Конспект урока элементарные частицы

Обновлено: 06.07.2024

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

  • 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

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.

  • История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц
  • Что такое элементарные частицы?
  • Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это?
  • Типология частиц.

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

Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

Прогнозируемая деятельность ученика:

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

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

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

Деятельность учителя:

Этап 1.

Элементарный, т.е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово "атом" в переводе означает "неделимый". Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.

Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

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

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

Прогнозируемая деятельность ученика:

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

Протон. В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота - 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?

Деятельность учителя: нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин.

Другие частицы "живут" гораздо меньшее время.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными.

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.

Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Позитрон - (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (-мезонами). Среднее время жизни -мезона равно 2,2 * 10 -6 с.

Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. -мезоны). Среднее время жизни нейтрального -мезона - 0,87·10 -16 с.

В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий "на встречных курсах" и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий "пойманных" частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны (Приложение 2).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.

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

Деятельность учителя: следующая группа состоит из легких частиц лептонов.

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

Деятельность учителя: к лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов.

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

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

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

Деятельность учителя: за ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен +2/3 или -1/3 единичного положительного заряда протона.

Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд -1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.

Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed) и странным - s (от strange).

Третью пару составляют истинный - t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый - b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки.

Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.

4. Первичная проверка понимания.

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

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

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).

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).

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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
  4. Слабое взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Радиус действия примерно в 1000 раз меньше, сем у ядерных сил.

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.

  1. Назовите основные взаимодействия, которые существую в природе
  2. Чем отличаются частица и античастица? Что у них общего?
  3. Какие частицы участвую в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях?

Итог урока. На уроке познакомились частицами микромира, выяснили, какие частицы называются элементарными.

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Урок физики в 11 классе

ГБОУ СОШ № 603 г.

Дубиляс Наталья Юрьевна

(Слайд № 1) Тема: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия.

Цель: Продолжить формирование научно-материалистического мировоззрения и целостной Картины Мира на основе современных представлений о строении материи.

Образовательные :

Развивающие:

Совершенствование умения анализировать учебный материал; самостоятельно формулировать выводы, развития мышления, познавательной активности и самостоятельности.

Воспитывающие:

Воспитание интереса к предмету через занимательность материала, культуры учебной деятельности, создание благоприятной психологической обстановки на уроке, привитие уважения к достижениям современной науки.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Форма урока: лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.

Методы обучения: словесные, наглядные, самостоятельная работа по выполнению теста.

Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная.

Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, стандартное оборудование физического кабинета, раздаточный материал (таблицы)

Организационный этап.

Актуализация опорных знаний.

Изучение нового материала.

Первичное осмысление и закрепление знаний.

Домашнее задание.

Подведение итогов урока и рефлексия.

Организационный этап.

Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.

(Слайд № 2) У Пушкина есть удивительное стихотворение:

О! сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог-изобретатель…

Эти строки поражают глубиной мысли. В них – поэтическое выражение принципов современной физики. Здесь есть намек на метод последовательных приближений (опыт, сын ошибок трудных), на развитие через разрешение парадоксов, требующих гениальных идей (гений, парадоксов друг), на идею отбора информации из шума (случай – бог изобретатель). Можно сказать, что в этих строчках выражены принципы современного познания (принцип цикличности). Сегодня наш с вами урок будет посвящен самому передовому краю науки – физике элементарных частиц.

Актуализация опорных знаний. (Слайд № 3)

Задание учащимся: ответить на вопросы:

1) Из чего состоит окружающий мир?

2) Из чего состоят тела?

3) Что является мельчайшей частицей вещества?

4) Из чего состоят молекулы?

6) Что мы знаем о строении атома?

7) Какие элементарные частицы вам известны? Можно ли назвать их элементарными с точки зрения современной физики?

(фотон, протон, электрон, нейтрон, нейтрино)

Изучение нового материала.

(Слайд № 4) На доске появилась схема:

нуклоны – протон, нейтрон

(Слайд №4) Так возник новый раздел физики – физика элементарных частиц, которая изучает явления, происходящие на сверхмалых ( R = 10 -15 м) расстояниях, в течение сверхмалых ( t = 10 -8 с) промежутков времени и при сверхвысоких энергиях (Е 1 ГэВ).

Рассмотрим основные характеристики уже известных нам элементарных частиц

(таблицу вклеить в тетрадь)

1836 ,1 m e

1838,6 m e

10 – 4 m e

Перед физикой встали определенные вопросы: (А какие вопросы могли бы поставить вы?)

Существуют ли другие частицы?

Каковы их свойства?

Что характерно для элементарных частиц?

Сколько частиц может существовать?

Будут ли открыты новые? (слайд № 5)

(Слайд № 6) В истории развития физики элементарных частиц принято выделять 3 этапа:

1 этап – от атомов Демокрита до 1932 года.

Превращения, наблюдаемые в мире – это простая перестановка атомов. Атомы неизменны.

2 этап – от 1932 года до 1964 года.

