Particulele elementare și câmpurile lor compendiu. Fizica particulelor elementare. Fizica atomică și nucleară

Clasă: 11

Clasă: 11

Tipul lecției: o lecție în studiul și consolidarea primară a noilor cunoștințe

Metoda de predare: lectura

Forma de activitate a elevilor: frontal, colectiv, individual

Scopul lecției: extindeți înțelegerea studenților asupra structurii materiei; ia în considerare etapele principale în dezvoltarea fizicii elementare a particulelor; pentru a da o idee despre particulele elementare și proprietățile lor.

Obiectivele lecției:

• Educational: să familiarizeze elevii cu conceptul - o particulă elementară, cu tipologia particulelor elementare, precum și cu metode pentru studierea proprietăților particulelor elementare;
• în curs de dezvoltare: dezvolta interesul cognitiv al elevilor, asigurând implicarea lor fezabilă în activitatea cognitivă activă;
• Educational: educarea calităților umane universale - conștientizarea percepției realizărilor științifice din lume; dezvoltarea curiozității, rezistenței.

Echipament pentru lecție:

Materiale didactice: material manual, fișe de test și tabele

Ajutoare vizuale: prezentare

1. Organizarea începutului lecției.

Activitatea profesorului: saluturi reciproce ale profesorului și elevilor, fixarea elevilor, verificarea disponibilității elevilor pentru lecție. Organizarea atenției și includerea elevilor în ritmul de lucru al activității.

organizarea atenției și includerea în ritmul de lucru al afacerii.

2. Pregătirea pentru etapa principală a lecției.

Activitatea profesorului: astăzi vom începe studierea unei noi secțiuni din „Fizica cuantică” - „Particulele elementare”. În acest capitol, vom vorbi despre particulele primare, ulterior indecompozibile, din care este construită toată materia, despre particulele elementare.

Fizicienii au descoperit existența particulelor elementare în studiul proceselor nucleare, prin urmare, până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, fizica elementară a particulelor și fizica nucleară sunt ramuri apropiate, dar independente, ale fizicii, unite de comunitatea multora dintre problemele luate în considerare și de metodele de cercetare utilizate.

Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

Va fi, de asemenea, sarcina noastră principală în studiul fizicii elementare a particulelor.

3. Asimilarea de noi cunoștințe și metode de acțiune.

Activitatea profesorului: Tema lecției: „Etapele dezvoltării fizicii elementare a particulelor”. În lecție vom lua în considerare următoarele întrebări:

• Istoria dezvoltării ideilor că lumea este formată din particule elementare
• Ce sunt particulele elementare?
• Cum se poate obține o particulă elementară separată și este posibil?
• Tipologia particulelor.

Ideea că lumea este formată din particule fundamentale are o istorie lungă. Astăzi, există trei etape în dezvoltarea fizicii elementare a particulelor.

Să deschidem tutorialul. Să ne cunoaștem numele etapelor și intervalele de timp.

Activitatea estimată a elevilor:

Etapa 1. De la electron la pozitron: 1897 - 1932

Etapa 2. De la pozitron la quark: 1932 - 1964

Etapa 3. De la ipoteza quarkurilor (1964) până în prezent.

Activitatea profesorului:

Etapa 1.

Elementar, adică cel mai simplu, indivizibil în continuare, așa și-a imaginat faimosul om de știință grec Democritus atomul. Permiteți-mi să vă reamintesc că cuvântul „atom” din traducere înseamnă „indivizibil”. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată de Democrit cu 400 de ani înainte de era noastră. Știința a început să folosească conceptul de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când pe această bază a fost posibil să se explice o serie de fenomene chimice. Și la sfârșitul acestui secol a fost descoperită structura complexă a atomului. În 1911, a fost descoperit nucleul atomic (E. Rutherford) și s-a dovedit în cele din urmă că atomii au o structură complexă.

Să ne amintim de băieți: ce particule sunt incluse în atom și le caracterizează pe scurt?

Activitatea estimată a elevilor:

Activitatea profesorului: băieți, poate cineva își amintește de la voi: de către cine și în ce ani au fost descoperiți electronul, protonul și neutronul?

Activitatea estimată a elevilor:

Electron. În 1898 J. Thomson a dovedit realitatea existenței electronilor. În 1909, R. Millikan a măsurat prima dată sarcina unui electron.

Proton. În 1919, E. Rutherford, în timp ce bombarda azotul - cu particule, a descoperit o particulă, a cărei sarcină este egală cu sarcina electronului, iar masa este de 1836 ori mai mare decât masa electronului. Particula a fost denumită proton.

Neutron. Rutherford a sugerat, de asemenea, existența unei particule fără sarcină, a cărei masă este egală cu masa protonului.

În 1932, D. Chadwick a descoperit particula pe care Rutherford a sugerat-o și a numit-o neutron.

Activitatea profesorului: după descoperirea protonului și neutronului, a devenit clar că nucleele atomilor, la fel ca atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor ​​(D. D. Ivanenko și V. Heisenberg).

În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei, dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de -ion și s-a efectuat măsurarea sarcinii elementare. Sfârșitul secolului al XIX-lea - pe lângă descoperirea electronului, a fost marcat de descoperirea fenomenului de radioactivitate (A. Becquerel, 1896). În 1905, fizica a dezvoltat conceptul de cuante ale câmpului electromagnetic - fotoni (A. Einstein).

Să ne amintim: ce se numește foton?

Activitatea estimată a elevilor: Foton(sau cuantumul radiației electromagnetice) - o particulă de lumină elementară, neutră din punct de vedere electric, lipsită de masă de repaus, dar care posedă energie și impuls.

Activitatea profesorului: particulele deschise au fost considerate entități inițiale indivizibile și neschimbabile, principalele elemente de bază ale universului. Cu toate acestea, această opinie nu a durat mult.

Etapa 2.

În anii 30, au fost descoperite și investigate transformări reciproce de protoni și neutroni și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „elemente de bază” invariabile ale naturii.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare (particule din care sunt compuși atomi, care sunt de obicei numite elementare). Majoritatea covârșitoare a acestor particule sunt instabile (particulele elementare se transformă una în cealaltă).

Singurele excepții sunt fotonul, electronul, protonul și neutrino.

Fotonul, electronul, protonul și neutrinul sunt particule stabile (particule care pot exista într-o stare liberă pentru o perioadă nelimitată), dar fiecare dintre ele, atunci când interacționează cu alte particule, se poate transforma în alte particule.

Toate celelalte particule la intervale regulate suferă transformări spontane în alte particule și acesta este principalul fapt al existenței lor.

Am menționat o altă particulă - neutrino. Care sunt principalele caracteristici ale acestei particule? De cine și când a fost deschis?

