План-конспект урока
по теме
«Понятие
об элементарных частицах»
(11 класс)
Учитель физики
Черпита Валерий Николаевич
ГБОУ Школа 2051
города Москвы
Понятие об элементарных частицах.
Классификация элементарных частиц.
/data/files/u1514922328.pptx (Презентация к уроку по теме "Понятие об элемент частицах")
Задачи урока: ознакомить учащихся с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне меньших 10 ¯ ¹⁵ м пространственных размеров и расстояний; раскрыть общие свойства элементарных частиц, дать их классификацию.
План урока
| Этапы урока | Время, мин | Методы и приемы |
| Введение: постановка учебных проблем урока | 3 - 5 | Рассказ и формулировка учителя |
| Изучение нового материала: понятие об элементарных частицах, классификация частиц, кварки и др. | 30 - 35 | Рассказ учителя с использованием элементов беседы. Работа с учебником. Хрестоматийный материал. Таблица. Записи в тетради |
| Подведение итогов, выделение главного. Домашнее задание | 5 - 7 | Беседа по вопросам. Формулировка выводов |
1. На протяжении курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны; далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне.
Заключительные уроки могут быть проведены в форме школьных лекций, включающих элементы беседы, краткие выступления учащихся по отдельным вопросам. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблемы, выдвижение гипотез и т.д.). При подготовке уроков следует позаботиться о средствах наглядности, подготовить таблицы, фотографии треков и т.д. Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует возможно больше связывать новое с раннее изученным.
2. Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны.
Если мы будем рассматривать строение вещества с учетом этих сведений, то в микромире на уровне малых расстояний, порядка 10¯¹ ⁴ - 10¯¹ ⁵ м, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Но материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из микрочастиц - фотонов.
Микрочастица - фотоны, электроны, протоны, нейтроны - называются элементарными частицами. Слово «элементарная» означает простейшая, лежащая в основе материи: все материальные объекты - тела, поля - состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, т.е. они более не из ничего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чем будет сказано ниже.
В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными.
Характерная особенность большинства элементарных частиц - их нестабильность . Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и частиц нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10 ¯ ⁶ - 10 ¯ ¹⁴ с, а имеются и частицы, живущие всего 10 ¯ ²² - 10 ¯ ²³ с.
Нейтрон вне ядра также неустойчив: среднее время жизни его 16 мин, но по сравнению с временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок.
Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время ее существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились бы в стабильные или исчезли бы, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы? Их открыли и получают как в ядерных реакциях, так и в различных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц.
В качестве примера реакции распада приведем следующую реакцию:
n → p + e ¯+ ṽ ,
где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Антинейтрино и нейтрино - это частицы с очень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой легкой частицы - электрона. Они электронейтральны. Нейтрино - стабильная частица. Долгое время, посте теоретического предсказания, действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 году была осуществлена реакция
p + ṽ → n + e ˖
в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон - позитрон.
Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном, - он «исчезает» вместе с электроном:
e ˖ + e ¯ → 2 y
Реакция называется аннигиляцией электронно-позитивной пары; в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счетчиками.
Взаимная превращаемость элементарных частиц при взаимодействиях - вторая их особенность.
Третья, присущая всем элементарным частицам особенность - наличие у каждой частицы двойника - античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несет противоположный по знаку заряд. Но существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, т.е. к исчезновению, к превращению в фотоны или другие частицы. В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получен антипротон, антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, - антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в поле, к аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда; при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc ². Но в настоящее время известно, что Вселенная состоит только из вещества, а антивещества в ней нет, как нет или очень мало стабильных античастиц.
Далее следует дать классификацию элементарных частиц с подразделением всех частиц по массе на классы: лептоны, мезоны, барионы. При рассмотрении и анализе таблицы элементарных частиц обращаем внимание на их характеристики: массы, заряды, время жизни. Сообщаем, что в таблицу помещены основные частицы - стабильные и относительно стабильные. Множество нестабильных частиц - мезонов и барионов, называемых резонансами , - в таблицу не помещено.
