Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Классификация элементарных частиц Элементарные частицы (частицы, которые нельзя разделить на составные) Фундаментальные (бесструктурные частицы) Адроны (частицы, имеющие сложное строение) лептоны кварки переносчики взаимодействий барионы мезоны е-, е+, мьюон, таон, три типа нейтрино (частицы, из которых состоят все андроны) u ,c, t , d, s, b 1) электромагнитного: фотон 2) сильного: глюоны 3) слабого: промежуточные бозоны W - , W + нейтральный бозон Z 0 4) гравитационного: гравитон G (состоят из трех кварков) p , n , гиперон (состоят из двух кварков, один из которых является антикварком)
Предварительный просмотр:
Тема урока : Мир элементарных частиц
Метод обучения: лекция
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).
Ход урока:
Организационный этап
Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.
I. Новая тема 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).
Слайд (по ходу рассказа на слайде появляются слова).
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. Не участвуют в сильных взаимодействиях. К кварками называют частицы, из которых состоят все адроны. У частвуют 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 взаимодействи я). 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
- 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?
Итог урока. На уроке познакомились частицами микромира, выяснили, какие частицы называются элементарными.
Д/з § 28
- Развивающие:
- Воспитательные:
Тип урока
Оборудование урока
«Bakotin»
Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
Хлебородненская средняя общеобразовательная школа
Бакотин Роман Владимирович
с. Хлебородное, 2015
Цели урока:
Образовательные : систематизировать знания о строении атома, ввести понятия о новых элементарных частицах, обосновать взаимосвязь этапов развития физики элементарных частиц.
Развивающие: проверить уровень самостоятельного мышления школьника при работе с учебником, справочником; сформировать элементы творческого поиска.
Воспитательные: показать значение работ Э. Резерфорда, А.Ф. Иоффе для современной науки, воспитывать культуру логического мышления, формировать коммуникативные навыки работы в группах.
Тип урока : комбинированный (с использованием ИКТ)
Оборудование урока : компьютер, мультимедийный проектор, экран, мультимедийная презентация, портреты физиков (либо их фотографии в презентации).
Ход урока
Введение в тему урока.
Слайд 1 (Приложение 1)
В.Я.Брюсов. Мир электрона
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
И память сорока веков!
Вселенная, где сто планет;
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но все та же
Там та же мировая спесь…
Учитель: Давайте проанализируем стихотворение В. Я. Брюсова и ответим на вопросы
О чем сегодня мы будем говорить?
Как представляет поэт строение электрона?
Как это согласуется с современными представлениями об электроне?
Учитель: Да, мы сегодня повторим наши знания о строении вещества, а также проведем сравнительный анализ этапов развития физики элементарных частиц.
Проверка домашнего задания
1. 1. Устный опрос
Слайд 2 (Приложение 1)
Из каких частиц состоит атом?
Каков размер атома?
1.2 Работа с кроссвордом
Кроссворд (Приложение 2)
1.3 Работа с карточками
Каждая группа выбирает карточку с биографией ученых (сообщения о Резерфорде, Томсоне, Иоффе – Приложение 3, 4, 5 ). Необходимо сообщить, чем прославились данные ученые в области атомной физики.
Изучение нового материала.
Учитель: Как нам уже известно, термин «АТОМ» был предложен Демокритом еще в глубокой древности. Современные исследования не только подтвердили его предположение, но и значительно расширили сведения о строении вещества.
Данные исследования в этой области можно разделить на три этапа. Каждый из них нес собой свою особенность и принципиальное значение.
Работа с учебником
Каждая группа берет по одному этапу, знакомится с ним и маркером на большом листе бумаги составляют таблицу.
Примерная таблица может содержать следующие графы (на выбор учащихся)
Работа с физическим словарем
Отдельно выписываем в словарь неизвестные термины, которые нужно будет объяснить для других групп (примерные термины СТРАННОСТЬ, АДРОНЫ, КВАРКИ, ЛЕПТОНЫ).
Сообщения по изученному материалу (проводиться в порядке следования этапов)
На доске представляют три плаката с таблицами, о каждом из которых необходимо дать сообщение.
Работа с тетрадью
Необходимо рассмотреть предлагаемые таблицы.
Скорректировать их.
Записать в тетрадь.