Activitatea studenților prezisă: Neutrino este o particulă lipsită de sarcină electrică și masa de repaus este egală cu 0. Existența acestei particule a fost prezisă în 1931 de V. Pauli, iar în 1955, particula a fost înregistrată experimental. Se manifestă ca urmare a degradării neutronilor:

Activitatea profesorului: particulele elementare instabile sunt foarte diferite între ele în ceea ce privește durata de viață.

Particula cu cea mai lungă viață este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute.

Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt.

Există câteva zeci de particule cu o durată de viață mai mare de 10 -17 s. La scara micromondei, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabil .

Majoritate de scurtă durată particulele elementare au durate de viață de ordinul 10 -22 -10 -23 s.

Capacitatea de a se transforma reciproc este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare.

Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, cu singura diferență că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci atunci când interacționează cu alte particule.

Un exemplu este anihilare (adică dispariție) electron și pozitron, însoțite de producerea de fotoni de mare energie.

Un pozitron este (antiparticula unui electron) o particulă încărcată pozitiv care are aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Despre caracteristicile sale vom vorbi mai detaliat în lecția următoare. Să spunem doar că existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928, iar K. Anderson l-a descoperit în 1932 în raze cosmice.

În 1937, particule cu o masă de 207 mase de electroni au fost descoperite în raze cosmice, numite muoni (-mezoni). Durata medie de viață a unui mezon este de 2,2 * 10 -6 s.

Apoi, în anii 1947-1950 au fost deschise bujori (adică -masoni). Durata medie de viață a unui meson neutru este de 0,87 · 10 -16 s.

În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de studiile razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratorilor și studiul reacțiilor nucleare.

Sunt necesare acceleratoare moderne pentru a implementa procesul de creare a particulelor noi și pentru a studia proprietățile particulelor elementare. Particulele inițiale sunt accelerate în accelerator la energii mari „pe un curs de coliziune” și se ciocnesc între ele într-un anumit loc. Dacă energia particulelor este mare, atunci în procesul de coliziune se nasc multe particule noi, de obicei instabile. Aceste particule, împrăștiate de la punctul de coliziune, se descompun în particule mai stabile, care sunt înregistrate de detectoare. Pentru fiecare astfel de act de coliziune (fizicienii spun: pentru fiecare eveniment) - și sunt înregistrați în mii pe secundă! -experimentatorii ca urmare determină variabilele cinematice: valorile impulsurilor și energiilor particulelor „prinse”, precum și traiectoriile acestora (vezi figura din manual). După ce au colectat multe evenimente de același tip și au studiat distribuțiile acestor mărimi cinematice, fizicienii reconstruiesc modul în care a decurs interacțiunea și ce tip de particule pot fi atribuite particulelor rezultate.

Etapa 3.

Particulele elementare sunt grupate în trei grupe: fotoni , leptoni și hadroni (Anexa 2).

Băieți, spuneți-mi particulele aparținând grupului de fotoni.

Activitatea estimată a elevilor: La grup fotoni există o singură particulă - un foton

Activitatea profesorului: următorul grup este format din particule de lumină leptoni.

Activitatea anticipată a elevilor: acest grup include două tipuri de neutrini (electron și muon), electron și β-meson

Activitatea profesorului: leptonii includ, de asemenea, un număr de particule care nu sunt enumerate în tabel.

Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadroni... Acest grup este împărțit în două subgrupuri. Particulele mai ușoare alcătuiesc un subgrup mezonii .

Activitatea anticipată a elevilor: cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și neutri -măsonii. Bujorii sunt cântecele câmpului nuclear.

Activitatea profesorului: al doilea subgrup - barioni - include particule mai grele. Este cea mai extinsă.

Activitatea estimată a elevilor: cele mai ușoare dintre barioni sunt nucleonii - protoni și neutroni.

Activitatea profesorului: sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Închiderea mesei este omega-minus-hiperon, descoperit în 1964.

Abundența de hadroni descoperiți și nou descoperi i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că toți sunt construiți din alte particule mai fundamentale.

În 1964, fizicianul american M. Gell-Mann a prezentat o ipoteză, confirmată de studii ulterioare, că toate particulele grele fundamentale - hadronii - sunt construite din particule mai fundamentale numite quarks.

Din punct de vedere structural, particulele elementare care alcătuiesc nucleii atomici (nucleoni) și, în general, toate particulele grele - hadroni (barioni și mezoni) - constau din particule chiar mai simple, care sunt de obicei numite fundamentale. În acest rol, elementele primare cu adevărat fundamentale ale materiei sunt quarkurile, a căror sarcină electrică este +2/3 sau -1/3 din sarcina unitară pozitivă a protonului.

Cele mai frecvente și mai ușoare quarcuri sunt numite cuarci sus și jos și denotă, respectiv, u (din engleză sus) și d (jos). Uneori sunt numiți și quarks de protoni și neutroni datorită faptului că protonul constă dintr-o combinație de uud, iar neutronul este udd. Quarkul up are o taxă de +2/3; jos - încărcare negativă -1/3. Deoarece un proton constă din doi în sus și unul în jos, iar un neutron constă dintr-un quarc în sus și doi în jos, puteți verifica în mod independent că sarcina totală a unui proton și a unui neutron se dovedește a fi strict egală cu 1 și 0.

Celelalte două perechi de quarks fac parte din particulele mai exotice. Cuarcurile din a doua pereche sunt numite fermecate - c (din fermecate) și ciudate - din stranii.

Cea de-a treia pereche este alcătuită din quarcurile adevărat - t (din adevăr, sau în tradiția engleză de sus) și frumos - b (din frumusețe, sau în tradiția engleză de jos).

Aproape toate particulele care constau din diverse combinații de quarks au fost deja descoperite experimental

Odată cu adoptarea ipotezei quarkului, a fost posibil să se creeze un sistem armonios de particule elementare. Numeroase căutări de quarks în stare liberă, efectuate la acceleratoare de mare energie și în raze cosmice, nu au avut succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele nerespectării quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne producerea de quarks la energiile care sunt realizate cu acceleratorii moderni.

Cu toate acestea, în decembrie 2006, un mesaj ciudat despre descoperirea „quark-urilor gratuite” a trecut prin fluxurile agențiilor de știri științifice și ale mass-media.

4. Verificarea inițială a înțelegerii.

Activitatea profesorului: deci băieți, am acoperit cu voi:

• principalele etape în dezvoltarea fizicii elementare a particulelor
• am aflat ce particulă se numește elementară
• s-a familiarizat cu tipologia particulelor.

În lecția următoare vom analiza:

• clasificarea mai detaliată a particulelor elementare
• tipuri de interacțiuni ale particulelor elementare
• antiparticule.

Și acum vă sugerez să efectuați un test pentru a revigora în memorie principalele puncte ale materialului pe care l-am studiat (Anexa 3).

5. Rezumând rezultatele lecției.

Activitatea profesorului: notarea celor mai activi elevi.

6. Temele

Activitatea profesorului:

1. pr. 115, clădirea 347

2. un rezumat al paragrafului conform planului înregistrat în lecție.

