فصل: 11
فصل: 11
نوع الدرس:درس في الدراسة والتوطيد الأولي للمعرفة الجديدة
طريقة التعليم:محاضرة
شكل نشاط الطالب:أمامي ، جماعي ، فردي
الغرض من الدرس:توسيع فهم الطلاب لبنية المادة ؛ النظر في المراحل الرئيسية في تطوير فيزياء الجسيمات الأولية ؛ لإعطاء فكرة عن الجسيمات الأولية وخصائصها.
أهداف الدرس:
- تعليمي: لتعريف الطلاب بمفهوم - جسيم أولي ، مع تصنيف الجسيمات الأولية ، وكذلك طرق دراسة خصائص الجسيمات الأولية ؛
- النامية: تطوير الاهتمام المعرفي للطلاب ، وضمان مشاركتهم الممكنة في النشاط المعرفي النشط ؛
- تعليمي: تعليم الصفات الإنسانية العالمية - الوعي بتصور الإنجازات العلمية في العالم ؛ تنمية الفضول والقدرة على التحمل.
معدات الدرس:
المواد التعليمية:مواد الكتب المدرسية وبطاقات الاختبار والجداول
مساعدات بصرية: عرض تقديمي
1. تنظيم بداية الدرس.
نشاط المعلم:التحية المتبادلة للمعلم والطلاب ، وتثبيت الطلاب ، والتحقق من جاهزية الطلاب للدرس. تنظيم الاهتمام وإدماج الطلاب في إيقاع العمل في العمل.
تنظيم الانتباه والشمول في إيقاع العمل في العمل.
2. التحضير للمرحلة الرئيسية من الدرس.
نشاط المعلم:سنبدأ اليوم بدراسة قسم جديد من "فيزياء الكم" - "الجسيمات الأولية". في هذا الفصل ، سنتحدث عن الجسيمات الأولية غير القابلة للتحلل ، والتي تُبنى منها كل المادة ، حول الجسيمات الأولية.
اكتشف الفيزيائيون وجود الجسيمات الأولية في دراسة العمليات النووية ، لذلك ، حتى منتصف القرن العشرين ، كانت فيزياء الجسيمات الأولية فرعًا من فروع الفيزياء النووية. في الوقت الحاضر ، فيزياء الجسيمات الأولية والفيزياء النووية متقاربان ، لكنهما فرعان مستقلان للفيزياء ، متحدان من خلال القواسم المشتركة للعديد من المشكلات قيد الدراسة وطرق البحث المستخدمة.
تتمثل المهمة الرئيسية لفيزياء الجسيمات الأولية في دراسة الطبيعة والخصائص والتحولات المتبادلة للجسيمات الأولية.
ستكون أيضًا مهمتنا الرئيسية في دراسة فيزياء الجسيمات الأولية.
3. استيعاب المعارف وأساليب العمل الجديدة.
نشاط المعلم:موضوع الدرس: "مراحل تطور فيزياء الجسيمات الأولية". في الدرس ، سننظر في الأسئلة التالية:
- تاريخ تطور الأفكار أن العالم يتكون من جسيمات أولية
- ما هي الجسيمات الأولية؟
- كيف يمكن الحصول على جسيم أولي منفصل وهل هذا ممكن؟
- تصنيف الجسيمات.
فكرة أن العالم مكون من جسيمات أساسية لها تاريخ طويل. اليوم ، هناك ثلاث مراحل في تطوير فيزياء الجسيمات الأولية.
لنفتح البرنامج التعليمي. دعنا نتعرف على أسماء المراحل والإطار الزمني.
نشاط الطالب المتوقع:
المرحلة الأولى: من الإلكترون إلى البوزيترون: 1897-1932
المرحلة الثانية: من البوزيترون إلى الكواركات: 1932 - 1964
المرحلة الثالثة: من فرضية الكواركات (1964) إلى يومنا هذا.
نشاط المعلم:
المرحلة 1.
الابتدائية ، أي أبسط ، غير قابل للتجزئة ، هكذا تخيل العالم اليوناني القديم ديموقريطوس الذرة. اسمحوا لي أن أذكركم أن كلمة "ذرة" في الترجمة تعني "غير قابل للتجزئة". لأول مرة ، تم التعبير عن فكرة وجود أصغر الجسيمات غير المرئية التي تشكل جميع الكائنات المحيطة بواسطة ديموقريطس قبل 400 عام من عصرنا. بدأ العلم في استخدام مفهوم الذرات فقط في بداية القرن التاسع عشر ، عندما كان من الممكن على هذا الأساس شرح عدد من الظواهر الكيميائية. وفي نهاية هذا القرن ، تم اكتشاف التركيب المعقد للذرة. في عام 1911 ، تم اكتشاف النواة الذرية (E.Rutherford) وتم إثبات أن الذرات لها بنية معقدة.
دعونا نتذكر الرجال: ما هي الجسيمات الموجودة في الذرة ونميزها بإيجاز؟
نشاط الطالب المتوقع:
نشاط المعلم:يا رفاق ، ربما يتذكر شخص ما منك: من وفي أي سنوات تم اكتشاف الإلكترون والبروتون والنيوترون؟
نشاط الطالب المتوقع:
إلكترون. في عام 1898 أثبت J. Thomson حقيقة وجود الإلكترونات. في عام 1909 ، قاس ر. ميليكان لأول مرة شحنة الإلكترون.
بروتون. في عام 1919 ، اكتشف إ. رذرفورد ، أثناء قذفه بالنيتروجين بالجسيمات ، جسيمًا ، شحنته تساوي شحنة الإلكترون ، وكتلته أكبر 1836 مرة من كتلة الإلكترون. سمي الجسيم بالبروتون.
نيوترون. اقترح رذرفورد أيضًا وجود جسيم بدون شحنة ، كتلته تساوي كتلة البروتون.
في عام 1932 ، اكتشف د.تشادويك الجسيم الذي اقترحه رذرفورد وأطلق عليه اسم نيوترون.
نشاط المعلم:بعد اكتشاف البروتون والنيوترون ، أصبح من الواضح أن نوى الذرات ، مثل الذرات نفسها ، لها بنية معقدة. نشأت نظرية البروتون والنيوترون لبنية النوى (D.D. Ivanenko و V. Heisenberg).
في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر في نظرية التحليل الكهربائي ، التي طورها M. Faraday ، ظهر مفهوم -ion وتم قياس الشحنة الأولية. نهاية القرن التاسع عشر - بالإضافة إلى اكتشاف الإلكترون ، تميزت باكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي (أ. بيكريل ، 1896). في عام 1905 ، طورت الفيزياء مفهوم كوانتا المجال الكهرومغناطيسي - الفوتونات (أ. أينشتاين).
لنتذكر: ما يسمى الفوتون؟
نشاط الطالب المتوقع: الفوتون(أو كمية الإشعاع الكهرومغناطيسي) - جسيم ضوئي أولي ، محايد كهربائيًا ، خالي من كتلة السكون ، ولكنه يمتلك الطاقة والزخم.
نشاط المعلم:اعتبرت الجسيمات المفتوحة كيانات أولية غير قابلة للتجزئة وغير متغيرة ، وهي اللبنات الأساسية للكون. ومع ذلك ، فإن هذا الرأي لم يدم طويلا.
المرحلة الثانية.
في الثلاثينيات ، تم اكتشاف وفحص التحولات المتبادلة للبروتونات والنيوترونات ، وأصبح من الواضح أن هذه الجسيمات ليست أيضًا "لبنات بناء" أولية ثابتة للطبيعة.
حاليًا ، يُعرف حوالي 400 جسيم دون نووي (الجسيمات التي تتكون منها الذرات ، والتي تسمى عادةً بجسيمات أولية). الغالبية العظمى من هذه الجسيمات غير مستقرة (تتحول الجسيمات الأولية إلى بعضها البعض).
الاستثناءات الوحيدة هي الفوتون والإلكترون والبروتون والنيوترينو.
الفوتون ، والإلكترون ، والبروتون ، والنيوترينو هي جسيمات مستقرة (جسيمات يمكن أن توجد في حالة حرة لفترة غير محدودة) ، ولكن كل منها ، عند التفاعل مع جسيمات أخرى ، يمكن أن يتحول إلى جسيمات أخرى.
جميع الجسيمات الأخرى على فترات منتظمة تخضع لتحولات عفوية إلى جسيمات أخرى ، وهذه هي الحقيقة الرئيسية لوجودها.
لقد ذكرت جسيمًا آخر - النيوترينو. ما هي الخصائص الرئيسية لهذا الجسيم؟ على يد من ومتى تم فتحه؟
نشاط الطالب المتوقع: النيوترينو عبارة عن جسيم خالي من الشحنة الكهربائية وكتلة سكونه تساوي 0. وقد تنبأ ف. باولي بوجود هذا الجسيم في عام 1931 ، وفي عام 1955 ، تم تسجيل الجسيم تجريبيًا. يتجلى نتيجة لانحلال النيوترونات:
نشاط المعلم:تختلف الجسيمات الأولية غير المستقرة اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض من حيث العمر.
