Каков главный факт существования элементарных частиц кратко

Обновлено: 05.07.2024

ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, первичные (неделимые) мельчайшие частицы, из которых состоит вся материя. Исторически к первым Э. ч. относили атомы, пока не была обнаружена их сложная структура: атом состоит из атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Открытие структуры атомных ядер, построенных из двух частиц, протонов и нейтронов, собственно и стало рождением физики Э. ч. К Э. ч. стали относить протоны , нейтроны , электроны и позднее нейтрино . Вся наблюдаемая вокруг нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов, а нейтрино рождаются в процессе распада нейтрона. Некоторое время спустя было обнаружено, что кроме этих частиц существует ещё много других, которые, однако, имеют очень короткое время жизни и почти мгновенно распадаются. На 2017 известно ок. 150 Э. ч., и число их возрастает.

Работа состоит из двух вариантов одинаковой сложности.Каждый вариант содержит 15 заданий. Из них: 13 заданий - требующие знания фактического материала и предусматривают краткий ответ. Две задачи расчётные, требующие применения законов сохранения импульса и энергии. На все задачи даны возможные ответы.

Вложение	Размер
k.r._elementarnye_chastitsy.docx	176.76 КБ

Предварительный просмотр:

Элементарные частицы. Контрольная работа. 11класс .

Элементарная частица пи-нуль-мезон π 0 распадается на два γ - кванта. Найдите частоту γ- излучения, если масса покоя этой частицы равна 264,3 массам электрона.
Какие частицы называются элементарными?
Какие частицы состоят из кварков?
Какие частицы называются истинно нейтральными?
Как определить заряд частицы в камере Вильсона?
Каков главный факт существования элементарных частиц?
Перечислите все стабильные элементарные частицы.
Что является переносчиком гравитационного взаимодействия?
За счёт чего осуществляется взаимодействие между протонами и нейтронами при сильном взаимодействии?
Что такое кварки?
Какие частицы называются частицами-резонансами?
Записать реакцию бета-распад а радиоактивныхядер , обусловленную слабым взаимодействием.
Что понимают под антивеществом?
При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два

γ-квантa. Под каким углом друг от друга они разлетелись? Какая частота γ-квантов, возникающих при указанных условиях?

Найдите частоту γ - излучения, образующегося при термоядерной реакции:

1 H 1 + 1 H 3 → 2 He 4 + γ, если α - частица приобретает энергию19,7 МэВ.

Перечислите частицы, которые в настоящее время считаются истинно элементарными.
Чем отличаются мезоны от барионов
Скорость α- частицы в среднем в 15 раз меньше скорости β- частицы. Почему

α - частица слабее отклоняется магнитным полем?

Чем отличается частица от античастицы?
При аннигиляции электрона и позитрона образовались два γ- кванта. Найти длину волны, пренебрегая кинетической энергией частиц до реакции
Все ли элементарные частицы имеют античастицу?
Какие типы фундаментальных взаимодействий вы знаете?
Посредством чего осуществляется электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами и что является переносчиком взаимодействия?
За счёт чего происходит обмен между кварками при сильном взаимодействии?
Фундаментальные частицы- это…
Что является переносчиком слабого взаимодействия?
Электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлением единого…
При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два γ-кванта. Под каким углом друг к другу они разлетятся? Какова длина волны γ-кванта?
На какие классы делятся все элементарные частицы?

Ответы, подсказки, решения

Ответ: частицы (микрообъекты), не расщепляемые на составные части,
Ответ: адроны,
Ответ: частицы, совпадающие со своей античастицей, например, фотон,
Ответ: q/m = υ/RB

По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы в камере Вильсона определяют радиус траектории, скорость частицы, и, зная индукцию В магнитного поля, определяют удельный заряд частицы: q/m = υ/RB

