История физики элементарных частиц



Этап первый

Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие, нерасчленимые далее частицы атомами, то ему 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.
                                                                          

Этап второй


Однако ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная частица заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное, лежащее в основе вещей. Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменными атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионов долей секунды, даже в отсутствие какой-либо воздействие извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 минут. Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире.
Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10-8с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертно из-за того, что оно чрезвычайно слабо взаимодействует с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко. Итак, в извечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке». Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными.


идея об их неразложимости сохранилась.
Возможно, что при столкновении частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц — «родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, а только увеличив массу, породить в свою очередь при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц. Итак, по современным представлениям элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий

Вот тогда-то в 1964г М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц — кварков. В настоящее время в реальности кварков почти никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены.

Источник: 1003physicslessons.blogspot.com

Элементарной частицей считают первичную или неразложимую частицу, из которой состоит вся материя.


нако, в современной физике, термин «элементарная частица» употребляют для наименования большой группы мельчайших частиц материи. В эту группу входят протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы, «красивые» частицы, промежуточные бозоны (W±, Z0). Всего более 500 частиц. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, называют «истинно элементарными частицами».

В истории науки, первой открытой частицей был электрон – носитель отрицательного электрического заряда. Электрон впервые был обнаружен английским физиком Джозефом Томсоном, в 1897 г. В 1919 году английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил протон – частицу, входящую в состав атомных ядер с положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающую массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра – нейтрон, была открыта в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком. Представление о фотоне, как частицы, берет свое начало с работы немецкого физика Макса Планка, выдвинувшего в 1900 г. предположение о квантованности энергии электромагнитного излучения. В развитии идеи Планка, Эйнштейн в 1905 г. установил, что электромагнитное излучение является потоком отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были осуществлены американскими физиками Робертом Милликеном (1912г.) и А. Комптоном (1922г.).


Существование нейтрино впервые предположено Вульфгангом Паули (1930), а экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1962 г. американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуном. Первой открытой античастицей является позитрон с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Его обнаружил в составе космических лучей американский физик К. Андерсон в 1953 г. В 1946 г. Андерсон и Неддермейер (США) обнаружили в составе космических лучей мюоны с обоими знаками электрического заряда ( µ и µ+). Мюоны обладают массой около 200 масс электрона, а остальные их свойства близки к электрону и позитрону. В 1947 г. в составе космических лучей американские физики под руководством С. Пауэлла открыли π־ и π+мезоны. Существование подобных частиц было предположено японским физиком Х. Юкавойв 1935 г. В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с необычными свойствами, получившими названия «странные». Первые частицы этой группы – К־ и К+ — мезоны, Λ — гипероны были обнаружены в составе космических лучей. Последующие открытия «странных» частиц были сделаны с помощью ускорителей заряженных частиц. С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования ЭЧ. В 1955 г. был открыт антипротон, 1956 г. – антинейтрон, 1960 – антисигма гиперон, а в 1964 г. – самый тяжелый гиперон


История физики элементарных частиц . В 1960 г. на ускорителях были обнаружены резонансные частицы. Они являются нестабильными и очень многочисленными, поэтому составляют основную часть ЭЧ.

В 1962 г. ученые выяснили, что существует два разных видов нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 г. были обнаружены массивные, и в то же время относительно устойчивые «очарованные» частицы (Д0, Д+, F+ и т.д.). В 1975 г. был открыт тяжелый аналог электрона и мюона (τ — лептон), в 1981 г. – «красивые» частицы, а в 1983 г. – промежуточные бозоны (W± и Z0).

Таким образом, установили, что мир ЭЧ очень сложен и разнообразен. Среди элементарных частиц больше всего известен и используется электрон. Все началось с того, что, пропуская ток через электролит, Фарадей измерял количество выделяющихся на электродах веществ, и пришел к мысли о том, что в природе существует наименьший электрический заряд, равный заряду иона водорода.


Английский физик Дж. Стони, придумал специальное название для наименьшего электрического заряда – «электрон». С середины XIX века физики начали экспериментировать с электрическими разрядами в особых стеклянных трубках с впаянными в стенки электродами. Когда газ откачивали, при нагревании катодов ток в цепи не прекращался. Этот ток сопровождался красивым и загадочным свечением. Ясно, что ток не может идти через пустоту. Передача электричества от катода к аноду, назвали катодными лучами. Английский физик Джозеф Томсон установил природу катодных лучей, экспериментально показал, что катодные лучи – это поток мельчайших отрицательно заряженных частиц. Он, помещая стеклянную трубку в магнитное поле, исследовал отклонение катодных лучей от прямой линии и обнаружил, что отношение заряда к массе (е/me) у электронов в тысячу раз больше, чем у этого же отношения для ионов водорода (e/mн) установленного ранее Фарадеем.

