АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 11/60

Тема. Элементарные частицы

Цель урока: дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

· Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 pp . Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. Согласно тому, как развивалась наука, много элементарных частиц переходили в разряд неелементарних.

· Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг .

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.

· Третий этап. От гипотезы о кварки (1964 г.) до наших дней. Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.

в 1964 году М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков.

Мир элементарных частиц оказался очень сложным и запутанным. Но разобраться в нем все-таки удалось. И хотя окончательной теории элементарных частиц, которая объясняет все разнообразие их свойств, еще не разработан, много чего уже выяснилось. Поскольку молекулы, атомы и ядра можно подвергнуть расщеплению, они до элементарных частиц не принадлежат. Сказанное, однако, не означает, что элементарные частицы не могут состоять из каких-то других, еще более «мелких» образований. Кроме того, большинство из них имеет самое сложное строение. Но составляющие этих частиц удерживают такие силы, которые разорвать соответствующие связи, учитывая современные представления, принципиально несостоятельны.

Соответственно до этого все элементарные частицы делятся на два больших класса (см. рисунок): адроны (частицы, имеющие сложное строение) и фундаментальные (или истинно элементарные) частицы, которые сегодня относятся к безструктурних и поэтому претендуют на роль действительно первичных элементов материи.

Отличительной чертой всех адронов является их состав и способность к сильной взаимодействия, чем, собственно говоря, и обусловлено их название (греческое слово «хадрос» означает «большой», «сильный»). Никакие другие частицы в сильном взаимодействии участвовать не могут. Класс адронов самый многочисленный (более 300 частиц). В зависимости от кваркового состава все они делятся на две группы - барионы и мезоны.

Истинно элементарными частицами на сегодня считают переносчиков фундаментальных взаимодействий - лептоны и кварки.

Ø Согласно квантовой теории поля, все имеющиеся в природе фундаментальные взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) имеют обменный характер.

Это означает, что как элементарные акты каждой из перечисленных взаимодействий выступают процессы, при которых частицы испускают и поглощают определенные кванты. Эти кванты и называются переносчиками соответствующих взаимодействий. Обмениваясь ими, частицы взаимодействуют друг с другом.

Английский физик П. Дирак в 1928 году создал релятивистскую теорию движения электрона. Из этой теории следовало, что электрон может иметь отрицательный и положительный заряд.

в 1932 году американский физик К. Андерсон, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона, обнаружил на одной из фотографий следует, что будто принадлежит электрону, но... с положительным зарядом. Частичку, которая дала странный след, Андерсон назвал позитроном. в 1933 году было открыто явление образования позитрона и электрона при взаимодействии γ-квантов с веществом:

1934 г. было обнаружено, что позитроны выпускают некоторые радиоактивные ядра (это связано с преобразованием ядерного протона в нейтрон):

Например, радиоактивное ядро изотопа Фосфора распадается на ядро Кремния, позитрон и нейтрино:

П. Дирак предполагал, что при встрече позитрона с электроном должно произойти обратный процесс: превращение этих частиц в два фотона. Вскоре после экспериментального обнаружения позитрона такой обратный процесс было установлено. Это процесс получил название аннигиляции.

Важно обратить внимание учащихся на то, что электрон и позитрон, которые имеют массу покоя, превращаются в два фотона, массы покоя не имеют. Из этого следует, что:

Ø на уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов: позитрон сразу же после своего появления встречается с электроном, и оба они превращаются в два фотона.

В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар было действительно сенсацией в науке. Впоследствии двойники - античастинки - были найдены во всех частиц.

1931 года В. Паулы предусмотрел, а в 1955 году экспериментально зарегистрировали нейтрино n и антинейтрино . Нейтрино появляется в ходе распада 1 0 n . в 1955 году было экспериментально получено антипротон во время столкновения быстрых протонов с ядром Купруму. в 1956 году открыт антинейтрон в реакции

Т.е. столкновение протона и антипротона приводит к появлению нейтрона и антинейтрона.

