Файл: Презентация к уроку физики в 11 классе (профильный уровень) Попова И. А., учитель физики Белово, 2012 г. Цель.ppt

Элементарные частицы

Муниципальное бюджетное нетиповое общеобразовательное учреждение "Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово"

Презентация к уроку физики в 11 классе

(профильный уровень)

Выполнила: Попова И.А.,

учитель физики

Белово, 2012 г.

Цель:

Ознакомление с физикой элементарных частиц и систематизация знаний по теме.

Развитие абстрактного, экологического и научного мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях

Сколько элементов в таблице Менделеева?

• Всего лишь 92.
• Как? Там больше?
• Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются.
• Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить молекулы, т.е. вещества!
• Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры).
• Он был большим путешественником, и его любимым изречением было:

"Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение"

Дата	Фамилия ученого	Открытие (гипотеза)
400 лет до н.э.	Демокрит	Атом
Начало XX в.	Томсон	Электрон
1910 г.	Э. Резерфорд	Протон
1928 г.	Дирак и Андерсон	Открытие позитрона
1928 г.	А. Эйнштейн	Фотон
1929 г.	П. Дирак	Предсказание существования античастиц
1931 г	Паули	Открытие нейтрино и антинейтрино
1932 г.	Дж. Чедвик	Нейтрон
1932 г		античастица - позитрон е+
1930 г.	В. Паули	Предсказание существования нейтрино n
1935 г.	Юкава	Открытие мезона

Античастица - частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов;

Хронология физики частиц

Для любой элементарной частицы есть своя античастица

---

Дата	Открытие (гипотеза)
Второй этап
1947 г.	Открытие π-мезона p в космических лучах
До начала 1960-х гг.	Было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ.

Хронология физики частиц

Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы).

Перед физиками - теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц

Дата	Фамилия ученого	Открытие (гипотеза)
Третий этап
1962 г.	М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг	Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков
1995 г.		Открытие последнего из ожидавшихся, шестого кварка

Хронология физики частиц

Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Как обнаружить элементарную частицу?

• Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям

Все частицы делятся на два класса:

• Фермионы, которые составляют вещество;
• Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.

• Фермионы подразделяются на
• лептоны
• кварки.

Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.

Кварки

• Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель в 1964 г.
• Принцип Паули: в одной системе взаимосвязанных частиц никогда не существует хотя бы две частицы с тождественными параметрами, если эти частицы обладают полуцелым спином.

М. Гелл-Манн на конференции в

---

2007 г.

Что такое спин?

• Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве;
• Спин (от англ. to spin – крутиться) часто сравнивают с угловым моментом «быстро вращающегося волчка» - это неверно!
• Спин является внутренней квантовой характеристикой частицы, которая не имеет аналога в классической механике;

Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого

Спины некоторых микрочастиц

Спин	Ообщее название частиц	Примеры
0	скалярные частицы	π-мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и ядра 4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний
1/2	спинорные частицы	электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра 3He
1	векторные частицы	фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний
3/2	спин-векторные частицы	Δ-изобары
2	тензорные частицы	гравитон, тензорные мезоны

Кварки

• Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
• Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона).
• Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.

• гравитационные,
• электромагнитные,
• слабые, 
• сильные.

Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.

Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.

Ядерные

Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.

• Электромагнитное взаимодействие: переносчик - фотон.
• Гравитационное взаимодействие: переносчики - кванты поля тяготения - гравитоны.
• Слабые взаимодействия: переносчики - векторные бозоны.
• Переносчики сильных взаимодействий: глюоны (от английского слова glue - клей), с массой покоя равной нулю.

И фотоны, и гравитоны не имеют массы (массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.

---

Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность.

Взаимодействие	Радиус действия	Конст. взаимдств.
Гравитационное	Бесконечно большой	6.10-39
Электромагнитное	Бесконечно большой	1/137
Слабое	Не превышает 10-16 см	10-14
Сильное	Не превышает 10-13 см	1

Свойства кварков

Кварковые супермультиплеты

(триада и антитриада )

Свойства кварков: цвет

• Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд.
• Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как
• синий,
• зелёный
• Красный.
• Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и антикрасный.
• В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым зарядом.

Свойства кварков: масса

• У кварков имеется два основных типа масс, несовпадающих по величине:
• масса токового кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и
• структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава.

Свойства кварков: аромат

• Каждый аромат (вид) кварка характеризуется такими квантовыми числами, как
• изоспин Iz,
• странность S,
• очарование C,
• прелесть (боттомность, красота) B′,
• истинность (топность) T.

Свойства кварков: аромат

Символ	Название		Заряд	Масса
	рус.	англ.
Первое поколение
d	нижний	down	−1/3	5 МэВ/c²
u	верхний	up	+2/3	3 МэВ/c²
Второе поколение
s	странный	strange	−1/3	95 ± 25 МэВ/c²
c	очарованный	charm (charmed)	+2/3	1,8 ГэВ/c²
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	−1/3	4,5 ГэВ/c²
t	истинный	truth (top)	+2/3	171 ГэВ/c²

---

Характеристика	Тип кварка
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионное число B	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3
Спин J	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2
Четность P	+1	+1	+1	+1	+1	+1
Изоспин I	1/2	1/2	0	0	0	0
Проекция изоспина I3	-1/2	+1/2	0	0	0	0
Странность s	0	0	-1	0	0	0
Charm c	0	0	0	+1	0	0
Bottomness b	0	0	0	0	-1	0
Topness t	0	0	0	0	0	+1
Масса в составе адрона, ГэВ	0.31	0.31	0.51	1.8	5	180
Масса "свободного" кварка, ГэВ	0.006	0.003	0.08-0.15	1.1-1.4	4.1-4.9	174+5

Характеристики кварков

Рассмотрим задачи

Какая энергия выделяется при аннигиляции электрона и позитрона?

Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона?

При каких ядерных процессах возникает нейтрино?

• А. При α - распаде.
• Б. При β - распаде.
• В. При излучении γ - квантов.
• Г. При любых ядерных превращениях

При каких ядерных процессах возникает антинейтрино?

• А. При α - распаде.
• Б. При β - распаде.
• В. При излучении γ - квантов.
• Г. При любых ядерных превращениях

Протон состоит из ...

• А. . . .нейтрона, позитрона и нейтрино.
• Б. . . .мезонов.
• В. . . .кварков.
• Г. Протон не имеет составных частей.

Нейтрон состоит из ...

• А. . . .протона, электрона и нейтрино.
• Б. . . .мезонов.
• В. . . . кварков.
• Г. Нейтрон не имеет составных частей.

Что было доказано опытами Дэвиссона и Джермера?

---