Fizicienii au descoperit existența particulelor elementare în studiul proceselor nucleare, prin urmare, până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, fizica elementară a particulelor și fizica nucleară sunt ramuri apropiate, dar independente, ale fizicii, unite de caracterul comun al multor probleme analizate și metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.
Ideea că lumea este formată din particule fundamentale are o istorie lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele înconjurătoare a fost exprimată în 400 de ani î.Hr.de filosoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească conceptul de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când pe această bază a fost posibil să se explice o serie de fenomene chimice. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei, dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a efectuat măsurarea sarcinii elementare. Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcat de descoperirea fenomenului de radioactivitate (A. Becquerel, 1896), precum și de descoperirile de electroni (J. Thomson, 1897) și de particule α (E. Rutherford, 1899). În 1905, fizica a dezvoltat conceptul de cuante ale câmpului electromagnetic - fotoni (A. Einstein).
În 1911, a fost descoperit nucleul atomic (E. Rutherford) și s-a dovedit în cele din urmă că atomii au o structură complexă. În 1919, Rutherford a descoperit protoni în produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomice ale mai multor elemente. În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul. A devenit clar că nucleele atomilor, la fel ca atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor ​​(D. D. Ivanenko și V. Heisenberg). În același an, 1932, un pozitron a fost descoperit în razele cosmice (K. Anderson). Un pozitron este o particulă încărcată pozitiv cu aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928. În acești ani, au fost descoperite și investigate transformările reciproce ale protonilor și neutronilor și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „cărămizi” elementare invariabile ale naturii. În 1937, particulele cu o masă de 207 mase de electroni, numite muoni (μ-mezoni), au fost descoperite în raze cosmice. Apoi, în 1947-1950, au fost descoperiți pioni (adică, π-mezoni), care, conform conceptelor moderne, realizează interacțiunea dintre nucleoni din nucleu. În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de studiile razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratorilor și studiul reacțiilor nucleare.
În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt de obicei numite elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile. Singurele excepții sunt fotonul, electronul, protonul și neutrino. Toate celelalte particule suferă transformări spontane în alte particule la intervale regulate. Particulele elementare instabile diferă foarte mult între ele în ceea ce privește durata de viață. Particula cu cea mai lungă viață este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui meson μ este de 2,2 · 10–6 s, iar cea a unui meson π neutru este de 0,87 · 10–16 s. Multe particule masive - hiperoni - au o durată medie de viață de ordinul 10-10 s.
Există câteva zeci de particule cu o durată de viață mai mare de 10-17 s. La scara micromondei, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabile. Cele mai multe particule elementare de scurtă durată au durate de viață de ordinul 10–22–10–23 s.
Capacitatea de a se transforma reciproc este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, cu singura diferență că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci atunci când interacționează cu alte particule. Un exemplu este anihilarea (adică dispariția) unui electron și a unui pozitron, însoțită de producerea de fotoni cu energie mare. De asemenea, poate avea loc procesul opus - crearea unei perechi electron-pozitron, de exemplu, atunci când un foton cu o energie suficient de mare se ciocnește de un nucleu. Protonul are, de asemenea, un dublu atât de periculos ca pozitronul pentru electron. Se numește antiproton. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent, s-au găsit antiparticule în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor, deoarece atunci când orice particulă se întâlnește cu antiparticulele sale, ele anihilează, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiații sau alte particule.
Chiar și neutronul sa dovedit a avea o antiparticulă. Neutronul și antineutronul diferă numai prin semnele momentului magnetic și așa-numita sarcină barionică. Este posibilă existența atomilor de antimaterie, ale căror nuclee constau din antinucleoni și învelișul pozitronilor. În timpul anihilării antimateriei cu materie, energia restului este convertită în energia cuantelor de radiații. Aceasta este o energie extraordinară, semnificativ superioară celei eliberate în timpul reacțiilor nucleare și termonucleare.
În varietatea particulelor elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios. Masa 9.9.1 prezintă câteva informații despre proprietățile particulelor elementare cu o durată de viață mai mare de 10-20 s. Dintre numeroasele proprietăți care caracterizează o particulă elementară, doar masa particulei (în mase de electroni), sarcina electrică (în unități de sarcină elementară) și impulsul unghiular (așa-numitul spin) în unități ale constantei Planck ħ = h / 2π sunt indicate în tabel. Tabelul arată, de asemenea, durata medie de viață a unei particule.
grup
Numele particulelor
Simbol
Masă (în mase electronice)
Incarcare electrica
A învârti
Durata de viață
Particulă
Antiparticulă
Fotoni
Foton
γ

Grajd
Leptoni
Neutrino electronic
νe

1 / 2
Stabil
Neutronul muonului
νμ

1 / 2
Stabil
Electron
e-
e +

–1 1
1 / 2
Grajd
Mu meson
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Hadroni
Mezonii
Pi-mezoni
π0
264,1

0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1

2,6∙10–8
K-mezonii
K +
K -
966,4
1 –1

1,24∙10–8
K 0

≈ 10–10–10–8
Acesta este un mezon nul
η0

≈ 10–18
Barioni
Proton
p

1836,1
1 –1
1 / 2
Grajd
Neutron
n

Hiperon Lambda
Λ0

1 / 2
2,63∙10–10
Hiperoni 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-hiperoni
Ξ 0