Обобщенная (скорректированная) таблица может быть представлена на слайде.
Слайд 3 (Приложение 1)
ПРИМЕР таблицы.
| Продолжительность этапа | Название этапа | Основное содержание |
| От электрона до позитрона | ||
| От позитрона до кварков | ||
| 1964-….. до наших дней |
Рефлексия.
Слайд 4 (Приложение 1)
Вопросы для закрепления:
Домашнее задание.
Параграф 93. Стр 224-227 Составить вопросы к параграфу
Просмотр содержимого документа
«Приложение 2»
1.Вещество, не проводящее электричество. 2 и 6. Ученые, опыты которых доказали существование и позволили измерить заряд электрона. 3. Сообщение телу электрического заряда. 4 и 5. Частицы, из которых состоит ядро атома. 7. Атом, потерявший или присоединивший один или несколько электронов. 8. Прибор, служащий для обнаружения заряда. 9. Одно из веществ, испускающих α-частицы.
По вертикали в выделенных клетках: ученый, опыт которого лежит в основе ядерной модели строения атома.
Ответы на кроссворд. По горизонтали: 1. Диэлектрик. 2.Милликен. 3. Электризация. 4.Нейрон. 5. Протон. 6. Иоффе. 7. Ион. 8. Электроскоп. 9.Радий. По вертикали: Резерфорд.
Просмотр содержимого документа
«Приложение 3»
Биография Эрнеста Резерфорда
Резерфорд Эрнест (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы.
Родился 30 августа 1871 г. в городе Спринг – Броув (Новая Зеландия) в семье шотландских эмигрантов. Отец работал механиком и фермером-льноводом, мать - учительницей. Эрнест был четвёртым из 12 детей Резерфордов и самым талантливым.
Уже при окончании начальной школы, как первый ученик, он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Благодаря этому Резерфорд поступил в колледж в Нельсоне (Новая Зеландия). После окончания колледжа юноша сдал экзамены в Кентерберийский университет и здесь серьёзно занялся физикой и химией.
Он участвовал в создании научного студенческого общества и сделал в 1891 г. доклад на тему «Эволюция элементов», где впервые прозвучала идея о том, что атомы - сложные системы, построенные из одних и тех же составных частей.
В период, когда в физике господствовала идея Дж. Дальтона о неделимости атома, эта мысль показалась абсурдной, и молодому учёному даже пришлось извиняться перед коллегами за «явную чепуху».
Правда, через 12 лет Резерфорд доказал свою правоту. После окончания университета Эрнест стал учителем средней школы, но это занятие было ему явно не по душе. К счастью, Резерфорду - лучшему выпускнику года - присудили стипендию, и он отправился в Кембридж - научный центр Англии - для продолжения занятий.
В Кавендишской лаборатории Резерфорд создал передатчик для радиосвязи в радиусе 3 км, но отдал приоритет на его изобретение итальянскому инженеру Г. Маркони, а сам приступил к изучению ионизации газов и воздуха. Учёный заметил, что урановое излучение имеет две составляющие - альфа- и бета-лучи. Это было открытием.
В Монреале при изучении активности тория Резерфорд открыл новый газ - радон. В 1902 г. в работе «Причина и природа радиоактивности» учёный впервые высказал мысль о том, что причиной радиоактивности является самопроизвольный переход одних элементов в другие. Он установил, что альфа-частицы заряжены положительно, их масса больше массы атома водорода, а заряд приблизительно равен заряду двух электронов, и это напоминает атомы гелия.
В 1903 г. Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 г. занимал пост его президента.
В 1904 г. вышел фундаментальный труд учёного «Радиоактивные вещества и их излучения», который стал энциклопедией для физиков-ядерщиков. В 1908 г. Резерфорд стал нобелевским лауреатом за исследования радиоактивных элементов. Руководитель физической лаборатории в Манчестерском университете, Резерфорд создал школу физиков-ядерщиков, своих учеников.
Вместе с ними он занимался исследованием атома ив 1911 г. окончательно пришёл к планетарной модели атома, о чём написал в статье, вышедшей в майском номере «Философского журнала». Модель приняли не сразу, она утвердилась только после её доработки учениками Резерфорда, в частности Н. Бором.
