Урок физике физика элементарных частиц. Элементарные частицы. Усвоение новых знаний и способов действий
Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и типа, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых мы поговорим ниже.
Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса . Помимо этих классов, предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитационного поля). Экспериментально эти частицы ещё не обнаружены.
Дадим краткую характеристику четырем классам элементарных частиц.
К одному из них относится только одна частица – фотон .
Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.
Второй класс образуют лептоны , третий – адроны и, наконец, четвертый – калибровочные бозоны (табл. 2)
Таблица 2
| Элементарные частицы |
|||
| Лептоны |
Калибровочные бозоны |
Адроны |
|
|
|
|||
| n , p , гипероны Барионные резонансы |
Мезонные резонансы |
||
Лептоны (греч. «лептос » – лёгкий) - частицы , участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях . К ним относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (), мюоны (), таоны (), а также электронные нейтрино (), мюонные нейтрино () и тау-нейтрино (). Все лептоны имеют спины, равные 1/2 , и следовательно являются фермионами . Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях.
Адроны (греч. «адрос » – крупный, массивный) - частицы , участвующие в сильных , электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сегодня известно свыше сотни адронов и их подразделяют на барионы и мезоны .
Барионы - адроны , состоящие из трёх кварков (qqq ) и имеющие барионное число B = 1.
Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p , n ) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 , так что барионы являются фермионами . За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда .
Мезоны - адроны , состоящие из кварка и антикварка () и имеющие барионное число B = 0.
Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат -мезоны или пионы (), K-мезоны, или каоны (
), и -мезоны. Массы и мезонов одинакова и равна 273,1 , 264,1 время жизни, соответственно, и с. Масса К-мезонов составляет 970 . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка с. Масса эта-мезонов 1074 , время жизни порядка с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами
.
Калибровочные бозоны - частицы , осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W + , W – , Z 0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ.
Свойства элементарных частиц
Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.
Масса частицы , m . Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z -бозон). Z -бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.
Время жизни , τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы , имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные .
К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10 - 16 с.
К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами . Характерное время жизни резонансов - 10 - 23 -10 - 24 с.
Спин J . Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе–Эйнштейна.
Электрический заряд q . Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10 - 19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.
Внутренняя четность Р . Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа : барионное число В , странность s , очарование (charm ) с , красота (bottomness или beauty ) b , верхний (topness ) t , изотопический спин I приписывают только сильновзаимодействующим частицам - адронам .
Лептонные числа
L e
, L
μ , L
τ . Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e
, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν e
, n μ и n τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения L e
, L
μ , L
τ = 0, +1, -1. Например, e - , электронное нейтрино n e
имеют L e
= +l; , имеют L e
= - l. Все адроны имеют 
.
Барионное число В . Барионное число имеет значение В = 0, +1, -1. Барионы, например, n , р , Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = -1.
Странность s . Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K + - , K – - мезоны имеют s = + l.
Charm с . Квантовое число с с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ + имеет с = +1.
Bottomness b . Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В + -мезон имеет b = +1.
Topness t . Квантовое число t может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.
Изоспин I . Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты . Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 , входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет , 2I + 1.
G - четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G- четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.
Урок физики в 11 классе
«МИР ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ»
Учитель физики
ГБОУ СОШ № 603 г.
Санкт - Петербурга
Дубиляс Наталья Юрьевна
(Слайд № 1) Тема: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия.
Цель: Продолжить формирование научно-материалистического мировоззрения и целостной Картины Мира на основе современных представлений о строении материи.
Задачи:
Образовательные :
Обеспечить усвоение знаний учащихся по теме «Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия», дать понятие «элементарная частица» и показать историю развития теории элементарных частиц; познакомить учащихся с основами классификаций элементарных частиц; обобщить и закрепить знания о фундаментальных взаимодействиях.
Развивающие:
Совершенствование умения анализировать учебный материал; самостоятельно формулировать выводы, развития мышления, познавательной активности и самостоятельности.
Воспитывающие:
Воспитание интереса к предмету через занимательность материала, культуры учебной деятельности, создание благоприятной психологической обстановки на уроке, привитие уважения к достижениям современной науки.
Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.
Форма урока: лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.
Методы обучения: словесные, наглядные, самостоятельная работа по выполнению теста.
Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная.
Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, стандартное оборудование физического кабинета, раздаточный материал (таблицы)
План урока:
Организационный этап.
Актуализация опорных знаний.
Изучение нового материала.
Домашнее задание.
Подведение итогов урока и рефлексия.
Ход урока:
Организационный этап.
Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.
(Слайд № 2) У Пушкина есть удивительное стихотворение:
Эпиграф:
О! сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог-изобретатель…
А.С.Пушкин
Эти строки поражают глубиной мысли. В них – поэтическое выражение принципов современной физики. Здесь есть намек на метод последовательных приближений (опыт, сын ошибок трудных), на развитие через разрешение парадоксов, требующих гениальных идей (гений, парадоксов друг), на идею отбора информации из шума (случай – бог изобретатель). Можно сказать, что в этих строчках выражены принципы современного познания (принцип цикличности). Сегодня наш с вами урок будет посвящен самому передовому краю науки – физике элементарных частиц.
Актуализация опорных знаний. (Слайд № 3)
Задание учащимся: ответить на вопросы:
1) Из чего состоит окружающий мир?
2) Из чего состоят тела?
3) Что является мельчайшей частицей вещества?
4) Из чего состоят молекулы?
5) Атом в переводе с греческого означает «неделимый». Так ли это на самом деле?
6) Что мы знаем о строении атома?
7) Какие элементарные частицы вам известны? Можно ли назвать их элементарными с точки зрения современной физики?
(фотон, протон, электрон, нейтрон, нейтрино)
Изучение нового материала.
(Слайд № 4) На доске появилась схема:
Природа –
тело –
вещество –
молекула –
атом –
ядро –
нуклоны – протон, нейтрон
электрон.
(Слайд №4) Так возник новый раздел физики – физика элементарных частиц, которая изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 t = 10 -8 1 ГэВ).
Рассмотрим основные характеристики уже известных нам элементарных частиц
(таблицу вклеить в тетрадь)
Частица
Символ
Масса покоя
Заряд
Время жизни
Электрон
Протон
Нейтрон
Нейтрино
Фотон
e –
p
n
ν
γ
m e
1836 ,1 m e
1838,6 m e
10 – 4 m e
0
-1
+1
0
0
0
Стабилен
Стабилен
1000 с
Стабильно
Стабилен
Перед физикой встали определенные вопросы: (А какие вопросы могли бы поставить вы?)
Каковы их свойства?
Будут ли открыты новые? (слайд № 5)
(Слайд № 6) В истории развития физики элементарных частиц принято выделять 3 этапа:
1 этап – от атомов Демокрита до 1932 года.
Превращения, наблюдаемые в мире – это простая перестановка атомов. Атомы неизменны.
2 этап – от 1932 года до 1964 года.
1932 год вошел в историю науки как «год чудес». Первое чудо – открытие нейтрона, которое имело революционное значение, так как фактически означало крушение электромагнитной концепции в физике. До этого ФКМ строилась на двух фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном и гравитационном и обходилась всего тремя «кирпичиками мироздания»: электроном, протоном и фотоном. С появлением нейтрона в физике появилось дополнительное фундаментальное взаимодействие, его стали называть ядерным или сильным. Сразу же была предложена протонно – нейтронная модель ядра, согласно которой ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием.
При дальнейших исследованиях оказалось, что в отличие от уже известных частиц, нейтрон нестабилен – он спонтанно превращается в другие частицы, одна из которых - нейтрино, частица, которая была открыта позднее, в 1955г, хотя ее существование было предсказано еще П. Дираком в 1931г.
(Слайд № 7) Данное превращение нейтрона обусловлено еще одним взаимодействием – слабым. Это четвертое из фундаментальных взаимодействий.
Взаимодействие
Взаимодействующие частицы
Максимальный радиус действия
Относительные силы взаимодействия
Носители взаимодействия
Гравитационное
Все частицы
10 -39
Гравитоны
Электромагнитное
Частицы с электрическими зарядами
10 -2
Фотоны
Сильное
Нуклоны
Кварки
10 -15
Мезоны
Глюоны
Слабое
Лептоны
Кварки
10 -17
10 -3
Промежуточные бозоны
Но! Год чудес еще не закончился. Американский физик К.Д. Андерсон обнаружил первую античастицу – позитрон, существование которой теоретически предсказал П.Дирак в 1928 году.
(Слайд № 8) Позитрон образуется из гамма - кванта с большой энергией: γ → е - + е + (электронно – позитронная пара).
Здесь необходимо упомянуть еще об одном важном моменте:
с открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем. Оказывается, поле может превращаться в вещество, а вещество в поле.
Реакция аннигиляции: е - + е + → γ + γ
В настоящее время обнаружено, что античастица есть у каждой частицы. Представление ученых об «элементарности» частиц изменилось, когда были открыты античастицы.
Если к началу 1932 г было известны 4 элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон, то к середине 20 века в арсенале экспериментальной физики появились мощные ускорители, и число элементарных частиц, открытых с помощью новой техники, сильно возросло, их число стало измеряться сотнями (на сегодняшний день открыто около 400 частиц). Среди них мезоны, бозоны, гипероны и другие.
