцам. Найдем скорость распространения волн на пляже. Уравнение луча у(x). Волны на пляже, солнце в небе и многое другое.

«Электрический резонанс» - Демонстрация настройки самодельного радиоприемника на волну. Контур. Электрическая схема. Кусочек говядины помещают между обкладками плоского конденсатора. В цепь переменного тока с частотой 400 Гц включена катушка. Три конденсатора переменной ёмкости. Резонанс в электрической цепи. В электрической цепи резонанс наступает при равенстве. Условие резонанса. Составьте электрическую схему.

«Классы элементарных частиц» - Протон не имеет составных частей. "Зоопарк" частиц. Энергия. Неизменные частицы. Как обнаружить элементарную частицу. Аромат. Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона. Элементарные частицы. Нейтрон. Фотоны. Периодическая система элементарных частиц. Четыре вида физических взаимодействий. Поколение. Квантовый характер поглощения энергии. Спин. Хронология физики частиц. Цвет. Нейтрино.

«Законы волновой оптики» - Дифракция света. Объяснение. Законы электромагнитного поля. Развитие представлений о природе света. Принцип Гюйгенса–Френеля. Шкала электромагнитных волн. Построения Гюйгенса. Интерференционный опыт Юнга. Интерференция. Наблюдение интерференции света. Юнг. Кольца Ньютона. Волновая оптика. Зоны Френеля. Волновая теория. Электромагнитная теория. Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Два противоположных подхода к объяснению природы света.

Аристотель считал вещество непрерывным, - т.е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась. Однако, другие древнегреческие философы, например, Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911г. английский физик Эрнст Резерфорд , доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы -нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

Как говорилось выше, частицы могут себя вести подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком П.Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс {процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) "просачиваться" через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - этотак называемый квантово-механический туннельный эффект.

Еще лет двадцать пять тому назад протоны и нейтроны считались элементарными частицами, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов (нейтронов) и электронов показали, что на самом деле протоны и нейтроны состоят каждый из трех еще более мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик М. Гелл-Манн. Он назвал их кварками.

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий.. Это просто обозначения и цвета в обычном смысле слова у них нет. Итак, мы узнали, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: "Что же такое настоящие элементарные частицы?”

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды "увидеть" составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.

Согласно квантовой механике, все частицы являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Следовательно, ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что этой энергией и определится, насколько малы масштабы тех длин, которые мы сможем наблюдать.

Таким образом, разгоняя частицы в ускорителях (например, в
синхрофазотроне) мы получим значительные энергии. Взаимодействуя с
другими частицами, эти высокоэнергетические частицы позволяют "заглянуть
вглубь" тех частиц, которые считаются элементарными. Так физики узнали,
что частицы, которые лет двадцать назад считались элементарными, на самом
деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким
энергиям окажется, что и эти меньшие частицы, в свою очередь, состоят из
еще меньших? Когда эта цепочка оборвется? Правда ученые, работающие в
области физики элементарных частиц, считают, что наука уже владеет или
почти владеет сведениями об исходных "кирпичиках", из которых построено
все в природе: это кварки и электроны.

Теперь поговорим о некоторых характеристиках элементарных
частиц. Они имеют вращательную характеристику - спин . Понятие о спине можно получить из такого простого представления: возьмем детскую игрушку – волчок (юлу), поставим его вертикально и отпустим, волчок падает. Но если волчок предварительно раскрутить, то он будет располагаться вертикально. Это говорит о том, что у вращающегося тела появляется новое свойство, новое качество – способность сохранять в пространстве направление оси вращения. Вот это новое свойство и характеризуют понятием спин.

Все известные частицы во Вселенной в зависимости от спина частицы можно разделить на две группы: фермионы - частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, кварки, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы - гипероны) и бозоны - частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны). Частицы вещества (фермионы) подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы при возникновении Вселенной не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы - нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное "желе".

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частица-переносчик "налетает" на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от "реальных" их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

1.Первая разновидность - гравитационная сила. Это означает, что любые тела, обладающие массой, взаимодействуют между собой. Это очень слабая сила, зависящая от масс взаимодействующих тел и от расстояния между ними, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют и на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца. Пока гравитоны.зарегистрировать не удалось, они остаются гипотетическими частицами, но в их существовании физики не сомневаются.

2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как нейтроны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10 40 раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные - притягиваются. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодейст­вием. Оно отвечает за распад элементарных частиц, за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0 и 2 -фотоны и гравитоны.

В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются промежуточным векторным бозоном и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W + , W - и Z 0 . Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предсказания, полученные в теории Вайнберга-Салама, подтвердились экспериментально.

4. Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство - оно обладает конфайнментом (от англ. confinement - ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что при попытке разделить протон или нейтрон на отдельные кварки возникают мощнейшие силы притяжения, которые не позволяют это сделать. Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких "великих" теорий.

Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие уж и великие, а во-вторых, они просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитацион­ные взаимодействия. Темне менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения "проливают свет" и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество, в основном, состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космичес­кими лучами подтверждают, чтото же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике!

Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

Презентация на тему "Элементарные частицы" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников 11 класса объясняется физика элементарных частиц и систематизируются знания по теме. Цель работы - развить абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях. Автор презентации: Попова И.А., учитель физики.

Фрагменты из презентации

Сколько элементов в таблице Менделеева?

• Всего лишь 92.
• Как? Там больше?
• Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются.
• Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества!
• Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры).
• Он был большим путешественником, и его любимым изречением было:
• "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение"

Хронология физики частиц

• Перед физиками - теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц
• Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы).
• Третий эта. М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков
• Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Как обнаружить элементарную частицу?

Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям

Классификация элементарных частиц

Все частицы делятся на два класса:

• Фермионы, которые составляют вещество;
• Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.

Кварки

• Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
• Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г.
• Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином.

Что такое спин?

• Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве;
• Спин (от англ. to spin - крутиться) часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка» - это неверно!
• Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике;
• Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Четыре вида физических взаимодействий

• гравитационные,
• электромагнитные,
• слабые,
• сильные.

• Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.
• Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.

Свойства кварков

• Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд.
• Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как
• синий,
• зелёный
• Красный.
• Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и антикрасный.
• В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом.

Свойства кварков: масса

• У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине:
• масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и
• структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава.

Свойства кварков: аромат

• Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как
• изоспин Iz,
• странность S,
• очарование C,
• прелесть (боттомность, красота) B′,
• истинность (топность) T.

Задачи

• Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона?
• Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона?
• При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
• При каких ядерных процессах возникает антинейтрино?
  • А. При α - распаде.
  • Б. При β - распаде.
  • В. При излучении γ - квантов.
  • Г. При любых ядерных превращениях
• Протон состоит из...
  • А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . .кварков.
  • Г. Протон не имеет составных частей.
• Нейтрон состоит из...
  • А. . . .протона, электрона и нейтрино.
  • Б. . . .мезонов.
  • В. . . . кварков.
  • Г. Нейтрон не имеет составных частей.
• Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера?
  • А. Квантовый характер поглощения энергии атомами.
  • Б. Квантовый характер излучения энергии атомами.
  • В. Волновые свойства света.
  • Г. Волновые свойства электронов.
• Какая из приведенных формул определяет длину волны де-Бройля для электрона (m и v — масса и скорость электрона)?

Тест

• Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы.
• С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны.
• Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом.
• Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.
• Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют.
• Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона.
• Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ.
• Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.