أطول الجسيمات عمرا هو النيوترون. يبلغ عمر النيوترون حوالي 15 دقيقة.
الجسيمات الأخرى "تعيش" لفترة أقصر بكثير.
هناك عدة عشرات من الجسيمات بعمر يتجاوز 10-17 ثانية. على نطاق العالم الصغير ، هذا وقت مهم. تسمى هذه الجسيمات مستقر نسبيًا .
غالبية قصير الأمد الجسيمات الأولية لها أعمار تتراوح بين 10 -22 -10 -23 ثانية.
القدرة على التحويل المتبادل هي أهم خاصية لجميع الجسيمات الأولية.
يمكن أن تولد الجسيمات الأولية وتتلف (تنبعث وتُمتص). ينطبق هذا أيضًا على الجسيمات المستقرة مع الاختلاف الوحيد وهو أن تحولات الجسيمات المستقرة لا تحدث تلقائيًا ، ولكن عند التفاعل مع الجسيمات الأخرى.
مثال إبادة (بمعنى آخر. اختفاء) من الإلكترون والبوزيترون ، مصحوبًا بإنتاج فوتونات عالية الطاقة.
البوزيترون هو (الجسيم المضاد للإلكترون) جسيم موجب الشحنة له نفس الكتلة ونفس الشحنة (modulo) مثل الإلكترون. سنتحدث عن خصائصها بمزيد من التفصيل في الدرس التالي. دعنا نقول فقط أن وجود البوزيترون قد تنبأ به P. Dirac في عام 1928 ، واكتشفه في عام 1932 في الأشعة الكونية بواسطة K. Anderson.
في عام 1937 ، تم اكتشاف جسيمات كتلتها 207 إلكترونًا في الأشعة الكونية المسماة الميون (-ميسونس). متوسط عمر الميزون هو 2.2 * 10 -6 ثانية.
ثم في 1947-1950 افتتح الفاونيا (بمعنى آخر. -ميسونس).متوسط عمر-ميزون محايد هو 0.87 · 10 -16 ثانية.
في السنوات اللاحقة ، بدأ عدد الجسيمات المكتشفة حديثًا في النمو بسرعة. تم تسهيل ذلك من خلال دراسات الأشعة الكونية ، وتطوير تكنولوجيا المعجل ، ودراسة التفاعلات النووية.
هناك حاجة إلى مسرعات حديثة لتنفيذ عملية تكوين جسيمات جديدة ودراسة خصائص الجسيمات الأولية. يتم تسريع الجسيمات الأولية في المسرع إلى طاقات عالية "في مسار تصادم" وتصطدم مع بعضها البعض في مكان معين. إذا كانت طاقة الجسيمات عالية ، ففي عملية الاصطدام تولد الكثير من الجسيمات الجديدة ، وعادة ما تكون غير مستقرة. هذه الجسيمات ، المنتشرة من نقطة الاصطدام ، تتحلل إلى جسيمات أكثر استقرارًا ، يتم تسجيلها بواسطة أجهزة الكشف. لكل حدث تصادم (يقول الفيزيائيون: لكل حدث) - ويتم تسجيلهم بالآلاف في الثانية! - يحدد المجربون نتيجة لذلك المتغيرات الحركية: قيم النبضات وطاقات الجسيمات "الملتقطة" ، بالإضافة إلى مساراتها (انظر الشكل في الكتاب المدرسي). بعد جمع العديد من الأحداث من نفس النوع ودراسة توزيعات هذه الكميات الحركية ، أعاد الفيزيائيون بناء كيفية سير التفاعل ونوع الجسيمات التي يمكن أن تُنسب إلى الجسيمات الناتجة.
المرحلة 3.
يتم تجميع الجسيمات الأولية في ثلاث مجموعات: الفوتونات , اللبتونات و الهادرونات (الملحق 2).
يا رفاق ، أخبروني بالجسيمات التي تنتمي إلى مجموعة الفوتونات.
نشاط الطالب المتوقع:إلى المجموعة الفوتوناتلا يوجد سوى جسيم واحد - فوتون
نشاط المعلم:المجموعة التالية تتكون من جزيئات الضوء اللبتونات.
نشاط الطالب المتوقع: تضم هذه المجموعة نوعين من النيوترينوات (إلكترون وميون) ، إلكترون و؟ -meson
نشاط المعلم:تتضمن اللبتونات أيضًا عددًا من الجسيمات غير المدرجة في الجدول.
المجموعة الثالثة الكبيرة تتكون من جسيمات ثقيلة تسمى الهادرونات... هذه المجموعة مقسمة إلى مجموعتين فرعيتين. تشكل الجسيمات الأخف مجموعة فرعية الميزونات .
النشاط الطلابي المتوقع: الأخف وزنا موجب وسالب الشحنة وكذلك المحايدة. الفاونيا هي كميات من المجال النووي.
نشاط المعلم:المجموعة الفرعية الثانية - باريونات - يشمل الجسيمات الثقيلة. إنه الأكثر شمولاً.
نشاط الطالب المتوقع:أخف الباريونات هي النيوكليونات - البروتونات والنيوترونات.
نشاط المعلم:ويتبعهم ما يسمى hyperons. تم اكتشاف أوميغا ناقص هايبرون في عام 1964.
أدت وفرة الهادرونات المكتشفة والمكتشفة حديثًا العلماء إلى فكرة أنها كلها مبنية من بعض الجسيمات الأساسية الأخرى.
في عام 1964 ، طرح الفيزيائي الأمريكي م. جيل مان فرضية أكدتها دراسات لاحقة ، مفادها أن جميع الجسيمات الأساسية الثقيلة - الهادرونات - مبنية من جسيمات أساسية أكثر تسمى جسيمات دون الذرية.
من وجهة نظر هيكلية ، تتكون الجسيمات الأولية التي تتكون منها النوى الذرية (نيوكليونات) ، وبشكل عام جميع الجسيمات الثقيلة - الهادرونات (باريونات وميزونات) - من جسيمات أبسط ، والتي تسمى عادةً أساسية. في هذا الدور ، العناصر الأساسية الأساسية للمادة هي الكواركات ، حيث تبلغ شحنتها الكهربائية +2/3 أو -1/3 من الشحنة الموجبة للوحدة من البروتون.
يتم استدعاء الكواركات الأكثر شيوعًا والأخف وزناً لأعلى ولأسفل ويتم تحديدها ، على التوالي ، u (من الإنجليزية إلى أعلى) و d (أسفل). أحيانًا يطلق عليهم أيضًا البروتون والكواركات النيوترونية نظرًا لحقيقة أن البروتون يتكون من مزيج من Uud والنيوترون عبارة عن udd. شحنة الكوارك العلوي هي +2/3 ؛ أسفل - شحنة سالبة -1/3. نظرًا لأن البروتون يتكون من كواركين علوي وواحد سفلي ، والنيوترون يتكون من كوارك علوي واثنين من الكواركات السفلية ، يمكنك التحقق بشكل مستقل من أن الشحنة الكلية للبروتون والنيوترون يتضح أنها تساوي تمامًا 1 و 0.
الزوجان الآخران من الكواركات هما جزء من الجسيمات الأكثر غرابة. الكواركات من الزوج الثاني تسمى charmed - c (من الساحرة) والغريب - s (من غريب).
يتكون الزوج الثالث من الكواركات true - t (من الحقيقة ، أو في التقليد الإنجليزي للأعلى) و beautiful - b (من الجمال ، أو في التقليد الإنجليزي للقاع).
تم بالفعل اكتشاف جميع الجسيمات التي تتكون من مجموعات مختلفة من الكواركات بشكل تجريبي
مع اعتماد فرضية الكوارك ، كان من الممكن إنشاء نظام متناغم من الجسيمات الأولية. لم تنجح العديد من عمليات البحث عن الكواركات في حالة حرة ، والتي أجريت في مسرعات عالية الطاقة وفي الأشعة الكونية. يعتقد العلماء أن أحد أسباب عدم قابلية الكواركات الحرة للرصد هو ، على الأرجح ، كتلتها الكبيرة جدًا. هذا يمنع إنتاج الكواركات بالطاقات التي تتحقق مع المسرعات الحديثة.
ومع ذلك ، في ديسمبر 2006 ، تم إرسال رسالة غريبة حول اكتشاف "كواركات القمة الحرة" عبر خلاصات وكالات الأنباء العلمية ووسائل الإعلام.
4. الفحص الأولي للفهم.
نشاط المعلم:يا رفاق ، لقد غطينا معك:
- المراحل الرئيسية في تطوير فيزياء الجسيمات الأولية
- اكتشف الجسيم الذي يسمى الابتدائية
- تعرفت على تصنيف الجسيمات.