Практически все они оказались нестабильными. Самая долгоживущая частица – нейтрон (15 минут).
(Слайд № 9) Кроме того, выяснилось, что все частицы могут испытывать различные превращения (самопроизвольные или при столкновении с другими частицами) и это является их характерной особенностью. (записать)
В 1964 г американский физик М.Гелл-Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о том, что сильновзаимодействующие частицы построены из трех частиц, получивших название кварков. С этого момента в физике элементарных частиц начался
3 этап, который продолжается по сей день. Более сложными стали и экспериментальные методы.
(Слайд №) В 2008 году в работу был запущен Большой Адронный Коллайдер, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Большим он называется из-за своих размеров: диаметр кольца 27 км. На строительство БАК было потрачено 8 миллиардов долларов и 20 лет. Для записи информации с тысяч детекторов было создано одно из самых больших файловых хранилищ на планете. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее провести было невозможно.
Первичное осмысление и закрепление знаний.
(Слайд №) Итак,
В современной физике элементарными частицами называют мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами или атомными ядрами.
2) Давайте вместе попытаемся выделить основные свойства элементарных частиц:
Масса;
Заряд;
Время жизни;
Взаимопревращаемость;
Участие в фундаментальных взаимодействиях;
И другие, названия которых совершенно непривычны нашему уху
Барионный заряд;
Странность, очарование, …..
3) Физика элементарных частиц изучает явления, происходящие на сверхмалых (R = 10 -15 м) расстояниях, в течение сверхмалых (t = 10 -8 с) промежутков времени и при сверхвысоких энергиях (Е 1 ГэВ).
4) Взаимопревращаемость – характерное свойство всех элементарных частиц.
5) Существование античастиц;
6) Превращение поля в вещество и вещества в поле (Аннигиляция частиц и античастиц);
7) Количество ЭЧ перевалило за 400, поэтому возникла необходимость в их классификации.
8) Для классификации элементарных частиц можно выбрать какие- то общие свойства, но один из наиболее удачных способов классификации ЭЧ основан на взаимодействиях частиц.
(таблица 2) (Слайд №)
Для закрепления полученных знаний предлагаю выполнить тест. (учащиеся выполняют тест с дальнейшей самопроверкой)
Тест.
Какое из перечисленных излучений не отклоняется в магнитном поле?
Альфа – частицы;
Поток протонов;
Бета – частицы;
Гамма – излучение.
Какое из представлений о строении атома верно? Большая часть атома сосредоточена…
В ядре, заряд электронов положителен;
В ядре, заряд ядра отрицателен;
В электронах, заряд электронов отрицателен;
В ядре, заряд электронов отрицателен.
Ядро состоит из…
Нейтронов и электронов;
Протонов и нейтронов;
Протонов и электронов;
Нейтронов.
При каких ядерных процессах возникает нейтрино?
При альфа – распаде;
При бета – распаде;
При излучении гамма – квантов;
При любых ядерных превращениях;
При аннигиляции электрона и позитрона:
Выделяется энергия с излучением;
Рождается новая пара электрон – позитрон;
Поглощается энергия;
Атом переходит в возбужденное состояние.
(Слайд №) Результаты теста:
Вопрос
Ответ
(Слайд №) Домашнее задание: Глава 14, 114, 115, статья о кварках, Интернет – ресурсы для желающих узнать больше.
Итоги урока и рефлексия. (Слайд №)
Итак, сегодня на уроке мы с вами познакомились с интересным миром элементарных частиц, но современная картина мира элементарных частиц не является окончательной. Впереди нас ждут захватывающие теоретические и экспериментальные открытия, которые расширят и углубят наши понятия о мире, в котором мы живем, дадут нам новые технологии и возможности. Но не будем забывать, что Мир сложнее, чем нам кажется.
Вернемся к вопросам начала урока (Слайд №)
Существуют ли другие частицы?
Каковы их свойства?
Что характерно для элементарных частиц?
Сколько частиц может существовать?
Будут ли открыты новые?
На память о нашей встрече я приготовила для вас закладки.
У вас на столах есть конверты с фишками, а на доске – модель Вселенной, пока еще не наполненная частицами. Если вам понравился урок и вы узнали что то новое – прикрепите фишку красного цвета – протон, если не понравилось – зеленый электрон, если вы остались равнодушны к происходящему – синий нейтрон.
Спасибо за работу, желаю успехов в изучении физики!
