Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются


Вы уже знаете, что с давних времён учёные пытались найти наименьшие «кирпичики» материи, при помощи которых можно понять иерархическую структуру строения вещества. Сначала у древних греков (Демокрит, Эпикур) такими неделимыми частицами считались атомы, из которых, по их убеждениям, состоят все тела. Когда Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, всё представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов. «Всё в мире течёт, всё изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными».

Более 2200 лет понятие Демокрита об атоме не претерпевало практически никаких изменений. Только в начале XIX века данное понятие конкретизировали химики, которые считали атомы наименьшими частицами вещества, определяющими его химические свойства (Я. Берцелиус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).


Лишь в конце XIX века, после открытия электрона Томсоном и исследования явления радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри, учёные подвергли сомнению элементарность атома и предположили, что он также имеет сложное строение. А в начале нового столетия Эрнест Резерфорд подтвердил это экспериментально и предложил ядерную модель атома, в которой ядро считается также сложным образованием. В 1919 году Резерфорд открыл протон — нуклон, имеющий положительный заряд. Другая частица — нейтрон, входящая в состав ядра, была открыта спустя 13 лет Джеймсом Чедвиком. С тех пор протоны, нейтроны и электроны, а также фотоны стали считаться элементарными частицами.

Затем последовал бум в открытии новых частиц. Сначала (в 1932 году) американец Карл Андерсон обнаружил позитрон — частицу с массой, равно массе электрона, но имеющую положительный элементарный заряд. В 1935 году для объяснения обменного характера сильного взаимодействия нуклонов в ядре японский физик Xидэки Юкава выдвинул гипотезу о существовании пи-мезонов, которые были обнаружены англичанином Сесилом Пауэллом в 1947 году в космических лучах.

Немного раньше (в 1937 году) в космическом излучении были обнаружены мюоны — частицы с отрицательным или положительным элементарным зарядом и массой, в 207 раз превышающей массу электрона.

Позже, по мере возрастания мощности ускорителей, создания новых детекторов элементарных частиц и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.


В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии.

Для всех элементарных частиц характерна способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Например, мы знаем, что нейтрон в ядре может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Но, что удивительно, эти частицы не являются составными частями нейтрона — внутри нейтрона их нет, так как они рождаются только в момент распада. Аналогично ему в класс элементарных частиц попадает мюон, который распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино.

Открытие большого количества новых микрочастиц, побудило учёных иначе посмотреть на проблему их элементарности. Согласно современным представлениям — это не просто первоначальные неделимые частицы, составляющие вещество, а специфические объекты, которым кроме всего прочего присуще слабое взаимодействие как особый вид фундаментального взаимодействия.

По своей интенсивности слабое взаимодействие во много раз меньше сильного и электромагнитного взаимодействия. Однако оно значительно сильнее гравитационного притяжения, поскольку массы элементарных частиц очень малы и радиус их взаимодействия равен лишь одному аттометру (10–18 м).

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лепто́ны — лёгкие, мезо́ны — средние и барио́ны — тяжёлые). Выражают массы частиц, как правило, в массах электрона. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.


Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни больше 10–20 секунд. А резонансами (то есть нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их время жизни очень мало (10–22—10–24 с).

Спин (что с английского буквально переводится как ‘вращение, вращать’) — это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются


Чаще всего спин измеряется в единицах постоянной Дирака и равен произведению данной постоянной и спинового квантового числа:

𝐽 = 𝑗ℏ, где 𝑗 = 0; 1/2; 1; 3/2…

Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют её специфические свойства.

В зависимости от присущего типа взаимодействия все элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: лептоны (от греческого тонкий, лёгкий), которые характеризуют только сильное взаимодействие. И адроны (от греческого большой, сильный), участвующие во всех типах взаимодействий — гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Адроны делятся на два класса: с целым спином — мезоны (или бозоны); и с полуцелым спином — фермионы (или барионы). Самыми лёгкими из барионов являются нуклоны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается омега-минус-частицей, открытой в 1964 году. Её масса в 3273 раза больше массы электрона.

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

В том же году американские учёные Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули теорию кварков. Кварками они назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все адроны. Сначала было предложено три кварка (или три «аромата») — u, d, s, названия которых происходят от английских слов up — вверх, down — вниз и strange — странный.


Затем были обнаружены адроны, для объяснения свойств которых, пришлось предположить существование ещё трёх «ароматов» с, b и t (от английских слов charm — очарование; beauty — прелесть, красота и truth — истина).

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаютсяСамыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

Все шесть кварков располагают в виде трёх семейств (дуплетов) аналогично лептонным семействам. Спины у всех кварков полуцелые. У каждого кварка есть свой антикварк, спины которых также полуцелые. Электрические заряды кварков равны одной трети или двум третям элементарного заряда. Барионы состоят из трёх различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов, которые не существуют в свободном виде и проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.


Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

При изучении свойств атомов, ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в системе взаимосвязанных частиц не может находиться два и более фермиона (то есть частиц с полуцелым спином) с тождественными параметрами. Этот закон называется принципом запрета Паули.

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

Однако в составе многих барионов есть по два, а в некоторых все три одинаковых кварка. Значит, все кварки, из которых состоит барион, должны отличаться каким-то параметром. Этот параметр назвали «цветным зарядом», или просто «цветом». Таких цветов оказалось три: красный, зелёный и синий. Они, естественно, не имеют прямого отношения к оптическому цвету, а лишь условно обозначают существование трёх типов специфических квантовых зарядов у кварков. «Цвета» антикварков соответственно: антикрасный, антисиний и антизелёный.

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются


Оказывается, что, как и в оптике, смешение красного, синего и зелёного цветов в определённой пропорции даёт белый (нейтральный) цвет. Именно поэтому адроны считаются «белыми» или «бесцветными». Нейтрализуют друг друга цвет и антицвет, аналогично дополнительным цветам в оптике. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка.

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения, возникновение частиц происходит только в парах с античастицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, пи-ноль-мезон и тау-ноль-мезон — истинно нейтральные частицы, то есть полностью совпадающие со своими античастицами.

При столкновении частицы со своей античастицей (например, при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона) они аннигилируют (от латинского «нииль» — ничто), то есть превращаются в какие-либо иные частицы, отличные от исходных:

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

Возможен и обратный процесс:


Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью.

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

Фундаментальная частица — это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную.

В настоящее время данный термин применяется для шести лептонов и шести кварков. Все эти частицы являются фермионами с полуцелым спином и естественным образом организуются в три поколения. Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).


Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счёт обмена глюо́нами. Переносчиками слабого взаимодействия являются W±— и Z°-бозоны.

В 1964 году на основании стандартной модели элементарных частиц Питером Хиггсом было предсказано существование поля (называемого Полем Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие инертной массы у элементарных частиц.

Несколько десятков лет понадобилось учёным для того, чтобы подтвердить существование этой частицы. Лишь 4 июля 2012 года появилось сообщение о том, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. А 14 марта 2013 года пришло подтверждение, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.


Самыми легкими и простыми элементарными частицами считаются

Подтверждение существования бозона Хиггса завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.

Источник: videouroki.net

История открытия первых частиц

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с  работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Спин электрона

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Стандартная модель в физике

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

  • Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
  • Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
  • Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

  • Верхний (u);
  • Очарованный (c);
  • Истинный (t);
  • Нижний (d);
  • Странный (s);
  • Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином  ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

  • Электрон;
  • Электронное нейтрино;
  • Мюон;
  • Мюонное нейтрино;
  • Тау-лептон;
  • Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

  • Глюон – сильное;
  • Фотон – электромагнитное;
  • Z-бозон — слабое;
  • W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный бозон Хиггса, частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

  • Время жизни.
  • Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  • Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9•10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
  • Масса.
  • Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  • Массивные частицы – все остальные.
  • Значение спина.
  • Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  • Частицы с полуцелым спином — фермионы.
  • Участие во взаимодействиях.
  • Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  • Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

Интересные факты

  • Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
  • Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
  • Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
  • Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
  • Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. интересные эффекты гравитации).
  • Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Полная версия: http://spacegid.com/elementarnyie-chastitsyi.html

Источник: zen.yandex.ru

Рабочая программа учебной дисциплины является частью основной профессиональной образовательной программы по специальности 21.02.01 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений».