Античастинки могут отличаться от частиц знаком электрического заряда, направлением магнитного момента или иной характеристикой. Но основная особенность их такова:

Ø встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонів, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. в 1969 году впервые было получено антигелій.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию гамма-квантов, образующихся.

Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только во время аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самое совершенное источник энергии, самое калорийное «топливо». Ли способно будет человечество когда-нибудь это «горючее» использовать, сложно сейчас сказать.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие частицы называются элементарными?

2. Назовите частицы, которые в настоящее время считаются истинно элементарными.

3. Чем объясняются очень редкие случаи наблюдения позитрона?

4. Которые античастинки вы знаете?

5. Что понимают под антивеществом?

Второй уровень

1. Что такое фундаментальные частицы?

2. Какие виды фундаментальных взаимодействий вы знаете? Какие из них самые сильные? наиболее слабые?

3. Какие основные свойства кварков?

4. Существуют ли кварки в свободном состоянии?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

· Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

· На уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

· Встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Домашнее задание

Рів1 № 18.3; 18.4; 18.6; 18.10.

Рів2 № 18.11; 18.13; 18.14; 18.15.

Рів3 № 18.16, 18.17; 18.18; 18.19.

Цель: Рассказать учащимся об элементарных частицах, их основных свойствах и классификациях

Ход урока

Новый материал (дается лекционно)

Исследования строения атома и атомного ядра показали, что в состав атома входят электроны, протоны, нейтроны. Было принято называть эти частицы элементарными. Фотон(), позитрон (е +)и нейтрино (v), имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру, также стали называть элементарными частицами.

По первоначальному замыслу Элементарные частицы являются наипростейшими частицами, из которых построено вещество (атомы) существующего мира.

Элементарные частицы первоначально представлялось как нечто вечное, неизменное, нерушимое, и образ элементарной частицы связывался с образом песчинки или бесструктурного маленького шарика.

В наши дни не существует четкого критерия элементарности. Понятие "элементарная частица" в наши дни является весьма сложным.

Кратко перечислим известные элементарные частицы в порядке их исторического открытия.

Методические замечания: Учащимся в момент дальнейшего объяснения предлагается заполнять следующую таблицу (Приложение 1)

К какому виду относится	Название частицы	Обозначение	Год открытия	Заряд q	Масса частицы

Электрон был открыт Дж.Дж.Томсаном в 1897г..Через массу электрона обычно выражаются массы других элементарных частиц.

В 1900г. М.Планком и особенно, в 19005г. А.Эйнштейном было показано, что свет состоит из отдельных порций - фотонов. Фотон не обладает зарядом, и его масса покоя =0.Фотон может существовать только в процессе движения со скоростью света.

Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц в 1911г. Привели к открытию протона. Масса протона=1836m е

Большинство физиков были уверены в том, что им удалось наконец-то все многообразие химических элементов и веществ природы свести к двум простейшим сущностям: к электронам и протонам. Картина, нарисованная физиками тех лет по вопросам строения вещества, вселяло чувство научной красоты и изящества. В период с 1911г. По 1932г. Многие ученые были преисполнены чувством удовлетворения, что им удалось осуществить многовековую мечту научного поиска.

Однако в 1928г. П. Дирак, а в последствии в 1932г. К.Андерсон были обнаружены такие частицы, получившие название позитроны(е +)

Позитрон - это первая элементарная частица, предсказанная теоретически.

В 1932г. Д.Чедвигом был открыт нейтрон с массой = 1838 m е

Нейтрон в свободном состоянии, в отличии от протона, является нестабильным и распадается на протон и электрон с периодом полураспада Т=1,01 10 3 с. В нутрии ядра нейтрон может существовать неопределенно долго.

В 1931-1933гг. В.Паули анализируя -распад предположил, что при распаде, кроме протона и электрона, испускается еще одна нейтральная частица с массой покоя =0. Эту частицу назвали нейтрино ()

Только в 1956г. К.Коуэн с сотрудниками обнаружил антинейтрино(), образующееся в ядерном реакторе. Оно было "поймано" при исследовании реакции: р+ v n+е + , нейтрино вызывает реакцию n+р+е - .