1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –

2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Omega minus hiperon
Ω–

–1 1
1 / 2
0,82∙10–11

Tabelul 9.9.1.
Particulele elementare sunt combinate în trei grupe: fotoni, leptoni și hadroni.
Grupul de fotoni include o singură particulă - un foton, care este un purtător de interacțiune electromagnetică.
Următorul grup este format din particule ușoare de leptoni. Acest grup include două tipuri de neutrini (electron și muon), electron și μ-mezon. Leptonii includ, de asemenea, o serie de particule care nu sunt listate în tabel. Toate leptoanele au o rotire
Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadroni. Acest grup este împărțit în două subgrupuri. Particulele mai ușoare alcătuiesc un subgrup de mezoni. Cele mai ușoare dintre ele sunt încărcate pozitiv și negativ, precum și ioni-mezoni neutri cu mase de aproximativ 250 de mase de electroni (Tabelul 9.9.1). Bujorii sunt cuantele unui câmp nuclear, la fel cum fotonii sunt cuantele unui câmp electromagnetic. Acest subgrup include de asemenea patru mezoni K și un mezon η0. Toți mezonii au zero rotire.
Al doilea subgrup, barionii, include particule mai grele. Este cea mai extinsă. Cele mai ușoare dintre barioni sunt nucleonii - protoni și neutroni. Sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Omega-minus-hiperonul, descoperit în 1964, închide masa.Este o particulă grea cu o masă de 3273 de mase de electroni. Toți barionii au o rotire
Abundența de hadroni descoperiți și nou descoperi i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că toți sunt construiți din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Mann a prezentat o ipoteză, confirmată de cercetările ulterioare, că toate particulele grele fundamentale - hadronii - sunt construite din particule mai fundamentale numite quark. Pe baza ipotezei quarkului, nu numai că a fost înțeleasă structura hadronilor deja cunoscuți, dar a fost prevăzută și existența altora noi. Teoria Gell-Mann a presupus existența a trei quarkuri și trei antiquarkuri, conectându-se între ele în diverse combinații. Astfel, fiecare barion este format din trei quarcuri, iar un antibarion este format din trei antiquarkuri. Mesonii sunt compuși din perechi quark - antiquark.
Odată cu adoptarea ipotezei quarkului, a fost posibil să se creeze un sistem armonios de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Sarcina electrică a quark-urilor ar trebui exprimată în numere fracționale egale cu sarcina elementară.
Numeroase căutări de quarks în stare liberă, efectuate la acceleratoare de mare energie și în raze cosmice, nu au avut succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele nerespectării quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne producerea de quarks la energiile care sunt realizate cu acceleratorii moderni. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt convinși acum că există quarcuri în interiorul particulelor grele - hadroni.
Interacțiuni fundamentale. Procesele în care sunt implicate diferite particule elementare diferă foarte mult în timpii și energiile lor caracteristice. Conform conceptelor moderne, există patru tipuri de interacțiuni în natură care nu pot fi reduse la alte tipuri de interacțiuni mai simple: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Aceste tipuri de interacțiuni sunt numite fundamentale.
Interacțiunile puternice (sau nucleare) sunt cele mai intense dintre toate interacțiunile. Acestea asigură o legătură extrem de puternică între protoni și neutroni în nucleele atomilor. Doar particulele grele - hadroni (mezoni și barioni) - pot lua parte la o interacțiune puternică. Interacțiunea puternică se manifestă la distanțe de ordinul a 10-15 m sau mai puțin, prin urmare, se numește rază scurtă.
Interacțiunea electromagnetică. Orice particule încărcate electric pot lua parte la acest tip de interacțiune, precum și fotonii - cuantele câmpului electromagnetic. Interacțiunea electromagnetică este responsabilă, în special, de existența atomilor și moleculelor. Determină multe proprietăți ale substanțelor în stare solidă, lichidă și gazoasă. Repulsia Coulomb a protonilor duce la instabilitatea nucleelor ​​cu un număr mare de mase. Interacțiunea electromagnetică determină procesele de absorbție și emisie de fotoni de către atomi și molecule de materie și multe alte procese ale fizicii micro- și macro-lume.
Interacțiunea slabă este cea mai lentă dintre toate interacțiunile din micro-lume. Orice particule elementare, cu excepția fotonilor, pot lua parte la ea. Interacțiunea slabă este responsabilă de evoluția proceselor care implică neutrini sau antineutrini, de exemplu, decăderea β a unui neutron

Precum și procesele de descompunere neutrinolă ale particulelor cu o durată lungă de viață (τ ≥ 10-10 s).
Interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor particulelor fără excepție, totuși, din cauza maselor mici de particule elementare, forțele interacțiunii gravitaționale dintre ele sunt neglijabile, iar rolul lor în procesele micro-lumii este nesemnificativ. Forțele gravitaționale joacă un rol decisiv în interacțiunea obiectelor spațiale (stele, planete etc.) cu masele lor uriașe.
În anii 30 ai secolului XX, a apărut o ipoteză că în lumea particulelor elementare interacțiunile se desfășoară prin schimbul de cuante din orice câmp. Această ipoteză a fost inițial prezentată de compatrioții noștri I. Ye. Tamm și D. D. Ivanenko. Ei au sugerat că interacțiunile fundamentale apar din schimbul de particule, la fel cum legătura chimică covalentă a atomilor apare din schimbul de electroni de valență, care sunt combinați pe cochilii goale de electroni.
Interacțiunea efectuată prin schimbul de particule a primit numele de interacțiune de schimb în fizică. Deci, de exemplu, interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate apare din schimbul de fotoni - cuantele câmpului electromagnetic.
Teoria interacțiunii de schimb a câștigat recunoaștere după ce în 1935 fizicianul japonez H. Yukawa a arătat teoretic că interacțiunea puternică dintre nucleoni din nucleii atomici poate fi explicată dacă presupunem că nucleonii schimbă particule ipotetice numite mezoni. Yukawa a calculat masa acestor particule, care s-a dovedit a fi aproximativ egală cu 300 de mase de electroni. Particulele cu o astfel de masă au fost ulterior descoperite de fapt. Aceste particule se numesc π-mezoni (pioni). În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de pioni: π +, π– și π0 (vezi Tabelul 9.9.1).
În 1957, existența particulelor grele, așa-numiții bosoni vectoriali W +, W– și Z0, au fost prezise teoretic, provocând mecanismul de schimb al interacțiunii slabe. Aceste particule au fost descoperite în 1983 în experimente de accelerare cu fascicule de protoni și antiprotoni care se ciocnesc de mare energie. Descoperirea bosonilor vectoriali a fost o realizare foarte importantă în fizica elementară a particulelor. Această descoperire a marcat succesul unei teorii care combina interacțiunile electromagnetice și slabe într-o singură așa-numită interacțiune electro-slabă. Această nouă teorie consideră câmpul electromagnetic și câmpul de interacțiune slabă ca diferite componente ale aceluiași câmp, în care, împreună cu cuantumul câmpului electromagnetic, participă bosonii vectoriali.
După această descoperire în fizica modernă, a existat o creștere semnificativă a încrederii că toate tipurile de interacțiuni sunt strâns legate între ele și, în esență, sunt manifestări diferite ale unui anumit câmp unificat. Cu toate acestea, unificarea tuturor interacțiunilor este încă doar o ipoteză științifică atractivă.
Fizicienii teoretici depun eforturi considerabile încercând să ia în considerare pe o bază unificată nu numai interacțiunea electromagnetică și slabă, ci și interacțiunea puternică. Această teorie se numește Marea Unire. Oamenii de știință sugerează că interacțiunea gravitațională trebuie să aibă propriul purtător - o particulă ipotetică numită graviton. Cu toate acestea, această particulă nu a fost încă descoperită.
În prezent, se consideră dovedit că un singur câmp care unește toate tipurile de interacțiune poate exista doar la energii particulare extrem de ridicate, care nu pot fi atinse în acceleratoarele moderne. Particulele ar putea avea energii atât de mari doar în primele etape ale existenței Universului, care a apărut ca urmare a așa-numitului Big Bang. Cosmologia - știința evoluției universului - sugerează că Big Bang-ul s-a întâmplat acum 18 miliarde de ani. În modelul standard al evoluției Universului, se presupune că, în prima perioadă după explozie, temperatura ar putea ajunge la 1032 K, iar energia particulelor E = kT ar putea ajunge la 1019 GeV. În această perioadă, materia a existat sub formă de quark și neutrini, în timp ce toate tipurile de interacțiuni au fost combinate într-un singur câmp de forță. Treptat, pe măsură ce Universul s-a extins, energia particulelor a scăzut și, din câmpul unificat al interacțiunilor, a fost eliberată mai întâi interacțiunea gravitațională (la energiile particulelor ≤ 1019 GeV), iar apoi interacțiunea puternică a fost separată de cea slabă ( la energii de ordinul a 1014 GeV). La energii de ordinul 103 GeV, s-a găsit că toate cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale sunt separate. Concomitent cu aceste procese a fost formarea unor forme mai complexe de materie - nucleoni, nuclee ușoare, ioni, atomi, etc. zi, bazându-se pe legile fizicii elementare a particulelor, precum și pe fizica nucleară și atomică.

Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizările de diapozitive au doar scop informativ și pot să nu reprezinte toate opțiunile de prezentare. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Lecția se desfășoară în clasa a 11-a și este concepută pentru 2 ore academice și este împărțită în mai multe blocuri:

• caracteristici care descriu starea unui electron într-un atom;

Fiecare dintre aceste blocuri poate fi considerat atât individual, cât și colectiv. Deci blocul „Etapele dezvoltării fizicii elementare a particulelor” (Diapozitive 1-5) poate fi luat în considerare în clasa a 9-a atunci când se studiază tema relevantă la nivel introductiv. Tot în clasa a IX-a, puteți utiliza blocul „Metode de înregistrare a particulelor elementare” (Diapozitive 29-31) atunci când organizați munca elevilor cu manualul. Blocul „Tipuri de interacțiune și proprietățile lor” (Diapozitive 11-15) poate fi utilizat în primele lecții din clasa a 10-a.

Înainte de a studia tema în clasa a 11-a (o săptămână), elevii sunt rugați să pregătească mesaje în următoarele domenii:

• etape de dezvoltare a fizicii elementare a particulelor;
• tipuri de interacțiuni și proprietățile acestora;
• metode de înregistrare a particulelor elementare.

Ei au studiat deja aceste subiecte mai devreme (clasele 9-10), astfel încât pregătirea nu durează mult și de obicei nu ridică întrebări. În timpul lecției, elevii iau notițe în registrele de lucru pe baza mesajelor și a diapozitivelor de prezentare. Blocul „Caracteristici care descriu starea unui electron în atomi” este considerat o prelegere. În timpul prelegerii, elevii notează doar numele caracteristicilor.

Cărți uzate:

1. Manual de fizică elementară, ed. acad. G.S. Landsberg. Volumul 3. M.: „Știința”, 1975
2. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Curs de fizică. Volumul 3. M.: „Liceu”, 1971
3. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Fizică: pentru studenții de liceu și cei care intră în universități. M.: „Bustard”, 2000
4. Tutorul tău. Fizică. Prelegeri interactive. Disc 1. LLC "Tehnologii multimedia și învățare la distanță", 2003
5. L. Ya. Borevsky Curs de fizică al secolului XXI. M.: „MediaHouse”, 2003

Subiectul lecției:"Particulele elementare și proprietățile lor"

Scopul lecției:

• Educational: pentru a obține studenți care au însușit următoarele cunoștințe:

  • în micromondă, se disting trei niveluri, diferind în scale și energii caracteristice (molecular-atomic, nuclear, nivelul particulelor elementare);
  • există aproximativ 400 de particule elementare diferite în natură (împreună cu antiparticule);
  • există 4 tipuri de interacțiuni fundamentale (puternice, electromagnetice, slabe, gravitaționale)
  • interacțiunea puternică este caracteristică particulelor grele; numai particulele încărcate electric participă direct la câmpul electromagnetic; interacțiunea slabă este caracteristică tuturor particulelor, cu excepția fotonilor; interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor corpurilor Universului, manifestându-se sub forma forțelor gravitației universale;
  • interacțiunile fundamentale diferă în intensitate, gama de acțiune, timpi caracteristici, precum și legile lor inerente de conservare;
  • toate particulele elementare sunt împărțite în leptoni (fundamentali) și hadroni (compozite);
  • hadronii sunt împărțiți în mezoni și barioni;
• în curs de dezvoltare: obțineți cursanți care au învățat următoarele activități:
  • recunoaște diferite tipuri de interacțiuni fundamentale după caracteristicile lor;
  • să efectueze clasificarea particulelor elementare;
  • să noteze reacțiile transformărilor particulelor elementare, ținând cont de legile conservării;
  • descrie dispozitivul și principiul de funcționare a dispozitivelor pentru înregistrarea particulelor elementare;
• Educational: convingeți studenții că:
  • toate particulele elementare se transformă una în cealaltă, iar aceste transformări reciproce sunt principalul fapt al existenței lor;
  • identificarea mecanismului comun (de schimb) al tuturor interacțiunilor fundamentale oferă speranță pentru posibilitatea construirii unei teorii unificate care să explice imaginea lumii;
  • părțile constitutive ale materiei sunt: ​​6 tipuri de quarks și 6 leptoni, a căror interacțiune se realizează datorită schimbului purtătorilor de interacțiuni corespunzători (foton, 8 gluoni, 3 bosoni intermediari și graviton)

Tipul lecției: combinate.

Echipament: proiector media, ecran, computer, tabelul „Metode de înregistrare a particulelor”, tabelul „Interacțiuni fundamentale”, fișe ( Anexa 1 , Anexa 2 )

Planul lecției:

I. Îmbunătățirea cunoștințelor

Observații introductive ale profesorului despre necesitatea înțelegerii imaginii științifice a lumii.

II. Achiziționarea de cunoștințe

1) Mesajul studentului „Etapele dezvoltării fizicii elementare a particulelor” (Diapozitive 1-5)
2) Curs „Starea unui electron într-un atom” (Diapozitive 6-10)
3) Mesaj „Tipuri de interacțiuni” (Diapozitive 11-15)
4) Curs „Caracteristicile particulelor elementare” (Diapozitive 16-28)
5) Mesajul studentului „Metode de înregistrare a particulelor elementare” (Diapozitive 29-31)

3) Explicați posibilitatea reacțiilor prezentate din punctul de vedere al legilor de conservare a sarcinii (reacțiile sunt selectate la discreția profesorului). Utilizați datele din tabel ( Anexa 1 )

4) Folosind legea conservării sarcinii, tabelul 2 ( Anexa 1 ) și Anexa 2 , explicați compoziția de quark a unor hadroni (la discreția profesorului)

IV. Controlul cunoașterii

Exercitiul 1.

Pe baza proprietăților propuse, determinați ce tip sunt interacțiunile prezentate.

Tipul de interacțiune	Intensitate	Timp caracteristic, s
	1/137	~10-20
	~1	~ 10-23
	~ 10-38	?
	~ 10-10	~

Sarcina 2.

Ce tip de interacțiune sunt transportate de:

• Gluoni
• Bosoni intermediari
• Fotoni
• Gravitoni

Sarcina 3.

Care este intervalul fiecărei interacțiuni?

V. Temele

§§ 115, 116, rezumatul cap. 14

Pentru a explica proprietățile și comportamentul particulelor elementare, acestea trebuie dotate, pe lângă masă, sarcină electrică și tip, cu un număr de mărimi suplimentare, caracteristice (numere cuantice), pe care le vom discuta mai jos.

Particulele elementare sunt de obicei împărțite în patru clase ... În plus față de aceste clase, se presupune existența unei alte clase de particule - gravitonii (cuanta câmpului gravitațional). Aceste particule nu au fost încă găsite experimental.

Să oferim o scurtă descriere a celor patru clase de particule elementare.

Doar o particulă aparține uneia dintre ele - foton .

Fotoni (cuantele câmpului electromagnetic) participă la interacțiunile electromagnetice, dar nu au interacțiuni puternice și slabe.

A doua clasă este formată din leptoni , al treilea - hadroni și în cele din urmă al patrulea - bosoni de ecartament (fila 2)

masa 2

Particule elementare
Leptoni	Ecartament bosoni	Hadroni
		n, p, hiperoni Barionic rezonanțe	Mesonic rezonanțe

Leptoni (Greacă " leptos" - ușoară) - particule,implicate în interacțiuni electromagnetice și slabe... Acestea includ particule care nu au interacțiuni puternice: electroni (), muoni (), taoni (), precum și neutrini electronici (), neutrini muonici () și neutrini tau (). Toți leptonii au rotiri egale cu 1/2 și, prin urmare, sunt fermioni ... Toate leptonele au o interacțiune slabă. Cei dintre aceștia care au o sarcină electrică (adică muoni și electroni) au, de asemenea, o interacțiune electromagnetică. Neutrinii sunt implicați doar în interacțiuni slabe.

Hadroni (Greacă " adros"- mare, masiv) - particule,participând la puternic,interacțiuni electromagnetice și slabe. Astăzi, peste o sută de hadroni sunt cunoscuți și sunt împărțiți în barioni și mezonii .

Barioni - hadroni,format din trei quarcuri (qqq) și având un număr de barion B = 1.

Clasa barionilor combină nucleoni ( p, n) și particule instabile cu o masă mai mare decât masa nucleonilor, numită hiperoni (). Toți hiperonii au o interacțiune puternică și, prin urmare, interacționează activ cu nucleii atomici. Rotirea tuturor barionilor este 1/2, deci barionii sunt fermioni ... Cu excepția protonului, toți barionii sunt instabili. Când un barion se descompune, împreună cu alte particule, se formează în mod necesar un barion. Acest model este unul dintre manifestări ale legii conservării încărcăturii barionice.

Mezonii - hadroni,format dintr-un quark și un antiquark () și având un număr de barion B = 0.

Mesonii interacționează puternic cu particule instabile care nu poartă așa-numita sarcină barionică. Acestea includ -mesoni sau pioni (), mesonii K sau kaoni ( ) și -mezoni. Masele și mezonii sunt aceleași și egale cu 273,1, respectiv 264,1 pe durata vieții și s. Masa K-mezonilor este de 970. Durata de viață a mezonilor K este de ordinul s. Masa eton-mezonilor este 1074, durata de viață este de ordinul s. Spre deosebire de leptoni, mezonii au nu numai o slabă (și dacă sunt încărcați, electromagnetici), ci și o interacțiune puternică, care se manifestă prin interacțiunea lor între ei, precum și prin interacțiunea dintre mezoni și barioni. Rotația tuturor mezonilor este zero, așa că sunt bosoni.

Bosoni de ecartament - particule,interacționând între fermioni fundamentali(quarcuri și leptoni). Acestea sunt particule W + , W – , Z 0 și opt tipuri de gluoni g. Aceasta include și fotonul γ.

Proprietățile particulelor elementare

Fiecare particulă este descrisă de un set de mărimi fizice - numere cuantice care îi determină proprietățile. Cele mai frecvent utilizate caracteristici ale particulelor sunt următoarele.

Masa de particule , m... Masele de particule variază foarte mult de la 0 (foton) la 90 GeV ( Z-boson). Z-bosonul este cea mai grea particulă cunoscută. Cu toate acestea, pot exista particule mai grele. Masele de hadroni depind de tipurile de quarkuri, precum și de stările lor de rotire.

Durata de viață , τ. În funcție de durata de viață, particulele sunt împărțite la particule stabile având o viață relativ lungă și instabil.

LA particule stabile includ particule care se degradează prin interacțiune slabă sau electromagnetică. Împărțirea particulelor în stabil și instabil este arbitrară. Prin urmare, particulele stabile includ particule precum un electron, un proton, pentru care nu au fost detectate în prezent descompuneri și mezonul π 0, care are o durată de viață τ = 0,8 × 10 - 16 s.

LA particule instabile includ particule care se descompun ca urmare a unei interacțiuni puternice. De obicei sunt numite rezonanțe ... Durata de viață caracteristică a rezonanțelor este de 10 - 23 -10 - 24 s.

A învârti J... Rotirea este măsurată în unități ħ și poate lua 0, jumătate întregi și valori întregi. De exemplu, rotirea mezonilor π-, K este 0. Rotirea unui electron, un muon este 1/2. Rotirea unui foton este 1. Există particule cu o rotire mare. Particulele cu rotire pe jumătate întregi se supun statisticii Fermi-Dirac, cu rotire întregi - Bose-Einstein.

Incarcare electrica q... Sarcina electrică este un multiplu întreg de e= 1,6 × 10 - 19 C, numită sarcină electrică elementară. Particulele pot avea sarcini de 0, ± 1, ± 2.

Paritate internă R. Număr cuantic R caracterizează proprietatea simetriei funcției de undă față de reflexiile spațiale. Număr cuantic R are o valoare de +1, -1.

Împreună cu caracteristicile comune tuturor particulelor, ele se folosesc și ele numere cuantice care sunt atribuite numai unor grupuri specifice de particule.

Numere cuantice : numărul barionului V, ciudățenie s, șarmul (farmec) cu, frumusetea (fundul sau frumuseţe) b, superior (topness) t, spin izotopic Eu sunt atribuite numai particulelor care interacționează puternic - hadroni.

Numere Lepton L e, L μ , Lτ. Numerele de leptoni sunt atribuite particulelor care formează un grup de leptoni. Leptoni e, μ și τ participă numai la interacțiuni electromagnetice și slabe. Leptoni ν e, n μ și n τ participă numai la interacțiuni slabe. Numerele Lepton contează L e, L μ , Lτ = 0, +1, -1. De exemplu, e -, electron neutrino n e avea L e= + l; avea L e= - l. Toți hadronii au .

Numărul barionului V... Numărul barionului contează V= 0, +1, -1. Barionii, de exemplu, n, R, Λ, Σ, rezonanțele nucleonice au un număr de barion V= +1. Mesonii, rezonanțele mezonice au V= 0, antibarianii au V = -1.

Ciudățenie s... Numărul cuantic s poate lua valorile -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 și este determinat de compoziția de quark a hadronilor. De exemplu, hiperonii Λ, Σ au s= -l; K + - , K- - mezonii au s= + l.

Farmec cu... Număr cuantic cu cu= 0, +1 și -1. De exemplu, barionul Λ + are cu = +1.

Fundul b... Număr cuantic b poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. În prezent, au fost descoperite particule care au b= 0, +1, -1. De exemplu, V+ -meza are b = +1.

Topness t... Număr cuantic t poate lua valori -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. În prezent, a fost descoperită o singură afecțiune cu t = +1.

Isospin Eu... Particulele puternic interacționante pot fi împărțite în grupuri de particule cu proprietăți similare (aceeași valoare a spinului, parității, numărului barionului, ciudățeniei și altor numere cuantice care sunt păstrate în interacțiuni puternice) - multiplete izotopice... Isospin Eu determină numărul de particule incluse într-un multiplet izotopic, nși R constituie un dublet izotopic Eu= 1/2; Σ +, Σ -, Σ 0, fac parte din triplet izotopic Eu= 1, Λ - singlet izotopic Eu= 0, numărul de particule incluse într-una multiplet izotopic, 2Eu + 1.

G - paritate este numărul cuantic corespunzător simetriei în raport cu operația simultană de conjugare a sarcinii cuși schimbarea semnului celei de-a treia componente Eu izospin. G- paritatea se păstrează numai în interacțiuni puternice.

Lumea particulelor elementare

Lecția în clasa a 11-a

Scopul lecției:

Educational:

Să familiarizeze elevii cu structura particulelor elementare, cu particularitățile forțelor și interacțiunilor din interiorul nucleului; învățați să generalizați și să analizați cunoștințele acumulate, să vă exprimați corect gândurile; promovează dezvoltarea gândirii, capacitatea de a structura informațiile; să cultive o relație emoțional-valorică cu lumea

În curs de dezvoltare:

Continuă dezvoltarea gândirii, capacitatea de a analiza, compara, trage concluzii logice.

Dezvoltați curiozitatea, capacitatea de a aplica cunoștințe și experiență în diverse situații.

Educational:

Dezvoltarea abilităților de lucru în echipă intelectuală; educarea bazelor conștiinței de sine morale (gândire: responsabilitatea unui om de știință, descoperitor pentru roadele descoperirilor sale);

Treziți interesul elevilor pentru literatura de științe populare, în studiul condițiilor prealabile pentru descoperirea unor fenomene specifice.

Scopul lecției:

Creați condiții pentru dezvoltarea competențelor intelectuale și comunicative, în care elevul va fi capabil să:

Numiți principalele tipuri de particule elementare;

Înțelegeți ambiguitatea modelului standard modern al lumii;

Formulați-vă ideile despre istoria dezvoltării particulelor elementare;

Analizați rolul dezvoltării fizicii elementare;

Clasificați particulele elementare după compoziția lor;

Gândiți-vă la nevoia de a avea propria poziție, tolerați un punct de vedere diferit;

Afișați comunicarea fără conflicte atunci când lucrați într-un grup.

Tipul lecției:învățarea de materiale noi.

Forma lecției: lecție combinată.

Metode de lecție: verbal, vizual, practic.

Echipament: prezentare pe computer, proiector multimedia, carnet de lucru al elevului, computer personal.

Pașii lecției	Timp, min.	Metode și tehnici
1. Introducere organizațională. Afirmarea problemei educaționale.		Înregistrarea subiectului lecției. Povestea profesorului.
2. Actualizarea cunoștințelor (prezentarea elevilor)		Povestea elevului despre cunoștințele existente, condițiile prealabile pentru învățarea unor lucruri noi.
3. Învățarea materialului nou (prezentarea profesorului)		Povestea profesorului folosind diapozitive. Observare. Conversaţie. Povestirea elevilor folosind diapozitive.
4. Dezvoltarea materialului studiat. Ancorare.		Consolidarea prin note de referință și lucrează cu manualul. Răspunsuri la întrebări de securitate.
5. Rezumând. Teme pentru acasă		Alocarea profesorului principal, elevilor.

În timpul orelor

Momentul organizatoric al lecției(salut, verificarea disponibilității elevilor pentru lecție)

Astăzi, în lecție, vom lua în considerare diferite puncte de vedere asupra structurii lumii, din care particule constă tot ceea ce ne înconjoară. Lecția va fi ca o prelegere și, în cea mai mare parte, vi se cere atenție.

La începutul lecției, vreau să vă aduc în atenție istoria apariției doctrinei particulelor.

2. Actualizarea cunoștințelor. (Prezentare de V. Aleksakhina „Istoria dezvoltării cunoștințelor despre particule”)

Slide 2. Atomismul antic- acesta este conceptul structurii lumii de către oamenii de știință din antichitate. Conform ideilor lui Democrit, atomii erau veșnici, neschimbați, indivizibili, particule diferite prin formă și dimensiune, care, conectându-se și separându-se, formau diferite corpuri.

Slide 3. Datorită descoperirii de către oamenii de știință Dirac, Galileo și Newton a principiului relativității, legile dinamicii, legile conservării, legea gravitației universale, în secolul al XVII-lea, atomismul anticilor a suferit schimbări semnificative și a devenit ferm stabilit în știință tablou mecanic al lumii, care s-a bazat pe interacțiunea gravitațională - toate corpurile și particulele sunt supuse acesteia, indiferent de sarcină.

Diapozitivul 4. Cunoștințele acumulate în studiul fenomenelor electrice, magnetice și optice au condus la necesitatea de a completa și dezvolta imaginea lumii. Astfel, în secolul al XIX-lea și până la începutul secolului al XX-lea, a început să domine tablou electrodinamic al lumii... A luat deja în considerare două tipuri de interacțiune - gravitațională și electromagnetică. Dar nu au reușit să explice doar radiația termică, stabilitatea atomului, radioactivitatea, efectul fotoelectric, spectrul de linie.

Diapozitivul 5. La începutul secolului al XX-lea, a apărut ideea cuantificării energiei, care a fost susținută de Planck, Einstein, Bohr, Stoletov, precum și dualismul undă-particule al lui Louis de Broglie. Aceste descoperiri au marcat apariția tabloul cuantic al lumii, în care s-a adăugat și o interacțiune puternică. A început dezvoltarea activă a fizicii elementare a particulelor.

3. Învățarea de materiale noi

Până în anii treizeci ai secolului XX, structura lumii a fost prezentată oamenilor de știință în forma cea mai simplă. Ei credeau că „setul complet” de particule care alcătuiesc toată materia este un proton, neutron și electron. Prin urmare, au fost numite elementare. Aceste particule includ, de asemenea, un foton - un purtător de interacțiuni electromagnetice.

