Взаимные превращения частиц. Элементарные частицы Существуют ли в природе неизвестные частицы

Когда греческий философ 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 построены 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 века было откры­то сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атом­ного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос­новными кирпичиками мироздания.

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, прос­тейший. С другой стороны, под эле­ментарным понимается нечто фун­даментальное, 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. Боль­шинство частиц, называемых сей­час элементарными, не могут 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 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 из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гиб­нут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

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.

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.

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-ме- зонов 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-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно кото­рой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодей­ствиях-адроны, построены из бо­лее фундаментальных (или пер­вичных) частиц - кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

В настоящее время в реально­сти кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Сущест­вование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных квар­ков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутрен­ней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элемен­тарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сор­та нейтрино и еще две частицы - мюон и тау-лептон с массами, зна­чительно большими массы элект­рона).

Существование двойника элек­трона - позитрона - было предска­зано теоретически английским фи­зиком П. Дираком в 1931 г. Одно­временно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный про­цесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столк­новении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рож­дающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Виль­сона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека час­тицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно, оказалось, по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы ви­дите первую фотографию, доказав­шую существование позитрона. Час­тица двигалась снизу-вверх и, прой­дя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

Процесс рождения пары элек­трон - позитрон у-квантом в свин­цовой пластинке виден на фото­графии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет ха­рактерный след в виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) од­них частиц и появление других при реакциях между элементарными час

Энергия покоя - самый гран­диозный и концентрированный ре­зервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она пол­ностью высвобождается, превра­щаясь в другие виды энергии. По­этому антивещество - самый совер­шенный источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

любой частицы с соответствующей античастицей происходит их анни­гиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Обнаружены сравнительно не­давно антипротон и - антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо извест­но, что рождение пар частица - античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из по­зитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впер­вые получен антигелий.

Одним из главных свойств частиц является их способность превращаться друг в друга, рождаться и уничтожаться в результате взаимодействия.
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ -кванта

Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля в частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется, а превращается в кинетическую энергию.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие частицы.
В созданной Э. Ферми теории -распада было показано, что испускаемые в процессе -распада электроны не существуют в ядре, а рождаются в результате распада нейтрона. В результате этого распада исчезает нейтрон n и рождается протон p, электрон e - и электронное антинейтрино e .

В результате реакций между антипротоном и протоном p, в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, могут рождаться различные частицы

Положительно заряженный К + -мезон, среднее время жизни которого 1.2∙ 10 -8 с, распадается одним из приведенных ниже способов (справа приведены относительные вероятности распадов.

Λ -гиперон и Δ 0 -резонанс имеют примерно одинаковые массы, распадаются на одни и те же частицы - протон и π - -мезон. Большое различие в их времени жизни обусловлено механизмом распада. Λ -гиперон распадается в результате слабого взаимодействия, а Δ 0 -резонанс - в результате сильного взаимодействия.

При распаде отрицательного мюона ( -) в конечном состоянии наряду с электроном появляются две нейтральные частицы - мюонное нейтрино ν μ и электронное антинейтрино e . Этот распад происходит в результате слабого взаимодействия.