В 1937г. К.Андерсон и С.Неддерман обнаружили заряженные частицы с массой 206,7m е, эти частицы были названы -мезонами( + и -), обладающие зарядом +е и -е. В настоящее время эти частицы называют -частицами или -мюонами.

В 1947г. Английский ученые С.Поуэль, Г.Оккиалини и др. открыли -мезоны (-мезон - первичный мезон, который, распадаясь, дает мюоны)

Мезон имеют заряд +е и -е, а массы 273,2 m е. Несколько позднее 1950 г. Был открыт нейтральный -мезон( о), с массой 264,2 m е. В настоящее время известно три сорта -мезон: - , о, + , они интенсивно взаимодействуют с нуклонами, легко рождаются при столкновении нуклонов с ядрами, т.е. являются ядерно-активными. В настоящее время считается, что -мезоны являются квантами ядерного поля, ответственными за основную часть ядерных сил.

С 1949-1950гг. началось буквально "нашествие" элементарных частиц, их число стремительно возрастало.

Вновь появившиеся частицы можно разделить на две группы:

Первая группа включает в себя частицы с массами около 966 m е и 974 m е, в настоящее время их называют К-мезонами. Известны К + и К - мезоны с массами приблизительно 966,3 m е и электрическими зарядами +е и -е. Известны нейтральные К-мезоны (К о и К о) с массами 974,5 m е.

Вторая группа частиц получила название гиперонов. В настоящее время известны следующие гипероны:

В 1955г. Открыт антипротон, а в 1956г.- антинейтрон.

За последние годы были открыты новые квазичастицы (резонансных состояний) с необычайно малым временем жизнм, порядка 10 -22 - 10 -23 сек.. В этом случае даже не удается зафиксировать следы частиц и об их существовании можно судить лишь из косвенных соображений, из анализа поведения продуктов их распада.

В последние годы открыт второй сорт нейтрино, так называемое нейтрино(антинейтрино) мюонное и , которое испускается например, при распаде -мезонов;

III группа - тяжелые частицы, или барионы

В эту группу входят:

• Нуклоны и их античастицы
• Гипероны и их античастицы

Применение термоядерной энергии на примере установки Токамак

Учащимся предлагается ответить на вопросы:

• Какую ядерную реакцию называют термоядерной?(устно)
• Как можно осуществить термоядерную реакцию?
• Объясните принцип действия установки "Токамак".(письменно используя доп. Литературу)
• Объясните принцип действия лазерной установки для термоядерного синтеза"(письменно используя доп. литературу)

Каптелова Н.В., учитель физики МОУ «Гимназия № 79» г. Барнаула Алтайского края

11 класс

Урок по теме «Элементарные частицы» (2 часа).

Учебный предмет – физика

Уровень – базовый

Профиль класса – гуманитарный

Используемый текст - § 64 «Элементарные частицы» (Мансуров А.Н., Мансуров Н.А., учебник «Физика-10-11» для гуманитарных школ)

Технология «Развитие Критического Мышления через Чтение и Письмо» (РКМЧП)

Тип урока: работа с информационным текстом

Цели:

дидактическая – через опосредованное изучение текста сформировать у учащихся систему научных знаний об элементарных частицах

развивающая – выработать у школьников приёмы эффективной переработки учебной информации, продолжить формирование способа самостоятельного обучения, познавательных и коммуникативных компетентностей

воспитательная – продолжить формирование у учащихся уверенности в своих собственных познавательных возможностях, диалектико-материалистического мировоззрения

методическая – создать условия для освоение учащимися способа самостоятельного обучения на основе технологии РКМЧП

Ожидаемый результат:

усвоение учащимися системы научных знаний об элементарных частицах и представление её в виде кластера;

получение и осмысление каждым учеником собственного опыта самостоятельной познавательной деятельности на основе работы с текстом через индивидуальную, парную, групповую, коллективную формы работы (технология РКМЧП).