Умер учёный 19 октября 1937 г. в Кембридже. Как и многие великие люди Англии, Эрнест Резерфорд покоится в соборе Святого Павла, в «Уголке науки», рядом с Ньютоном, Фарадеем, Дарённом, Гершелем.
Просмотр содержимого документа
«Приложение 4»
Биография Джорджа Томсона
Английский физик Джордж Паджет Томсон родился в Кембридже 3 мая 1892 г. в семье ученого-физика. Вступил в Тринити-Колледж 1910 г., он уже в следующем году стал старшекурсником и 1914 г. получил первые награды по математике и естественным наукам. Закончив тогда же университет со степенью бакалавра, он стал стипендиатом-исследователем и преподавателем математики в Корпус-кристи-колледже Кембриджа, работая здесь вплоть до 1922 г.
Во время войны Джордж Томсон служил во Франции лейтенантом, а потом вернулся в Англию, где на протяжении четырех лет работал над усовершенствованием самолетостроения. Научившись летать, Томсон написал свой первый учебник «Прикладная аэродинамика» (1919).
1922 г. Джордж Томсон стал профессором натурфилософии Абердинского университета Шотландии и пребывал в этой должности до 1930 г., когда его назначили профессором физики Империал колледжа Лондона. 1952 г. он возвращается в Кембридж как руководитель Корпус-кристи-колледжа, где и остается вплоть до выхода в отставку 1962 г. Именно в Абердине он сделал свой наиболее значительный взнос в теоретическую физику.
Основные работы Джорджа Томсона касаются атомной и ядерной физики, квантовой механики, аэродинамики, электрических разрядов в газах. Независимо от К.Девиссона он открыл явление дифракции электронов, чем экспериментально доказал волновую природу электрона. Джордж Томсон также исследовал геометрию электрономограм, теорию рассеяния.
Джордж Томсон и Девиссон поделили 1937 г. Нобелевскую премию по физике «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах».
После 1937 г. Джордж Томсон неоднократно был научным советником британского Министерства авиации. 1941 г. возглавляемый им комитет передал британскому правительству вывод, в котором производство атомной бомбы признавалось осуществимым. Эта рекомендация повлияла на решение Великобритании принять участие в Манхеттенском проекте. После Второй мировой войны Джордж Томсон принимал активное участие в роботах по управляемому термоядерному синтезу. Он активно поддерживал международное сотрудничество по развитию атомной энергии в мирных целях. Свой последний взнос в физику он сделал 1951 г., когда исследовал космические частички в космических лучах.
Джорджу Томсону было 1943 г. предоставлено дворянство. Среди его многочисленных наград - медаль Хъюза (1939) и Королевская медаль (1949) Лондонского королевского общества, медаль Франклина (1960) и Фарадея (1960) Института инженеров электротехники и электроники. Он был иностранным членом Американской академии наук и искусств, Лиссабонской академии наук, а также членом-корреспондентом Австрийской академии наук.
Просмотр содержимого документа
«Приложение 5»
Биография Абрам Фёдорович Иоффе
А.Ф. Иоффе родился 29 октября 1980 г. в небольшом городке Ромны Полтавской губернии. В Ромнах не было гимназии - имелось лишь мужское реальное училище., в которое он и поступил. Примечательно, что его одноклассником оказался С.П. Тимошенко - впоследствии крупный механик, иностранный член АН СССР. Физикой Иоффе заинтересовался еще в училище. Он часто подчеркивал, что произошло это не благодаря влиянию учителей, а, скорее, ему вопреки: уровень преподавания в училище был очень низким, учителя были прежде всего вероподдаными чиновниками.
Как известно, до революции для поступления в университеты необходимо было знание древних языков, которые преподавались только в гимназиях. Поэтому по окончании реального училища А.Ф. Иоффе остановил свой выбор на Петербургском технологическом институте, в котором, по его мнению, в наибольшей степени можно было научиться физике. В этом институте преподавали выдающиеся ученые, в частности И.И. Боргман, Н.А. Гезехус, Б. Л. Розинг и др. Наряду с физикой, Иоффе много работал в области ее биологических приложений, что в конце ХІХ - начале ХХ в. Было более чем необычно. Хотя в научном плане эти исследования и не дали какого-либо существенного выхода, они укрепили его в убеждении о плодотворности приложения физики к проблемам биологии.