Diapozitivul 6.Modelul standard modern al lumii:

Materia este formată din quarks, leptoni și particule - purtători de interacțiune.

Pentru toate particulele elementare, există probabilitatea de a detecta antiparticule.

Dualismul val-corpuscul. Principiile incertitudinii și cuantificării.

Interacțiunile puternice, electromagnetice și slabe sunt descrise de teoriile marii unificări. Ceea ce rămâne este gravitația neunită.

Diapozitivul 7. Nucleul unui atom este format din hadroni, care sunt alcătuite din quarcuri. Hadronii sunt particule implicate în interacțiuni puternice.

Clasificarea hadronilor: mezonii constau dintr-un quark și un antiquark Barionii constau din trei quark - nucleoni (protoni și neutroni) și

hiperoni.

Diapozitivul 8. Quarcurile sunt particulele fundamentale care alcătuiesc hadronii. În prezent, sunt cunoscute 6 tipuri diferite (mai des se spune - arome). Cuarcurile dețin interacțiuni puternice, participă la puternice, slabe și electromagnetice. Aceștia schimbă gluoni, particule cu masă zero și sarcină zero între ei. Există antiquarks pentru toți quark-urile . Nu pot fi observate liber. Au o sarcină electrică fracționată: + 2 / 3e - numite quark-U (sus) și -1 / 3e - d-quark (jos).

Compoziția de quark a unui electron - uud, compoziția de quark a unui proton - udd

Diapozitivul 9. Particulele care nu fac parte din nucleu sunt leptoni. Leptonii sunt particule fundamentale care nu participă la interacțiuni puternice. Astăzi există 6 leptoni cunoscuți și 6 dintre antiparticulele lor.

Toate particulele au antiparticule. Leptonii și antiparticulele lor: un electron și un pozitron cu ei, un electron neutrino și un antineutrino. Muon și anti-muon cu muon neutrino și antineutrino. Taon și antitaon - neutron și antineutrin taon.

Diapozitivul 10. Toate interacțiunile din natură sunt manifestări de patru tipuri interacțiuni fundamentaleîntre particule fundamentale - leptoni și quarks.

Interacțiune puternică cuarcii sunt afectați, iar gluonii sunt purtătorii săi. Îi leagă împreună pentru a forma protoni, neutroni și alte particule. Afectează indirect legarea protonilor în nucleele atomice.

Interacțiunea electromagnetică particulele încărcate sunt afectate. În acest caz, sub influența forțelor electromagnetice, particulele în sine nu se schimbă, ci dobândesc numai proprietatea de respingere în cazul unor sarcini similare.

Interacțiune slabă sunt afectate cuarcurile și leptonii. Cel mai faimos efect de interacțiune slabă este transformarea unui quark descendent într-un quark ascendent, care la rândul său face ca neutronul să se descompună într-un proton, un electron și un antineutrino.

Unul dintre cele mai esențiale tipuri de interacțiune slabă este Interacțiunea Higgs... Conform ipotezelor, câmpul Higgs (fundal gri) umple întregul spațiu lichid, limitând gama de interacțiuni slabe. De asemenea, bosonul Higgs interacționează cu quarcii și leptonii, asigurând existența masei lor.

Interacțiunea gravitațională. Este cel mai slab cunoscut. Implică toate, fără excepție, particule și purtători de toate tipurile de interacțiune. Se realizează datorită schimbului de gravitoni - singurele particule care nu au fost încă descoperite experimental. Interacțiunea gravitațională este întotdeauna atracție.

Diapozitivul 11. Mulți fizicieni speră că, la fel cum a fost posibilă combinarea interacțiunilor electromagnetice și slabe în electrolabă, în timp, va fi posibilă construirea unei teorii care să reunească toate tipurile cunoscute de interacțiuni, al căror nume este „Marea Unificare”.

4 . Consolidarea cunoștințelor.

Ancorarea primară(Prezentare de J. Gordienko "Large Hadron Collider". Oamenii de știință moderni încearcă să îmbunătățească procesul de studiere a particulelor pentru a realiza noi descoperiri pentru progresul științific și tehnologic. Pentru aceasta, se construiesc centre de cercetare și acceleratori grandioși. structuri grandioase este Large Hadron Collider.

Consolidare finală(lucru în grup: răspunsuri la întrebări din manual)

Sunteți împărțiți în două grupe: rândul 1 și rândul 2. Aveți o sarcină pe foi: trebuie să răspundeți la întrebări și veți găsi răspunsurile în manual la paragraful 28 (pp. 196 - 198).

Sarcinile primului grup:

Câte particule fundamentale există? (48)

Compoziția de quark a electronului? (uud)

Enumerați cele mai puternice două interacțiuni (puternice și electromagnetice)

Numărul total de gluoni? (opt)

Sarcinile celui de-al doilea grup:

Câte particule se află în centrul universului? (61)

Compoziția de quark a protonului? (udd)

Enumerați cele mai slabe două interacțiuni (slabă și gravitațională)

Ce particule efectuează interacțiunea electromagnetică? (foton)

Voiceover de către liderii de grup de răspunsuri la întrebări și schimb de cărți.

Rezumatul lecției.

Ați făcut cunoștință cu unele aspecte ale dezvoltării fizicii moderne și acum aveți idei elementare despre direcția în care se dezvoltă știința noastră și de ce avem nevoie de ea.

6. Temele. Clauza 28.

Sarcinile primului grup:

1. Câte particule fundamentale există în total? ______________

2. Compoziția de quark a electronului? ____________

3. Enumerați cele mai puternice două interacțiuni ______

4. Numărul total de gluoni? _______

___________________________________________________________________

Sarcinile celui de-al doilea grup:

1. Câte particule se află în centrul universului? ________

2. Compoziția de quark a protonului? ___________

___________________________________________________________________

Sarcinile primului grup:

1. Câte particule fundamentale există în total? __________

2. Compoziția de quark a electronului? __________

3. Enumerați cele mai puternice două interacțiuni ________________________________________________________________________

4. Numărul total de gluoni? _________

___________________________________________________________________

Sarcinile celui de-al doilea grup:

1. Câte particule se află în centrul universului? ____________

2. Compoziția de quark a protonului? _____________

3. Enumerați cele mai slabe două interacțiuni ______________________

4. Ce particule efectuează interacțiunea electromagnetică? ______

___________________________________________________________________

Sarcinile primului grup:

1. Câte particule fundamentale există în total? _____________

2. Compoziția de quark a electronului? ______________

3. Enumerați cele mai puternice două interacțiuni ________________________________________________________________________

4. Numărul total de gluoni? _____

___________________________________________________________________

Sarcinile celui de-al doilea grup:

1. Câte particule se află în centrul universului? ______

2. Compoziția de quark a protonului? _________

3. Enumerați cele mai slabe două interacțiuni _______________________

4. Ce particule efectuează interacțiunea electromagnetică? _______