Примечание: Кластер - графический способ, позволяющий представить информацию в структурированном и систематизированном виде, выявить ключевые слова темы. Кластер представляет собой графическую схему, состоящую из овалов. В центре кластера, в главном овале – основная проблема, тема, идея. В овалах следующего уровня – классифицирующие признаки или основания для систематизации, в овалах третьего уровня – дальнейшая детализация и т.д. Кластеры могут быть очень разветвлёнными, поэтому всегда нужно выбрать тот уровень детализации, на котором можно остановиться. С помощью кластеров можно в систематизированном виде представить большие объёмы информации.

Кластер содержит ключевые слова, ключевые идеи с указанием логических связей между текстовыми субъектами. Связи придают картине целостность и наглядность.

Кластер (как и все графические схемы) является моделью изучаемой темы, позволяет увидеть тему целиком, «с высоты птичьего полёта». Повышается мотивация, т.к. легче воспринимаются идеи темы. Человеку всегда нужны графические образы. Мозг запоминает модели. Представление информации учащимися в виде кластера способствует её творческой переработке, поэтому обеспечивает усвоение информации на уровне понимания. Кластеры (как и другие схемы) позволяют «пораскачивать» своё мышление, сделать его более гибким, избавиться от стереотипов, догматическое мышление превратить в критическое.

Важно и то, что построение кластеров позволяет выявить систему ключевых слов, которые могут быть использованы для поиска в Интернете, а также для определения основных направлений исследований учащихся, выбора тем учебных проектов.

Домашнее задание (внеклассная работа) :

1. § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)

2. Кластеры, выполненные с помощью ИКТ

(2 и 3 по желанию)

Сценарий урока.

Вызов.

Цели этапа:

Побуждение к работе с новой информацией, пробуждение интереса к теме

- вызов «на поверхность» имеющихся знаний по теме

- бесконфликтный обмен мнениями

«Наводящие вопросы»

«Кластер»

1. Оргмомент

2. Учащимся предлагаются вопросы для обдумывания и обсуждения:

Выход на логическую цепочку: природа-тело-вещество-молекула-атом-ядро-нуклоны (протон, нейтрон)-электрон.

Вспомните, какие элементарные частицы вам известны? Представьте в виде кластера.

(Протон, нейтрон, электрон, фотон, π-мезон)

Ученики работают индивидуально в тетрадях, затем в парах , по их предложениям учитель на доске оформляет кластер. Один из предложенных учениками кластер:

1. Учитель: Начиная с 1932 года открыто более 400(!) элементарных частиц .

Может ли такое их количество претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?

1. «Думай самостоятельно/в паре/группе». Коллективное обсуждение ответов. Осмысление и формулировка цели урока . Планирование деятельности. («Изучить элементарные частицы через их классификацию и систематизацию по выделенным характеристикам, результат представить в виде кластера».

   Предлагается самостоятельно изучить текст §64 «Физика-10-11» Мансуров А.Н., Мансуров Н.А), информацию представить в виде кластера.

Осмысление

Цели этапа:

Получение новых знаний

Освоение разных типов чтения: ознакомительного, изучающего, усваивающего, поискового, приёмов осмысления информационного текста

Развитие аналитических, дискуссионных, коммуникативных навыков

«Система И.Н.С.Е.Р.Т.»

«Кластер»

«Думай самостоятельно/в паре/ в группе»

Самостоятельная работа с текстом

Восприятие информации. На этом этапе ученик работает индивидуально («Думай самостоятельно»). Ознакомительное чтение, получение общего представления по теме текста.

Изучающее чтение. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Операции смыслового восприятия элементов текста, понимание слов, предложений, абзацев, вычленение текстовых субъектов (основных понятий, ключевых слов, идей), выявление связей (логических, причинно-следственных, пространственных, временных и т.д.) текстовых субъектов. Понимание связи содержания данного текста с содержанием других изученных текстов, интерпретация данного текста на основе этой связи. Помогает осмыслить содержание применение маркировки текста И.Н.С.Е.Р.Т.: (I .N .S .E .R .T . - "Interactive Notation System for Enhanced Reading and Thinking ")

- «известно»

- - «противоречит представлениям»

+ - «интересное и неожиданное»

? - «узнать поподробнее»

! - «важно»

Усваивающее чтение. Проверка понимания текста. Ученики в парах («Думай в паре») проговаривают своими словами друг другу ответы на вопросы к тексту.