В Технологическом институте Иоффе занимался еще и чисто инженерными работами, в основном во время летней практики.
По окончании Технологического института (1902 г.) А.Ф. Иоффе, заручившись рекомендациями Н.А. Гезехуса и директора Палаты мер и весов профессора Н.Е. Егорова, направился в Мюнхен, где в те годы работал В.К. Рентген.
В годы работы в лаборатории Рентгена (1903-1906) А.Ф. Иоффе выполнил ряд крупных исследований. К их числу нужно отнести прецизионный эксперимент по определению «энергетической мощности» радия.
Работы А.Ф. Иоффе по механическим и электрическим свойствам кристаллов, выполненные в мюнхенские годы, носили систематический характер. В процессе их проведения на примере кристаллического кварца им был изучен и правильно объяснен эффект упругого последействия.
Изучение электрических свойств кварца, влияния на проводимость кристаллов рентгеновских лучей, ультрафиолетового и естественного света привели А.Ф. Иоффе к открытию внутреннего фотоэффекта, выяснению пределов применимости закона Ома для описания прохождения тока через кристалл и исследованию своеобразных явлений, разыгрывающихся в приэлектродных областях.
Все эти работы Иоффе закрепили за ним репутацию физика, глубоко вдумывающегося в механизмы изучаемых им процессов и с исключительной точностью проводящего опыты, расширяющие представления об атомно- электронных явлениях в твердых телах.
А.Ф. Иоффе, отказавшись от лестного предложения Рентгена остаться в Мюнхене - для продолжения исследований и преподавательской работе в Мюнхенском университете, после блестящей защиты там в 1905 г. Докторской диссертации.
С 1906 г. А.Ф. Иоффе начал работу в должности старшего лаборанта в Петербургском политехническом институте. В физической лаборатории института, которую возглавлял В.В. Скобельцын, Иоффе в 1906-1917 гг. Были выполнены блестящие работы по подтверждению эйнштейновской квантовой теории внешнего фотоэффекта, доказательству зернистой природы электронного заряда, определению магнитного поля катодных лучей (магистерская диссертация Петербургский университет, 1913 г.). Наряду с этим А.Ф. Иоффе продолжил и обобщал в докторской диссертации (Петроградский университет, 1915 г.) начатые еще в Мюнхене исследования по упругим и электрическим свойствам кварца и некоторых других кристаллов. Академия наук, в 1914 г. Наградила А.Ф. Иоффе премией им. С.А. Иванова.
К этим важнейшим циклам исследований А.Ф. Иоффе, добавим еще два: Одно из них - теоретическая работа ученого, посвященная тепловому излучению, в которой получили дальнейшее развитие классические исследования М. Планка.
Другая работа, также была выполнена им в физической лаборатории Политехнического института в соавторстве с преподавателем этого института М. В. Миловидовой-Кирпичевой. В работе исследовалась электропроводность ионных кристаллов. Результаты исследований по электропроводности ионных кристаллов были впоследствии, уже после окончания первой мировой войны, с блеском доложены А.Ф. Иоффе на сольвеевском конгрессе 1924 г., вызвали
оживленную дискуссию у его знаменитых участников, и получили их полное признание.
В 1926 г. Я.И. Френкель, основываясь на экспериментах А.Ф. Иоффе и М. В. Миловидовой-Кирпичевой о тепловой диссоциации решетки, развил кинетическую теорию явлений переноса в твердых телах и разработал в 1933 г. дырочную теорию электропроводности полупроводников.
Наряду с интенсивной исследовательской работой, А.Ф. Иоффе много сил и времени уделял преподаванию. Он читал лекции не только в Политехническом институте, профессором которого стал в 1915 г., но также на известных в городе курсах П.Ф. Лесгафта, в Горном институте и в университете. Однако самым главным в этой деятельности Иоффе била
организация в 1916 г. семинара по новой физике при Политехническом институте. Именно в эти годы А.Ф. Иоффе -сначала участник, а потом и руководитель семинара - выработал тот замечательный стиль ведения такого рода собраний, который создал ему заслуженную известность и характеризовал его как главу школы. Семинар Иоффе в Политехническом институте по праву считается важнейшим центром кристаллической физики.
Разработку планов физико-технического отдела будущего Государственного рентгенологического и радиологического института взял на себя А.Ф. Иоффе. Этот институт был создан 23 сентября 1918 г., а в 1921 г., его физико-технический отдел выделился в самостоятельный Государственный физико-технический рентгенологический институт (ФТИ), который более трех десятилетий и возглавлял А.Ф. Иоффе.
Наряду с созданием ФТИ, А.Ф. Иоффе принадлежит заслуга организации в 1919 г. при Политехническом институте факультета нового типа: физико-механического, деканом которого он также был более 30 лет.
Научная работа А.Ф. Иоффе была сосредоточена в стенах ФТИ, одной из лабораторий которого он неизменно заведовал, хотя тематика ее исследований, как и название, претерпели изменения. В 20-е годы основным направлением работы было изучение механических и электронных свойств твердого тела.
Начало 30-х годов ознаменовалось переходом ФТИ на новую тематику. Одним из основных направлений стала ядерная физика. А.Ф. Иоффе непосредственно ею и занимался, но наблюдая стремительный подъем этой области физики, быстро оценил ее грядущую роль в дальнейшем прогрессе науки и техники. Поэтому с конца 1932 г. физика ядра прочно вошла в тематику работ ФТИ.
С начала 30-х годов собственная научная работа А.Ф. Иоффе сосредоточилась на другой проблеме - проблеме физики полупроводников, и его лаборатория в ФТИ стала лабораторией полупроводников.
В 1950 г. А.Ф. Иоффе разработал теорию, на основе которой были сформулированы требования к полупроводниковым материалам, используемым в термобатареях и обеспечивающим получение максимального значения их КПД. Вслед за этим в 1951 г. Л.С. Стильбансом под руководством А.Ф. Иоффе и Ю.П. Маслаковца был разработан первый в мире холодильник. Это послужило началом развития новой области техники - термоэлектрического охлаждения. Соответствующие холодильники и термостаты широко применяются ныне во всем мире для решения ряда задач в радиоэлектронике, приборостроении, медицине, космической биологии и других областях науки и техники.
Последние годы жизни А.Ф. Иоффе прошли под знаком радостного творчества в стенах вновь созданного им Института полупроводников. Начиная с 1954 г. число публикаций маститого ученого в научных журналах, отражавшего его научную активность, резко возросло. Его работоспособность не могла не вызывать удивление и восхищение. Недаром одну из книг А.Ф. Иоффе на тему по термоэлектричеству назвали «библией по
термоэлектричеству».
Абрам Федорович скончался 14 октября 1960 г. , две недели не дожив до своего 80-летия. Но благодаря своим выдающимся способностям физика и организатора науки, благодаря высоким личным качествам Абрам Федорович Иоффе сумел создать в стенах ФТИ исключительно благоприятную почву для быстрого созревания талантов. В этом его непреходящая заслуга перед Родиной и наукой.
Просмотр содержимого презентации
«Приложение 1»
"Три этапа в развитии
физики
элементарных частиц"
Бакотин Роман Владимирович
с. Хлебородное, 2015
В.Я.Брюсов. Мир электрона
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Ещё, быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь …
- Какие частицы мы называем элементарными?
- Назовите элементарные частицы?
- Из каких частиц состоит атом?
- Какие ученые давали свои прогнозы на строение атома?
- Суть теории Томсона и Резерфорда?
- Каков размер атома?
Продолжительность этапа
Название этапа
Основное содержание
От электрона до позитрона
Превращения в мире – это простая перестановка атомов. Все в мире изменяется кроме самих атомов, которые остаются неизменными. Открыто строение атомов, был выделен электрон, как составная часть атома.
От позитрона до кварков
1964-….. до наших дней
Все элементарные частицы превращаются друг в друга. Эти превращения главный факт их существования. Элементарные частицы- это первичные неделимые далее частицы, из которых построена вся материя. Но неделимость не означает отсутствие у них внутренней структуры.
От гипотезы о кварках до современности
Открытие группы «странных», «очарованных» частиц, резонансов. Открытие «кварков» их количества и дробности заряда.
- Какие новые частицы вы сегодня узнали?
- Сколько этапов в физике элементарных частиц можно выделить?
- Существуют ли предпосылки к появлению четвертого этапа?
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.
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