Муниципальное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение "Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово" Элементарные частицы Презентация к уроку физики в 11 классе (профильный уровень) Выполнила: Попова И.А., учитель физики Белово, 2012 г. ЦЕЛЬ: Ознакомление с физикой элементарных частиц и систематизация знаний по теме. Развитие абстрактного, экологического и научного мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях 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 Демокрит Атом Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) 400 лет до н.э. Начало XX 1910 г. 1928 г. 1928 г. 1929 г. в. Томсон Электрон Античастица - частица, имеющая ту Э. Резерфорд жеПротон массу и спин, но Дирак и Открытие позитрона противоположные значения зарядов Андерсон всех типов; А. Эйнштейн Фотон П. Дирак Предсказание существования 1931 г Паули Открытие нейтрино и антинейтрино 1932 г. Дж. Чедвик 1932 г 1930 г. 1935 г. античастиц Для любой Нейтрон элементарной частицы есть своя античастица - позитрон е+ В. Паули античастица Предсказание существования Юкава нейтрино n Открытие мезона Хронология физики частиц Дата Открытие (гипотеза) Перед физиками - теоретиками встала Второйупорядочить этап труднейшая задача весь 1947 г.обнаруженный Открытие π-мезона p в частиц космических "зоопарк" и лучах попытаться свести число фундаментальных До частиц начала кБыло открытодоказав, несколькочто сотен новых минимуму, другие 1960-х гг. состоят элементарных частиц, имеющих массы частицы из фундаментальных частиц 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). Хронология физики частиц Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) Третий этап 1962 г. М. Гелл-Манн Предложили модель и независимо строения сильно Дж. Цвейг взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц кварков 1995Эта г. модель к настоящему Открытие последнего из времени превратилась в ожидавшихся, шестого стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. кварка 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: 1. Фермионы, которые составляют вещество; 2. Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Классификация элементарных Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а частиц также в слабых и в электромагнитных. Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки 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. М. Гелл-Манн на конференции в 2007 г. Что такое спин? Спин демонстрирует, что существует Спин (от англ. spin - вертеть[-ся], пространство состояний, никак не связанное с вращение) - собственный перемещением частицы в обычном момент пространстве; импульса элементарных частиц, Спин (от англ. квантовую to spin – крутиться) частои не имеющий природу сравнивают с угловым моментом «быстро связанный с перемещением частицы вращающегося волчка» - это неверно! как целого Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике; Спины некоторых микрочастиц Спин 0 Ообщее название частиц π-мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и скалярные частицы ядра 4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы 1 векторные частицы 3/2 спин-векторные частицы 2 Примеры электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра 3He фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний Δ-изобары тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны Кварки Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных. Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона). Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd. Четыре вида физических взаимодействий гравитационные, электромагнитные, слабые, Ядерные сильные. Механизм один: Слабое взаимодействие -взаимодействий меняет внутреннюю за счет обмена природу частиц. частицами Сильные взаимодействиядругими - обусловливают различные ядерные реакции, апереносчиками также возникновение сил, связывающих нейтроны взаимодействия. и протоны в ядрах. Четыре вида физических взаимодействий Электромагнитное И фотоны, и Взаимодействие Радиус действияКонст. взаимдств. взаимодействие: переносчик гравитоны не фотон. имеют массы Гравитационное -39 Гравитационное Бесконечно большой 6.10 взаимодействие: переносчики - (массы покоя) и кванты поля тяготения всегда движутся гравитоны. Электромагнитное Бесконечно большой 1/137 со скоростью Слабые взаимодействия: света. переносчики - векторные бозоны. Слабое Не превышает 10-16 см 10-14 Существенным отличием Переносчики сильных переносчиков слабого взаимодействий: глюоны (от-13взаимодействия от фотона Сильное Не glue превышает 10 см 1 английского слова - клей), и гравитона является их с массой покоя равной нулю. массивность. Свойства кварков Кварковые супермультиплеты (триада и антитриада ) Свойства кварков: цвет 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. Свойства кварков: аромат Сим вол Название рус. англ. Заряд Масса Первое поколение d нижний down −1/3 ~ 5 МэВ/c² u верхний up +2/3 ~ 3 МэВ/c² Второе поколение s странный strange −1/3 95 ± 25 МэВ/c² c очарованный charm (charmed) +2/3 1,8 ГэВ/c² Третье поколение b прелестный beauty (bottom) −1/3 4,5 ГэВ/c² t истинный truth (top) +2/3 171 ГэВ/c² Характеристики d u кварков s c b t Характеристика Тип кварка Электрический заряд Q -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Барионное число B Спин J Четность P Изоспин I Проекция изоспина I3 Странность s Charm c Bottomness b Topness t 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 1/2 1/2 0 0 0 0 -1/2 +1/2 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 +1 0.31 0.31 0.51 1.8 5 180 Масса в составе адрона, ГэВ Масса "свободного" кварка, ГэВ ~0.0 ~0.00 0.08- 1.1- 4.1- 174+ 06 3 0.15 1.4 4.9 5 РАССМОТРИМ 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. Г. При любых ядерных превращениях 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 деБройля для электрона (m и v - масса и скорость электрона)? Тест 1.Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы. 2. 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. 3. Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом. 4. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые. 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 + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное. Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. Литература Периодическая система элементарных частиц / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ишханов Б.С. , Кэбин Э.И. Физика ядра и частиц, XX век / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ / HTTP://LIB.KEMTIPP.RU/LIB/27/48.HTM Частицы и античастицы / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Элементарные частицы. справочник > химическая энциклопедия / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Физика элементарных частиц / http://www.leforio.narod.ru/particles_physics.htm Кварк / http://www.wikiznanie.ru/ruwz/index.php/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA Физика ядра и элементарных частиц. Знания – сила. / http://znaniyasila.narod.ru/phisics/phisics_atom_04.htm Кварк. Материал из Википедии - свободной энциклопедии / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2.О кварках. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Гармония радуги / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

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.

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.