Переработка информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Разбиение информации на связанные части. Выделение оснований для систематизации и классификации полученной информации.

Синтез переработанной информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Группировка, комбинирование информации, составление кластера. Перевод полученной информации «на другой язык»: с языка слов на язык схем, с вербального языка на графический.

Представление и защита индивидуальных кластеров в парах («Думай в паре»), затем в группах («Думай вместе»).

«Обратный перевод» информации: с языка схем на язык слов, с графического языка на вербальный, причём информация сообщается своими словами. Обмен идеями в дискуссии или полемике. Аргументация, конструктивная критика, уточнение, совместная доработка кластера.

Рефлексия

Обдумать смысл пройденного;

Взглянуть на содержание урока в свете собственного жизненного опыта

«Возвращение к кластеру»

«Выходная карта»

Представление и защита нескольких вариантов групповых кластеров перед классом, коллективное обсуждение.

Предполагаемый вариант итогового кластера:

2. Задание: Сравните данный кластер с кластером, предложенным в начале урока. (!!!)

Найдите место на нём для электрона, протона, нейтрона, фотона, π-мезона.

Сделайте вывод. (Значительное приращение знаний об элементарных частицах!)

3. (Подведение итогов и мотивация на дальнейшую познавательную деятельность). Вернёмся к вопросам, с которых начали урок. Нашли ли на них ответы? Какие вопросы остались без ответа? Какие возникли новые? Где искать ответы?

Из чего состоит окружающий мир?

Напоминает ли структура вещества бесконечную череду вложенных друг в друга матрёшек или процесс деления прерывается, когда обнаруживается неделимая элементарная частица?

Что представляют из себя самые первичные фундаментальные частицы, из которых состоят все остальные?

Существует ли в природе такой уровень организации материи, глубже которого ничего нет?

Может ли такое количество (более 400) претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?

Как ориентироваться в таком изобилии элементарных частиц?

Какие частицы являются истинно «элементарными»?

(Думай самостоятельно/в паре/ группе). Обсуждение.

Индивидуальная письменная работа (10 мин) «Выходная карта» - 1) самая важная мысль урока; 2) один вопрос по теме урока 3) общий комментарий по материалу урока

Сделайте самооценку своей работы на уроке (доволен собой, не очень, не доволен, почему?).

IV . Домашнее задание (внеклассная работа)

Дать возможность учащимся вести самостоятельную работу по углублению знаний, полученных во время урока;

Отрабатывать навык самостоятельной учебной деятельности;

Развивать творческие способности школьников

1.Изучить § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)

2. Кластеры к § 65, выполненные с помощью ИКТ

3. Творческая работа по заинтересовавшей теме.

(2 и 3 по желанию)

Наблюдения за учащимися показывают, что построение кластеров воспринимается ими как творческая работа , где возможна реализация собственного видения проблемы, собственного подхода, вариативности, как средство самореализации, самоутверждения.

Возможность индивидуальной, парной, групповой и коллективной работы создаёт психологический комфорт учебного процесса. Включение каждого ученика в три вида

деятельности (думаю, пишу, проговариваю) обеспечивает «внутреннюю обработку информации». Эти факторы способствуют усвоению учащимися нового материала на уровне понимания, осмысления и развитию у них учебно-познавательной мотивации и активности (особенно у тех школьников, которые плохо вписываются в систему традиционного, иллюстративно-объяснительного обучения). И самое главное - они практически осваивают способ самостоятельного приобретения нового знания , у них формируется функциональная грамотность.

Вышеописанная технология обучения на основе творческой переработки текста позволяет учить интересно, быстро, качественно и даёт учащимся чувство удовлетворения.

Примеры выполнения кластеров по темам « Фундаментальные взаимодействия» и «Фундаментальные частицы»:

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.

\ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Материалы прислал: Хасан Алиев МОУ СОШ с.Карасу, Черекского р-а,КБР С.Карасу

Основные исторические этапы развития физики элементарных частиц : первый - от электрона до позитрона, второй - от позитрона до кварков, третий - от гипотезы о кварках до наших дней. Понятие об элементарных частицах. Их взаимные превращения.

Цели:

• " Обобщить и систематизировать материал данной темы.
• " Развивать абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях.

Тип урока:, систематизация и обобщение.

Форма урока : лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.

Метод обучения : диалогический, побуждающий.

ХОД УРОКА

• I. Оргмомент.
• План работы на урок:
• 1) Исторический экскурс.
• 2) Самостоятельная работа учащихся по выделению 3-х этапов развития взглядов на элементарные частицы
• 3) Роль элементарных частиц в нашей жизни
• II. Лекция.

Я вам сейчас задам вопрос. Сколько букв в русском алфавите? Правильно -33 буквы, но мы можем из них составлять слова, из слов - предложения, из предложений - рассказы. Т.е. Слово - это основа нашего общения, поэтому нашу встречу я начала с песни. Но я сейчас о другом, ведь мы с вами на уроке физики, а не литературы и именно физики элементарных частиц. Вы спросите, как это связано? А очень просто! Посмотрим на таблицу Менделеева. Сколько там элементов?

Да. Всего лишь 92. Как? Там больше? Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются. Кто бы мог сейчас их перечислить? А жаль. В одной из передач "Золотая лихорадка" игрок за эти знания получил 1 кг золота!

Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить слова: молекулы, т.е. вещества! Как слова! Пример - 2 атома водорода, 1 атом кислорода! Что это? Вода. 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"

Итак: АТОМ - ДЕМОКРИТ (кирпичик мироздания).

Не прошло и 2000 лет, эстафету принимает Томсон.

ТОМСОН - ЭЛЕКТРОН . Начало XX века.

РЕЗЕРФОРД - ПРОТОН

ЧЕДВИК - НЕЙТРОН

История физики элементарных частиц условно отсчитывается от открытия электрона. Затем была выяснена структура атомного ядра - открыт протон (Э. Резерфорд, 1910 г.) и нейтрон (Дж. Чадвик, 1932 г.). Первый этап развития физики частиц условно завершился к середине 1930-х гг. К этому времени список элементарных частиц был невелик: три частицы - электрон e-, протон p и нейтрон n - входят в состав всех атомов; фотон g (квант электромагнитного поля) участвует во

взаимодействии заряженных частиц и процессах излучения и поглощения света. Важнейшим теоретическим открытием стало предсказание в 1929 г. П. Дираком существования античастиц (частиц, имеющих ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов; см. об этом ниже). В 1932 г. была открыта первая античастица - позитрон е+. Наконец, изучая свойства b-распада ядер, В. Паули предсказал в 1930 г. существование еще одной частицы - нейтрино n. Аргументы Паули были настолько убедительными, что, хотя регистрация нейтрино реально оказалась возможной только в 1956 г., в существовании этой частицы никто не сомневался сразу после того, как Паули высказал свою гипотезу.

У вас на столах есть таблица элементарных частиц. Давайте найдем эти частицы и охарактеризуем их.

1928 год - Дирак и Андерсон открывают позитрон - античастицу электрона. А тут еще великий Эйнштейн решил помочь и предлагает "свой" фотон.

1931 год - Паули открывает нейтрино и антинейтрино. К 1935 году сформировалась более или менее стройная система. Наступило затишье в открытии элементарных частиц. Но не тут то было!

1935 год - Юкава открывает первый мезон.

" … думал, что достиг дна…, но снизу постучали…" С. Лемм

Второй этап развития физики частиц начался после Второй мировой войны с открытия в 1947 г. пи-мезона p в космических лучах. Начиная с этого года была открыта не одна сотня элементарных частиц.

В течение примерно пятнадцати лет (до начала 1960-х гг.), благодаря прогрессу в создании ускорителей и приборов для регистрации частиц, было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ.

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). Все они казались в равной степени элементарными, так как в разных экспериментах можно было порождать любые из открытых частиц в

процессе соударения других 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.