في الدرس التالي سنلقي نظرة على:
- تصنيف أكثر تفصيلا للجسيمات الأولية
- أنواع تفاعلات الجسيمات الأولية
- الجسيمات المضادة.
والآن أقترح عليك إجراء اختبار لإحياء النقاط الرئيسية للمادة التي درسناها في ذاكرتك (الملحق 3).
5. تلخيص نتائج الدرس.
نشاط المعلم: تقدير الطلاب الأكثر نشاطا.
6. الواجب المنزلي
نشاط المعلم:
1. العدد 115 ، مبنى 347
2. ملخص الفقرة حسب الخطة المدونة في الدرس.
اكتشف الفيزيائيون وجود الجسيمات الأولية في دراسة العمليات النووية ، لذلك ، حتى منتصف القرن العشرين ، كانت فيزياء الجسيمات الأولية فرعًا من فروع الفيزياء النووية. في الوقت الحاضر ، فيزياء الجسيمات الأولية والفيزياء النووية متقاربان ، لكنهما فرعان مستقلان للفيزياء ، متحدان من خلال القواسم المشتركة للعديد من المشكلات قيد الدراسة وطرق البحث المستخدمة. تتمثل المهمة الرئيسية لفيزياء الجسيمات الأولية في دراسة الطبيعة والخصائص والتحولات المتبادلة للجسيمات الأولية.
فكرة أن العالم مكون من جسيمات أساسية لها تاريخ طويل. لأول مرة ، تم التعبير عن فكرة وجود أصغر الجسيمات غير المرئية التي تشكل جميع الأشياء المحيطة قبل 400 عام قبل الميلاد من قبل الفيلسوف اليوناني ديموقريطس. أطلق على هذه الجسيمات ذرات ، أي جسيمات غير قابلة للتجزئة. بدأ العلم في استخدام مفهوم الذرات فقط في بداية القرن التاسع عشر ، عندما كان من الممكن على هذا الأساس شرح عدد من الظواهر الكيميائية. في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر في نظرية التحليل الكهربائي ، التي طورها M. Faraday ، ظهر مفهوم الأيون وتم قياس الشحنة الأولية. تميزت نهاية القرن التاسع عشر باكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي (أ. بيكريل ، 1896) ، بالإضافة إلى اكتشافات الإلكترونات (ج. طومسون ، 1897) وجسيمات ألفا (رذرفورد ، 1899). في عام 1905 ، طورت الفيزياء مفهوم كوانتا المجال الكهرومغناطيسي - الفوتونات (أ. أينشتاين).
في عام 1911 ، تم اكتشاف النواة الذرية (E.Rutherford) وتم إثبات أن الذرات لها بنية معقدة. في عام 1919 ، اكتشف رذرفورد البروتونات في نواتج انشطار النوى الذرية لعدد من العناصر. في عام 1932 ، اكتشف ج. تشادويك النيوترون. أصبح من الواضح أن نوى الذرات ، مثل الذرات نفسها ، لها بنية معقدة. نشأت نظرية البروتون والنيوترون لبنية النوى (D.D. Ivanenko و V. Heisenberg). في نفس العام ، 1932 ، تم اكتشاف بوزيترون في الأشعة الكونية (K. Anderson). البوزيترون هو جسيم موجب الشحنة له نفس الكتلة ونفس الشحنة (modulo) مثل الإلكترون. ديراك تنبأ بوجود البوزيترون في عام 1928. خلال هذه السنوات ، تم اكتشاف وفحص التحولات المتبادلة للبروتونات والنيوترونات ، وأصبح من الواضح أن هذه الجسيمات ليست أيضًا "لبنات" أولية ثابتة للطبيعة. في عام 1937 ، تم اكتشاف جسيمات كتلتها 207 إلكترون ، تسمى ميونات (ميكرون) ، في الأشعة الكونية. ثم ، في 1947-1950 ، تم اكتشاف البيونات (أي π-mesons) ، والتي ، وفقًا للمفاهيم الحديثة ، تقوم بالتفاعل بين النوى في النواة. في السنوات اللاحقة ، بدأ عدد الجسيمات المكتشفة حديثًا في النمو بسرعة. تم تسهيل ذلك من خلال دراسات الأشعة الكونية ، وتطوير تكنولوجيا المعجل ، ودراسة التفاعلات النووية.
حاليًا ، يُعرف حوالي 400 جسيم دون نووي ، والتي تسمى عادةً أولية. الغالبية العظمى من هذه الجسيمات غير مستقرة. الاستثناءات الوحيدة هي الفوتون والإلكترون والبروتون والنيوترينو. تخضع جميع الجسيمات الأخرى لتحولات تلقائية إلى جسيمات أخرى على فترات منتظمة. تختلف الجسيمات الأولية غير المستقرة اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض من حيث العمر. أطول الجسيمات عمرا هو النيوترون. يبلغ عمر النيوترون حوالي 15 دقيقة. الجسيمات الأخرى "تعيش" لفترة أقصر بكثير. على سبيل المثال ، متوسط عمر ميكرون هو 2.2 · 10-6 ثوانٍ ، وميزون محايد هو 0.87 · 10-16 ثانية. يبلغ متوسط عمر العديد من الجسيمات الضخمة - الهايبرونات - 10-10 ثوانٍ.
هناك عدة عشرات من الجسيمات التي يتجاوز عمرها الافتراضي 10-17 ثانية. على نطاق العالم الصغير ، هذا وقت مهم. تسمى هذه الجسيمات مستقرة نسبيًا. معظم الجسيمات الأولية قصيرة العمر لها أعمار تتراوح بين 10 و 22 و 10 و 23 ثانية.
القدرة على التحويل المتبادل هي أهم خاصية لجميع الجسيمات الأولية. يمكن أن تولد الجسيمات الأولية وتتلف (تنبعث وتُمتص). ينطبق هذا أيضًا على الجسيمات المستقرة مع الاختلاف الوحيد وهو أن تحولات الجسيمات المستقرة لا تحدث تلقائيًا ، ولكن عند التفاعل مع الجسيمات الأخرى. مثال على ذلك هو فناء (أي اختفاء) إلكترون وبوزيترون ، مصحوبًا بإنتاج فوتونات عالية الطاقة. يمكن أن تحدث العملية المعاكسة أيضًا - إنشاء زوج إلكترون - بوزيترون ، على سبيل المثال ، عندما يصطدم فوتون بطاقة عالية بما فيه الكفاية مع نواة. يحتوي البروتون أيضًا على ضعف خطير مثل البوزيترون للإلكترون. يطلق عليه مضاد البروتون. الشحنة الكهربائية للبروتون المضاد سالبة. في الوقت الحاضر ، تم العثور على الجسيمات المضادة في جميع الجسيمات. تعارض الجسيمات المضادة الجسيمات لأنه عندما يلتقي أي جسيم بجسيمه المضاد ، فإنه يفني ، أي يختفي كلا الجسيمين ، ويتحولان إلى كوانتا إشعاع أو جسيمات أخرى.
حتى النيوترون وجد أنه يحتوي على جسيم مضاد. يختلف النيوترون ومضاد النيوترون فقط في علامات العزم المغناطيسي وما يسمى شحنة الباريون. من الممكن وجود ذرات من المادة المضادة ، تتكون نواتها من مضادات النوى وقشرة البوزيترونات. أثناء إبادة المادة المضادة مع المادة ، يتم تحويل الطاقة المتبقية إلى طاقة الإشعاع الكميات. هذه طاقة هائلة ، تفوق بشكل كبير تلك التي يتم إطلاقها أثناء التفاعلات النووية والنووية الحرارية.
في مجموعة متنوعة من الجسيمات الأولية المعروفة حتى الآن ، تم العثور على نظام تصنيف متناغم إلى حد ما. طاولة 9.9.1 يقدم بعض المعلومات حول خصائص الجسيمات الأولية التي يزيد عمرها عن 10-20 ثانية. من بين العديد من الخصائص التي تميز الجسيم الأولي ، فقط كتلة الجسيمات (في كتل الإلكترون) ، والشحنة الكهربائية (بوحدات الشحنة الأولية) والزخم الزاوي (ما يسمى بالدوران) بوحدات ثابت بلانك ħ = ح / 2π مبينة في الجدول. يوضح الجدول أيضًا متوسط عمر الجسيم.
مجموعة
اسم الجسيمات
رمز
الكتلة (في الكتل الإلكترونية)
شحنة كهربائية
غزل
العمر (ق)
جسيم
الجسيم المضاد
الفوتونات
الفوتون
γ
مستقر
لبتونات
النيوترينو الإلكتروني
ه
1 / 2
بثبات
نيوترينو ميون
νμ
1 / 2
بثبات
إلكترون
ه-
البريد +
–1 1
1 / 2
مستقر
مو ميسون
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
هادرون
ميزون
بي ميزون
π0
264,1
0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1
2,6∙10–8
K- ميزون
ك +
ك -
966,4
1 –1
1,24∙10–8
ك 0
≈ 10–10–10–8
هذا هو الميزون الفارغ
η0
≈ 10–18
باريونات
بروتون
ص
1836,1
1 –1
1 / 2
مستقر
نيوترون
ن
لامدا هايبرون
Λ0
1 / 2
2,63∙10–10
هايبرونس سيجما
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
شي هايبرونس
Ξ 0
1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –
2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
أوميغا ناقص هايبرون
Ω–
–1 1
1 / 2
0,82∙10–11
الجدول 9.9.1.
يتم دمج الجسيمات الأولية في ثلاث مجموعات: الفوتونات واللبتونات والهادرونات.
تشتمل مجموعة الفوتونات على جسيم واحد - فوتون ، وهو ناقل للتفاعل الكهرومغناطيسي.
تتكون المجموعة التالية من جزيئات الضوء من اللبتونات. تتضمن هذه المجموعة نوعين من النيوترينوات (إلكترون وميون) ، إلكترون وميزون. تتضمن اللبتونات أيضًا عددًا من الجسيمات غير المدرجة في الجدول. كل اللبتونات لها دوران
تتكون المجموعة الكبيرة الثالثة من جزيئات ثقيلة تسمى الهادرونات. هذه المجموعة مقسمة إلى مجموعتين فرعيتين. تشكل الجسيمات الأخف مجموعة فرعية من الميزونات. أخفهم موجب وسالب الشحنة ، وكذلك الميزونات المحايدة مع كتل من حوالي 250 كتلة إلكترون (الجدول 9.9.1). تعتبر نباتات الفاونيا كوانتا مجال نووي ، تمامًا كما أن الفوتونات عبارة عن كوانتا مجال كهرومغناطيسي. تتضمن هذه المجموعة الفرعية أيضًا أربعة ميزونات K وميزون واحد η0. جميع الميزونات لها دوران صفري.
المجموعة الفرعية الثانية ، الباريونات ، تشمل جسيمات أثقل. إنه الأكثر شمولاً. أخف الباريونات هي النيوكليونات - البروتونات والنيوترونات. ويتبعهم ما يسمى hyperons. تم اكتشاف أوميغا-ناقص-هايبرون عام 1964 ، وهو جسيم ثقيل كتلته 3273 إلكترونًا. كل الباريونات لها دوران
أدت وفرة الهادرونات المكتشفة والمكتشفة حديثًا العلماء إلى الاعتقاد بأنها مبنية من بعض الجسيمات الأساسية الأخرى. في عام 1964 ، طرح الفيزيائي الأمريكي M. Gell-Mann فرضية أكدتها أبحاث لاحقة ، مفادها أن جميع الجسيمات الأساسية الثقيلة - الهادرونات - مبنية من جسيمات أساسية أكثر تسمى الكواركات. على أساس فرضية الكوارك ، لم يتم فقط فهم بنية الهادرونات المعروفة بالفعل ، ولكن تم التنبؤ أيضًا بوجود أخرى جديدة. افترضت نظرية جيل مان وجود ثلاثة كواركات وثلاثة كواركات مضادة ، متصلة ببعضها البعض في مجموعات مختلفة. وهكذا ، يتكون كل باريون من ثلاثة كواركات ، ويتكون الباريون المضاد من ثلاثة كواركات مضادة. تتكون الميزونات من أزواج كوارك - كوارك مضاد.
مع اعتماد فرضية الكوارك ، كان من الممكن إنشاء نظام متناغم من الجسيمات الأولية. ومع ذلك ، تبين أن الخصائص المتوقعة لهذه الجسيمات الافتراضية غير متوقعة إلى حد ما. يجب التعبير عن الشحنة الكهربائية للكواركات بأعداد كسرية تساوي الشحنة الأولية.
لم تنجح العديد من عمليات البحث عن الكواركات في حالة حرة ، والتي أجريت في مسرعات عالية الطاقة وفي الأشعة الكونية. يعتقد العلماء أن أحد أسباب عدم قابلية مراقبة الكواركات الحرة هو على الأرجح كتلتها الكبيرة جدًا. هذا يمنع إنتاج الكواركات بالطاقات التي تتحقق مع المسرعات الحديثة. ومع ذلك ، فإن معظم الخبراء مقتنعون الآن بوجود الكواركات داخل الجسيمات الثقيلة - الهادرونات.
التفاعلات الأساسية. تختلف العمليات التي تشارك فيها الجسيمات الأولية المختلفة اختلافًا كبيرًا في أوقاتها وطاقاتها المميزة. وفقًا للمفاهيم الحديثة ، هناك أربعة أنواع من التفاعلات في الطبيعة لا يمكن اختزالها إلى أنواع أخرى أبسط من التفاعلات: قوية ، كهرومغناطيسية ، ضعيفة وجاذبية. تسمى هذه الأنواع من التفاعلات الأساسية.
التفاعلات القوية (أو النووية) هي الأكثر كثافة بين جميع التفاعلات. أنها توفر رابطة قوية للغاية بين البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات. فقط الجسيمات الثقيلة - الهادرونات (الميزونات والباريونات) - يمكنها المشاركة في تفاعل قوي. يتجلى التفاعل القوي في مسافات تتراوح بين 10-15 مترًا أو أقل ، لذلك يطلق عليه اسم قصير المدى.
التفاعل الكهرومغناطيسي. يمكن لأي جسيمات مشحونة كهربائيًا أن تشارك في هذا النوع من التفاعل ، وكذلك الفوتونات - كوانتا المجال الكهرومغناطيسي. التفاعل الكهرومغناطيسي مسؤول بشكل خاص عن وجود الذرات والجزيئات. يحدد العديد من خصائص المواد في الحالات الصلبة والسائلة والغازية. يؤدي تنافر Coulomb للبروتونات إلى عدم استقرار النوى ذات الأعداد الكتلية الكبيرة. يحدد التفاعل الكهرومغناطيسي عمليات امتصاص وانبعاث الفوتونات بواسطة الذرات وجزيئات المادة والعديد من العمليات الأخرى لفيزياء العالم الجزئي والعالمي.
التفاعل الضعيف هو أبطأ التفاعلات في العالم الصغير. يمكن لأي جسيمات أولية ، باستثناء الفوتونات ، أن تشارك فيها. يكون التفاعل الضعيف مسؤولاً عن مسار العمليات التي تنطوي على النيوترينوات أو مضادات النيترينوهات ، على سبيل المثال ، تحلل بيتا للنيوترون
بالإضافة إلى عمليات الاضمحلال عديمة النيوترونات للجسيمات ذات العمر الطويل (τ ≥ 10-10 ثوانٍ).
تفاعل الجاذبية متأصل في جميع الجسيمات دون استثناء ، ومع ذلك ، نظرًا للكتل الصغيرة للجسيمات الأولية ، فإن قوى التفاعل الثقالي بينها لا تكاد تذكر ودورها في عمليات العالم المجهري غير مهم. تلعب قوى الجاذبية دورًا حاسمًا في تفاعل الأجسام الفضائية (النجوم والكواكب وما إلى ذلك) مع كتلها الضخمة.
في الثلاثينيات من القرن العشرين ، ظهرت فرضية مفادها أن التفاعلات في عالم الجسيمات الأولية تتم من خلال تبادل الكميات في أي مجال. تم طرح هذه الفرضية في الأصل من قبل مواطنينا إي يي تام ود دي دي إيفانينكو. اقترحوا أن التفاعلات الأساسية تنشأ من تبادل الجسيمات ، تمامًا كما تنشأ الرابطة التساهمية الكيميائية للذرات من تبادل إلكترونات التكافؤ ، والتي يتم تجميعها على غلاف إلكترون فارغ.
حصل التفاعل الذي ينفذه تبادل الجسيمات على اسم تفاعل التبادل في الفيزياء. لذلك ، على سبيل المثال ، ينشأ التفاعل الكهرومغناطيسي بين الجسيمات المشحونة من تبادل الفوتونات - كوانتا المجال الكهرومغناطيسي.
اكتسبت نظرية التفاعل التبادلي اعترافًا بعد أن أظهر الفيزيائي الياباني H. Yukawa نظريًا في عام 1935 أنه يمكن تفسير التفاعل القوي بين النيوكليونات في النوى الذرية إذا افترضنا أن النيوكليونات تتبادل جسيمات افتراضية تسمى الميزونات. حسب يوكاوا كتلة هذه الجسيمات ، والتي تبين أنها تساوي تقريبًا 300 كتلة إلكترون. تم اكتشاف جزيئات بهذه الكتلة لاحقًا. تسمى هذه الجسيمات π-mesons (بيونات). حاليًا ، هناك ثلاثة أنواع من البيونات معروفة: + ، – و 0 (انظر الجدول 9.9.1).