Томсон, смело, приняв гипотезу о том, что электроны и ионы водорода несут одинаковый по величине элементарный заряд, пришел к выводу, о том, что электроны обладают ничтожно малой массой по сравнению с атомами. Появилось сомнение в неделимости атома. Открытая Анри Беккерелем радиоактивность атомов в 1896 г. окончательно поколебала утверждения о неделимости атома. В начале XX века Эрнест Резерфорд доказал, что из трех видов лучей —


История физики элементарных частиц , β и γ, испускаемых радием, β – лучи, это те же самые электроны, которые увидел Томсон.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют элементарные частицы?

2. Сколько элементарных частиц установлено наукой?

3. Какие частицы называют «истинно элементарными частицами»

4. Какая частица является первая открытая частица, в истории науки?

5. Кто и когда обнаружил электрон?

6. Кто и когда обнаружил протон?

7. Кто и когда обнаружил нейтрон?

8. Кто и когда обнаружил фотон?

9. Кто и когда предположил существование нейтрино?

10. В каком году, экспериментально обнаружили нейтрино?

11. Кто и когда обнаружил первую античастицу позитрона?

12. Кто и когда предположил существование мезонов?

13. В каких годах, было обнаружено большая группа частиц, так называемых «странных»?

14. В каком году были обнаружены «очарованные» частицы?

15. В каком году были обнаружены «красивые» частицы?

16. В каком году были обнаружены частицы, так называемые «промежуточные бозоны»?

17. Кто и когда открыл радиоактивность атомов?

Источник: studopedia.ru

Величины, характеризующие элементарные частицы. Формула Гелл-Манна – Нишиджимы


Каждая элементарная частица характеризуется следующими величинами:

1.  – электрический заряд;

2. m – масса частицы (МэВ);

3.  – время жизни (секунды или года);

4. L – лептонный заряд (особое квантовое число, характеризующее лептоны);

5. B – барионный заряд (особое квантовое число, характеризующее барионы);

6.  – спин (квантовое число, определяющее соответствующую характеристику элементарной частицы, складываемую с её импульсом по правилу сложения векторов);

7. I – изотопический спин. Элементарные частицы можно сгруппировать в мультиплеты (совокупность элементарных частиц, обладающих сходными свойствами). Количество членов мультиплета характеризует изотопический спин:

 

Для примера, у протона и нейтрона изотопический спин равен:

 

Следовательно:

 

Поэтому нуклон представлен двумя состояниями – протоном и нейтроном.

Для пионов изотопический спин , следовательно, количество пионов равно 3 () – это-мезоны,-мезоны, -мезоны.

8. S – странность (квантовое число, необходимое для описания некоторых короткоживущих частиц). Эту характеристику ввели Гёлл-Манн и Нишиджима в 1954 году для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами, а также для объяснения аномально долгого времени жизни некоторых элементарных частиц.


9. C – очарование.

10. b – красота.

Американский физик Гёлл-Манн и японский физик Нишиджима для характеристики адронов ввели понятие гиперзаряда (Y).

 ,

где B – барионный заряд; S – странность; C – очарование; b – красота.

Гиперзаряд определяет заряд отдельно взятой частицы по формуле Гелл-Манна – Нишиджимы:

 ,

где  – третья проекция изотопического спина.

Например, для нуклонов изотопический спин равен , поэтому проекция равна . Барионный заряд: . Остальные внутренние квантовые числа равны нулю. Следовательно, гиперзаряд: . Согласно формуле, заряд нуклона может быть равен:

, что соответствует протону ()

Или

 – заряд нейтрона ()

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц подразделяются на четыре вида: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное (см. табл. 1).

История физики элементарных частиц

Табл. 1. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц


Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядка  от сильного взаимодействия между частицами, слабого – , гравитационного – .

Источник: interneturok.ru

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Но примерно с середины XIX века стали появляться экспериментальные факты, которые ставили под сомнение представления о неделимости атомов. Результаты этих экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют сложную структуру и что в их состав входят электрически заряженные частицы. Это подтвердил французский физик Анри Беккерель, который в 1896 году открыл явление радиоактивности.

Затем последовало открытие первой элементарной частицы английским физиком Томсоном в 1897 году. Это был электрон, который окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества. Его масса примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода и равна:

m = 9.11*10^(-31) кг.

Отрицательный электрический заряд электрона называется элементарным и равен:

e = 0.60*10^(-19) Кл.

Ана­лиз атомных спектров показывает, что спин электрона равен 1/2, а его маг­нитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согла­суется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведе­нии электронов в металлах. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействи­ях.