Обсуждаем размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяженности и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядка 10 ¯ ¹⁵ м. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название кварки .
Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе,- гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами . Это, как и фотоны, частицы без массы покоя я заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен.
3. Подведение итогов. Рефлексия
Домашнее задание
Мир элементарных частиц
Урок в 11 классе
Цель урока:
Образовательные:
Познакомить учащихся со структурой элементарных частиц, с особенностями сил и взаимодействия внутри ядра; научить обобщать и анализировать полученные знания, правильно излагать свои мысли; способствовать развитию мышления, умению структурировать информацию; воспитывать эмоционально-ценностные отношения к миру
Развивающие:
Продолжить развитие мышления, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы.
Развивать любознательность, умения применять знания и опыт в различных ситуациях.
Воспитательные:
Развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);
Пробудить у учащихся интерес к научно – популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.
Цель урока:
Создать условия для развития интеллектуальной и коммуникативной компетентностей, в которых ученик сможет:
Назвать основные виды элементарных частиц;
Осмыслить многозначность современной стандартной модели мира;
Сформулировать свои представления об истории развития элементарных частиц;
Проанализировать роль развития элементарной физики;
Классифицировать элементарные частицы по их составу;
Задуматься о необходимости иметь собственную позицию, толерантно относиться к иной точке зрения;
Проявлять бесконфликтное общение при работе в группе.
Тип урока: изучение нового материала.
Форма урока: комбинированный урок.
Методы урока: словесные, наглядные, практические.
Оборудование: компьютерная презентация, мультимедийный проектор, рабочая тетрадь ученика, персональный компьютер.
| Этапы урока | Время, мин. | Методы и приемы |
| 1 .Организационное введение. Постановка учебной проблемы. | Запись темы урока. Рассказ учителя. |
|
| 2. Актуализация знаний (презентация ученика) | Рассказ учащегося о имеющихся знаниях, предпосылки изучения нового. |
|
| 3. Изучение нового материала (презентация учителя) | Рассказ учителя с использованием слайдов. Наблюдение. Беседа. Рассказ ученика с использованием слайдов. |
|
| 4. Отработка изученного материала. Закрепление. | Закрепление по опорному конспекту и работа с учебником. Ответы на контрольные вопросы. |
|
| 5. Подведение итогов. Домашнее задание | Выделение главного учителем, учениками. |
Ход урока
Организационный момент урока (приветствие, проверка готовности обучающихся к уроку)
Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим различные взгляды на устройство мира, из каких именно частиц состоит всё то, что нас окружает. Урок будет похож на лекцию, и от вас, в основном, требуется внимание.
В начале урока я хочу предложить вашему вниманию историю возникновения учения о частицах.
2. Актуализация знаний.(Презентация Алексахиной В. «История развития знаний о частицах»)
Слайд 2 . Античный атомизм – это представления о строении мира учеными античности. По представлениям Демокрита, атомы были вечными, неизменными, неделимыми, отличающимися по форме и размерам частицами, которые, соединяясь и разъединяясь, образовывали различные тела.
Слайд 3. Благодаря открытию учеными Дираком, Галилеем и Ньютоном принципа относительности, законов динамики, законов сохранения, закона всемирного тяготения, в 17 веке атомистика древних претерпела значительные изменения и в науке утвердилась механическая картина мира , в основе которой лежало гравитационное взаимодействие – ему подвержены все тела и частицы, не зависимо от заряда.
Слайд 4. Знания, накопленные при изучении электрических, магнитных и оптических явлений, привели к необходимости дополнения и развития картины мира. Таким образом, в 19 веке и до начала 20 века стала господствовать электродинамическая картина мира . В ней рассматривалось уже два типа взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Но им не удалось объяснить только тепловое излучение, устойчивость атома, радиоактивность, фотоэффект, линейчатый спектр.
Слайд 5. В начале 20 века появилась идея квантования энергии, которую поддерживали Планк, Эйнштейн, Бор, Столетов, а также корпускулярно-волновой дуализм Луи де Бройля. Эти открытия ознаменовали появление квантово-полевой картины мира , в которой добавилось ещё и сильное взаимодействие. Началось активное развитие физики элементарных частиц.