1.2 Место учебной дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной программы: учебная дисциплина Физика относится к общеобразовательному циклу основной профессиональной образовательной программы.

1.3 Цели и задачи дисциплины – требования к результатам освоения дисциплины:

Освоение содержания учебной дисциплины «Физика» обеспечивает достижение студентами следующих результатов:

личностных:

1)чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной физической науки; физически грамотное поведение в профессиональной деятельности и быту при обращении с приборами и устройствами;

2) готовность к продолжению образования и повышения квалификации в избранной профессиональной деятельности и объективное осознание роли физических компетенций в этом;

3)умение использовать достижения современной физической науки и физических технологий для повышения собственного интеллектуального развития

в выбранной профессиональной деятельности;

4)умение самостоятельно добывать новые для себя физические знания, используя для этого доступные источники информации;

5)умение выстраивать конструктивные взаимоотношения в команде по решению общих задач;

6) умение управлять своей познавательной деятельностью, проводить самооценку уровня собственного интеллектуального развития;

метапредметных:

1)использование различных видов познавательной деятельности для решения

физических задач, применение основных методов познания (наблюдения,

описания, измерения, эксперимента) для изучения различных сторон окружающей действительности;

2)использование основных интеллектуальных операций: постановки задачи,

формулирования гипотез, анализа и синтеза, сравнения, обобщения, систематизации, выявления причинно-следственных связей, поиска аналогов, формулирования выводов для изучения различных сторон физических объектов,

явлений и процессов, с которыми возникает необходимость сталкиваться в профессиональной сфере;

3)умение генерировать идеи и определять средства, необходимые для их реализации;

4) умение использовать различные источники для получения физической информации, оценивать ее достоверность;

5)умение анализировать и представлять информацию в различных видах;

6) умение публично представлять результаты собственного исследования, вести

дискуссии, доступно и гармонично сочетая содержание и формы представляемой информации;

предметных:

1) сформированность представлений о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений, роли физики в формировании кругозора и функциональной

грамотности человека для решения практических задач;

2) владение основополагающими физическими понятиями, закономерностями,

законами и теориями; уверенное использование физической терминологии

и символики;

3) владение основными методами научного познания, используемыми в физике:

наблюдением, описанием, измерением, экспериментом;

4) умения обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость

между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы;

5) сформированность умения решать физические задачи;

6) сформированность умения применять полученные знания для объяснения

условий протекания физических явлений в природе, профессиональной сфере

и для принятия практических решений в повседневной жизни;

7) сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников.

Изучение дисциплины «Физика» должно обеспечить:

1) сформированность системы знаний об общих физических закономерностях, законах, теориях, представлений о действии во Вселенной физических законов, открытых в земных условиях;

2) сформированность умения исследовать и анализировать разнообразные физические явления и свойства объектов, объяснять принципы работы и характеристики приборов и устройств, объяснять связь основных космических объектов с геофизическими явлениями;

3) владение умениями выдвигать гипотезы на основе знания основополагающих физических закономерностей и законов, проверять их экспериментальными средствами, формулируя цель исследования;

4) владение методами самостоятельного планирования и проведения физических экспериментов, описания и анализа полученной измерительной информации, определения достоверности полученного результата;

5) сформированность умений прогнозировать, анализировать и оценивать последствия бытовой и производственной деятельности человека, связанной с физическими процессами, с позиций экологической безопасности.