Второй открытой элементарной частицей был протон (от греч. protos — первый). Эту элементарную частицу открыл в 1919 году Резерфорд, исследуя продукты расщепления ядер атомов различных химических элементов. В буквальном смысле протон – ядро атома самого легкого изотопа водорода — протия. Спин протона равен 1/2. Протон обладает положительным элементарным зарядом +e. Его масса равна:

m = 1.67*10^(-27) кг.

или примерно 1836 масс электрона. Протоны входят в состав ядер всех атомов химических элементов. После этого в 1911 году Резерфордом была предложена планетарная модель атома, которая помогла ученым в дальнейших исследованиях состава атомов.

В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью элементарную частицу нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой), который не имеет электрического заряда и обладает массой примерно 1839 масс электрона. Спин нейтрона также равен 1/2.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900 год). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто­ванна (т.е. состоит из квантов), Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905 год) постулировал, что электро­магнитное излучение (свет) в действительности является потоком от­дельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существо­вания фотона были даны Р. Милликеном в 1912 — 1915 годах и А. Комптоном в 1922 году.

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с ве­ществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули в 1930 году, позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устра­нить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесем и К. Коуэном.

Но в веществе состоят не только частицы. Также существуют античастицы — элементарные частицы, имеющие те же массу, спин, время жизни и некоторые другие внутренние характеристики, что и их «двойники»-частицы, но отличающиеся от частиц знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда, лептонного заряда, странности и др. Все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, имеют свои античастицы.

Первой открытой античастицей стал позитрон (от лат. positivus — положительный) — частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Эта античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Карлом Дейвидом Андерсоном в 1932 году. Интересно то, что существование позитрона было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком почти за год до экспериментального открытия. Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электронно-позитронной пары. Сама по себе аннигиляция пары — один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и сорт которых лимитируются законами сохранения. Процесс, обратный аннигиляции, — рождение пары. Сам по себе позитрон стабилен, но в веществе из-за аннигиляции с электронами существует очень короткое время. Аннигиляция электрона и позитрона заключается в том, что они при встрече исчезают, превращаясь в γ-кванты (фотоны). А при столкновении γ-кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электронно-позитронной пары.

В 1955 году была обнаружена еще одна античастица — антипротон, а несколько позже — антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон — антинейтрон.

Возможность получения античастиц привела ученых к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома — отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны, имеющие положительный заряд. В целом атом также получается нейтрален. Эта идея получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия. Также в 2002 году на ускорителе ЦЕРНа в Женеве было получено 50000 атомов антиводорода. Но, несмотря на это, скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Также становится ясно, что при малейшем взаимодействии антивещества с любым веществом произойдет их аннигиляция, которая будет сопровождаться огромным выбросом энергии, в несколько раз превосходящей энергию атомных ядер, что крайне небезопасно для людей и окружающей среды.

В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величин, характеризующих начальное и конечное состояние системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных субатомных частиц — важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы-переносчики взаимодействий.

Лептоны.

Лептоны считаются истинно элементарными частицами. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие "призраки физического мира".

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные — в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

Название Масса Заряд
Электрон -1
Мюон 206,7 -1
Тау-лептон 3492,0 -1
Электронное нейтрино
Мюонное нейтрино
Тау-нейтрино

Адроны.

Если лептонов существует чуть свыше десятка, то адронов сотни. Такое множество адронов наводит на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях — электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и широко распространены нейтрон и протон, которые в свою очередь относятся к классу нуклонов. Остальные адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Они делятся на барионы и мезоны. К барионам относятся нуклоны и гипероны.

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в сободном состоянии миллиардные доли секунды. Например, заряженный пи-мезон или пион, имеет массу покоя 273 электронных массы и время жизни:

t = 2.6*10^(-8) с.

Далее при исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

Теория кварков.

Теория кварков — это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки — это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы — заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны — "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название — с — кварк (charm — очарование), b — кварк (от bottom — дно, а чаще beauty — красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет — t ( от top — верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц — глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики . Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика — квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

Источник: cyberpedia.su

Класс: 11

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Метод обучения: лекция

Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная

Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества; рассмотреть основные этапы развития физики элементарных частиц; дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Задачи урока:

  • Образовательная: познакомить учащихся с понятием — элементарная частица, с типологией элементарных частиц, а так же с методами исследования свойств элементарных частиц;
  • Развивающая: развивать познавательный интерес учащихся, обеспечивая посильное вовлечение их в активную познавательную деятельность;
  • Воспитательная: воспитание общечеловеческих качеств — осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.

Оборудование к уроку:

Дидактические материалы: материал учебника, карточки с тестами и с таблицами

Наглядные пособия: презентация

(Приложение 1).