1 слайд
Элементарные частицы Муниципальное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение "Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово" Презентация к уроку физики в 11 классе (профильный уровень) Выполнила: Попова И.А., учитель физики Белово, 2012 г.
2 слайд
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
3 слайд
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"
4 слайд
Античастица - частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов; Хронология физики частиц Для любой элементарной частицы есть своя античастица Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) 400 лет до н.э. Демокрит Атом НачалоXXв. Томсон Электрон 1910 г. Э. Резерфорд Протон 1928 г. Дирак иАндерсон Открытие позитрона 1928 г. А. Эйнштейн Фотон 1929 г. П. Дирак Предсказание существованияантичастиц 1931 г Паули Открытие нейтрино и антинейтрино 1932 г. Дж. Чедвик Нейтрон 1932 г античастица - позитроне+ 1930 г. В. Паули Предсказание существованиянейтриноn 1935 г. Юкава Открытие мезона
5 слайд
Хронология физики 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). 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 Дата Открытие (гипотеза) Второй этап 1947 г. Открытиеπ-мезонаpв космических лучах До начала 1960-х гг. Было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ.
6 слайд
Хронология физики частиц Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) Третий этап 1962 г. М.Гелл-Манни независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков 1995 г. Открытие последнего из ожидавшихся, шестого кварка
7 слайд
Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям
8 слайд
Классификация элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.
9 слайд
Классификация элементарных частиц Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
10 слайд
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.
11 слайд
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
12 слайд
Спины некоторых микрочастиц Спин Ообщееназвание частиц Примеры 0 скалярные частицы π-мезоны,K-мезоны,хиггсовскийбозон, атомы и ядра4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра3He 1 векторные частицы фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний 3/2 спин-векторные частицы Δ-изобары 2 тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны
13 слайд
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.
14 слайд
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. Ядерные Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.
15 слайд
Электромагнитное взаимодействие: переносчик - фотон. Гравитационное взаимодействие: переносчики - кванты поля тяготения - гравитоны. Слабые взаимодействия: переносчики - векторные бозоны. Переносчики сильных взаимодействий: глюоны (от английского слова glue - клей), с массой покоя равной нулю. Четыре вида физических взаимодействий И фотоны, и гравитоны не имеют массы (массы покоя) и всегда движутся со скоростью света. Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность. Взаимодействие Радиус действия Конст.взаимдств. Гравитационное Бесконечно большой 6.10-39 Электромагнитное Бесконечно большой 1/137 Слабое Не превышает 10-16см 10-14 Сильное Не превышает 10-13см 1
16 слайд
17 слайд
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: цвет
18 слайд
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: масса
19 слайд
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
20 слайд
Свойства кварков: аромат Символ Название Заряд Масса рус. англ. 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
21 слайд
22 слайд
23 слайд
Характеристики кварков Характеристика Тип кварка d u s c b t Электрический зарядQ -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Барионное числоB 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 СпинJ 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 ЧетностьP +1 +1 +1 +1 +1 +1 ИзоспинI 1/2 1/2 0 0 0 0 Проекция изоспинаI3 -1/2 +1/2 0 0 0 0 Странностьs 0 0 -1 0 0 0 Charm c 0 0 0 +1 0 0 Bottomness b 0 0 0 0 -1 0 Topness t 0 0 0 0 0 +1 Масса в составе адрона, ГэВ 0.31 0.31 0.51 1.8 5 180 Масса "свободного" кварка, ГэВ ~0.006 ~0.003 0.08-0.15 1.1-1.4 4.1-4.9 174+5
24 слайд
25 слайд
26 слайд
27 слайд
При каких ядерных процессах возникает нейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях
28 слайд
При каких ядерных процессах возникает антинейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях
Класс: 11
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
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.
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:
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 - 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:
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 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .
Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.
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 (-мезонами ). Среднее время жизни -мезона равно 2,2 * 10 -6 с.
Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. -мезоны). Среднее время жизни нейтрального -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 -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.
Урок № 67.
Тема урока : Проблемы элементарных частиц
Цели урока:
Образовательные: познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с классификацией элементарных частиц, обобщить и закрепить знания об фундаментальных видах взаимодействий, формировать научное мировоззрение.
Воспитательные: формировать познавательный интерес к физике, привитие любви и уважения к достижениям науки.
Развивающие: развитие любознательности, умение анализировать, самостоятельно формулировать выводы, развитие речи, мышления.
Оборудование: интерактивная доска (или проектор с экраном).
Тип урока: изучение нового материала.
Вид урока: лекция
Ход урока:
Организационный этап
Изучение новой темы.