Источник: infourok.ru

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 

4

веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с

19

века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В

30

-е годы

19

столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд —

α

-частиц. В первые пять лет

20

века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети

20

века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах

20

-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет

207

электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины

20

века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка

400

элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон:

15

минут. Существование

μ

-мезона ограничено отрезком времени в 

2,2·106

 секунды, нейтрального 

π

-мезона – 

0,87·1016 с

. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего

1010 с

.

Определение 1

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Определение 2

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка

ħ = h2π

.

Определение 3
Определение 4
Определение 5

Объединяет частицы из группы лептонов спин 

12

. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Определение 7

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет

3273

электронных массы. Спин барионов составляет

12

.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине

20

века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 

23

и 

13

элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9
Определение 10

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка

1015 м

 и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11
Определение 12

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно

300

электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: 

π+, π

 и 

π0

.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел

18

миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать

1032 К

, а энергия частиц 

E = kT

 достигать значений 

1019

 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц 

 1019 ГэВ

выделилось гравитационное взаимодействие. При энергиях порядка 

1014 ГэВ

разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 

103 ГэВ

 все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: Zaochnik.com

Квантовая механика и теория относительности утверждают, что каждая элементарная частица характеризуется неотрицательной массой и неотрицательным целым или полуцелым спином и что для каждой частицы существует античастица с такими же массой и спином, но с противоположным электрическим зарядом. Частицы, масса которых отлична от нуля, движутся медленнее света, и их можно затормозить, в то время как частицы с нулевой массой (такие, как фотон и гравитон) движутся со скоростью света по отношению ко всем наблюдателям. Спин есть мера собственного момента импульса частицы. Если частица с массой имеет спин s, то она может находиться в любом из (2s + 1) квантовых состояний, отличающихся проекцией спина. Античастица электрона, называемая позитроном, впервые была обнаружена в 1932 году в космических лучах. Антипротоны были впервые получены и зарегистрированы на бэватроне в Беркли в 1955 году. Фотоны совпадают со своими собственными античастицами.

При контакте частицы со своей античастицей они аннигилируют. Всё вещество на Земле (и почти всё вещество во Вселенной) состоит из частиц, а не античастиц. В противном случае не было бы ни нас с вами, ни этого рассказа.

Фермионы и бозоны

Частицы с полуцелым спином (например, электрон со спином 1/2) подчиняются статистике Ферми – Дирака и называются фермионами. Два одинаковых фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип запрета Паули). Частицы с целым спином (например, фотон) подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Многие из бозонов могут (и, в известном смысле, «любят») собираться в одном и том же квантовом состоянии, что является принципиальной основой работы лазеров.

Фундаментальные фермионыкварки и лептоны

Наш перечень таких частиц содержит двенадцать частиц со спином 1/2: шесть кварков и шесть лептонов. Кварки были придуманы М. Гелл-Манном и Г. Цвейном в 1963 году, u-, с-, t-кварки (от слов «up» – вверх, «charmed» – очарованный, «top» – верхний) несут электрический заряд, равный 2/3, в то время как d-, s-, b-кварки (от слов «down» – вниз, «strange» – странный, «botton» – нижний) несут заряд, равный – 1/3. Отдельный кварк не может быть изолирован от адрона, частью которого он является. Таким образом, кварки нельзя рассматривать как полноправные частицы. Слово лептон происходит от греческого «лептос», означающего «маленький» или «легкий», и было введено в 1948 году Л. Розенфельдом для обозначения любого фермиона небольшой массы, подобного электрону или нейтрино. В настоящее время лептоны включают все шесть известных фермионов, на которые не распространяется сильное ядерное взаимодействие. Три из них имеют электрический заряд: электрон, мюон (примерно в 200 раз тяжелее) и тау-лептон (ещё в 17 раз тяжелее). Каждому из них соответствует свой сорт нейтрино, всего получается шесть лептонов. Нейтрино очень лёгкие; возможно, они имеют нулевую массу. Недавние эксперименты позволяют предположить, что существует не больше трёх разновидностей нейтрино. Это означало бы, что наш список фундаментальных фермионов является полным. Так ли это на самом деле, увидим!

Фундаментальные бозоны

Эти частицы осуществляют связь между фундаментальными фермионами. Электромагнитное взаимодействие является результатом того, что заряжённые частицы обмениваются фотонами – частицами света, имеющими нулевую массу. Сильное ядерное взаимодействие возникает, когда кварки обмениваются глюонами с нулевой массой. Слабое взаимодействие – это результат обмена тяжёлыми W— или Z-бозонами между фундаментальными фермионами. Можно думать, что гравитация обусловлена обменом гравитонами с нулевой массой. Глюоны, подобно кваркам, оказываются «запертыми»: их нельзя наблюдать в свободном состоянии. Заряженные W— и нейтральные Z-бозоны были открыты в 1983 году в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРНе). Последний из фундаментальных бозонов в нашем «зоопарке» – это бозон Хиггса, открытый на Большом адронном коллйдере (ЦЕРН).

Адроны

В 1962 году советский физик Окунь Л. воспользовался греческим словом «адрос», означающим «толстый и тяжелый», выбирая название для всякой внешне элементарной частицы, которая подобно протону (но не электрону) принимает участие в сильном ядерном взаимодействии. Сейчас адроном называют любую частицу, составленную из кварков. Три кварка, соединенные вместе, образуют барион, кварк, связанный с антикварком, образует мезон, а три антикварка образуют антибарион. Мы перечислили все известные способы, с помощью которых кварки, соединяясь, образуют адроны. Барионы и антибарионы, поскольку они состоят из нечётного числа фермионов, сами являются фермионами. Напротив, мезоны – это бозоны.

Нуклоны

Это слово применяется с 1941 года для обозначения и нейтронов, и протонов. Атомное ядро с атомным номером Z содержит А нуклонов, из них Z протонов. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называют изотопами. Нуклоны – это фермионы. Они – самые лёгкие барионы, состоящие исключительно из u— и d— кварков: два u— и один d-кварк образуют протон, а два d-кварка и один u-кварк – нейтрон. Около 99,98 % массы обычного вещества состоит из нуклонов. Остальное – это электроны.

Пионы и мюоны

В начале 1930-х годов Хидеки Юкава предположил, что ядерные силы возникают в результате того, что нуклоны обмениваются гипотетическими элементарными частицами. Он дал своим частицам имя «мезотроны» (вскоре укоротившееся до «мезоны»), поскольку они были по массе промежуточными между электронами и нуклонами. Частицы с такими массами были найдены в конце 30-х годов, но оказались мюонами. Частицы Юкавы были, наконец, открыты в 1947 году. Как и мюоны, они впервые наблюдались в космических лучах. Много других видов мезонов было открыто с тех пор. Мезоны Юкавы стали известны как π-мезоны, или пионы. Они не являются элементарными частицами; как и все мезоны, они состоят из кварка и антикварка.

Топ-кварк

Наша теория требует, чтобы такая частица существовала и «весила» не более двухсот протонов. Экспериментаторы ещё не нашли её. Они уверены, что она должна быть тяжелее, чем сто протонов, иначе бы её уже открыли. Эта щель медленно сужается, и она будет найдена в течение двух лет физиками, работающими в Ферми-лаборатории на протон-антипротонном ускорителе на встречных пучках.

Нейтрино

Нейтрино, полученные в ядерном реакторе, впервые наблюдались в 1953 году. С тех пор физики наблюдали нейтрино, полученные на ускорителях, в космических лучах, в ядерной печи Солнца и при взрыве последней «соседней» сверхновой в 1987 году (она взорвалась «всего лишь» на расстоянии 160 тысяч световых лет). Некоторые учёные полагают, что нейтрино имеют массу и что загадочное чёрное вещество Вселенной состоит из сгустков нейтрино, оставшихся от Большого Взрыва.

Источник: resh.edu.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.