Ответ: Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.
Ответ: стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино.
Ответ: гравитонами — гипотетические частицы, переносящие гравитационное взаимодействие
Ответ: взаимодействие кварков осуществляется посредством восьми безмассовых векторных (глюонных) полей, слабые возбуждения которых (отдельные их кванты) называются глюонами.
Ответ: Фундаментальные частицы, электрически заряженные частицы (дробный заряд),

с полуцелым спином (фермионы)

Ответ: резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 - 10 -24 сек.
Ответ: при распаде нейтрон распадается на электрон, протон и антинейтрино 0 n 1 → 1 p 1 + e - + ν˜
Ответ: антивещество – вещество, построенное из антинуклонов и позитронов
Ответ : ν = 1,2 ⋅ 10 20 Гц

Решение.
В рассматриваемом процессе

0 1 p + 0 −1 e → 2γ
выполняются законы сохранения импульса и энергии. Поскольку начальные скорости частиц малы, по закону сохранения импульса получим

0 = hν 1 /c − hv 2 /c,
т. е. ν 1 = ν 2 .
При этом очевидно, что угол разлета равен 180°, ибо только в этом случае суммарный импульс частиц после взаимодействия может быть равным нулю.
Теперь запишем закон сохранения энергии:

2m o c 2 = hν 1 + hν 2 ,

откуда, учитывая, что ν 1 = ν 2 = ν, найдем ν = m o c 2 /h, ν = 1,2 ⋅ 10 20 Гц

Ответ: лептоны – это фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из каких либо других) вплоть до масштабов порядка 10 −18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

Энергию γ - кванта определим из условия: Е γ = Δ Е - Е α , где Δ Е = Δm931МэВ = 20 МэВ

Е γ = 20 МэВ – 19,7 МэВ = 0,3 МэВ.

Частота: v = Е γ / h = 7,3 ⋅10 19 Гц

Ответ: в настоящее время истинно элементарные (на данном этапе неразложимые) частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны), а также частицы Хиггса.
Ответ: мезоны – бозоны со спином, равным 0, ħ, участвующие в сильном взаимодействии; барионы – фермионы со спином, равным ħ/2; 3ħ/2, участвующие в сильном взаимодействии
Ответ: т.к. R = m υ / qB, то R пропорционален m/q.

Т.к. масса α -частицы в 4 раза больше, чем у протона, а заряд в 2 раза больше, то α -частица отклоняется магнитным полем слабее, чем протон

Ответ: заряды противоположны
Ответ: λ = 2,4 ⋅ 10 -12 м.

Пренебрегаем кинетической энергией частиц до аннигиляции, тогда из закона сохранения энергии, имеем 2m e c 2 = 2hc/ λ . Отсюда выражаем длину: λ = h/ m e c. Вычисления дают результат λ = 2,4 ⋅ 10 -12 м.

Ответ: все элементарные частицы имеют античастицы
Ответ: фундаментальные взаимодействия представляются следующим образом: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие
Ответ: фотоны осуществляют электромагнитное взаимодействие
Ответ: глюоны (их всего восемь) — переносчики сильного взаимодействия между кварками. Последние, благодаря глюонам, связываются парами или тройками. Кроме того, глюоны – переносчики этого взаимодействия, сами обладают его зарядом и поэтому могут взаимодействовать между собой.
Ответ: кварки и лептоны (фермионы), всего 48 фундаментальных частиц;
Ответ: переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы — W± и Z° -бозоны
Ответ: электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлением единого электрослабого взаимодействия.
Ответ: угол разлета равен 180°, λ = 2,5 ⋅ 10 -12 м

Решение.
В рассматриваемом процессе

0 1 p + 0 −1 e → 2γ
выполняются законы сохранения импульса и энергии. Поскольку начальные скорости частиц малы, то по закону сохранения импульса получим

0 = hν 1 /c − hv 2 /c, т. е. ν 1 = ν 2 ! Т.к. 2m o c 2 = hν 1 + hν 2 , то ν = m o c 2 /h, λ= с/ ν= 2,5⋅10 -12 м
При этом очевидно, что угол разлета равен 180°, ибо только в этом случае суммарный

импульс частиц после взаимодействия может быть равным нулю.