В природе существуют 4 типа фундаментальных (основных) взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. По современным представлениям взаимодействие между телами осуществляется через поля, окружающие эти тела. Само поле в квантовой теории понимается как совокупность квантов. Каждый тип взаимодействия имеет своих переносчиков взаимодействия и сводится к поглощению и испусканию частицами соответствующих квантов света.
Взаимодействия могут быть длиннодействующие (проявляются на очень больших расстояниях) и короткодействующие (проявляются а очень малых расстояниях).
Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами. Экспериментально они не обнаружены. Согласно закону, открытому в 1687 году великим английским ученым Исааком Ньютоном, все тела независимо от формы и размеров притягиваются друг другу с силой, прямо пропорциональной их массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие всегда приводит к притяжению тел.
Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим. В отличие от гравитационного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие может привести как к притяжению, так и к отталкиванию. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – фотонами. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.
Сильное взаимодействие – это самые мощное из всех взаимодействий. Оно является короткодействующим, соответствующие силы очень быстро убывают по мере увеличения расстояния между ними. Радиус действия ядерных сил 10 -13 см
Слабое взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Радиус действия примерно в 1000 раз меньше, сем у ядерных сил.
Открытие радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы состоят из частиц. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. Первое время частицы, из которых построены атомы, считались неделимыми. Поэтому их назвали элементарными частицами. Представление о «простом» устройстве мира разрушилось, когда в 1932 году открыли античастицу электрона – частицу, которая имела макую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. Эту положительно заряженную частицу назвали позитроном.. согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица имеют одинаковою массу, но противоположные знаки всех зарядов. Если античастица совпадает с самой частицей, то такие частицы называют истинно нейтральными, заряд их равен 0. Например, фотон. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы (часто этими частицами является фотон).
Все элементарные частицы (которые нельзя разделить на составные) делятся на 2 группы: фундаментальные (бесструкaтурные частицы, все фундаментальные частицы на данном этапе развития физики считаются бесструктурными, то есть не состоят из других частиц) и адроны (частицы, имеющие сложное строение).
Фундаментальные частицы в свою очередь делятся на лептоны, кварки и переносчики взаимодействий. Адроны делятся на барионы и мезоны. К лептонам относятся электрон, позитрон, мьюон, таон, три типа нейтрино.
К кварками называют частицы, из которых состоят все адроны. Участвуют в сильном взаимодействии.
Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемые переносчиками этого взаимодействия: фотон (частица, переносящая электромагнитное взаимодействие), восемь глюонов (частиц, переносящих сильное взаимодействие), три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие, гравитон (переносчик гравитационного взаимодействия). Существование гравитонов пока не доказано экспериментально.
Адроны участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из двух кварков, один из которых является антикварком.
Самое сильное взаимодействие – это взаимодействие между кварками. Протон состоит из 2 u кварков одного d кварка, нейтрон из одного u кварка и 2 d кварков. Оказалось, что на очень малых расстояниях ни один из кварков не замечает соседей, и они ведут себя как свободные, невзаимодействующие между собой частицы. При удалении кварков друг от друга между ними возникает притяжение, которое с увеличением расстояния возрастает. Чтобы разделить адроны на отдельные изолированные кварки потребовалась бы большая энергия. Так как такой энергии нет, то кварки оказываются вечными пленниками и навсегда остаются запертыми внутри адрона. Кварки удерживаются внутри адрона глюонным полем.
III . Закрепление
Вариант 1.
Вариант 2.
3.. Сколько живет нейтрон вне атома ядра? А. 12 мин Б. 15 мин
Итог урока. На уроке познакомились частицами микромира, выяснили, какие частицы называются элементарными.
Д/з § 9.3
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
III . Закрепление
Назовите основные взаимодействия, которые существую в природе
Чем отличаются частица и античастица? Что у них общего?
Какие частицы участвую в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях?
Вариант 1.
1. Одно из свойств элементарных частиц – способность……… А. превращаться друг в друга Б. самопроизвольно видоизменятся
2.Частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время, называются….. А. нестабильными Б. стабильными.
3. Какая частица является стабильной? А. протон Б. мезон
4. Частица, являющаяся долгожителем. А. нейтрино Б. нейтрон
5.Нейтрино получается в результате распада….. А. электрона Б. нейтрона
Вариант 2.
Что является главным фактором существования элементарных частиц?
А. взаимное их проникновение Б. взаимное их превращение.
2. Какая из элементарных частиц не выделена в свободную частицу. А. пион Б. кварки
3. Сколько живет нейтрон вне атома ядра? А. 12 мин Б. 15 мин
Какая из частиц не является стабильной. А. фотон Б. лептон
Существуют ли в природе неизменные частицы? А. да Б. нет