"Семинар Элементарный мир" Этапы развития физики элементарных частиц

Текущая версия на 21:30, 21 января 2010

Этапы развития физики элементарных частиц

Цели урока

1) Расширить представления учащихся о строении вещества;

2) Дать понятия об элементарных частицах и их свойствах;

3) Развить научное мышление учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях.

План урока

I. Организационный момент (1 мин.)

II. Введение: постановка учебных проблем урока, цели урока (3 мин.) – сообщение учителя. Запись названия темы.

III. Изучение нового материала ( 30 мин.) – рассказ учителя. Запись в тетради. Беседа.

1. История развития элементарных частиц.

2. Классификация частиц. Взаимодействие частиц.

3. Элементарные частицы в нашей жизни.

IV. Подведение итогов (5 мин.) – фронтальный опрос. Оценка знаний учащихся.

V. Домашнее задание (1 мин.) – сообщение учителя. Запись на доске.

Ход урока

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 н.э. греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, то есть неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX в., когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX в. в теории электролиза , развитой М.Фарадеем , появилось понятие иона, было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX в. 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 г. В физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах ( А. Эйнштейн)

В 1932 г. Д. Чедвик открыл нейтрон. Не входящий в состав ядра нейтрон живёт около 1000 сек., потом распадается на протон, электрон и нейтрино.

В 1928 г. П. Дирак предсказал, в1932 г. Г. Андерсон открыл позитрон, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона. Позитрон рождается в паре с электроном, а при некоторых реакциях позитрон рождается в «одиночестве».

А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о том, что свет распространяется в виде крохотных частиц –фотонов.

В 1931 г. В. Паули предсказал, а в 1955 г. экспериментально зарегистрировали нейтрино и антинейтрино.

Нейтрино проявляется в ходе распада нейтрона, слабое взаимодействие осуществляется через нейтрино. Протон, электрон и нейтрино являются стабильными частицами, но каждый из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.

Начало физике элементарных частиц в том виде, в каком она существует сегодня , было положено в 1935 г., когда японский физик Х. Юкава предсказал существование новой частицы, которая удерживает нуклоны внутри ядра. Эта частица была открыта в 1947 г. и получила название π-мезон (или π -пион). У этой частицы три зарядных состояния: +, - , 0

В 1955 году был открыт протон, в 1959 г.- антинейтрон.

После открытия π - мезона было обнаружено много других частиц. Ныне их насчитывается одна сотня. Что такое элементарная частица?

Элементарные частицы- это первичные неразложимые частицы, из которых построены все вещества.

Элементарные частицы характеризуются параметрами: масса покоя частицы, величина спина, величина электрического заряда, время жизни. Большинство элементарных частиц существует в 2-х разновидностях. Одна- частица, вторая-античастица. Обратимся к таблице:

Назовите основные классы частиц?

Элементарные частицы делятся на 4- е класса:

1) Фотоны - только электромагнитное взаимодействие.

2) Лептоны (12 частиц) : электрон, мюон, нейтрино, тау- лептон и др.

3) Мезоны (8 частиц): π - мезоны, π - ионы и др.

4) Барионы (18 частиц): протоны, нейтроны и др.

Один из способов классификации элементарных частиц основаны на взаимодействии частиц:

а) сильная

б) электромагнитная

в) слабая

г) гравитационная

По виду взаимодействия в котором участвуют элементарные частицы их подразделяют на четыре класса:

Адроны - частицы участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействиях. В этом классе объединяются барионы и мезоны.

Лептоны - частицы не участвующие в сильных взаимодействиях, не способные к трем остальным.

Фотоны - частицы участвующие в электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.

Гравитоны - частицы участвующие в гравитационных взаимодействиях, существование которых экспериментально не подтверждено.

В элементарных процессах сохраняются импульс, энергия, электрический заряд, момент импульса.

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность к взаимным превращениям.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться ( и спускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам. Превращение стабильных частиц происходит не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т.е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Процесс взаимодействия элементарной частицы с античастицей, в результате чего они превращаются в другие частицы или кванты электромагнитного поля (фотоны или γ -кванты) называют аннигиляцией.

Процесс, обратный аннигиляции называется рождением пары.

В настоящее время считается доказанным, что в едином поле, объединяющем 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.

Сейчас на ускорителях созданы частицы таких энергий, которые позволяют исследовать пространственные масштабы в тысячи раз меньше размеров нуклонов. С дельнейшим развитии физики элементарных частиц, существуют громадные возможности обнаружения новых частиц, новых типов взаимодействия, новых физических законов.

Один из известных физиков современности Абрахам Пайс ( р. 1918 ) достаточно точно охарактеризовал сегодняшнее состояние физики элементарных частиц: « Это состояние не сильно отличается от того , которое наблюдаешь, сидя в концертом зале перед началом концерта. На сцене появились уже многие (но не все) музыканты. Они пробуют свои инструменты. Иногда можно услышать ряд интересных музыкальных пассажей: отовсюду раздаются импровизации , иногда слышны и неправильно взятые ноты. Над всем этим нависло чувство ожидание того момента, когда раздадутся первые звуки симфонии».

Какие новые открытия ждут нас завтра? Этого мы не знаем. Но мы уверены что находимся на верном пути. Об этом говорит успешное преодоление кризиса в физике элементарных частиц 50-х годов, триумф в кварковой модели адронов, понимание обоснования кварк – лептонной симметрии, создание общей теории электромагнитных и слабых взаимодействий, создание Большого адронного коллайдера.

БАК – крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, который поможет узнаить тайну возникновения Вселенной. По своему научному значению пуск коллайдера под Женевой намного превосходит даже полёт на Луну.

Закрепление изученного.

Фронтальный опрос.

1) Что такое элементарная частица?

2) Каков главный факт существования элементарных частиц?

3) Назовите основные классы частиц

4) Назовите четыре типа взаимодействия, которые существуют между частицами

5) Что такое аннигиляция?

Оценка знаний учащихся

Д/З № 115, 116. Составить кроссворд «Элементарные частицы»

Список использованной литературы:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика 11.

2. О.К. Костко. Атомная и ядерная физика.

3. Т.Фещенко, В.Вожегова. Физика. Справочник школьника.