При дальнейших исследованиях оказалось, что в отличие от уже известных частиц, нейтрон нестабилен – он спонтанно превращается в другие частицы, одна из которых - нейтрино, частица, которая была открыта позднее, в 1955г, хотя ее существование было предсказано еще П. Дираком в 1931г.

(Слайд № 7) Данное превращение нейтрона обусловлено еще одним взаимодействием – слабым. Это четвертое из фундаментальных взаимодействий.

Максимальный радиус действия

Относительные силы взаимодействия

Частицы с электрическими зарядами

Но! Год чудес еще не закончился. Американский физик К.Д. Андерсон обнаружил первую античастицу – позитрон, существование которой теоретически предсказал П.Дирак в 1928 году.

(Слайд № 8) Позитрон образуется из гамма - кванта с большой энергией: γ → е - + е + (электронно – позитронная пара).

Здесь необходимо упомянуть еще об одном важном моменте:

с открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем. Оказывается, поле может превращаться в вещество, а вещество в поле.

Реакция аннигиляции: е - + е + → γ + γ

Если к началу 1932 г было известны 4 элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, фотон, то к середине 20 века в арсенале экспериментальной физики появились мощные ускорители, и число элементарных частиц, открытых с помощью новой техники, сильно возросло, их число стало измеряться сотнями ( на сегодняшний день открыто около 400 частиц). Среди них мезоны, бозоны, гипероны и другие.

Практически все они оказались нестабильными. Самая долгоживущая частица – нейтрон (15 минут).

(Слайд № 9) Кроме того, выяснилось, что все частицы могут испытывать различные превращения (самопроизвольные или при столкновении с другими частицами) и это является их характерной особенностью. (записать)

В 1964 г американский физик М.Гелл-Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу о том, что сильновзаимодействующие частицы построены из трех частиц, получивших название кварков. С этого момента в физике элементарных частиц начался

3 этап, который продолжается по сей день. Более сложными стали и экспериментальные методы.

(Слайд № ) В 2008 году в работу был запущен Большой Адронный Коллайдер, расположенный на территории Швейцарии и Франции. Большим он называется из-за своих размеров: диаметр кольца 27 км. На строительство БАК было потрачено 8 миллиардов долларов и 20 лет. Для записи информации с тысяч детекторов было создано одно из самых больших файловых хранилищ на планете. БАК позволит провести эксперименты, которые ранее провести было невозможно.


Мы изучили строение атома и атомного ядра, и узнали, какие частицы в него входят. Но существует еще много других частиц, изучением которой занимается целый раздел физики — физика элементарных частиц. Кроме обычных частиц, существуют еще и античастицы, которые представляют большой интерес. Об этом мы и поговорим на этом уроке, а также рассмотрим основные этапы развития физики элементарных частиц.


В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности




Конспект урока "Физика элементарных частиц"

«если верно, что все на свете состоит

из элементарных частиц, то, следовательно,

Напомним, что до самого конца девятнадцатого века считалось, что атом – это неделимая частица. Только в 1897 году Джозефом Томсоном был открыт электрон, причем стало ясно, что электрон – это часть атома. Позднее, в 1919 году Эрнест Резерфорд открыл протон, а в 1932 году, Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. В этом состоит первый этап развития физики элементарных частиц: осознание того, что существуют множество неделимых частиц, из которых состоит вся материя. После этого, возникли теории, объясняющие строение атомного ядра. Исходя из этих теорий, ученые пришли к выводу, что в состав ядер должны входить частицы, осуществляющие обменное взаимодействие между элементарными частицами. Такие частицы назвали пи-мезонами (они были предсказаны Хидэки Юкавой в 1935 году, но открыты только к концу сороковых годов).



Превращение элементарных частиц происходит при столкновении частиц высоких энергий. При этом рождаются совершенно иные частицы, которые нельзя называть составными частями элементарных частиц. Выясняется, что эти превращения взаимны, и происходят между всеми элементарными частицами. Единственное, что остается неизменным – это суммарная энергия до и после превращения (то есть, выполняется закон сохранения энергии).

Открытие все новых и новых элементарных частиц всегда позиционировалось, да и сейчас позиционируется, как триумф науки. Но эти триумфы уже давно начали вызывать определенное беспокойство. В настоящее время насчитывается порядка четырёхсот элементарных частиц.

Возникает вопрос: а действительно ли эти частицы элементарны? Может, и они состоят из более простых, фундаментальных частиц? Этим заканчивается второй этап развития физики элементарных частиц: возникновение гипотезы о внутренней структуре элементарных частиц. Были открыты самые разные частицы: пи-мезоны, ка-мезоны, мю-мезоны, мюоны и так далее и так далее. Изначально, элементарные частицы попытались классифицировать следующим образом. Их разбили на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Известно, что группа фотонов состоит из 1 частицы – фотона. Лептонами назвали частицы, имеющую массу, близкую к массе электрона (не более, чем в 200 раз превосходящую массу электрона). К группе лептонов относятся электроны, мюоны, тау-мезоны (которые были открыты относительно недавно), и три, соответствующие им нейтрино (как оказалось, существует три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное). В эту же группу входят античастицы выше упомянутых частиц. И, наконец, адроны: к этой группе относятся мезоны и барионы. Как можно заметить, это самый распространенный вид частиц: их насчитывается более четырехсот, а в группу лептонов входит только 12, плюс фотон. Остальные частицы – это адроны. Адроны делятся на мезоны и барионы, в соответствии со вторым квантовым числом (которое называется барионным зарядом). Например, к барионам относятся протон и нейтрон. Первое квантовое число – это лептонный заряд.