Ответ: элементарные частицы делятся на 2 класса: бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны) и фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

В материале даны: презентация урока, краткий план проведения и самоанализ.

Контрольная работа класс № 6 , 4 класс.

Контроль знаний лексики, грамматического материала (сложные существительные, личные местоимения в Д.п.).

Контрольная работа по русскому языку по теме "Наречие" 7 класс, контрольная работа по русскому языку по теме "Частицы" 7 класс

Контрольная работа по теме "Наречие", контрольная работа по теме "Частицы".

Презентация "Элементарны ли элементарные частицы"

Презентация к уроку естествознания в 11 классе по теме "Элементарны ли элементарные частицы?" Является дополнением к учебному материалу урока. Содержит видеофрагмент.

Контрольная работа "Класс Земноводные", Контрольная работа: "Пищеварение"

Контрольные работы, которые я хочу предоставить вашему вниманию, позволяют проверить качество усвоения заявленных тем. Представляют собой комбинированный тест с разными типами заданий. Наличие четырех.

Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики. И только с середины 20 -го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия. Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В 30 -е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд - α -частиц. В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

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

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

В тридцатых годах 20 -го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка 400 элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:

относительно стабильные, время жизни которых превосходит 10 – 17 с ;
короткоживущие, время жизни которых порядка 10 – 22 – 10 – 23 с .

Основые свойства элементарных частиц

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

В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.

При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.

Частицы и античастицы

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

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

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

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h 2 π .

Группа		Название частицы	Символ		Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Группа		Название частицы	Частица	Античастица	Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Фотоны		Фотон	γ		0	0	1	Стабилен
Лептоны		Нейтрино электронное	ν e	ν e ~	0	0	1 2	Стабильно
		Нейтрино мюонное	ν μ	ν μ ~	0	0	1 2	Стабильно
		Электрон	e –	e +	1	– 1 1	1 2	Стабилен
		Мю-мезон	μ –	μ +	206 , 8	– 1 1	1 2	2 , 2 · 10 – 6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π 0		264 , 1	0	0	0 , 87 · 10 – 16
		Пи-мезоны	π +	π –	273 , 1	1 – 1	0	2 , 6 · 10 – 8
		К-мезоны	K +	K –	966 , 4	1 – 1	0	1 , 24 · 10 – 8
		К-мезоны	K 0	K 0 ~	974 , 1	0	0	≈ 10 – 10 – 10 – 8
		Эта-нуль-мезон	η 0		1074	0	0	≈ 10 – 18
	Барионы	Протон	p	p ~	1836 , 1	1 – 1	1 2	Стабилен
		Нейтрон	n	n ~	1838 , 6	0	1 2	898
		Лямбда-гиперон	Λ 0	Λ 0 ~	2183 , 1	0	1 2	2 , 63 · 10 – 10
		Сигма-гипероны	Σ +	Σ + ~	2327 , 6	1 – 1	1 2	0 , 8 · 10 – 10
			Σ 0	Σ 0 ~	2333 , 6	0	1 2	7 , 4 · 10 – 20
			Σ –	Σ – ~	2343 , 1	– 1 1	1 2	1 , 48 · 10 – 10
		Кси-гипероны	Ξ 0	Ξ 0 ~	2572 , 8	0	1 2	2 , 9 · 10 – 10
		Кси-гипероны	Ξ –	Ξ – ~	2585 , 6	– 1 1	1 2	1 , 64 · 10 – 10
		Омега-минус-гиперон	Ω –	Ω – ~	3273	– 1 1	1 2	0 , 82 · 10 – 11

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

К лептонам относятся легкие частицы:

два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
электрон;
μ -мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 1 2 . В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

История открытия первых частиц

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

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

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

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

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

Что такое спин?

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

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

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Стандартная модель в физике

Три взаимодействия таковы:

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

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц

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

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

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

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

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

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

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

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

Недостатки Стандартной модели

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

Классификация частиц

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

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

Читайте также: