Particules élémentaires et leurs champs abstraits. Physique des particules élémentaires. Physique atomique et nucléaire

Classe: 11

Classe: 11

Type de cours : leçon d'étude et consolidation primaire de nouvelles connaissances

Méthode d'enseignement: conférence

Forme d'activité étudiante : frontal, collectif, individuel

Le but de la leçon :élargir la compréhension des élèves de la structure de la matière ; considérer les principales étapes du développement de la physique des particules élémentaires ; donner une idée sur particules élémentaires ah et leurs propriétés.

Objectifs de la leçon:

• Éducatif: initier les étudiants à la notion de particule élémentaire, à la typologie des particules élémentaires, ainsi qu'aux méthodes d'étude des propriétés des particules élémentaires ;
• Du développement: développer l'intérêt cognitif des étudiants, en assurant leur implication réalisable dans une activité cognitive active ;
• Éducatif: éducation aux qualités humaines universelles - conscience de la perception des réalisations scientifiques dans le monde ; développer la curiosité et l’endurance.

Matériel pour le cours :

Matériel didactique : matériel de manuel, cartes avec tests et tableaux

Aides visuelles : présentation

1. Organisation du début du cours.

Activités de l'enseignant : Salutations mutuelles entre l'enseignant et les élèves, fixation des élèves, vérification de l'état de préparation des élèves pour la leçon. Organisation de l'attention et inclusion des étudiants dans le rythme de travail de l'entreprise.

organisation de l'attention et inclusion dans le rythme de travail de l'entreprise.

2. Préparation à l'étape principale de la leçon.

Activités de l'enseignant : Aujourd'hui, nous allons commencer à étudier une nouvelle section de la « Physique quantique » - « Particules élémentaires ». Dans ce chapitre, nous parlerons des particules primaires et indécomposables à partir desquelles toute matière est construite, des particules élémentaires.

Les physiciens ont découvert l'existence de particules élémentaires en étudiant les processus nucléaires. Ainsi, jusqu'au milieu du XXe siècle, la physique des particules élémentaires était une branche de la physique nucléaire. Actuellement, la physique des particules et Physique nucléaire sont des branches proches mais indépendantes de la physique, unies par les points communs des nombreux problèmes considérés et des méthodes de recherche utilisées.

La tâche principale de la physique des particules élémentaires est l'étude de la nature, des propriétés et des transformations mutuelles des particules élémentaires.

Ce sera également notre tâche principale dans l’étude de la physique des particules élémentaires.

3. Assimilation de nouvelles connaissances et méthodes d'action.

Activités de l'enseignant : Sujet de cours : « Étapes de développement de la physique des particules élémentaires. » Dans cette leçon, nous examinerons les questions suivantes :

• L'histoire du développement des idées selon lesquelles le monde est constitué de particules élémentaires
• Que sont les particules élémentaires ?
• Comment obtenir une particule élémentaire isolée et est-ce possible ?
• Typologie des particules.

L’idée selon laquelle le monde est constitué de particules fondamentales a une longue histoire. Aujourd’hui, le développement de la physique des particules élémentaires comporte trois étapes.

Ouvrons le manuel. Faisons connaissance avec les noms des étapes et les délais.

Activité prévue des étudiants :

Étape 1. De l'électron au positron : 1897 - 1932.

Étape 2. Du positron aux quarks : 1932 - 1964.

Étape 3. De l'hypothèse des quarks (1964) à nos jours.

Activités de l'enseignant :

Étape 1.

Élémentaire, c'est-à-dire le plus simple, voire indivisible, c'est ainsi que le célèbre scientifique grec Démocrite a imaginé l'atome. Permettez-moi de vous rappeler que le mot « atome » en traduction signifie « indivisible ». Pour la première fois, l'idée de l'existence de minuscules particules invisibles qui composent tous les objets environnants a été exprimée par Démocrite 400 ans avant JC. La science a commencé à utiliser le concept d'atomes uniquement dans début XIX siècle, où sur cette base il était possible d'expliquer un certain nombre de phénomènes chimiques. Et à la fin de ce siècle, on a découvert structure complexe atome. En 1911, le noyau atomique est découvert (E. Rutherford) et il est finalement prouvé que les atomes ont une structure complexe.

Rappelons-nous les gars : quelles particules font partie de l'atome et les caractérisons brièvement ?

Activité prévue des étudiants :

Activités de l'enseignant : les gars, peut-être que certains d'entre vous se souviennent : par qui et en quelles années l'électron, le proton et le neutron ont-ils été découverts ?

Activité prévue des étudiants :

Électron. En 1898, J. Thomson prouva la réalité de l'existence des électrons. En 1909, R. Millikan mesura pour la première fois la charge d'un électron.

Proton. En 1919, E. Rutherford, en bombardant de l'azote avec des particules, découvrit une particule dont la charge était égale à la charge d'un électron et dont la masse était 1836 fois supérieure à la masse de l'électron. La particule a été nommée proton.

Neutron. Rutherford a également suggéré l'existence d'une particule sans charge dont la masse est égale à la masse d'un proton.

En 1932, D. Chadwick découvrit la particule suggérée par Rutherford et l'appela le neutron.

Activités de l'enseignant : Après la découverte du proton et du neutron, il est devenu clair que les noyaux des atomes, comme les atomes eux-mêmes, ont une structure complexe. La théorie proton-neutron de la structure des noyaux est née (D. D. Ivanenko et V. Heisenberg).

Dans les années 30 du XIXe siècle, dans la théorie de l'électrolyse développée par M. Faraday, la notion d'ion - apparaît et la charge élémentaire est mesurée. La fin du XIXe siècle - outre la découverte de l'électron, est marquée par la découverte du phénomène de radioactivité (A. Becquerel, 1896). En 1905, le concept de quanta fait son apparition en physique. Champ électromagnétique- photons (A. Einstein).

Rappelons-nous : qu'est-ce qu'un photon ?

Activité prévue des étudiants : Photon(ou quantum de rayonnement électromagnétique) est une particule lumineuse élémentaire, électriquement neutre, dépourvue de masse au repos, mais possédant de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Activités de l'enseignant : les particules ouvertes étaient considérées comme des essences primaires indivisibles et immuables, les éléments de base de l’univers. Cependant, cette opinion n’a pas duré longtemps.

Étape 2.

Dans les années 1930, les transformations mutuelles des protons et des neutrons ont été découvertes et étudiées, et il est devenu clair que ces particules ne sont pas non plus les « éléments constitutifs » élémentaires immuables de la nature.

Actuellement, environ 400 particules subnucléaires sont connues (les particules qui composent les atomes, généralement appelées élémentaires). La grande majorité de ces particules sont instables (les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres).

Les seules exceptions sont les photons, les électrons, les protons et les neutrinos.

Le photon, l'électron, le proton et le neutrino sont des particules stables (des particules qui peuvent exister indéfiniment à l'état libre), mais chacune d'elles, lorsqu'elle interagit avec d'autres particules, peut se transformer en d'autres particules.

Toutes les autres particules subissent des transformations spontanées en d'autres particules à certains intervalles, et cela fait principal leur existence.

J'ai mentionné une autre particule : le neutrino. Quelles sont les principales caractéristiques de cette particule ? Par qui et quand a-t-il été découvert ?