3. Изучение нового материала
До тридцатых годов 20 века устройство мира представлялось ученым в самом простом виде. Они считали, что «полный набор» частиц, из которых состоит все вещество – это протон, нейтрон и электрон. Поэтому их назвали элементарными. К этим частицам относят и фотон – переносчик электромагнитных взаимодействий.
Слайд 6. Современная стандартная модель мира:
Материя состоит из кварков, лептонов и частиц – переносчиков взаимодействия.
Для всех элементарных частиц есть вероятность обнаружить античастицы.
Корпускулярно-волновой дуализм. Принципы неопределённости и квантования.
Сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия описываются теориями великого объединения. Остается необъединенная гравитация.
Слайд 7. Ядро атома состоит из адронов, которые состоят из кварков. Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
Классификация адронов: Мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка Барионы состоят из трёх кварков – нуклонов (протоны и нейтроны) и
гиперонов.
Слайд 8. Ква́рки - фундаментальные частицы, из которых состоят адроны. В настоящее время известно 6 разных сортов (чаще говорят - ароматов) кварков. Кварки удерживает сильное взаимодействие, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных. Обмениваются между собой глюонами, частицами с нулевой массой и нулевым зарядом. Для всех кварков существуют антикварки. Они не могут наблюдаться в свободном виде. Имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) и -1/3е – d-кварк (низ).
Кварковый состав электрона - uud, кварковый состав протона - udd
Слайд 9. Частицы, не входящие в состав ядра, – лептоны. Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. На сегодня известно 6 лептонов и 6 их античастиц.
У всех частиц есть антицастицы. Лептоны и их античастицы: электрон и позитрон с ними электронное нейтрино и антинейтрино. Мюон и антимюон с ними мюонное нейтрино и антинейтрино. Таон и антитаон - таонное нейтрино и антинейтрино.
Слайд 10. Все взаимодействия в природе являются проявлениями четырех видов фундаментальных взаимодействий между фундаментальными частицами – лептонами и кварками.
Сильному взаимодействию подвержены кварки, а глюоны являются его переносчиками. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие частицы. Косвенно оно влияет на связь протонов в атомных ядрах.
Электромагнитному взаимодействию подвержены заряженные частицы. При этом под воздействием электромагнитных сил сами частицы не изменяются, а лишь приобретают свойство отталкиваться в случае одноименных зарядов.
Слабому взаимодействию подвержены кварки и лептоны. Самый известный эффект слабого взаимодействия – превращение нижнего кварка в верхний, что в свою очередь заставляет нейтрон распасться на протон, электрон и антинейтрино.
Одной из самых существенных разновидностей слабого взаимодействия является взаимодействие Хиггса . Согласно предположениям, поле Хиггса (серый фон) заполняет все пространство жидкость, ограничивая дальность слабых взаимодействий. Также бозон Хиггса взаимодействует с кварками и лептонами, обеспечивая существование их массы.
Гравитационное взаимодействие. Является наиболее слабым из известных. В нем участвуют все без исключения частицы и переносчики всех видов взаимодействия. Осуществляется благодаря обмену гравитонами – единственными, еще не открытыми на опыте частицами. Гравитационное взаимодействие всегда является притяжением.
Слайд 11. Многие физики надеются на то, что подобно тому, как удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое, со временем удастся построить теорию, объединяющую все известные виды взаимодействий, название которой «Великое объединение».
4 . Закрепление знаний.
Первичное закрепление (Презентация Гордиенко Ж. «Большой адронный коллайдер». Современные ученые стараются усовершенствовать процесс изучения частиц, с целью добиться новых открытий для научно-технического прогресса. Для этого строятся грандиозные исследовательские центры и ускорители. Одним из таких грандиозных строений является Большой адронный коллайдер.
Итоговое закрепление (работа в группах: ответы на вопросы по учебнику)
Вы разделены на две группы: 1 ряд и 2 ряд. У вас есть задание на листиках: вам необходимо ответить на вопросы, а ответы вы найдете в учебнике в параграфе 28 (стр. 196 – 198).
