Элементарные частицы 11 класс (профильный уровень)

Элементарные частицы

Презентация к уроку физики в 11 классе

(профильный уровень)

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?

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

• 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:

Хронология физики частиц

Дата

Фамилия ученого

400 лет до н.э.

Демокрит

Открытие (гипотеза)

Начало XX в.

Атом

Томсон

1910 г.

1928 г.

Э. Резерфорд

Электрон

Дирак и Андерсон

1928 г.

Протон

Открытие позитрона

А. Эйнштейн

1929 г.

1931 г

П. Дирак

Фотон

1932 г.

Предсказание существования античастиц

Паули

1932 г

Открытие нейтрино и антинейтрино

Дж. Чедвик

1930 г.

Нейтрон

1935 г.

В. Паули

античастица - позитрон е+

Предсказание существования нейтрино n

Юкава

Открытие мезона

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

Для любой элементарной частицы есть своя античастица

Хронология физики частиц

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

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.

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).

Хронология физики частиц

Дата

Фамилия ученого

Третий этап

Открытие (гипотеза)

1962 г.

М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг

1995 г.

Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков

Открытие последнего из ожидавшихся, шестого кварка

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

Классификация элементарных частиц

Все частицы делятся на два класса:

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

Классификация элементарных частиц

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

• Фермионы подразделяются на
• лептоны
• кварки .

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

0

Примеры

скалярные частицы

1/2

1

спинорные частицы

π -мезоны, K-мезоны, хиггсовский бозон, атомы и ядра 4 He, чётно-чётные ядра, парапозитроний

электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра 3 He

3/2

векторные частицы

фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний

спин-векторные частицы

2

Δ-изобары

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.

Четыре вида физических взаимодействий

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

Ядерные

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

Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.

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

Четыре вида физических взаимодействий

• 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.

Взаимодействие

Радиус действия

Гравитационное

Электромагнитное

Конст. взаимдств.

Бесконечно большой

Слабое

Бесконечно большой

6.10 -39

1/137

Не превышает 10 -16 см

Сильное

10 -14

Не превышает 10 -13 см

1

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

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 I z ,
• странность S ,
• очарование C ,
• прелесть (боттомность, красота) B ′,
• истинность (топность) T .

Свойства кварков: аромат

Символ

Название

рус.

Первое поколение

Заряд

англ.

d

u

Масса

нижний

верхний

down

Второе поколение

− 1 / 3

up

s

странный

~ 5 МэВ/c²

+ 2 / 3

c

Третье поколение

очарованный

strange

~ 3 МэВ/c²

− 1 / 3

b

charm (charmed)

95 ± 25 МэВ/c²

+ 2 / 3

прелестный

t

1,8 ГэВ/c²

beauty (bottom)

истинный

− 1 / 3

truth (top)

4,5 ГэВ/c²

+ 2 / 3

171 ГэВ/c²

Характеристики кварков

Характеристика

 

Тип кварка

Электрический заряд Q

d

Барионное число B

u

-1/3

Спин J

+2/3

1/3

s

Четность P

1/3

c

-1/3

1/2

Изоспин I

+1

b

1/2

+2/3

1/3

-1/3

1/3

Проекция изоспина I 3

+1

1/2

t

1/2

1/3

Странность s

1/2

-1/2

+1

+2/3

1/2

0

+1/2

1/3

Charm c

+1

1/2

0

0

Bottomness b

+1

0

0

0

1/2

Topness t

0

0

+1

0

0

-1

0

0

0

0

Масса в составе адрона, ГэВ

0

0

0

0

Масса "свободного" кварка, ГэВ

0

0.31

+1

0

0.31

~0.006

0

0

0

0

~0.003

0

-1

0.51

0

0

1.8

0

0.08-0.15

5

+1

1.1-1.4

4.1-4.9

180

174 + 5

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?

• А. Квантовый характер поглощения энергии атомами.
• Б. Квантовый характер излучения энергии атомами.
• В. Волновые свойства света.
• Г. Волновые свойства электронов.

Какая из приведенных формул определяет длину волны де-Бройля для электрона (m и v — масса и скорость электрона)?

Спасибо за внимание!