في عام 1957 ، تم التنبؤ نظريًا بوجود جسيمات ثقيلة ، تسمى البوزونات المتجهة W + و W- و Z0 ، مما تسبب في آلية التبادل للتفاعل الضعيف. تم اكتشاف هذه الجسيمات في عام 1983 في تجارب المسرعات مع حزم تصادم عالية الطاقة من البروتونات والبروتونات المضادة. كان اكتشاف البوزونات المتجهة إنجازًا مهمًا للغاية في فيزياء الجسيمات الأولية. يمثل هذا الاكتشاف نجاحًا لنظرية جمعت بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والتفاعلات الضعيفة في تفاعل واحد يسمى التفاعل الكهروضعيف. تعتبر هذه النظرية الجديدة المجال الكهرومغناطيسي ومجال التفاعل الضعيف كمكونات مختلفة لنفس المجال ، حيث تشارك البوزونات المتجهة إلى جانب كم المجال الكهرومغناطيسي.
بعد هذا الاكتشاف في الفيزياء الحديثة ، كانت هناك زيادة كبيرة في الثقة بأن جميع أنواع التفاعلات ترتبط ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، وهي في جوهرها مظاهر مختلفة لمجال موحد معين. ومع ذلك ، فإن توحيد جميع التفاعلات لا يزال مجرد فرضية علمية جذابة.
يبذل الفيزيائيون النظريون جهودًا كبيرة في محاولاتهم للنظر على أساس موحد ليس فقط في التفاعل الكهرومغناطيسي والضعيف ، ولكن أيضًا التفاعل القوي. هذه النظرية تسمى التوحيد العظيم. يقترح العلماء أن التفاعل الثقالي يجب أن يكون له حامله الخاص - جسيم افتراضي يسمى جرافيتون. ومع ذلك ، لم يتم اكتشاف هذا الجسيم بعد.
في الوقت الحاضر ، ثبت أن مجالًا واحدًا يوحد جميع أنواع التفاعل لا يمكن أن يوجد إلا في طاقات جسيمية عالية للغاية ، لا يمكن الوصول إليها في المسرعات الحديثة. يمكن أن تتمتع الجسيمات بمثل هذه الطاقات العالية فقط في المراحل الأولى من وجود الكون ، والتي نشأت نتيجة لما يسمى الانفجار العظيم. يشير علم الكونيات - علم تطور الكون - إلى أن الانفجار العظيم حدث قبل 18 مليار سنة. في النموذج القياسي لتطور الكون ، يُفترض أنه في الفترة الأولى بعد الانفجار ، يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى 1032 كلفن ، وقد تصل طاقة الجسيمات E = kT إلى 1019 GeV. خلال هذه الفترة ، كانت المادة موجودة في شكل كواركات ونيوترينوات ، بينما تم دمج جميع أنواع التفاعلات في مجال قوة واحد. تدريجيًا ، مع توسع الكون ، انخفضت طاقة الجسيمات ، وانطلق تفاعل الجاذبية أولاً من حقل التفاعلات الموحد (عند طاقات الجسيمات ≤ 1019 GeV) ، ثم تم فصل التفاعل القوي عن الكهروضعيف (عند الطاقات) بترتيب 1014 جي في). عند طاقات تصل إلى 103 جيجا إلكترون فولت ، تم العثور على الأنواع الأربعة للتفاعلات الأساسية منفصلة. بالتزامن مع هذه العمليات ، تم تكوين أشكال أكثر تعقيدًا من المادة - نيوكليونات ، نوى ضوئية ، أيونات ، ذرات ، إلخ. يحاول علم الكونيات في نموذجه تتبع تطور الكون في مراحل مختلفة من تطوره من الانفجار العظيم حتى الوقت الحاضر اليوم ، بالاعتماد على قوانين فيزياء الجسيمات الأولية ، وكذلك الفيزياء النووية والذرية.
إلى الأمام
انتباه! تعد معاينات الشرائح للأغراض الإعلامية فقط وقد لا تمثل جميع خيارات العرض. إذا كنت مهتمًا بهذا العمل ، فيرجى تنزيل النسخة الكاملة.
يُعقد الدرس في الصف 11 وهو مصمم لساعتين أكاديميتين وينقسم إلى عدة كتل:
- خصائص تصف حالة الإلكترون في الذرة ؛
يمكن اعتبار كل من هذه الكتل بشكل فردي وجماعي. لذلك يمكن اعتبار كتلة "مراحل تطور فيزياء الجسيمات الأولية" (الشرائح 1-5) في الصف التاسع عند دراسة الموضوع ذي الصلة على المستوى التمهيدي. أيضًا في الصف التاسع ، يمكنك استخدام الكتلة "طرق تسجيل الجسيمات الأولية" (الشرائح 29-31) عند تنظيم عمل الطلاب مع الكتاب المدرسي. يمكن استخدام كتلة "أنواع التفاعل وخصائصها" (الشرائح 11-15) في الدروس الأولى من الصف العاشر.
قبل دراسة الموضوع في الصف 11 (لمدة أسبوع) ، يُطلب من الطلاب إعداد رسائل في المجالات التالية:
- مراحل تطور فيزياء الجسيمات الأولية ؛
- أنواع التفاعلات وخصائصها ؛
- طرق تسجيل الجسيمات الأولية.
لقد سبق لهم أن درسوا هذه الموضوعات في وقت سابق (الصفوف 9-10) ، لذا فإن الإعداد لا يستغرق الكثير من الوقت وعادة لا يثير أسئلة. أثناء الدرس ، يقوم الطلاب بتدوين الملاحظات في المصنفات بناءً على الرسائل وشرائح العرض التقديمي. تعتبر كتلة "الخصائص التي تصف حالة الإلكترون في الذرات" محاضرة. أثناء المحاضرة ، يكتب الطلاب فقط أسماء الخصائص.
كتب مستخدمة:
- كتاب الفيزياء الابتدائية ، أد. أكاد. ج. لاندسبيرج. المجلد 3. م: "العلوم" ، 1975
- بي ام. يافورسكي ، أ. ديتلافدورة فيزياء. المجلد 3. م: "المدرسة الثانوية" ، 1971
- بي ام. يافورسكي ، أ. ديتلافالفيزياء: لطلاب المرحلة الثانوية ومن يلتحقون بالجامعات. م: "بوستارد" ، 2000
- مدرسك. الفيزياء. محاضرات تفاعلية. القرص 1. LLC "تقنيات الوسائط المتعددة والتعليم عن بعد" ، 2003
- L. Ya. بوريفسكيمقرر الفيزياء في القرن الحادي والعشرين. م: "ميديا هاوس" ، 2003
موضوع الدرس:"الجسيمات الأولية وخصائصها"
الغرض من الدرس:
تعليمي: للحصول على الطلاب الذين أتقنوا المعرفة التالية:
- في العالم الصغير ، هناك ثلاثة مستويات مميزة ، تختلف في المقاييس والطاقات المميزة (الجزيئية الذرية ، النووية ، مستوى الجسيمات الأولية) ؛
- هناك حوالي 400 جسيم أولي مختلف في الطبيعة (مع الجسيمات المضادة) ؛
- هناك 4 أنواع من التفاعلات الأساسية (قوية ، كهرومغناطيسية ، ضعيفة ، جاذبية)
- التفاعل القوي هو سمة من سمات الجسيمات الثقيلة ؛ فقط الجسيمات المشحونة كهربائيًا هي التي تشارك بشكل مباشر في المجال الكهرومغناطيسي ؛ التفاعل الضعيف هو سمة مميزة لجميع الجسيمات ، باستثناء الفوتونات ؛ تفاعل الجاذبية متأصل في جميع أجسام الكون ، ويتجلى في شكل قوى الجاذبية العالمية ؛
- تختلف التفاعلات الأساسية في شدتها ، ونطاق عملها ، وأوقاتها المميزة ، فضلاً عن قوانين الحفظ المتأصلة فيها ؛
- تنقسم جميع الجسيمات الأولية إلى لبتونات (أساسية) وهادرونات (مركبة) ؛
- الهادرونات مقسمة إلى ميزونات وباريونات.
- النامية: احصل على متعلمين تعلموا الأنشطة التالية:
- التعرف على أنواع مختلفة من التفاعلات الأساسية من خلال خصائصها ؛
- إجراء تصنيف الجسيمات الأولية ؛
- تدوين تفاعلات تحولات الجسيمات الأولية ، مع مراعاة قوانين الحفظ ؛
- وصف الجهاز ومبدأ تشغيل الأجهزة لتسجيل الجسيمات الأولية ؛
- تعليمي: اجعل الطلاب مقتنعين بما يلي:
- تتحول جميع الجسيمات الأولية إلى بعضها البعض ، وهذه التحولات المتبادلة هي الحقيقة الرئيسية لوجودها ؛
- إن تحديد آلية (التبادل) المشتركة لجميع التفاعلات الأساسية يعطي الأمل في إمكانية بناء نظرية موحدة تشرح صورة العالم ؛
- الأجزاء المكونة للمادة هي: 6 أنواع من الكواركات و 6 لبتونات ، يتم التفاعل بينها من خلال تبادل الحاملات المقابلة للتفاعلات (الفوتون ، 8 غلوونات ، 3 بوزونات وسيطة وغرافيتون)
نوع الدرس:مجموع.