Activité prévue de l'étudiant : Le neutrino est une particule dépourvue de charge électrique et sa masse au repos est 0. L'existence de cette particule a été prédite en 1931 par W. Pauli, et en 1955, la particule a été enregistrée expérimentalement. Se manifeste à la suite de la désintégration des neutrons :

Activités de l'enseignant : Les particules élémentaires instables diffèrent considérablement dans leur durée de vie.

La particule qui vit le plus longtemps est le neutron. La durée de vie des neutrons est d'environ 15 minutes.

D’autres particules « vivent » pendant une durée beaucoup plus courte.

Il existe plusieurs dizaines de particules dont la durée de vie dépasse 10 à 17 s. À l’échelle du microcosme, c’est une période significative. De telles particules sont appelées relativement stable .

Majorité de courte durée les particules élémentaires ont des durées de vie de l'ordre de 10 -22 -10 -23 s.

La capacité de transformation mutuelle est la propriété la plus importante de toutes les particules élémentaires.

Les particules élémentaires sont capables de naître et de se détruire (émises et absorbées). Cela s'applique également aux particules stables, à la seule différence que les transformations des particules stables ne se produisent pas spontanément, mais par interaction avec d'autres particules.

Un exemple serait annihilation (c'est à dire. disparition) électron et positon, accompagnés de la naissance de photons de haute énergie.

Un positron est (une antiparticule d'un électron) une particule chargée positivement qui a la même masse et la même charge (en valeur absolue) qu'un électron. Nous parlerons de ses caractéristiques plus en détail dans la prochaine leçon. Disons simplement que l'existence du positron a été prédite par P. Dirac en 1928, et découvert en 1932 en rayons cosmiques K.Anderson.

En 1937, des particules d'une masse de 207 masses électroniques ont été découvertes dans les rayons cosmiques, appelées muons (-mésons). La durée de vie moyenne d'un méson est de 2,2 * 10 -6 s.

Puis, en 1947-1950, ils ouvrirent pivoines (c'est à dire. -mésons). La durée de vie moyenne d'un méson neutre est de 0,87·10 -16 s.

Au cours des années suivantes, le nombre de particules nouvellement découvertes a commencé à croître rapidement. Cela a été facilité par la recherche sur les rayons cosmiques, le développement de la technologie des accélérateurs et l'étude des réactions nucléaires.

Les accélérateurs modernes sont nécessaires pour mener à bien le processus de création de nouvelles particules et pour étudier les propriétés des particules élémentaires. Les particules initiales sont accélérées dans l'accélérateur à des énergies élevées « sur une trajectoire de collision » et entrent en collision les unes avec les autres à un certain endroit. Si l’énergie des particules est élevée, de nombreuses nouvelles particules, généralement instables, naissent au cours du processus de collision. Ces particules, diffusées à partir du point de collision, se désintègrent en particules plus stables, qui sont enregistrées par des détecteurs. Pour chacun de ces actes de collision (les physiciens disent : pour chaque événement) - et ils sont enregistrés en milliers par seconde ! - les expérimentateurs déterminent ainsi des variables cinématiques : les valeurs des impulsions et des énergies des particules « capturées », ainsi que leurs trajectoires (voir figure dans le manuel). En collectant de nombreux événements du même type et en étudiant les distributions de ces grandeurs cinématiques, les physiciens reconstruisent comment l'interaction s'est produite et à quel type de particules peuvent être attribuées les particules résultantes.

Étape 3.

Les particules élémentaires sont regroupées en trois groupes : photons , leptons Et hadrons (Annexe 2).

Les gars, énumérez-moi les particules appartenant au groupe des photons.

Activité prévue des étudiants : Au groupe photons fait référence à une seule particule - un photon

Activités de l'enseignant : le groupe suivant est constitué de particules légères leptons.

Activité prévue des étudiants: ce groupe comprend deux types de neutrinos (électron et muon), l'électron et le ?-méson

Activités de l'enseignant : Les leptons comprennent également un certain nombre de particules non répertoriées dans le tableau.

Le troisième grand groupe est constitué de particules lourdes appelées hadrons. Ce groupe est divisé en deux sous-groupes. Les particules plus légères forment un sous-groupe mésons .

Activité prévue des étudiants : les plus légers d'entre eux sont chargés positivement et négativement, ainsi que les mésons neutres. Les pions sont des quanta du domaine nucléaire.

Activités de l'enseignant : deuxième sous-groupe - baryons - comprend des particules plus lourdes. C'est le plus étendu.

Activité prévue des étudiants : Les baryons les plus légers sont les nucléons – les protons et les neutrons.

Activités de l'enseignant : ils sont suivis par les soi-disant hyperons. L'oméga-moins-hyperon, découvert en 1964, ferme le tableau.

L’abondance des hadrons découverts et nouvellement découverts a conduit les scientifiques à croire qu’ils étaient tous construits à partir d’autres particules plus fondamentales.

En 1964, le physicien américain M. Gell-Man a émis une hypothèse, confirmée par des recherches ultérieures, selon laquelle toutes les particules fondamentales lourdes - les hadrons - sont construites à partir de particules plus fondamentales appelées quarks.

D'un point de vue structurel, les particules élémentaires qui composent les noyaux atomiques (nucléons), et en général toutes les particules lourdes - les hadrons (baryons et mésons) - sont constituées de particules encore plus simples, généralement appelées fondamentales. Dans ce rôle d'éléments primaires véritablement fondamentaux de la matière se trouvent les quarks, dont la charge électrique est égale à +2/3 ou -1/3 de la charge unitaire positive d'un proton.

Les quarks les plus courants et les plus légers sont appelés up et down et sont désignés respectivement par u (de l'anglais up) et d (down). Parfois, ils sont également appelés quarks à protons et à neutrons en raison du fait que le proton est constitué d'une combinaison de uud et de neutron - udd. Le quark top a une charge de +2/3 ; bas - charge négative -1/3. Puisqu'un proton est constitué de deux quarks up et un down, et qu'un neutron est constitué d'un quark up et de deux quarks down, vous pouvez vérifier indépendamment que la charge totale du proton et du neutron est strictement égale à 1 et 0.

Les deux autres paires de quarks font partie de particules plus exotiques. Les quarks de la deuxième paire sont appelés charmés - c (de charmé) et étranges - s (de étrange).

La troisième paire est constituée de quarks true - t (de vérité, ou dans la tradition anglaise top) et beautiful - b (de beauty, ou dans la tradition anglaise bottom).

Presque toutes les particules constituées de diverses combinaisons de quarks ont déjà été découvertes expérimentalement

Avec l'acceptation de l'hypothèse des quarks, il a été possible de créer un système harmonieux de particules élémentaires. De nombreuses recherches de quarks à l'état libre, effectuées dans des accélérateurs de haute énergie et dans les rayons cosmiques, ont échoué. Les scientifiques pensent que l'une des raisons pour lesquelles les quarks libres ne sont pas observables est peut-être leur très grande masse. Cela empêche la naissance de quarks aux énergies atteintes dans les accélérateurs modernes.

Cependant, en décembre 2006, un étrange message concernant la découverte de « quarks top libres » a été diffusé dans les agences de presse scientifique et dans les médias.

4. Vérification initiale de la compréhension.

Activités de l'enseignant : alors les gars, nous avons couvert :

• principales étapes du développement de la physique des particules
• découvert quelle particule est appelée élémentaire
• s'est familiarisé avec la typologie des particules.

Dans la prochaine leçon, nous examinerons :

• plus classement détaillé particules élémentaires
• types d'interactions de particules élémentaires
• antiparticules.

Et maintenant je vous propose de faire un test pour faire revivre dans votre mémoire les principaux points de la matière que nous avons étudiée (Annexe 3).

5. Résumer la leçon.

Activités du professeur : Donner des notes aux élèves les plus actifs.

6. Devoirs

Activités de l'enseignant :

1. article 115, page 347

2. plan du paragraphe selon le plan enregistré dans la leçon.

Les physiciens ont découvert l'existence de particules élémentaires en étudiant les processus nucléaires. Ainsi, jusqu'au milieu du XXe siècle, la physique des particules élémentaires était une branche de la physique nucléaire. Actuellement, la physique des particules élémentaires et la physique nucléaire sont des branches proches mais indépendantes de la physique, unies par les nombreux problèmes considérés et les méthodes de recherche utilisées. La tâche principale de la physique des particules élémentaires est l'étude de la nature, des propriétés et des transformations mutuelles des particules élémentaires.
L’idée selon laquelle le monde est constitué de particules fondamentales a une longue histoire. Pour la première fois, l'idée de l'existence des plus petites particules invisibles qui composent tous les objets environnants a été exprimée 400 ans avant JC par le philosophe grec Démocrite. Il a appelé ces particules des atomes, c'est-à-dire des particules indivisibles. La science n'a commencé à utiliser l'idée d'atomes qu'au début du XIXe siècle, lorsque, sur cette base, il était possible d'expliquer un certain nombre de phénomènes chimiques. Dans les années 30 du XIXe siècle, dans la théorie de l'électrolyse développée par M. Faraday, apparaît la notion d'ion et la charge élémentaire est mesurée. La fin du XIXe siècle est marquée par la découverte du phénomène de radioactivité (A. Becquerel, 1896), ainsi que par celle des électrons (J. Thomson, 1897) et des particules alpha (E. Rutherford, 1899). En 1905, l'idée des quanta-photons du champ électromagnétique (A. Einstein) est apparue en physique.
En 1911, le noyau atomique est découvert (E. Rutherford) et il est finalement prouvé que les atomes ont une structure complexe. En 1919, Rutherford découvrit des protons dans les produits de fission des noyaux atomiques d'un certain nombre d'éléments. En 1932, J. Chadwick découvre le neutron. Il est devenu clair que les noyaux des atomes, comme les atomes eux-mêmes, ont une structure complexe. La théorie proton-neutron de la structure des noyaux est née (D. D. Ivanenko et V. Heisenberg). Dans la même année 1932, un positron fut découvert dans les rayons cosmiques (K. Anderson). Un positon est une particule chargée positivement qui a la même masse et la même charge (modulo) qu’un électron. L'existence du positron a été prédite par P. Dirac en 1928. Au cours de ces années, les transformations mutuelles des protons et des neutrons ont été découvertes et étudiées, et il est devenu clair que ces particules ne sont pas non plus les « éléments constitutifs » élémentaires immuables de la nature. En 1937, des particules d'une masse de 207 masses électroniques, appelées muons (μ-mésons), ont été découvertes dans les rayons cosmiques. Puis, en 1947-1950, des pions (c'est-à-dire des mésons π) furent découverts qui, selon idées modernes, réalisent l'interaction entre les nucléons dans le noyau. Au cours des années suivantes, le nombre de particules nouvellement découvertes a commencé à croître rapidement. Cela a été facilité par la recherche sur les rayons cosmiques, le développement de la technologie des accélérateurs et l'étude des réactions nucléaires.
Actuellement, on connaît environ 400 particules subnucléaires, communément appelées élémentaires. La grande majorité de ces particules sont instables. Les seules exceptions sont les photons, les électrons, les protons et les neutrinos. Toutes les autres particules subissent des transformations spontanées en d'autres particules à certains intervalles. Les particules élémentaires instables diffèrent considérablement dans leur durée de vie. La particule qui vit le plus longtemps est le neutron. La durée de vie des neutrons est d'environ 15 minutes. D’autres particules « vivent » pendant une durée beaucoup plus courte. Par exemple, la durée de vie moyenne d'un méson μ est de 2,2·10–6 s, et celle d'un méson π neutre est de 0,87·10–16 s. De nombreuses particules massives – les hypérons – ont une durée de vie moyenne de l’ordre de 10 à 10 s.
Il existe plusieurs dizaines de particules dont la durée de vie dépasse 10 à 17 s. À l’échelle du microcosme, c’est une période significative. De telles particules sont dites relativement stables. La plupart des particules élémentaires à vie courte ont une durée de vie de l'ordre de 10-22-10-23 s.
La capacité de subir des transformations mutuelles est la propriété la plus importante de toutes les particules élémentaires. Les particules élémentaires sont capables de naître et de se détruire (émises et absorbées). Cela s'applique également aux particules stables, à la seule différence que les transformations des particules stables ne se produisent pas spontanément, mais par interaction avec d'autres particules. Un exemple est l’annihilation (c’est-à-dire la disparition) d’un électron et d’un positon, accompagnée de la naissance de photons de haute énergie. Le processus inverse peut également se produire - la naissance d'une paire électron-positon, par exemple, lorsqu'un photon ayant une énergie suffisamment élevée entre en collision avec un noyau. Le proton a également un jumeau aussi dangereux que le positron de l'électron. C'est ce qu'on appelle un antiproton. La charge électrique de l'antiproton est négative. Actuellement, des antiparticules ont été trouvées dans toutes les particules. Les antiparticules sont opposées aux particules car lorsqu'une particule rencontre son antiparticule, leur annihilation se produit, c'est-à-dire que les deux particules disparaissent, se transformant en quanta de rayonnement ou en d'autres particules.
L'antiparticule a même été trouvée dans le neutron. Le neutron et l'antineutron ne diffèrent que par les signes du moment magnétique et de la charge dite baryonique. L'existence d'atomes d'antimatière est possible, dont les noyaux sont constitués d'antinucléons et la coquille de positrons. Lorsque l’antimatière s’annihile avec la matière, l’énergie restante est convertie en énergie de quanta de rayonnement. Ce une énergie énorme, dépassant largement celui libéré lors des réactions nucléaires et thermonucléaires.
Dans la variété des particules élémentaires connues à ce jour, on retrouve un système de classification plus ou moins harmonieux. Dans le tableau 9.9.1 fournit des informations sur les propriétés des particules élémentaires ayant une durée de vie supérieure à 10 à 20 s. Parmi les nombreuses propriétés qui caractérisent une particule élémentaire, le tableau montre uniquement la masse de la particule (en masses électroniques), la charge électrique (en unités de charge élémentaire) et le moment cinétique (appelé spin) en unités de constante de Planck ħ = h. / 2π. Le tableau montre également la durée de vie moyenne des particules.
Groupe
Nom de la particule
Symbole
Masse (en masses électroniques)
Charge électrique
Rotation
Durée de vie (s)
Particule
Antiparticule
Photons
Photon
γ

Écurie
Leptons
Électron neutrino
vous

1 / 2
Écurie
Muon neutrino
νμ

1 / 2
Écurie
Électron
e–
e+

–1 1
1 / 2
Écurie
Méson Mu
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Hadrons
Mésons
Mésons Pi
π0
264,1

0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1

2,6∙10–8
Mésons K
K+
K –
966,4
1 –1

1,24∙10–8
K 0

≈ 10–10–10–8
Méson êta nul
η0

≈ 10–18
Baryons
Proton
p

1836,1
1 –1
1 / 2
Écurie
Neutron
n

Hypéron lambda
Λ0

1 / 2
2,63∙10–10
Hypérons Sigma
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
Xi-hyperons
Ξ 0

1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –

2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Oméga-moins-hyperon
Ω–

–1 1
1 / 2
0,82∙10–11

Tableau 9.9.1.
Les particules élémentaires sont regroupées en trois groupes : les photons, les leptons et les hadrons.
Le groupe de photons comprend une seule particule - un photon, porteur de l'interaction électromagnétique.
Le groupe suivant est constitué de particules leptoniques légères. Ce groupe comprend deux types de neutrinos (électrons et muons), les électrons et les mésons µ. Les leptons comprennent également un certain nombre de particules non répertoriées dans le tableau. Tous les leptons ont un spin
Le troisième grand groupe est constitué de particules lourdes appelées hadrons. Ce groupe est divisé en deux sous-groupes. Les particules plus légères constituent un sous-groupe de mésons. Les plus légers d'entre eux sont chargés positivement et négativement, ainsi que les mésons π neutres avec des masses de l'ordre de 250 masses électroniques (tableau 9.9.1). Les pions sont des quanta du champ nucléaire, tout comme les photons sont des quanta du champ électromagnétique. Ce sous-groupe comprend également quatre mésons K et un méson η0. Tous les mésons ont un spin égal à zéro.
Le deuxième sous-groupe - les baryons - comprend des particules plus lourdes. C'est le plus étendu. Les baryons les plus légers sont les nucléons : les protons et les neutrons. Ils sont suivis par ce qu'on appelle les hyperons. Clôture le tableau, l'hypéron oméga moins, découvert en 1964. C'est une particule lourde d'une masse de 3273 masses électroniques. Tous les baryons ont une rotation
L’abondance des hadrons découverts et nouvellement découverts a conduit les scientifiques à croire qu’ils étaient tous construits à partir d’autres particules plus fondamentales. En 1964, le physicien américain M. Gell-Man a avancé une hypothèse, confirmée par des recherches ultérieures, selon laquelle toutes les particules fondamentales lourdes - les hadrons - sont construites à partir de particules plus fondamentales appelées quarks. L'hypothèse des quarks a non seulement permis de comprendre la structure des hadrons déjà connus, mais également de prédire l'existence de nouveaux hadrons. La théorie de Gell-Mann supposait l'existence de trois quarks et de trois antiquarks, connectés les uns aux autres selon diverses combinaisons. Ainsi, chaque baryon est constitué de trois quarks et chaque antibaryon est constitué de trois antiquarks. Les mésons sont constitués de paires quark-antiquark.
Avec l'acceptation de l'hypothèse des quarks, il a été possible de créer un système harmonieux de particules élémentaires. Cependant, les propriétés prédites de ces particules hypothétiques se sont révélées tout à fait inattendues. La charge électrique des quarks doit être exprimée nombres fractionnaires, égal à la charge élémentaire.
De nombreuses recherches de quarks à l'état libre, effectuées dans des accélérateurs de haute énergie et dans les rayons cosmiques, ont échoué. Les scientifiques pensent que l'une des raisons pour lesquelles les quarks libres ne sont pas observables est peut-être leur très grande masse. Cela empêche la naissance de quarks aux énergies atteintes dans les accélérateurs modernes. Cependant, la plupart des experts sont désormais convaincus que les quarks existent à l’intérieur de particules lourdes – les hadrons.
Interactions fondamentales. Les processus auxquels participent diverses particules élémentaires diffèrent considérablement par leurs temps et énergies caractéristiques. Selon les concepts modernes, il existe quatre types d'interactions dans la nature qui ne peuvent être réduites à d'autres types d'interactions plus simples : fortes, électromagnétiques, faibles et gravitationnelles. Ces types d'interactions sont appelés fondamentaux.
L’interaction forte (ou nucléaire) est la plus intense de tous les types d’interactions. Ils provoquent une liaison exceptionnellement forte entre les protons et les neutrons dans les noyaux des atomes. Seules les particules lourdes – les hadrons (mésons et baryons) – peuvent participer à des interactions fortes. Une interaction forte se manifeste à des distances de l’ordre de moins de 10 à 15 m, c’est pourquoi on l’appelle à courte portée.
Interaction électromagnétique. Toutes les particules chargées électriquement, ainsi que les photons - quanta du champ électromagnétique, peuvent participer à ce type d'interaction. L’interaction électromagnétique est notamment responsable de l’existence des atomes et des molécules. Il détermine de nombreuses propriétés des substances à l'état solide, liquide et gazeux. La répulsion coulombienne des protons conduit à une instabilité des noyaux de masse importante. L'interaction électromagnétique détermine les processus d'absorption et d'émission de photons par les atomes et les molécules de matière ainsi que de nombreux autres processus dans la physique du micro et du macromonde.
L’interaction faible est la plus lente de toutes les interactions se produisant dans le microcosme. Toutes les particules élémentaires, à l'exception des photons, peuvent y participer. Une interaction faible est responsable de processus impliquant des neutrinos ou des antineutrinos, par exemple la désintégration bêta des neutrons.

Ainsi que les processus de désintégration des particules sans neutrinos avec temps fort durée de vie (τ ≥ 10–10 s).
L'interaction gravitationnelle est inhérente à toutes les particules sans exception, cependant, en raison des petites masses de particules élémentaires, les forces d'interaction gravitationnelle entre elles sont négligeables et leur rôle dans les processus du micromonde est insignifiant. Les forces gravitationnelles jouent un rôle déterminant dans l'interaction des objets cosmiques (étoiles, planètes, etc.) avec leurs énormes masses.
Dans les années 30 du 20e siècle, une hypothèse est apparue selon laquelle dans le monde des particules élémentaires, les interactions s'effectuent par l'échange de quanta d'un certain champ. Cette hypothèse a été initialement avancée par nos compatriotes I. E. Tamm et D. D. Ivanenko. Ils ont proposé que les interactions fondamentales résultent de l'échange de particules, tout comme la liaison chimique covalente des atomes résulte de l'échange d'électrons de valence qui se combinent sur des couches électroniques non remplies.
L'interaction réalisée par l'échange de particules est appelée interaction d'échange en physique. Par exemple, l'interaction électromagnétique entre les particules chargées se produit en raison de l'échange de photons - quanta du champ électromagnétique.
La théorie de l'interaction d'échange a été reconnue après que le physicien japonais H. Yukawa ait montré théoriquement en 1935 que la forte interaction entre les nucléons dans les noyaux des atomes peut s'expliquer si l'on suppose que les nucléons échangent des particules hypothétiques appelées mésons. Yukawa a calculé la masse de ces particules, qui s'est avérée être approximativement égale à 300 masses électroniques. Des particules d’une telle masse ont ensuite été découvertes. Ces particules sont appelées mésons π (pions). Actuellement, trois types de pions sont connus : π+, π– et π0 (voir tableau 9.9.1).
En 1957, l’existence de particules lourdes, appelées bosons vecteurs W+, W– et Z0, a été théoriquement prédite, provoquant le mécanisme d’échange de l’interaction faible. Ces particules ont été découvertes en 1983 lors d'expériences avec des accélérateurs utilisant des collisions de faisceaux de protons et d'antiprotons de haute énergie. La découverte des bosons vecteurs a été très réalisation importante la physique des particules. Cette découverte a marqué le succès de la théorie, qui combinait les forces électromagnétiques et faibles en une seule force dite électrofaible. Cette nouvelle théorie considère le champ électromagnétique et le champ d’interaction faible comme des composantes différentes d’un même champ, auquel participent les bosons vectoriels aux côtés du champ électromagnétique quantique.
Après cette découverte de la physique moderne, la certitude que tous les types d'interactions sont étroitement liés les uns aux autres et, par essence, sont diverses manifestations un champ unifié. Cependant, l’unification de toutes les interactions ne reste qu’une hypothèse scientifique séduisante.
Les physiciens théoriciens déploient des efforts considérables pour tenter de considérer sur une base unifiée non seulement les interactions électromagnétiques et faibles, mais également les interactions fortes. Cette théorie s’appelait la Grande Unification. Les scientifiques suggèrent que l'interaction gravitationnelle devrait également avoir son propre porteur - une particule hypothétique appelée graviton. Cependant, cette particule n’a pas encore été découverte.
Il est désormais considéré comme prouvé qu’un champ unique réunissant tous les types d’interaction ne peut exister qu’à des énergies de particules extrêmement élevées, inaccessibles avec les accélérateurs modernes. Les particules n'ont pu avoir des énergies aussi élevées qu'au tout début de l'existence de l'Univers, résultant de ce qu'on appelle le Big Bang. La cosmologie – l'étude de l'évolution de l'Univers – suggère que le Big Bang s'est produit il y a 18 milliards d'années. Dans le modèle standard de l'évolution de l'Univers, on suppose que dans la première période après l'explosion, la température pourrait atteindre 1032 K et l'énergie des particules E = kT pourrait atteindre 1019 GeV. Durant cette période, la matière existait sous forme de quarks et de neutrinos, et tous les types d'interactions étaient combinés en un seul champ de force. Au fur et à mesure que l'Univers s'étendait, l'énergie des particules diminuait et du champ d'interactions unifié émergeait d'abord l'interaction gravitationnelle (à des énergies de particules ≤ 1019 GeV), puis l'interaction forte séparée de l'interaction électrofaible (à des énergies de l'ordre de 1 019 GeV). de 1014 GeV). À des énergies de l’ordre de 103 GeV, les quatre types d’interactions fondamentales se sont révélés séparés. Simultanément à ces processus, la formation de formes de matière plus complexes a eu lieu - nucléons, noyaux légers, ions, atomes, etc. La cosmologie dans son modèle tente de retracer l'évolution de l'Univers sur differentes etapes son évolution depuis le Big Bang jusqu'à nos jours, basée sur les lois de la physique des particules élémentaires, ainsi que de la physique nucléaire et atomique.

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Attention! Les aperçus des diapositives sont fournis à titre informatif uniquement et peuvent ne pas représenter toutes les fonctionnalités de la présentation. Si tu es intéressé ce travail, veuillez télécharger la version complète.

Le cours se déroule en 11e année et est conçu pour 2 heures académiques et est divisé en plusieurs blocs :

• caractéristiques décrivant l’état d’un électron dans un atome ;

Chacun de ces blocs peut être considéré à la fois individuellement et collectivement. Ainsi, le bloc « Étapes de développement de la physique des particules élémentaires » (diapositives 1 à 5) peut être envisagé en 9e année lors de l'étude du sujet concerné à un niveau introductif. Également en 9e année, vous pouvez utiliser le bloc « Méthodes d'enregistrement des particules élémentaires » (Diapositives 29 à 31) pour organiser le travail des élèves avec le manuel. Le bloc « Types d'interaction et leurs propriétés » (Diapositives 11 à 15) peut être utilisé dans les premières leçons de la 10e année.

Avant d'étudier le sujet en 11e année (une semaine), les élèves sont chargés de préparer des messages dans les domaines suivants :

• étapes de développement de la physique des particules élémentaires ;
• types d'interactions et leurs propriétés ;
• méthodes d'enregistrement de particules élémentaires.

Ils ont déjà étudié ces sujets plus tôt (9e et 10e années), donc la préparation ne prend pas beaucoup de temps et ne soulève généralement pas de questions. Pendant le cours, les élèves prennent des notes dans leurs cahiers d'exercices en fonction de messages et de diapositives de présentation. Le bloc « Caractéristiques décrivant l'état d'un électron dans les atomes » est abordé sous forme de cours magistral. Au fur et à mesure que le cours progresse, les étudiants écrivent uniquement les noms des caractéristiques.

Livres d'occasion:

1. Manuel élémentaire de physique, éd. acad. G.S. Landsberg. Tome 3. M. : « Sciences », 1975
2. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Cours de physique. Tome 3. M. : « lycée", 1971
3. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Physique : Pour les lycéens et ceux qui entrent à l'université. M. : « Outarde », 2000
4. Votre tuteur. La physique. Conférences interactives. Disque 1. LLC "Technologies multimédias et Apprentissage à distance", 2003
5. L.Ya. Borevski Cours de physique pour le 21ème siècle. M. : « MediaHouse », 2003

Sujet de la leçon :"Les particules élémentaires et leurs propriétés"

Le but de la leçon :

• Éducatif: recrutez des étudiants qui maîtrisent les connaissances suivantes :

  • dans le microcosme, on distingue trois niveaux, différant par des échelles et des énergies caractéristiques (moléculaire-atomique, nucléaire, niveau des particules élémentaires) ;
  • dans la nature, il existe environ 400 particules élémentaires différentes (avec les antiparticules) ;
  • Il existe 4 types d'interactions fondamentales (forte, électromagnétique, faible, gravitationnelle)
  • une forte interaction est caractéristique des particules lourdes ; en électromagnétisme, seules les particules chargées électriquement sont directement impliquées ; une faible interaction est caractéristique de toutes les particules à l'exception des photons ; l'interaction gravitationnelle est inhérente à tous les corps de l'Univers, se manifestant sous forme de forces gravité universelle;
  • les interactions fondamentales diffèrent par leur intensité, leur portée d'action, leurs temps caractéristiques, ainsi que leurs lois de conservation inhérentes ;
  • toutes les particules élémentaires sont divisées en leptons (fondamentaux) et hadrons (composites) ;
  • les hadrons sont divisés en mésons et baryons ;
• Du développement: obtenir des étudiants qui ont appris les types suivants activités:
  • reconnaître différentes sortes interactions fondamentales selon leurs caractéristiques ;
  • effectuer la classification des particules élémentaires ;
  • noter les réactions de transformations des particules élémentaires en tenant compte des lois de conservation ;
  • décrire la conception et le principe de fonctionnement des instruments d'enregistrement des particules élémentaires ;
• Éducatif: convaincre les étudiants que :
  • toutes les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres, et ces transformations mutuelles sont le fait principal de leur existence ;
  • l'identification du mécanisme général (d'échange) de toutes les interactions fondamentales laisse espérer la possibilité de construire une théorie unifiée qui explique l'image du monde ;
  • Composants la matière sont : 6 types de quarks et 6 leptons dont l'interaction entre eux s'effectue grâce à l'échange de porteurs d'interactions correspondants (photon, 8 gluons, 3 bosons intermédiaires et un graviton)

Type de cours : combiné.

Équipement: projecteur multimédia, écran, ordinateur, tableau « Méthodes d'enregistrement des particules », tableau « Interactions fondamentales », polycopiés ( Annexe 1 , Annexe 2 )

Plan de cours:

I. Activation des connaissances

Discours d'ouverture de l'enseignant sur la nécessité de comprendre l'image scientifique du monde.

II. Acquisition de connaissances

1) Message de l'étudiant « Étapes de développement de la physique des particules » (Diapositives 1 à 5)
2) Conférence « État d'un électron dans un atome » (Diapositives 6-10)
3) Message « Types d'interactions » (Diapositives 11-15)
4) Conférence « Caractéristiques des particules élémentaires » (Diapositives 16-28)
5) Message de l'élève « Méthodes d'enregistrement des particules élémentaires » (Diapositives 29-31)

3) Expliquer la possibilité des réactions présentées du point de vue des lois de conservation de charge (les réactions sont choisies à la discrétion de l'enseignant). Utiliser les données du tableau ( Annexe 1 )

4) En utilisant la loi de conservation de charge, tableau 2 ( Annexe 1 ) Et Annexe 2 , expliquer la composition en quarks de certains hadrons (à la discrétion de l'enseignant)

IV. Contrôle des connaissances

Exercice 1.

Sur la base des propriétés proposées, déterminez à quel type appartiennent les interactions présentées.

Type d'interaction	Intensité	Temps caractéristique, s
	1/137	~10-20
	~1	~ 10-23
	~ 10-38	?
	~ 10-10	~

Tâche 2.

Les porteurs de quel type d'interaction sont :

• Gluons
• Bosons intermédiaires
• Photons
• Gravitons

Tâche 3.

Quelle est la portée de chaque interaction ?

V. Devoirs

§§ 115, 116, résumé du chapitre 14

Afin d'expliquer les propriétés et le comportement des particules élémentaires, il faut les doter, en plus de leur masse, de leur charge électrique et de leur type, d'un certain nombre de grandeurs supplémentaires qui leur sont caractéristiques (nombres quantiques), dont nous parlerons ci-dessous.

Les particules élémentaires sont généralement divisées en quatre classes . En plus de ces classes, on suppose l'existence d'une autre classe de particules - gravitons (quanta du champ gravitationnel). Ces particules n'ont pas encore été découvertes expérimentalement.

Donne moi brève description quatre classes de particules élémentaires.

Une seule particule appartient à l'un d'eux - photon .

Photons (quanta de champ électromagnétique) participent aux interactions électromagnétiques, mais n'ont pas d'interactions fortes et faibles.

La deuxième classe est formée leptons , troisième - hadrons et enfin le quatrième - bosons de jauge (Tableau 2)

Tableau 2

Particules élémentaires
Leptons	Étalonnage bosons	Hadrons
		n, p, les hyperons Baryonique résonances	Mésonique résonances

Leptons (Grec " leptos" - facile) - particules,impliqué dans les interactions électromagnétiques et faibles. Il s'agit notamment de particules qui n'ont pas d'interaction forte : les électrons (), les muons (), les taons (), ainsi que les neutrinos électroniques (), les neutrinos du muon () et les neutrinos du tau (). Tous les leptons ont des spins égaux à 1/2 et sont donc fermions . Tous les leptons ont une interaction faible. Ceux qui ont une charge électrique (c'est-à-dire les muons et les électrons) ont également une interaction électromagnétique. Les neutrinos ne participent qu'aux interactions faibles.

Hadrons (Grec " adros" – grand, massif) - particules,participer à des activités fortes,interactions électromagnétiques et faibles. Aujourd’hui, plus d’une centaine de hadrons sont connus et répartis en baryons Et mésons .

Baryons - hadrons,composé de trois quarks (qqq) et ayant le numéro de baryon B = 1.

La classe des baryons regroupe les nucléons ( p, n) et des particules instables de masse supérieure à la masse des nucléons, appelées les hyperons (). Tous les hypérons ont une forte interaction et interagissent donc activement avec les noyaux atomiques. Le spin de tous les baryons est de 1/2, donc les baryons sont fermions . A l'exception du proton, tous les baryons sont instables. Lorsqu'un baryon se désintègre, avec d'autres particules, un baryon se forme nécessairement. Ce modèle est l'un des manifestations de la loi de conservation de la charge baryonique.

Mésons - hadrons,constitué d'un quark et d'un antiquark () et ayant un nombre de baryon B = 0.

Les mésons sont des particules instables qui interagissent fortement et ne portent pas de charge dite baryonique. Il s'agit notamment des -mésons ou pions (), des mésons K ou des kaons ( ), et -mésons. Les masses et les mésons sont identiques et égaux respectivement à 273,1, 264,1 durée de vie et s. La masse des mésons K est de 970. La durée de vie des mésons K est de l'ordre de s. La masse des mésons êta est de 1074, la durée de vie est de l'ordre de s. Contrairement aux leptons, les mésons ont non seulement une interaction faible (et s'ils sont chargés, électromagnétique), mais aussi une interaction forte, qui se manifeste lorsqu'ils interagissent entre eux, ainsi que lors de l'interaction entre mésons et baryons. Le spin de tous les mésons est nul, ils sont donc bosons.

Bosons de jauge - particules,interaction entre fermions fondamentaux(quarks et leptons). Ce sont des particules W + , W – , Z 0 et huit types de gluons g. Cela inclut également le photon γ.

Propriétés des particules élémentaires

Chaque particule est décrite par un ensemble grandeurs physiques– des nombres quantiques qui déterminent ses propriétés. Les caractéristiques des particules les plus couramment utilisées sont les suivantes.

Masse des particules , m. Les masses des particules varient considérablement de 0 (photon) à 90 GeV ( Z-boson). Z-le boson est la particule connue la plus lourde. Cependant, des particules plus lourdes peuvent également exister. Les masses des hadrons dépendent des types de quarks qu'ils contiennent, ainsi que de leurs états de spin.

Durée de vie , τ. Selon leur durée de vie, les particules sont divisées en particules stables, ayant relativement temps fort Vie et instable.

À particules stables inclure des particules qui se désintègrent par des interactions faibles ou électromagnétiques. La division des particules en particules stables et instables est arbitraire. Par conséquent, les particules stables comprennent des particules telles que l'électron, le proton, pour lesquels aucune désintégration n'a actuellement été détectée, et le méson π 0, qui a une durée de vie τ = 0,8×10 - 16 s.

À particules instables inclure des particules qui se désintègrent à la suite d’interactions fortes. On les appelle généralement résonances . La durée de vie caractéristique des résonances est de 10 - 23 -10 - 24 s.

Rotation J.. La valeur de spin est mesurée en unités ħ et peut prendre des valeurs 0, demi-entière et entière. Par exemple, le spin des mésons π et K est égal à 0. Le spin d'un électron et d'un muon est égal à 1/2. Le spin d'un photon est de 1. Il existe des particules avec une valeur de spin plus grande. Les particules à spin demi-entier obéissent aux statistiques de Fermi-Dirac, et les particules à spin entier obéissent aux statistiques de Bose-Einstein.

Charge électrique q. La charge électrique est un multiple entier de e= 1,6×10 - 19 C, appelée charge électrique élémentaire. Les particules peuvent avoir des charges 0, ±1, ±2.

Parité interne R.. Nombre quantique R. caractérise la propriété de symétrie de la fonction d'onde par rapport aux réflexions spatiales. Nombre quantique R. a la valeur +1, -1.

Outre les caractéristiques communes à toutes les particules, elles utilisent également nombres quantiques attribués uniquement groupes séparés particules.

Nombres quantiques : nombre de baryon DANS, étrangeté s, Charme (charme) Avec, beauté (fond ou beauté) b, supérieur (topitude) t, spin isotopique je attribué uniquement aux particules en interaction forte - hadrons.

Numéros de Lepton L e, L μ , Lτ. Les numéros de leptons sont attribués aux particules qui forment un groupe de leptons. Leptons e, μ et τ participent uniquement aux interactions électromagnétiques et faibles. Leptons ν e, n μ et n τ ne participent qu'aux interactions faibles. Les nombres de Lepton ont des significations L e, L μ , Lτ = 0, +1, -1. Par exemple, e - , neutrino électronique n e avoir L e= +l; , avoir L e= - l. Tous les hadrons ont .

Nombre de baryon DANS. Le nombre de baryons est important DANS= 0, +1, -1. Les baryons, par exemple, n, R., Λ, Σ, les résonances nucléiques ont un nombre de baryon DANS= +1. Les mésons, les résonances mésoniques ont DANS= 0, les antibaryons ont DANS = -1.

Étrangeté s. Les nombres quantiques s peuvent prendre les valeurs -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 et sont déterminés par la composition en quarks des hadrons. Par exemple, les hypérons Λ, Σ ont s= -l; K + - , K– - les mésons ont s= + l.

Charme Avec. Nombre quantique Avec Avec= 0, +1 et -1. Par exemple, le baryon Λ+ a Avec = +1.

Fond b. Nombre quantique b peut prendre les valeurs -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Actuellement, on a découvert des particules qui ont b= 0, +1, -1. Par exemple, DANS+ -méson a b = +1.

Topness t. Nombre quantique t peut prendre les valeurs -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Actuellement, une seule condition a été découverte avec t = +1.

Isospin je. Les particules en interaction forte peuvent être divisées en groupes de particules ayant des propriétés similaires (la même valeur de spin, de parité, de nombre de baryons, d'étrangeté et d'autres nombres quantiques conservés dans les interactions fortes) - multiplets isotopiques. Valeur isospin je détermine le nombre de particules incluses dans un multiplet isotopique, n Et R. constitue un doublet isotopique je= 1/2 ; Σ + , Σ - , Σ 0 sont inclus dans triplet isotopique je= 1, - singulet isotopique je= 0, nombre de particules incluses dans une multiplet isotopique, 2je + 1.

g - parité est un nombre quantique correspondant à la symétrie par rapport à l'opération simultanée de conjugaison de charges Avec et changements dans le signe du troisième composant je isospin. G- la parité n'est conservée que dans les interactions fortes.

Monde des particules élémentaires

Leçon en 11e année

Le but de la leçon :

Éducatif:

Familiariser les étudiants avec la structure des particules élémentaires, avec les caractéristiques des forces et des interactions à l'intérieur du noyau ; apprendre à résumer et analyser les connaissances acquises, à exprimer correctement vos pensées ; favoriser le développement de la pensée, la capacité à structurer l'information ; cultiver des attitudes émotionnelles et fondées sur des valeurs envers le monde

Éducatif:

Continuez à développer la réflexion, la capacité d’analyser, de comparer et de tirer des conclusions logiques.

Développer la curiosité, la capacité d’appliquer les connaissances et l’expérience dans différentes situations.

Éducatif:

Développement des compétences intellectuelles de travail en équipe ; éducation des fondements de la conscience morale de soi (pensée : la responsabilité d'un scientifique, d'un découvreur pour les fruits de ses découvertes) ;

Éveiller l’intérêt des étudiants pour la littérature scientifique populaire et pour l’étude des conditions préalables à la découverte de phénomènes spécifiques.

Le but de la leçon :

Créer les conditions du développement des compétences intellectuelles et communicatives dans lesquelles l'étudiant sera capable de :

Nommer les principaux types de particules élémentaires ;

Comprendre l'ambiguïté du modèle standard moderne du monde ;

Formulez vos idées sur l'histoire du développement des particules élémentaires ;

Analyser le rôle du développement physique élémentaire;

Classer les particules élémentaires selon leur composition ;

Pensez à la nécessité d'avoir votre propre position, d'être tolérant envers un autre point de vue ;

Démontrer une communication sans conflit lorsque vous travaillez en groupe.

Type de cours : apprendre du nouveau matériel.

Format du cours : leçon combinée.

Méthodes de cours : verbal, visuel, pratique.

Équipement: présentation informatique, projecteur multimédia, classeurétudiant, ordinateur personnel.

Étapes de la leçon	Temps, min.	Méthodes et techniques
1.Introduction organisationnelle. Énoncé du problème éducatif.		Enregistrez le sujet de la leçon. L'histoire du professeur.
2. Actualisation des connaissances (présentation de l'étudiant)		L’histoire de l’élève sur les connaissances existantes, les prérequis pour apprendre de nouvelles choses.
3. Apprendre du nouveau matériel (présentation de l'enseignant)		Histoire de l'enseignant à l'aide de diapositives. Observation. Conversation. Histoire d'étudiant à l'aide de diapositives.
4. Pratiquer la matière étudiée. Consolidation.		Consolidation selon les notes justificatives et travailler avec le manuel. Réponses aux questions de sécurité.
5. Résumer. Devoirs		Identification de l'essentiel par l'enseignant et les élèves.

Pendant les cours

Organisation du temps leçon(salut, vérification de l'état de préparation des élèves pour le cours)

Aujourd'hui, dans la leçon, nous examinerons différents points de vue sur la structure du monde, de quelles particules sont constitués tout ce qui nous entoure. La leçon ressemblera à un cours magistral et nécessitera principalement votre attention.

Au début de la leçon, je souhaite attirer votre attention sur l'histoire de l'origine de la doctrine des particules.

2. Actualisation des connaissances (Présentation d'Aleksakhina V. « Historique du développement des connaissances sur les particules »)

Diapositive 2. Atomisme ancien- ce sont des idées sur la structure du monde d'anciens scientifiques. Selon Démocrite, les atomes étaient des particules éternelles, immuables, indivisibles, de forme et de taille différentes, qui, une fois unies et séparées, formaient différents corps.

Diapositive 3. Grâce à la découverte par les scientifiques Dirac, Galilée et Newton du principe de relativité, des lois de la dynamique, des lois de conservation, de la loi de la gravitation universelle, au XVIIe siècle l'atomisme des anciens subit des changements importants et s'impose dans la science image mécanique du monde, qui était basé sur l'interaction gravitationnelle - tous les corps et particules y sont soumis, quelle que soit leur charge.

Diapositive 4. Les connaissances accumulées dans l'étude des phénomènes électriques, magnétiques et optiques ont conduit à la nécessité de compléter et de développer l'image du monde. Ainsi, au XIXème siècle et jusqu'au début du XXème siècle, image électrodynamique du monde. Il envisageait déjà deux types d’interactions : gravitationnelle et électromagnétique. Mais ils n'ont pas réussi à expliquer uniquement le rayonnement thermique, la stabilité de l'atome, la radioactivité, l'effet photoélectrique, spectre de raies.

Diapositive 5. Au début du XXe siècle, apparaît l'idée de quantification de l'énergie, soutenue par Planck, Einstein, Bohr, Stoletov, ainsi que le dualisme onde-particule de Louis de Broglie. Ces découvertes ont marqué l'émergence image du monde quantique, dans lequel une forte interaction a également été ajoutée. Le développement actif de la physique des particules élémentaires a commencé.

3. Apprendre du nouveau matériel

Jusque dans les années trente du XXe siècle, la structure du monde apparaissait aux scientifiques sous sa forme la plus claire. sous forme simple. Ils croyaient que « l’ensemble complet » des particules qui composent toute matière est constitué du proton, du neutron et de l’électron. C'est pourquoi on les appelait élémentaires. Ces particules comprennent également le photon, porteur des interactions électromagnétiques.

Diapositive 6.Modèle mondial standard moderne :

La matière est constituée de quarks, de leptons et de particules porteuses d'interaction.

Pour toutes les particules élémentaires, il existe une probabilité de détecter des antiparticules.

Dualité onde-particule. Principes d'incertitude et de quantification.

Les interactions fortes, électromagnétiques et faibles sont décrites par de grandes théories unifiées. La gravité non unie demeure.

Diapositive 7. Le noyau d’un atome est constitué de hadrons, eux-mêmes constitués de quarks. Les hadrons sont des particules participant à des interactions fortes.

Classification des hadrons : Les mésons sont constitués d'un quark et d'un antiquark. Les baryons sont constitués de trois quarks - les nucléons (protons et neutrons) et

les hyperons.

Diapositive 8. Les quarks sont les particules fondamentales qui composent les hadrons. Actuellement, 6 variétés différentes (plus souvent appelées arômes) de quarks sont connues. Les quarks détiennent l'interaction forte et participent aux interactions fortes, faibles et électromagnétiques. Ils échangent entre eux des gluons, des particules de masse nulle et de charge nulle. Pour tous les quarks il existe des antiquarks . Ils ne peuvent pas être observés sous forme libre. Ils ont une charge électrique fractionnaire : +2/3е - appelé quarks U (en haut) et -1/3е - quark d (en bas).

La composition en quarks d'un électron est uud, la composition en quarks d'un proton est udd.

Diapositive 9. Les particules qui ne font pas partie du noyau sont des leptons. Les leptons sont des particules fondamentales qui ne participent pas aux interactions fortes. Aujourd'hui, 6 leptons et 6 de leurs antiparticules sont connus.

Toutes les particules ont des antikystes. Leptons et leurs antiparticules : électron et positron avec eux, neutrino électronique et antineutrino. Muon et antimuon avec eux neutrino muon et antineutrino. Taon et antitaon - neutrino taon et antineutrino.

Diapositive 10. Toutes les interactions dans la nature sont des manifestations de quatre types interactions fondamentales entre les particules fondamentales - les leptons et les quarks.

Forte interaction Les quarks sont sensibles et les gluons en sont les porteurs. Il les lie ensemble pour former des protons, des neutrons et d’autres particules. Cela affecte indirectement la liaison des protons dans noyaux atomiques.

Interaction électromagnétique les particules chargées sont sensibles. Dans ce cas, sous l'influence des forces électromagnétiques, les particules elles-mêmes ne changent pas, mais acquièrent la propriété de se repousser uniquement dans le cas de charges du même nom.

Faible interaction Les quarks et les leptons sont sensibles. L’effet le plus célèbre de l’interaction faible est la transformation d’un quark down en quark up, qui à son tour provoque la désintégration d’un neutron en proton, électron et antineutrino.

L’un des types les plus importants d’interaction faible est Interaction de Higgs. Selon les hypothèses, le champ de Higgs (fond gris) remplit tout l'espace de liquide, limitant ainsi la gamme des interactions faibles. Le boson de Higgs interagit également avec les quarks et les leptons, assurant ainsi l'existence de leur masse.

Interaction gravitationnelle. C'est le plus faible connu. Toutes les particules et porteurs de tous types d'interactions, sans exception, y participent. Elle est réalisée grâce à l'échange de gravitons, les seules particules qui n'ont pas encore été découvertes expérimentalement. L'interaction gravitationnelle est toujours une attraction.

Diapositive 11. De nombreux physiciens espèrent que, tout comme ils ont réussi à combiner les interactions électromagnétiques et faibles dans la force électrofaible, ils seront finalement capables de construire une théorie qui unifiera toutes les interactions. espèce connue interactions dont le nom est « Grande Unification ».

4 . Consolidation des connaissances.

Consolidation primaire(Présentation de Gordienko Zh. « Grand collisionneur de hadrons ». Les scientifiques modernes tentent d'améliorer le processus d'étude des particules afin de réaliser de nouvelles découvertes pour le progrès scientifique et technologique. À cette fin, des projets grandioses centres de recherche et les accélérateurs. L'une de ces structures grandioses est le Grand collisionneur de hadrons.

Consolidation finale(travail en groupe : réponses aux questions du manuel)

Vous êtes répartis en deux groupes : 1er rang et 2ème rang. Vous avez une tâche sur des morceaux de papier : vous devez répondre à des questions, et vous trouverez les réponses dans le manuel au paragraphe 28 (pp. 196 – 198).

Tâches du premier groupe :

Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? (48)

Composition en quarks d'un électron ? (euh)

Énumérez les deux forces les plus fortes (forte et électromagnétique)

Nombre total de gluons ? (8)

Tâches du deuxième groupe :

Combien de particules y a-t-il au cœur de l’univers ? (61)

Composition en quarks du proton ? (beaucoup)

Énumérez les deux forces les plus faibles (faible et gravitationnelle)

Quelles particules effectuent une interaction électromagnétique ? (photon)

Exprimé par les chefs de groupe des réponses aux questions et échange de cartes.

Résumé de la leçon.

Vous avez pris connaissance de certains aspects du développement de la physique moderne et avez désormais représentations élémentaires sur la direction dans laquelle évolue notre science et pourquoi nous en avons besoin.

6. Devoirs. Paragraphe 28.

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? ______________

2. Composition en quarks de l'électron ? ____________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes ______

4. Nombre total de gluons ? _______

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien de particules se trouvent à la base de l’univers ? ________

2. Composition en quarks du proton ? ___________

___________________________________________________________________

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? __________

2. Composition en quarks de l'électron ? __________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes _____________________________________________________________________________________________

4. Nombre total de gluons ? _________

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien de particules se trouvent à la base de l’univers ? ____________

2. Composition en quarks du proton ? _____________

3. Énumérez les deux interactions les plus faibles ______________________

4. Quelles particules effectuent une interaction électromagnétique ? ______

___________________________________________________________________

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? _____________

2. Composition en quarks de l'électron ? ______________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes _________________________________________________________________________________________

4. Nombre total de gluons ? _____

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien de particules se trouvent à la base de l’univers ? ______

2. Composition en quarks du proton ? _________

3. Énumérez les deux interactions les plus faibles _______________________

4. Quelles particules effectuent une interaction électromagnétique ? _______