Задания первой группы:
Сколько всего фундаментальных частиц? (48)
Кварковый состав электрона? (uud)
Перечислите два самых сильных взаимодействия (сильное и электромагнитное)
Полное число глюонов? (8)
Задания второй группы:
Сколько частиц лежит в основе мироздания? (61)
Кварковый состав протона? (udd)
Перечислите два самых слабых взаимодействия (слабое и гравитационное)
Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? (фотон)
Озвучивание руководителями групп ответов на вопросы и обмен карточками.
Итог урока.
Вы познакомились с некоторыми аспектами развития современной физики и теперь имеете элементарные представления о том, в каком направлении развивается наша наука и для чего нам это нужно.
6. Домашнее задание. Параграф 28.
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? ______________
2. Кварковый состав электрона? ____________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ______
4. Полное число глюонов? _______
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ________
2. Кварковый состав протона? ___________
___________________________________________________________________
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? __________
2. Кварковый состав электрона? __________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия __________________________________________________________________________
4. Полное число глюонов? _________
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ____________
2. Кварковый состав протона? _____________
3. Перечислите два самых слабых взаимодействия ______________________
4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? ______
___________________________________________________________________
Задания первой группы:
1. Сколько всего фундаментальных частиц? _____________
2. Кварковый состав электрона? ______________
3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ________________________________________________________________________
4. Полное число глюонов? _____
___________________________________________________________________
Задания второй группы:
1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ______
2. Кварковый состав протона? _________
3. Перечислите два самых слабых взаимодействия _______________________
4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? _______
Примеры явлений, поставивших под сомнение неизменность атомов Электризация тел Линейчатые спектры испускания и поглощения атомов Радиоактивность ЭлектролизФотоэффект Термоэлектронная эмиссия Электрический разряд в газах Вывод: атомы обладают сложным внутренним строением и не являются простейшими неразрушимыми и неизменными частицами
Элементарные частицы (от лат. elementarius – первоначальный, простейший, основной) Частицы, из которых построены атомы считались неспособными ни к каким превращения Элементарными стали считать электроны, протоны и нейтроны Позже фотоны включили в число элементарных частиц Было обнаружено, что свободный нейтрон нестабилен и живет в среднем 15 минут Но нельзя сказать, что нейтрон состоит из этих частиц, они рождаются в момент распада
Элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти их взаимные превращения – главный факт их существования Неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура
АНТИЧАСТИЦЫ В 1928 году Поль Дирак разработал теорию движения электрона в атоме, учитывающую релятивистские эффекты. Из уравнения получалось, что у электрона должен быть «двойник» - частица такой же массы, но с положительным элементарным зарядом В 1932 году К. Андерсон экспериментально обнаружил в космическом излучении позитроны
АНТИЧАСТИЦЫ У всех элементарных частиц есть античастицы Заряженные частицы существуют парами В 1955 году обнаружен антипротон В 1956 году – антинейтрон Существуют истинно нейтральные частицы – фотон, пи-нуль-мезон, эта- мезон. Они полностью совпадают со своими античастицами
АННИГИЛЯЦИЯ Античастицы оказались способными к особому виду взаимодействия (доказано на опыте Ф. Жолио-Кюри в 1933 г.) Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона
Элементарные частицы разделяются на группы по их способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий 1. Гравитационное взаимодействие - - описывается законом всемирного тяготения - - действует между любыми телами Вселенной - - играет основную роль только для макроскопических тел больших масс - - носители – гравитоны?
2. Электромагнитное взаимодействие - действует между любыми электрически заряженными частицами и телами, а также фотонами – квантами электромагнитного поля - обеспечивает возможность существования атомов, молекул; определяет свойства твердых тел, жидкостей, газов и плазмы - вызывает деление тяжелых ядер; излучение и поглощение фотонов веществом - носители - фотоны
3. Сильное взаимодействие - это взаимодействие между нуклонами и другими тяжелыми частицами - проявляется на очень коротких расстояниях ~ м - примером является взаимодействие нуклонов ядерными силами - частицы, способные к этому взаимодействию называются адроны - носители – глюоны и мезоны
4. Слабое взаимодействие - в нем участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов - проявляется лишь на очень малых расстояниях ~ м - примером слабого взаимодействия может служить процесс бета- распада нейтрона, распад заряженного пиона - носители – промежуточные бозоны
КВАРКИ Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Кроме лептонов, фотонов и промежуточных бозонов, все уже открытые частицы являются составными. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.