ادوات:جهاز عرض وسائط ، شاشة ، كمبيوتر ، جدول "طرق تسجيل الجسيمات" ، جدول "التفاعلات الأساسية" ، النشرات ( المرفق 1 , الملحق 2 )
خطة الدرس:
أولا - تعزيز المعرفة
ملاحظات تمهيدية للمعلم حول ضرورة فهم الصورة العلمية للعالم.
II. اكتساب المعرفة
1) رسالة الطالب "مراحل تطور فيزياء الجسيمات الأولية" (الشرائح 1-5)
2) محاضرة "حالة الإلكترون في الذرة" (الشرائح 6-10)
3) رسالة "أنواع التفاعلات" (الشرائح 11-15)
4) محاضرة "خصائص الجسيمات الأولية" (الشرائح 16-28)
5) رسالة الطالب "طرق تسجيل الجسيمات الأولية" (الشريحتان 29-31)
3) شرح إمكانية ردود الفعل المقدمة من وجهة نظر قوانين حفظ الشحنة (يتم اختيار ردود الفعل حسب تقدير المعلم). استخدام بيانات الجدول ( المرفق 1 )
4) باستخدام قانون حفظ الشحنة ، الجدول 2 ( المرفق 1 ) و الملحق 2 ، شرح تكوين الكوارك لبعض الهادرونات (حسب تقدير المعلم)
رابعا. التحكم بالمعرفة
التمرين 1.
بناءً على الخصائص المقترحة ، حدد نوع التفاعلات المقدمة.
| نوع التفاعل | الشدة | الوقت المميز ، ثانية |
| 1/137 | ~10-20 | |
| ~1 | ~ 10-23 | |
| ~ 10-38 | ? | |
| ~ 10-10 | ~ |
المهمة 2.
ما نوع التفاعل الذي يتم نقله بواسطة:
- غلوونس
- البوزونات الوسيطة
- الفوتونات
- الجرافيتون
المهمة 3.
ما هو نطاق كل من التفاعلات؟
V. الواجب المنزلي
§§ 115 ، 116 ، ملخص الفصل 14
من أجل شرح خصائص وسلوك الجسيمات الأولية ، يجب تزويدها ، بالإضافة إلى الكتلة والشحنة الكهربائية والنوع ، بعدد من الكميات المميزة الإضافية (أرقام الكم) ، والتي سنناقشها أدناه.
تنقسم الجسيمات الأولية عادة إلى أربع فصول ... بالإضافة إلى هذه الفئات ، يُفترض وجود فئة أخرى من الجسيمات - الجرافيتون (كمات مجال الجاذبية). تجريبيا ، لم يتم اكتشاف هذه الجسيمات بعد.
دعونا نعطي وصفًا موجزًا للفئات الأربع للجسيمات الأولية.
جسيم واحد فقط ينتمي إلى واحد منهم - الفوتون .
الفوتونات (كوانت المجال الكهرومغناطيسي) تشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية ، ولكن ليس لها تفاعلات قوية وضعيفة.
الطبقة الثانية مكونة من اللبتونات ، الثالث - الهادرونات وأخيرًا الرابع - قياس البوزونات (علامة التبويب 2)
الجدول 2
| الجسيمات الأولية |
|||
| لبتونات |
مقياس البوزونات |
هادرون |
|
|
|
|||
| ن, ص, هايبرونس باريونيك صدى |
ميزوني صدى |
||
لبتونات (اليونانية " ليبتوس" - ضوء) - حبيبات,تشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة... وتشمل هذه الجسيمات التي ليس لها تفاعلات قوية: الإلكترونات () ، والميونات () ، والتون () ، وكذلك نيوترينوات الإلكترون () ، ونيوترينوات الميونية () ونيوترينوات تاو (). جميع اللبتونات لها دوران يساوي 1/2 ، وبالتالي فهي كذلك الفرميونات ... جميع اللبتونات لها تفاعل ضعيف. أولئك الذين لديهم شحنة كهربائية (أي الميونات والإلكترونات) لديهم أيضًا تفاعل كهرومغناطيسي. النيوترينوات تشارك فقط في التفاعلات الضعيفة.
هادرون (اليونانية " أدروس"- كبير ، ضخم) - حبيبات,المشاركة بقوة,التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة. اليوم ، يعرف أكثر من مائة هادرون وينقسمون إلى باريونات و الميزونات .
باريونات - الهادرونات,تتكون من ثلاثة كواركات (ف ف ف) ولها رقم باريون ب = 1.
صنف الباريونات يجمع بين النيوكليونات ( ص, ن) والجسيمات غير المستقرة ذات الكتلة الأكبر من كتلة النكليونات ، تسمى هايبرونس (). جميع الهايبرونات لها تفاعل قوي ، وبالتالي تتفاعل بنشاط مع النوى الذرية. دوران جميع الباريونات هو 1/2 ، وبالتالي فإن الباريونات هي الفرميونات ... باستثناء البروتون ، كل الباريونات غير مستقرة. عندما يتحلل الباريون مع الجسيمات الأخرى ، يتشكل الباريون بالضرورة. هذا النمط هو واحد من مظاهر قانون حفظ شحنة الباريون.
ميزون - الهادرونات,تتكون من كوارك وكوارك مضاد () ولها رقم باريون ب = 0.
تتفاعل الميزونات بشكل كبير مع الجسيمات غير المستقرة التي لا تحمل ما يسمى بالشحنة الباريونية. وتشمل هذه -mesons أو pions () أو K-mesons أو kaons ( 
) و -mesons. الكتل والميزونات هي نفسها وتساوي 273.1 ، و 264.1 عمرًا ، على التوالي ، و s. كتلة K-mesons هي 970. عمر K-mesons هو من أجل s. كتلة eta-mesons هي 1074 ، والعمر في حدود s. على عكس اللبتونات ، فإن الميزونات ليس لها فقط ضعف (وإذا كانت مشحونة ، كهرومغناطيسية) ، ولكن أيضًا تفاعل قوي يتجلى في تفاعلها مع بعضها البعض ، وكذلك في التفاعل بين الميزونات والباريونات. إن دوران جميع الميزونات يساوي صفرًا ، لذا فهي كذلك البوزونات.
قياس البوزونات - حبيبات,تتفاعل بين الفرميونات الأساسية(الكواركات واللبتونات). هذه جسيمات دبليو + , دبليو – , ض 0 وثمانية أنواع من الغلوونات ز. يتضمن هذا أيضًا الفوتون γ.
خصائص الجسيمات الأولية
يتم وصف كل جسيم من خلال مجموعة من الكميات الفيزيائية - الأرقام الكمية التي تحدد خصائصه. أكثر خصائص الجسيمات شيوعًا هي كما يلي.
كتلة الجسيمات , م... تختلف كتل الجسيمات بشكل كبير من 0 (فوتون) إلى 90 جيجا إلكترون فولت ( ضالبوزون). ض-البوزون هو أثقل جسيم معروف. ومع ذلك ، قد يكون هناك جسيمات أثقل. تعتمد كتل الهادرونات على أنواع كواركاتها ، وكذلك على حالاتها المغزلية.
أوقات الحياة ، τ. اعتمادًا على العمر ، يتم تقسيم الجسيمات جسيمات مستقرةتتمتع بعمر طويل نسبيًا ، و غير مستقر.
إلى جزيئات مستقرةتشمل الجسيمات التي تتحلل بفعل التفاعل الضعيف أو الكهرومغناطيسي. تقسيم الجسيمات إلى مستقرة وغير مستقرة أمر تعسفي. لذلك ، تشتمل الجسيمات المستقرة على جسيمات مثل الإلكترون ، والبروتون ، والتي لم يتم الكشف عن اضمحلالها في الوقت الحالي ، و π 0 الميزون ، والتي لها عمر τ = 0.8 × 10 - 16 ثانية.
إلى الجسيمات غير المستقرةتشمل الجسيمات التي تتحلل نتيجة للتفاعل القوي. عادة ما يطلق عليهم صدى ... العمر المميز للرنين هو 10-23-10-24 ثانية.
غزل ي... يتم قياس الدوران بالوحدات ħ ويمكن أن تأخذ قيم 0 ونصف عدد صحيح وأعداد صحيحة. على سبيل المثال ، دوران π- ، K-mesons يساوي 0. دوران الإلكترون ، الميون هو 1/2. دوران الفوتون هو 1. هناك جسيمات ذات دوران كبير. تخضع الجسيمات ذات الدوران نصف الصحيح لإحصائيات Fermi-Dirac ، مع الدوران الصحيح - Bose-Einstein.
شحنة كهربائية ف... الشحنة الكهربائية هي عدد صحيح من مضاعفات ه= 1.6 × 10 - 19 درجة مئوية ، تسمى الشحنة الكهربائية الأولية. يمكن أن تحتوي الجسيمات على شحنة تبلغ 0 ، ± 1 ، ± 2.
التكافؤ الداخلي ص. رقم الكم صيميز خاصية تناظر الدالة الموجية فيما يتعلق بالانعكاسات المكانية. رقم الكم صله قيمة +1 ، -1.
إلى جانب الخصائص المشتركة بين جميع الجسيمات ، فإنها تستخدم أيضًا الأرقام الكمية المخصصة فقط لمجموعات محددة من الجسيمات.
عدد الكمية : رقم الباريون الخامس, غرابة س, السحر (سحر) مع, الجمال (القاعأو جمال) ب, العلوي (قمة) ر, تدور النظائر أناتنسب فقط إلى الجسيمات شديدة التفاعل - الهادرونات.
أرقام ليبتون
ل, إل μ , إلτ. يتم تعيين أرقام ليبتون للجسيمات التي تشكل مجموعة من اللبتونات. لبتونات هو μ و يشاركون فقط في التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة. اللبتونات ν هو n μ و n يشاركون فقط في التفاعلات الضعيفة. أرقام ليبتون مهمة ل, إل μ , إلτ = 0 ، +1 ، -1. على سبيل المثال ، e - ، إلكترون نيوترينو ن هلديك ل= + ل ؛ لديك ل= - ل. جميع الهدرونات لها 
.
رقم الباريون الخامس... رقم الباريون مهم الخامس= 0 ، +1 ، -1. الباريونات ، على سبيل المثال ، ن, ص، Λ ، Σ ، الأصداء النووية لها عدد باريون الخامس= +1. ميزون ، صدى ميزون لها الخامس= 0 ، تمتلك الباريونات المضادة الخامس = -1.
غرابة س... يمكن أن يأخذ العدد الكمي s القيم -3 ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3 ويتم تحديده من خلال تكوين الكوارك للهادرونات. على سبيل المثال ، hyperons Λ ، Σ have س= -l ؛ ك + - , ك- - الميزونات لها س= + ل.
سحر مع... رقم الكم مع مع= 0 و +1 و -1. على سبيل المثال ، يحتوي الباريون Λ + مع = +1.
القاع ب... رقم الكم بيمكن أن تأخذ القيم -3 ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3. في الوقت الحاضر ، تم اكتشاف الجسيمات التي لديها ب= 0 ، +1 ، -1. على سبيل المثال، الخامس+ -meson لديه ب = +1.
توبنيس ر... رقم الكم ريمكن أن تأخذ القيم -3 ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3. حاليًا ، تم اكتشاف حالة واحدة فقط مع ر = +1.
إيزوسبين أنا... يمكن تقسيم الجسيمات المتفاعلة بقوة إلى مجموعات من الجسيمات ذات الخصائص المتشابهة (نفس قيمة الدوران ، التكافؤ ، عدد الباريون ، الغرابة ، والأرقام الكمية الأخرى المحفوظة في التفاعلات القوية) - متعدد النظائر... إيزوسبين أنايحدد عدد الجسيمات المتضمنة في واحد متعدد النظائر ، نو صيشكل مزدوج النظائر أنا= 1/2 ؛ Σ + ، Σ - ، Σ 0 ، جزء من ثلاثي النظائر أنا= 1 ، Λ - القميص النظيري أنا= 0 ، عدد الجسيمات المدرجة في واحد متعدد النظائر, 2أنا + 1.
جي - التكافؤ هو الرقم الكمي المقابل للتناظر فيما يتعلق بعملية اقتران الشحنات المتزامنة معوتغيير علامة المكون الثالث أناإيزوسبين. ز-يتم الحفاظ على التكافؤ فقط في التفاعلات القوية.
عالم الجسيمات الأولية
درس في الصف 11
الغرض من الدرس:
التعليمية:
تعريف الطلاب ببنية الجسيمات الأولية وخصائص القوى والتفاعلات داخل النواة ؛ تعليم لتعميم وتحليل المعرفة المكتسبة ، للتعبير عن أفكارك بشكل صحيح ؛ تعزيز تنمية التفكير ، والقدرة على هيكلة المعلومات ؛ لزراعة علاقة قيمة عاطفية بالعالم
النامية:
الاستمرار في تطوير التفكير والقدرة على التحليل والمقارنة واستخلاص استنتاجات منطقية.
تنمية الفضول والقدرة على تطبيق المعرفة والخبرة في المواقف المختلفة.
التعليمية:
تنمية مهارات العمل الجماعي الفكري. تعليم أسس الوعي الذاتي الأخلاقي (الفكر: مسؤولية العالم ، مكتشف ثمار اكتشافاته) ؛
إيقاظ اهتمام الطلاب بأدب العلوم الشعبية ، بدراسة الشروط المسبقة لاكتشاف ظواهر معينة.
الغرض من الدرس:
خلق الظروف لتنمية الكفاءات الفكرية والتواصلية التي يكون الطالب فيها قادراً على:
قم بتسمية الأنواع الرئيسية للجسيمات الأولية ؛
فهم غموض النموذج القياسي الحديث للعالم ؛
قم بصياغة أفكارك حول تاريخ تطور الجسيمات الأولية ؛
تحليل دور تطوير الفيزياء الأولية ؛
تصنيف الجسيمات الأولية من خلال تكوينها ؛
فكر في الحاجة إلى أن يكون لديك منصب خاص بك ، وتحمل وجهة نظر مختلفة ؛
أظهر اتصالاً خاليًا من النزاعات عند العمل في مجموعة.
نوع الدرس:تعلم مواد جديدة.
شكل الدرس:درس مشترك.
طرق الدرس:اللفظي ، البصري ، العملي.
ادوات:عرض الكمبيوتر ، جهاز عرض الوسائط المتعددة ، كتاب الطالب ، الكمبيوتر الشخصي.
| خطوات الدرس | الوقت ، دقيقة. | الأساليب والتقنيات |
| 1. مقدمة تنظيمية. بيان المشكلة التربوية. | تسجيل موضوع الدرس. قصة المعلم. |
|
| 2. تفعيل المعرفة (عرض الطالب) | قصة الطالب عن المعرفة الموجودة والمتطلبات الأساسية لتعلم أشياء جديدة. |
|
| 3. تعلم مادة جديدة (عرض المعلم) | قصة المعلم باستخدام الشرائح. الملاحظة. محادثة. رواية الطلاب باستخدام الشرائح. |
|
| 4. تطوير المادة المدروسة. حصره. | التوحيد عن طريق المذكرات المرجعية و العمل مع الكتاب المدرسي. إجابات لأسئلة الأمان. |
|
| 5. تلخيص. واجب منزلي | تخصيص المعلم الرئيسي الطلاب. |
خلال الفصول
اللحظة التنظيمية للدرس(التحية ، التحقق من جاهزية الطلاب للدرس)
سننظر اليوم في الدرس في وجهات نظر مختلفة حول بنية العالم ، والتي يتكون منها كل ما يحيط بنا. سيكون الدرس مثل المحاضرة ، ويتطلب منك معظم الاهتمام.
في بداية الدرس ، أود أن ألفت انتباهكم إلى تاريخ ظهور عقيدة الجسيمات.
2. تحقيق المعرفة. (عرض قدمه ف. ألكساخينا "تاريخ تطور المعرفة حول الجسيمات")
شريحة 2. الذرية العتيقة- هذا هو مفهوم بنية العالم من قبل علماء العصور القديمة. وفقًا لأفكار ديموقريطس ، كانت الذرات أبدية ، غير متغيرة ، غير قابلة للتجزئة ، تختلف في الشكل والحجم ، والتي ، بالربط والفصل ، شكلت أجسامًا مختلفة.
شريحة 3.بفضل اكتشاف العلماء ديراك وجاليليو ونيوتن لمبدأ النسبية ، وقوانين الديناميكيات ، وقوانين الحفظ ، وقانون الجاذبية العالمية ، في القرن السابع عشر ، خضعت الذرية الخاصة بالقدماء لتغييرات كبيرة وأصبحت راسخة في العلوم الصورة الميكانيكية للعالم، والذي كان قائمًا على تفاعل الجاذبية - تخضع له جميع الأجسام والجسيمات ، بغض النظر عن الشحنة.
شريحة 4.أدت المعرفة المتراكمة في دراسة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية والبصرية إلى الحاجة إلى استكمال وتطوير صورة العالم. وهكذا ، في القرن التاسع عشر وحتى بداية القرن العشرين ، بدأت في الهيمنة صورة كهروديناميكية للعالم... لقد اعتبر بالفعل نوعين من التفاعل - الجاذبية والكهرومغناطيسية. لكنهم فشلوا في تفسير الإشعاع الحراري فقط ، واستقرار الذرة ، والنشاط الإشعاعي ، والتأثير الكهروضوئي ، وطيف الخط.
شريحة 5.في بداية القرن العشرين ، ظهرت فكرة قياس الطاقة ، والتي أيدها بلانك ، وآينشتاين ، وبوهر ، وستوليتوف ، وكذلك ثنائية الموجة الجسيمية للويس دي برولي. تميزت هذه الاكتشافات بالظهور صورة المجال الكمي للعالم، حيث تمت إضافة تفاعل قوي أيضًا. بدأ التطور النشط لفيزياء الجسيمات الأولية.
3. تعلم مواد جديدة
حتى الثلاثينيات من القرن العشرين ، تم تقديم هيكل العالم للعلماء في أبسط أشكاله. لقد اعتقدوا أن "المجموعة الكاملة" من الجسيمات التي تتكون منها المادة كلها هي البروتون والنيوترون والإلكترون. لذلك ، تم تسميتهم الابتدائية. تشتمل هذه الجسيمات أيضًا على فوتون - ناقل للتفاعلات الكهرومغناطيسية.
شريحة 6.النموذج المعياري الحديث للعالم:
تتكون المادة من الكواركات واللبتونات والجسيمات - ناقلات التفاعل.
بالنسبة لجميع الجسيمات الأولية ، هناك احتمال للكشف عن الجسيمات المضادة.
ثنائية الموجة الجسدية. مبادئ عدم اليقين والتكميم.
توصف نظريات التوحيد الكبرى التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية والضعيفة. ما تبقى هو الجاذبية غير الموحدة.
شريحة 7.تتكون نواة الذرة من الهادرونات المكونة من الكواركات. الهادرونات هي جزيئات تشارك في تفاعلات قوية.
تصنيف الهادرونات: تتكون الميزونات من كوارك واحد وواحد مضاد للكوارك تتكون الباريونات من ثلاثة كواركات - نيوكليونات (بروتونات ونيوترونات) و
هايبرونس.
شريحة 8.الكواركات هي الجسيمات الأساسية التي تتكون منها الهادرونات. حاليًا ، هناك 6 أنواع مختلفة من الكواركات (يُقال غالبًا - النكهات) معروفة. تمتلك الكواركات تفاعلات قوية ، وتشارك في قوى وضعيفة وكهرومغناطيسية. يتبادلون الغلوونات والجسيمات ذات الكتلة الصفرية والشحنة الصفرية فيما بينهم. توجد كواركات مضادة لجميع الكواركات . لا يمكن ملاحظتها بحرية. لديهم شحنة كهربائية جزئية: + 2 / 3e - تسمى U-quarks (up) و -1 / 3e - d-quark (down).
تكوين كوارك لإلكترون عود ، تكوين كوارك لبروتون عود
شريحة 9.الجسيمات التي لا تشكل جزءًا من النواة هي اللبتونات. اللبتونات هي جسيمات أساسية لا تشارك في تفاعلات قوية. اليوم ، 6 لبتونات و 6 من الجسيمات المضادة معروفة.
كل الجسيمات لها جسيمات مضادة. اللبتونات والجسيمات المضادة لها: إلكترون وبوزيترون معهم ، وإلكترون نيوترينو ومضاد نيوترينو. Muon و anti-muon معهم muon neutrino و antineutrino. Taon و Antitaon - Taon neutrino و antineutrino.
شريحة 10.جميع التفاعلات في الطبيعة هي مظاهر لأربعة أنواع التفاعلات الأساسيةبين الجسيمات الأساسية - اللبتونات والكواركات.
تفاعل قويتتأثر الكواركات ، والجلوونات هي ناقلاتها. يربطهم معًا لتشكيل البروتونات والنيوترونات والجسيمات الأخرى. يؤثر بشكل غير مباشر على ارتباط البروتونات في نواة الذرة.
التفاعل الكهرومغناطيسيتتأثر الجسيمات المشحونة. في هذه الحالة ، تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية ، لا تتغير الجسيمات نفسها ، ولكنها تكتسب فقط خاصية الطرد في حالة الشحنات المتشابهة.
تفاعل ضعيفتتأثر الكواركات واللبتونات. وأشهر تأثير للتفاعل الضعيف هو تحويل الكوارك السفلي إلى كوارك علوي ، والذي بدوره يتسبب في تحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو.
أحد أهم أنواع التفاعل الضعيف هو تفاعل هيغز... وفقًا للافتراضات ، يملأ حقل هيغز (الخلفية الرمادية) مساحة السائل بالكامل ، مما يحد من نطاق التفاعلات الضعيفة. أيضًا ، يتفاعل بوزون هيغز مع الكواركات واللبتونات ، مما يضمن وجود كتلتها.
تفاعل الجاذبية.إنه أضعف المعروف. إنه يشمل جميع الجسيمات وناقلات جميع أنواع التفاعل دون استثناء. يتم تنفيذه بفضل تبادل الجرافيتونات - الجسيمات الوحيدة التي لم يتم اكتشافها تجريبياً بعد. تفاعل الجاذبية هو عامل جذب دائمًا.
شريحة 11.يأمل العديد من الفيزيائيين أنه ، تمامًا كما كان من الممكن الجمع بين التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة في الكهروضعيف ، سيكون من الممكن مع مرور الوقت بناء نظرية توحد جميع أنواع التفاعلات المعروفة ، واسمها "التوحيد الكبير".
4 . توحيد المعرفة.
رسو أساسي(عرض قدمه J. Gordienko "مصادم هادرون كبير". يحاول العلماء المعاصرون تحسين عملية دراسة الجسيمات من أجل تحقيق اكتشافات جديدة للتقدم العلمي والتكنولوجي. ولهذا ، يتم بناء مراكز بحث ومسرعات ضخمة. أحد هذه الهياكل الفخمة هي مصادم هادرون الكبير.
الدمج النهائي(عمل جماعي: إجابات لأسئلة الكتاب المدرسي)
أنت مقسم إلى مجموعتين: الصف 1 والصف 2. لديك مهمة على الأوراق: تحتاج إلى الإجابة على الأسئلة ، وستجد الإجابات في الكتاب المدرسي في الفقرة 28 (ص 196 - 198).
مهام المجموعة الأولى:
كم عدد الجسيمات الأساسية هناك؟ (48)
تكوين الكوارك للإلكترون؟ (UUD)
ضع قائمة بأقوى تفاعلين (قوي وكهرومغناطيسي)
العدد الإجمالي للغلوونات؟ (ثمانية)
مهام المجموعة الثانية:
كم عدد الجسيمات في قلب الكون؟ (61)
تكوين الكوارك للبروتون؟ (عود)
ضع قائمة بأضعف تفاعلين (ضعيف وجاذبي)
ما الجسيمات التي تنفذ التفاعل الكهرومغناطيسي؟ (فوتون)
تعليق صوتي من قبل قادة المجموعة للإجابات على الأسئلة وتبادل البطاقات.
ملخص الدرس.
لقد تعرفت على بعض جوانب تطور الفيزياء الحديثة والآن لديك أفكار أولية حول الاتجاه الذي يتطور فيه علمنا ولماذا نحتاج إليه.
6. الواجب المنزلي. البند 28.
مهام المجموعة الأولى:
1. كم عدد الجسيمات الأساسية هناك في المجموع؟ ______________
2. تكوين الكوارك للإلكترون؟ ____________
3. ضع قائمة بأقوى تفاعلين ______
4. العدد الإجمالي للغلوونات؟ _______
___________________________________________________________________
مهام المجموعة الثانية:
1. كم عدد الجسيمات الموجودة في قلب الكون؟ ________
2. تكوين الكوارك للبروتون؟ ___________
___________________________________________________________________
مهام المجموعة الأولى:
1. كم عدد الجسيمات الأساسية هناك في المجموع؟ __________
2. تكوين الكوارك للإلكترون؟ __________
3. ضع قائمة بأقوى تفاعلين __________________________________________________________________________
4. العدد الإجمالي للغلوونات؟ _________
___________________________________________________________________
مهام المجموعة الثانية:
1. كم عدد الجسيمات الموجودة في قلب الكون؟ ____________
2. تكوين الكوارك للبروتون؟ _____________
3. ضع قائمة بأضعف تفاعلين ______________________
4. ما الجسيمات التي تنفذ التفاعل الكهرومغناطيسي؟ ______
___________________________________________________________________
مهام المجموعة الأولى:
1. كم عدد الجسيمات الأساسية هناك في المجموع؟ _____________
2. تكوين الكوارك للإلكترون؟ ______________
3. ضع قائمة بأقوى تفاعلين ________________________________________________________________________
4. العدد الإجمالي للغلوونات؟ _____
___________________________________________________________________
مهام المجموعة الثانية:
1. كم عدد الجسيمات الموجودة في قلب الكون؟ ______
2. تكوين الكوارك للبروتون؟ _________
3. ضع قائمة بأضعف تفاعلين _______________________
4. ما الجسيمات التي تنفذ التفاعل الكهرومغناطيسي؟ _______
تحميل ...