Мир элементарных частиц

Элементарные частицы

Урок физики в 11 классе (базовый уровень)

Цели урока

• Показать систематику элементарных частиц
• Ввести новые физические характеристики элементарных частиц

Строение материи

• Из чего состоят все вещества?

Все вещества состоят из молекул, молекулы – из атомов.

Строение атома

Опыты Резерфорда, проведенные в 1910 году, показали, что атомное ядро, находящееся в центре атома, в 10000 раз меньше размера электронной оболочки, но сосредотачивает 99,9% массы атома.

Последующие изучения состава ядра проводилось экспериментально с помощью бомбардировки ядра α-частицами.

История открытия элементарных частиц

Год

Ученые

1897

Вклад в науку

Дж. Дж. Томсон

1908

Резерфорд Э.

1911

Открытие электрона при изучении так называемых «катодных лучей».

Дж. Чэдвик

Открытие протона при облучении ядер азота α-частицами

( ).

Открытие нейтрона при облучении ядер бериллия α-частицами

( ).

Элементарные частицы

- это микрообъект, который невозможно разделить на составные части.

Элементарные частицы

Имеющие структуру

Бесструктурные

Адроны (протоны, нейтроны и др.)

Кварки

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые на современном уровне развития эксперимента не удалось расщепить на составные части.

Характеристики частиц

Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц. Для их описания введены:

• Масса покоя частицы
• Электрический заряд
• Время жизни

• Спин (собственный момент количества движения) – от англ. to spin – «крутиться»

• Лептонный заряд
• Барионный заряд
• Цветовой заряд и т.д.

Классификация элементарных частиц по спину (s)

Элементарные частицы

Фермионы – частицы с полуцелым спином (s = 1/2, 3/2)

Бозоны – частицы с целым спином (s = 0, 1)

Бозоны

названы так в честь Шатьендраната Бозе (1894 - 1974), индийского физика, одного из создателей (1924) квантовой статистики частиц с целыми спинами (статистика Бозе-Эйнштейна).

Применив свою статистику к фотонам, он вывел закон Планка для теплового излучения абсолютно черного тела.

Сканировать портрет Бозе

Фермионы

названы так в честь Энрико Ферми (1901- 1954), итальянского физика, одного из основоположников квантовой электродинамики.

В 1933 – 1934 году он создал количественную теорию β-распада

В 1934 году Ферми открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами.

Он построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 года впервые осуществил его запуск, получив самоподдерживающуюся цепную реакцию.

В его честь назван 100-й химический элемент

– фермий ( ).

Принцип Паули

сформулировал Вольфганг Паули (1900 – 1958) в 1924-25 годах. За этот принцип, который является важнейшим принципом современной теоретической физики, Паули в 1945 году получил Нобелевскую премию.

В одном и том же энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами

Блестящий теоретик, Паули был совершенно беспомощен во всем, что касалось эксперимента. В шутку физики поговаривали об «эффекте Паули»: стоило ему появиться в лаборатории, как что-нибудь обязательно выходило из строя, ломалось или взрывалось.

Классификация элементарных частиц по видам взаимодействий, в которых они участвуют

Элементарные частицы

Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Л е п т о н ы

от греч. leptos – «легкий, слабый».

К лептонам относятся 12 микрообъектов – 6 частиц и 6 античастиц, которые участвуют в реакциях слабого взаимодействия.

За создание теории, в которой слабые и электромагнитные взаимодействия рассматриваются как проявления одного – электрослабого взаимодействия – американцы Шэлдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и пакистанец Абдус Салам в 1979 году получили Нобелевскую премию. .

Слабое взаимодействие

играет важную роль во многих процессах космического масштаба.

Без него погасли бы Солнце и большинство звезд: источником энергии в них служат реакции превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино с последующим образованием гелия .

С процессами слабого взаимодействия связаны потери энергии при взрывах Сверхновых с образованием пульсаров (нейтронных звезд).

Большая туманность Ориона

– область активного звездообразования

Механизм слабого взаимодействия

Наибольшее расстояние, на котором проявляется слабое взаимодействие, порядка 10 -17 м.

Взаимное превращение элементарных частиц происходит при столкновении частиц сверхвысоких энергий.

Чем больше энергия частиц, тем большее количество и притом более тяжелых частиц рождается

Лептоны

от греч. leptos – «легкий, слабый».

К лептонам относятся 12 микрообъектов – 6 частиц и 6 античастиц, которые участвуют в реакциях электрослабого слабого взаимодействия.

Дублет

Название лептона

I

Электрон

Символ частицы

e -

Год предсказания (открытия)

II

Электронное нейтрино

1897

Мюон

ν e

Автор

Мюонное нейтрино

Дж. Дж. Томсон

III

Масса

μ -

1

Таон

1936

Лептонный заряд

ν μ

Таонное нейтрино

τ -

Время жизни

1

0

К. Андерсон

207

1975

Cтабилен

1

ν τ

0

1

Стабильно

М. Перл

3492

2,2·10 -6 с

1

Стабильно

1

0

-13 с

1

Стабильно

Объяснение β-распада (Э.Ферми, 1934 г.)

Электрон рождается при превращении нейтрона в протон, при этом часть энергии уносит электронное антинейтрино:

Закон сохранения лептонного заряда: 0 = 0 + 1 - 1

Распад μ-лептона (мюона)

Мюон распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино:

Закон сохранения лептонного заряда: 1 = 1 - 1 + 1

Распад τ-лептона (таона)

Таон распадается на мюон, мюонное антинейтрино и таонное нейтрино:

Закон сохранения лептонного заряда: 1 = 1 - 1 + 1

Механизм слабого взаимодействия

Нейтрон распадается на протон и промежуточный векторный бозон W-

Выброшенный пи-плюс мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, и спустя 10 -23 с захватывается нейтроном, который при этом превращается в протон.

Сильное взаимодействие

существует в ядрах атомов и обеспечивает связь нуклонов в ядре. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, порядка 10 -15 м.

Сильное взаимодействие обеспечивает исключительную прочность ядра, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Механизм сильного взаимодействия

Протон излучает пи-плюс-мезон и превращается в нейтрон

Выброшенный пи-плюс мезон движется со скоростью, близкой к скорости света, и спустя 10 -23 с захватывается нейтроном, который при этом превращается в протон.

Механизм сильного взаимодействия

Аналогично, нейтрон излучает пи-минус-мезон и превращается в протон

Мезоны испускаются и поглощаются настолько быстро внутри ядра, что невозможно их зарегистрировать, поэтому такие частицы называют виртуальными

Адроны (от греч. hadros – большой, сильный)

Мезоны (от греч. meso – средний) – бозоны со целым спином s = 0, 1.

Барионы (от греч. barys – тяжелый) – фермионы с полуцелым спином

Нуклоны

Гипероны

(протоны и нейтроны)

(все остальные

со спином s = 1/2

барионы) со спином

s = 1/2, 3/2

Характеристики мезонов

Масса

Время жизни

Заряд

π + -мезон: 273,1 m e

2,6 ·10 -8 с

+1

π ─ -мезон: 273,1 m e

2,6 ·10 -8 с

-1

π 0 -мезон: 264,1 m e

8,3 ·10 -17 с

0

При энергиях свыше 300 Мэв мезоны отделяются от нуклонов, становятся свободными, вылетают за пределы ядра и регистрируются приборами.

Масса покоя частицы

Поскольку массы элементарных частиц чрезвычайно малы, например, масса электрона m e = 9,1 ∙10 -31 кг, пользуются такой системой единиц, в которой масса и энергия имеют одинаковую размерность и выражаются в эВ, МэВ, ГэВ и др.

1 а.е.м. = 1, 661 ∙10 -27 кг

соответствует 931,5 МэВ

Массы покоя известных фундаментальных частиц

изменяются от нуля (фотон γ) до 176 ГэВ (t-кварк)

Электрон (e - )

0,511 МэВ

Протон (p)

938,2 МэВ

Нейтрон (n)

939,4 МэВ

Мюон ( μ-лептон)

105,7 МэВ

Таон ( τ-лептон)

1784 МэВ

Пион ( π-мезон)

220 МэВ

u-кварк

330 МэВ

d-кварк

333 Мэв

Домашнее задание

§ 90, 91, 92 читать (+тетрадь)

§ 93 - конспект