Необходимо отметить следующее: время жизни некоторых элементарных частиц составляет порядка 10 –20 – 10 –22 с. Поэтому, в 1964 году Марри Гелл Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании более фундаментальных частиц – кварков. Согласно этой гипотезе, из кварков построены все адроны. На данный момент известно всего 6 кварков и, соответственно, 6 антикварков. Кварки обозначаются буквой q с нижним индексом от 1 до 6 (номер кварка) и с верхним индексом a (который обозначает цвет кварка). Да, ко всему прочему, выяснилось, что каждый кварк может обладать одним из трех основных цветов: зеленым, синим или красным.

Также были открыты такие частицы, как глюоны – частицы поля, отвечающие за сильное взаимодействие. Их, на сегодняшний день насчитывается 8.


Получается вот какая картина: существует четыре вида фундаментальных типов взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Согласно теории близкодействия, у каждого взаимодействия существуют частицы-переносчики. У электромагнитного взаимодействия – это фотоны, у сильного взаимодействия – это глюоны, у слабого взаимодействия – это бозоны, у гравитационного взаимодействия – это гипотетические частицы – гравитоны. А теперь давайте подсчитаем количество элементарных частиц: это фотоны, лептоны, кварки и глюоны. Лептонов насчитывается 12, кварков – 36 (с учетом цвета), глюонов – 8. Получается 57 элементарных частиц – и это только то, что открыто на сегодняшний день. Пока что нет известных частиц, являющихся более фундаментальными, чем лептоны и кварки, поэтому лептоны и кварки принято считать истинно элементарными частицами. Но количество этих частиц снова наталкивает на мысль о том, что, возможно, и эти частицы – не самые простые, и они тоже имеют сложную структуру. Альберт Эйнштейн как-то раз сказал, что если теория развивается в сторону усложнения, громоздкости, то стоит проверить, а верна ли эта теория? Основная задача современной физики элементарных частиц – это понять, действительно ли кварки и лептоны являются элементарными и существуют ли вообще какие-то неизменные частицы? Возможно, ими как раз окажутся гравитоны.

Что же сулит человечеству развитие физики элементарных частиц? Рассмотрим столкновение пары электрон-позитрон. Каждая из этих частиц обладает электрическим зарядом и массой покоя. При столкновении этих частиц происходит аннигиляция (то есть исчезновение одних частиц и появление других). При аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, которые не имеют ни заряда, ни массы покоя (поскольку фотоны попросту не могут существовать в состоянии покоя). Это говорит о том, что с помощью аннигиляции можно получать энергию в чистом виде. Не так давно были открыты антипротон и антинейтрон. Возник вопрос: а что если построить атом, ядро которого будет состоять из антинуклонов, а оболочка – из позитронов? Такие атомы смогут образовать антивещество. В 1969 году в СССР были получены ядра антигелия, хотя антивещество получить так и не удалось.


В 1995 году в ЦЕРНе удалось синтезировать атом антиводорода, а в последние годы удалось даже получить антиводород в достаточных количествах, чтобы начать изучать его свойства.


Из-за явления аннигиляции, антивещество является совершенным источником энергии. Например, расчеты говорят о том, что при аннигиляции одного килограмма вещества и одного килограмма антивещества выделится количество энергии, сравнимое с энергией ядерного взрыва. Поэтому, если человечеству удастся найти способ получения и удержания антивещества – это будет огромным прорывом в энергетике, подобным прорыву в начале двадцатого века – развитию ядерной энергетики.

Как известно, в наблюдаемой людьми части Вселенной практически нет антивещества. По современным представлениям, фундаментальные взаимодействия в веществе и антивеществе совершенно одинаковы, поэтому, столь сильная асимметрия вещества и антивещества во Вселенной – это одна из самых больших нерешенных задач в физике. Есть два предположения о том, почему в наблюдаемой части Вселенной нет антивещества. Первое предположение состоит в том, что такая асимметрия возникла при большом взрыве. Второе предположение, пожалуй, более логично: возможно во Вселенной существуют другие области, которые, наоборот, заполнены антивеществом, просто эти области находятся за гранью наблюдаемой людьми части Вселенной.

Основные выводы:

– Третий этап: от гипотезы о кварках до наших дней.

– Сегодня считается, что лептоны и кварки – это истинно элементарные частицы.

– Аннигиляция возникает при столкновении пар частица-античастица: и частица и античастица превращаются в фотоны очень высоких энергий.

Читайте также: