Семинар Элементарный мир Разработки к урокам по теме Элементарные частицы

Элементарные частицы

Урок 1. Зарождение физики элементарных частиц. Классификация элементарных частиц.

Цель урока : ознакомить учащихся с основными этапами в развитии физики элементарных частиц; раскрыть общие свойства элементарных частиц, дать их классификацию.

Ход урока

I. Введение.
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. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал ( рассказ, сообщение) с репродуктивным ( ответы на вопросы, саморст. работа с учебником) и проблемным ( постановка проблем, выдвижение гипотез).

II. Изучение нового материала.
1. 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, то есть 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 (то есть 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. 2. 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 (то есть 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, то есть 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.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. 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 ½. 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.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 ½. 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 2/3и 1/3 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.

таблица 1

3. Из выше сказанного можно попросить учащихся сформулировать определение “Элементарные частицы” Определение 1: элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя Определение 2: элементарные частицы – мельчайшие частицы вещества, которые при столкновениях друг с другом не распадаются на части, а испытывают взаимные превращения.

Опираясь на изложенный материал и анализируя таблицу, дайте ответ на вопрос: - Какими свойствами обладают элементарные частицы? Далее вместе с учащимися записываем свойства элементарных частиц.

Свойства элементарных частиц
• Нестабильность
Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и частиц нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Нейтрон вне ядра “живет” 16 минут.
• Взаимодействие и взаимопревращаемость
Примеры реакций

    n → p + e + ν ,

где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. В 1956г. была осуществлена реакция

    p +  ν → n + e,

в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон – позитрон.
• Наличие двойника у каждой частицы – античастица
Примеры пар частица-античастица: электрон- позитрон, протон- антипротон. При столкновении частицы со “своей” античастицей происходит аннигиляция, т.е. превращение в излучение. Так, при аннигиляции электрона и позитрона может происходить рождение двух фотонов:

     e + e  → 2γ.

• Сложное строение большинства частиц

4. средства описания ( изучения) теоретические: законы сохранения, принципы симметрии, законы фундаментальных взаимодействий, классификация частиц
Классификация элементарных частиц:
- Фотоны
- Лептоны (н-р, электроны, мюоны, нейтрино)
- Адроны → мезоны, барионы ( н-р, нуклоны), кварки
экспериментальные: ускорители, камера Вильсона, пузырьковая камера, счетчик Гейгера Выступление ученика с докладом “Большой адронный коллайдер, LHC”

д.б. фото

III. Закрепление изученного материала
Примерные вопросы:
- Что такое элементарная частица?
- Каков главный факт существования элементарных частиц? (Взаимное их превращение)
- Какие элементарные частицы называют стабильными? (Частицы, которые в свободном состоянии могут существовать неограниченное время )
- Является ли нейтрон стабильной частицей? ( Нет)
- Означает ли распад частицы на две или большее число частиц, что данная частица состоит из нескольких частиц? (Нет)
- Сколько живет нейтрон вне атома ядра? (16 минут)
- Существуют ли в природе неизменные частицы? ( Не существуют)
- Что такое аннигиляция частиц?

IV. Подведение итогов урока. Домашнее задание
§ 115,116 Запись учащихся в тетради.

Нолики ID 008