Кварковый состав элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки. В настоящее время на роль истинно элементарных частиц претендуют 6 лептонов и 6 кварков
Резюме При исследовании атомов и элементарных частиц были обнаружены явления, совершенно не подчиняющиеся законам классической физики, и это привело к созданию квантовой физики как физики явлений микромира. Каково же соотношение между классической и квантовой физикой? Существуют ли они как две независимые теории или квантовая физика опровергла и отменила классическую?
Резюме Не произошло ни первого, ни второго. Законы квантовой физики оказались универсальными законами, применимыми не только к системам из элементарных частиц, но и к любым телам макромира. В согласии с принципом соответствия классическая физика оказалась частным случаем квантовой физики, применимым лишь в ограниченной области расстояний и размеров тел макромира.
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.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. 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 том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. 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. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с.
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. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 9.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.
Группа
Название частицы
Символ
Масса (в электронных массах)
Электрический заряд
Спин
Время жизни (с)
Частица
Античастица
Фотоны
Фотон
γ
Стабилен
Лептоны
Нейтрино электронное
νe
1 / 2
Стабильно
Нейтрино мюонное
νμ
1 / 2
Стабильно
Электрон
e–
e+
–1 1
1 / 2
Стабильн
Мю-мезон
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Адроны
Мезоны
Пи-мезоны
π0
264,1
0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1
2,6∙10–8
К-мезоны
K +
K –
966,4
1 –1
1,24∙10–8
K 0
≈ 10–10–10–8
Эта-нуль-мезон
η0
≈ 10–18
Барионы
Протон
p
1836,1
1 –1
1 / 2
Стабилен
Нейтрон
n
Лямбда-гиперон
Λ0
1 / 2
2,63∙10–10
Сигма-гипероны
Σ +
2327,6
1 –1
1 / 2
0,8∙10–10
Σ 0
1 / 2
7,4∙10–20
Σ –
2343,1
–1 1
1 / 2
1,48∙10–10
Кси-гипероны
Ξ 0
1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –
2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Омега-минус-гиперон
Ω–
–1 1
1 / 2
0,82∙10–11
Таблица 9.9.1.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 9.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.
Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин
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. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.
Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона
А также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.
Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π+, π– и π0 (см. табл. 9.9.1).
В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны.
После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.
Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения. Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.
В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение –
средняя общеобразовательная школа № 7 г. Белгорода
Открытый урок по физике
11 класс
«Элементарные частицы»
Подготовила и провела:
учитель физики
Польщикова А.Н.
Белгород 2015
Тема: Элементарные частицы.
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
Ход урока
(Презентация)
1. Организация начала урока.
Деятельность учителя: взаимные приветствия учителя и учащихся, фиксация учащихся, проверка готовности учащихся к уроку. Организация внимания и включение учащихся в деловой ритм работы.
Прогнозируемая деятельность ученика: организация внимания и включение в деловой ритм работы.
2. Подготовка к основному этапу занятия.
Деятельность учителя: сегодня мы приступим к изучению нового раздела "Квантовой физики" - "Элементарные частицы". В этой главе речь пойдет о первичных, неразложимых далее частицах, из которых построена вся материя, об элементарных частицах.
Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования.
Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Она будет являться и нашей главной задачей при изучении физики элементарных частиц.
3. Усвоение новых знаний и способов действий.
Деятельность учителя: Тема урока: "Этапы развития физики элементарных частиц". На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:
История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц
Что такое элементарные частицы?
Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это?
Типология частиц.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.
Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.
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 .
: 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 элементарной
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. § 114 - 115
2. конспект.