Ход урока

(Презентация)

1. Организация начала урока.

Деятельность учителя: взаимные приветствия учителя и учащихся, фиксация учащихся, проверка готовности учащихся к уроку. Организация внимания и включение учащихся в деловой ритм работы.

Прогнозируемая деятельность ученика: организация внимания и включение в деловой ритм работы.

2. Подготовка к основному этапу занятия.

Деятельность учителя: сегодня мы приступим к изучению нового раздела «Квантовой физики» — «Элементарные частицы». В этой главе речь пойдет о первичных, неразложимых далее частицах, из которых построена вся материя, об элементарных частицах.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования.

Главная задача физики элементарных частиц — это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Она будет являться и нашей главной задачей при изучении физики элементарных частиц.

3. Усвоение новых знаний и способов действий.

Деятельность учителя: 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.

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

Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

Прогнозируемая деятельность ученика:

Этап 1. От электрона до позитрона: 1897 — 1932 гг.

Этап 2. От позитрона до кварков: 1932 — 1964 гг.

Этап 3. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наши дней.

Деятельность учителя:

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?

Прогнозируемая деятельность ученика:

  • Электрон — отрицательно заряженная частица, заряд электрона равен -1,602История физики элементарных частиц 10История физики элементарных частиц Кл; масса — 9,109 История физики элементарных частиц10История физики элементарных частиц кг.
  • Протон — положительно заряженная частица, заряд протона 1,602 История физики элементарных частиц10История физики элементарных частиц Кл; масса протона 1, 6726История физики элементарных частиц 10История физики элементарных частиц кг.
  • Нейтрон — частица, не имеющая заряда; масса нейтрона равна 1,001 массы протона.

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

Прогнозируемая деятельность ученика:

Электрон. В 1898 г. Дж. Томсон доказал реальность существования электронов. В 1909 г. Р. Милликен впервые измерил заряд электрона.

Протон. В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота История физики элементарных частиц— частицами обнаружил частицу, заряд которой равен заряду электрона, а масса в 1836 раз больше массы электрона. Назвали частицу протон.

Нейтрон. Резерфорд так же высказал предположение о существовании частицы, не имеющей заряда, масса которой равна массе протона.

В 1932 г. Д. Чэдвик открыл частицу, о которой предполагал Резерфорд, и назвал её нейтроном.

Деятельность учителя: 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?

Прогнозируемая деятельность ученика: Фотон (или квант электромагнитного излучения) — элементарная световая частица, электрически нейтральная, лишенная массы покоя, но обладающая энергией и импульсом.

Деятельность учителя: открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Однако такое мнение просуществовало не долго.

Этап 2.

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?

Прогнозируемая деятельность ученика: Нейтрино — частица, лишенная электрического заряда и масса покоя его равна 0. О существовании этой частицы предсказал в 1931 г. В. Паули, а в 1955г., частица была экспериментально зарегистрирована. Проявляется в результате распада нейтрона:

История физики элементарных частиц

Деятельность учителя: 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 (История физики элементарных частиц-мезонами). Среднее время жизни История физики элементарных частиц-мезона равно 2,2 * 10-6 с.

Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. История физики элементарных частиц-мезоны). Среднее время жизни нейтрального История физики элементарных частиц-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). 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).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.

Прогнозируемая деятельность ученика: К группе фотонов относится единственная частица — фотон

Деятельность учителя: следующая группа состоит из легких частиц лептонов.

Прогнозируемая деятельность ученика: в эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и ?-мезон

Деятельность учителя: 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.

Прогнозируемая деятельность ученика: наиболее легкие из них — положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные История физики элементарных частиц-мезоны. Пионы являются квантами ядерного поля.

Деятельность учителя: вторая подгруппа — барионы — включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.

Прогнозируемая деятельность ученика: самыми легкими из барионов являются нуклоны — протоны и нейтроны.

Деятельность учителя: 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.

Однако в декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии «свободных топ-кварков».

4. Первичная проверка понимания.

Деятельность учителя: итак, ребята, мы рассмотрели с вами:

  • основные этапы развития физики элементарных частиц
  • выяснили, какую частицу называют элементарно
  • познакомились с типологией частиц.

На следующем уроке мы рассмотрим:

  • более подробную классификацию элементарных частиц
  • виды взаимодействий элементарных частиц
  • античастицы.

А сейчас я предлагаю вам выполнить тест, чтобы оживить в памяти основные моменты изученного нами материала (Приложение 3).

5. Подведение итогов занятия.

Деятельность учителя: Выставление оценок наиболее активным учащимся.

6. Домашнее задание

Деятельность учителя:

1. пр. 115, стр. 347

2. конспект параграфа по плану, записанному на уроке.

Источник: urok.1sept.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.