Третий этап развития физики частиц начался в 1962 г., когда М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг предложили модель строения сильновзаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков. Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Можно считать, что третий этап завершился в 1995 г. открытием последнего из ожидавшихся, шестого кварка. В настоящее время не известно ни одного эксперимента, который бы противоречил существующей теории элементарных частиц, получившей название стандартной модели, и не находил бы количественного объяснения в рамках этой теории.

Обратимся к таблице. Таблица проецируется на экран проектором

Назовите 4 основные класса частиц:

• 1. Фотоны
• 2. Лептоны
• 3. Мезоны
• 4. Барионы

Что такое элементарная частица?(Элементарные частицы -это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя)

Теперь перейдем к следующей части урока. Вы используя учебник и опорный конспект, четко разграничьте 3 этапа развития теории элементарных частиц. Смотрите Ваши записи и учебник.

У доски работает Ася.

III. Экопауза.

Зачем нам нужны элементарные частицы?

А) Обратимся к опорному конспекту. Назовите 4 типа взаимодействий, которые существуют между частицами.(Гравитационное (ГВ), присущее всем без исключения частицам (даже тем, у которых масса равна нулю, поскольку, вообще говоря, тяготеет энергия, а не масса!). Сильное (СВ), объединяющее кварки в адроны - сильновзаимодействующие частицы, которые делятся на две группы: барионы - частицы с полуцелым спином, составленные из трех кварков (B ~ qqq), и мезоны - частицы с целым спином, составленные из кварка и нтикварка(M ~ `qq).Электромагнитное(ЭМВ),ответственное за все процессы с участием фотонов (структура атомов, излучение и поглощение света атомами, атомная структура и свойства вещества и т. п., вплоть до таких макроскопических проявлений, как сила трения). Слабое (СлВ), проявляющееся в процессах с участием нейтрино и в процессах распада некоторых адронов.)

Самая красивая формула в физике!!!

Е = mc2

Масса есть энергия! Что получается? Можно разогнать фотон и получить вещество!

Можно из энергии получить материю! Покажите это - приложите усилие.

(Рассказать один из интересных случаев из жизни Эйнштейна).

Б) Мы с вами живем в таком месте, где находится 1 нейтринный телескоп, из 2-х существующих на Земном шаре. Нейтрино - частица, которая не вступает во взаимодействия или вступает очень слабо с другими частицами. Она появилась в момент рождения Вселенной и носит много информации. Их ловят телескопами. 1 с.к. = 5 нейтрино.

В) Существует такой прибор - позитронный томограф. Человек вдыхает или вводят в кровь радиоактивный элемент, который излучает позитроны, они вступают в реакцию с электронами организма. Аннигилируют, излучают гамма-лучи, которые улавливаются детекторами.

Скажите, используя учебник что такое аннигиляция?

Г) А сейчас об опасностях, которые таят в себе элементарные частицы. Очень быстрые электроны или гамма - кванты (которые появляются при аннигиляции) могут образовывать в организме до 5 млрд. ионов. Эти заряженные ионы плохо действуют на нашу нервную систему. Если бы мы могли "послушать" нашу нервную системы, мы бы услышали точно такой же треск, который слышится, когда в радиоприемник приходят помехи. Но в малых, разумных дозах, воздействие элементарных частиц - полезно.

Д) Посмотрим на 2-й пункт в опорном конспекте. Этот пункт об античастицах. Есть вещество - есть антивещество. Вот бы найти способ их соединить! Мы могли бы тогда уничтожить любую грязь с Земли да еще получить чистейшую энергию в виде гамма-квантов. Вот вам еще одна область применения своих знаний. Белое пятно науки - дерзайте!

IV. Итог урока.

Используемая литература: Физика11 Мякишев, Буховцев - Дрофа., СД- диск открытая физика, Физика в картинках., Курс истории физики

Урок физики на тему: Этапы развития физики элементарных частиц. Физика элементарных частиц.

Понравилось? Отблагодарите, пожалуйста, нас! Для Вас это бесплатно, а нам - большая помощь! Добавьте наш сайт в свою социальную сеть: