Элементар бөлшектердің теориясы. Атомнан кварктарға дейін. Қазіргі заманғы әлемнің ғылыми бейнесі.

Сабақтың тақырыбы: Элементар бөлшектердің теориясы. Атомнан кварктарға дейін. Қазіргі заманғы  әлемнің ғылыми бейнесі.

Сабақтың мақсаты:

1. Білімділік мақсаты: Оқушы білімін, іскерлігін, дағды деңгейін бақылау, бағалау. Элементар бөлшектердің теориясымен  таныстырып солар туралы түсінік қалыптастыру.
2. Дамытушылық мақсаты: Оқушылардың білім деңгейін және білім мазмұнының тұрақтылығы мен оны игерудегі іскерлік пен дағдыны бақылау.
3. Тәрбиелік мақсаты: Адамгершілікке, ұқыптылыққа, алғырлыққа, отансүйгіштікке, табиғатты аялауға, сыйластық пен әдептілікке баулу.

Сабақтың түрі: жаңа білімді қалыптастыру, жалпылау

Сабақтың әдіс-тәсілдері:  Әңгіме, лекция, дискуссия, кітаппен жұмыс.

Сабақтың көрнекіліктері: плакаттар, суреттер,

Сабақтың барысы:

І.ДК.Ұйымдастыру кезеңі:

Сәлемдесу; Оқушыларды түгендеу;Оқушылардың назарын сабаққа аудару.

ІІ. ДК. Үй тапсырмасын тексеру, қайталау.

А)теориялық білімдерін тексеру. Ә)практикалық тапсырмаларын тексеру. Б)есептерін тексеру.

ІІІ.ДК Білімді жан-жақты тексеру./ ІV. ДК. Жаңа материалды қабылдауға әзірлік, мақсат қою. 

Бүгінгі негізгі мақсатымыз оқулық бойынша элементар бөлшектердің теориясымен танысамыз.

1. Радиактивті сәулелер тірі организмдерге қандай қауіп туғызады?
2. Жұтылғандоза деп нені айтады?
3. Эквивалентті доза дегеніміз не?
4. Табиғи радиациялық фон сәуле ауруын туғыза ма?
5. Радиациядан қалай қорғануға болады?

V. ДК.Жаңа материалды меңгерту:

Бірінші кезең. Электроннан позитронға дейін: 1897-1932 ж. (Элементар бөлшектер — "Демокрит атомдары " тереңірек деңгейде.) Грек философы Демокрит одан әрі бөлінбейтін қарапайым бөлшектерді атом (атом - бөлінбейді деген сөзді білдіретінін ескертеміз) деп атағанда, бәлкім, принципінде мұншалықты күрделі болады деп ойламаған болар. Әртүрлі нәрселер: өсімдіктер, жануарлар өзгермейтін, бөлінбейтін бөлшектерден тұрады. Дүниедегі кездесетін түрленулер - бұлар атомдардың жай ғана орын ауыстыруы. Дүниеде мәнісі бұлжымай қалатын атомның өзінен басқаның бәрі де өтеді, бәрі де өзгереді.

Бірақ XIX ғасырдың аяғында атомның құрылысы күрделі болатындығы ашылып, оның құрамды бөлігі электрон бөлініп алынды. Одан әрі XX ғасырда ақ атом ядросының құрамына енген белшектер -  протон мен нейтрон ашылды. Демокрит атомдарға қалай қараса, алғашқы кезде бұл бөлшектерге де дәл осындай көзқарас болды: олар әлемнің одан әрі бөлінбейтін, бұлжымайтын негіздері, әлемнің негізгі кірпіштері деп есептелінді.

Позитроннан кварктарға дейін.  Екінші кезең. Позитроннан кварктарға дейін: 1932—1964 ж. (Барлық элементар бөлшектер бір-біріне түрленеді.) Алайда алдамшы жағдайдың айқындығы елестеген сағымдай өте шықты. Бәрі біз ойланғаннан әлдеқайда күрделі болып шықты: өзгермейтін бөлшектердің мүлдем жоқ екендігі анықталды. Элементар деген сөздің өзінде екі мағына бар. Бір жағынан, элементар - өзіне-өзі түсінікті, қарапайым дегенді білдіреді. Екінші жағынан, элементар деп заттарға негіз етіп алынған, іргелі бір нәрсе түсініледі (қазір субтомдық бөлшектердің элементар деп аталатыны да дәл осы мағынада). Төмендегі жай фактінің өзінен-ақ қазіргі кездегі белгілі элементар бөлшектерді Демокриттің атомдары сияқты өзгермейді деп санай алмаймыз. Бөлшектердің бірде-бірі мәңгілік емес. Қазіргі кезде элементар деп аталып жүрген бөлшектеріміздің көпшілігі ешбір сыртқы әсерсіз-ақ секундтың екі миллиондық үлесінен артық уақыт өмір сүре алмайды. Еркін нейтрон (атом ядросынан тыс нейтрон) орта алғанда 15 мин өмір сүреді. Тек фотон, электрон, протон және нейтрино бүкіл әлемде жеке дара кездесетін болса ғана өздерінің өзгермейтіндігін сақтаған болар еді. (Нейтринода электр заряды жоқ, оның тыныштық массасы нөлге тең болса керек.)

Бірақ электрондар мен протондардың аса қауіпті туыстары - позитрондар мен антипротондар бар, бұл бөлшектер бір-бірімен соқтығысқанда өзара жойылып, жаңа бөлшектер пайда болады. Үстел шамының шығаратын фотоны 10-8 с-тан артық өмір сүрмейді. Бұл — оның кітап бетіне жетіп, оны қағаздың жұтуына қажет уақыт. Тек нейтрино ғана басқа бөлшектермен өте әлсіз әсерлесетіндіктен, оны мәңгі деуге болар еді. Бірақ нейтринолар да басқа бөлшектермен соқтығысқанда, мұндай соқтығысулар өте сирек болатынына қарамастан, жойылады. Сонымен, біздің құбылмалы дүниеде мәңгі өзгермейтін зат негізін іздену жолында ғалымдар "гранит тұғырда" емес "сусымалы құмда" тұрған болып шықты.

Барлық элементар бөлшектер бір-біріне түрленеді және бұл өзара түрленулер олардың өмір сүруінің басты шарты болып табылады.

1-сурет

Элементар бөлшектердің түрленуін ғалымдар энергиясы зор бөлшектердің соқтығысуы кезінде бақыланады.

Элементар бөлшектердің өзгермейтіндігі жөнінде түсініктер негізсіз болып шықты. Бірақ олардың жіктелмейтіндігі жөніндегі идея сақталған.

Элементар бөлшектер одан әрі бөлінбейді, бірақ олардың қасиеттері сарқылмайтындай мол.

Бұлай ойлауға мына жағдай мәжбүр етеді. Мәселен, бізге электрон қандай субэлементар бөлшектерден тұрады деген заңды ой келсін. Электронды бұтарлап бөлу үшін не істеуіміз керек? Жалғыз ғана мүмкіншілік бар. Мұны жас бала да біледі, егер ол пластмасса ойыншығының ішінде не барын білгісі келсе, оны бірдеңемен қатты соғады.

Әрине, электронды балғамен соға алмаймыз. Бұл үшін орасан зор жылдамдықпен ұшып келе жатқан басқа электронды, я болмаса үлкен жылдамдықпен ұшып келе жатқан басқа бір элементар бөлшекті пайдалануға болады.

Осы күнгі үдеткіштер зарядталған бөлшектерге жарық жылдамдығына жуық жылдамдық бере алады.

Аса жоғары энергиялы бөлшектер соқтығысқанда не байқалады? Олар құрама бөліктері осы-ау деп айтуға болатын бөліктерге бөлінбейді. Жоқ, олар элементар бөлшектер тізімінде бар бөлшектерді ғана береді. Соқтығысатын бөлшектердің энергиясы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым көп те, анағұрлым ауыр да бөлшектер туады. Бұған себеп, жылдамдық өскен кезде бөлшектердің массасы артады. Бөлшектердің кез келгенінің бір қосағының массасын арттыра отырып, күні бүгінгі белгілі бөлшектердің бәрін де алуға болады. 1-суреттен сіздер 60 млрд. эВ энергиясы бар көміртегі ядросының (жоғарғы жуан сызық) фотоэмульсиясындағы күміс ядросымен соқтығысу нәтижесін көресіздер.

Ядро түрлі бағытта шашырап ұшатын жарықшақтарға бөлінген. Қоса қабаттаса көптеген элементар бөлшектер - пиондар пайда болады. Үдеткіште алынған релятивистік бөлшектердің соқтығысуынан пайда болған осындай реакциялар дүние жүзінде бірінші рет 1976 жылы Дубна қаласындағы ядролық зерттеудің Біріккен институтының жоғарғы энергиялары лабораториясында А.М.Балдиннің басқаруымен жүзеге асырылды. Электрон қабықшаларынан айрылған ядролар көміртегі атомын лазер сәулелерімен иондау жолымен алынған. Әрине, энергиясы әзірше біздің мүмкіншілігімізден жоғары болатын бөлшектер соқтығысқанда әлі белгісіз жаңа бөлшектер пайда болуы мүмкін. Бірақ бұл істің мәнін өзгертпейді. Соқтығысқанда пайда болған жаңа бөлшектерді бастапқы бөлшектердің құрамды бөліктері деп қарауға мүлдем болмайды. Туынды бөлшектерді үдететін болсақ, олардың табиғаты өзгермейді, тек массасы ғана артьш, соқтығысқан кезде бастапқы бөлшектердің өздерін және көптеген басқа бөлшектерді береді.

Сөйтіп, қазіргі кездегі түсініктер бойынша элементар бөлшектер дегеніміз - ол алғашқы, барлық материя содан құрылған, әрі қарай бөлінбейтін бөлшектер. Алайда, элементар бөлшектердің бөлінбейтіндігі олардың ішкі құрылымы жоқ деген сөз емес.

Кварктар туралы (1964 ж.) болжамдардан бүгінгі күнге дейін.Үшінші кезең. Кварктар туралы (1964 ж.) болжамдардан бүгінгі күнге дейін. (Элементар бөлшектердің көпшілігінің құрылымы күрделі.) 60 жылдары қазіргі элементар делініп жүрген барлық бөлшектер осы атауга лайық па деген күдік туған еді. Оның туу себебі қарапайым: ондай бөлшектер тым көбейіп кетті.

Жаңа элементар бөлшектің ашылуы - ғылым үшін аса зор табыс.

Бұдан көп бұрын-ақ әр жолы табыс көзі ашылған сайын әрқашан және қазіргі кезде де аздап мазасыздық араласа бастады. Табыстар бірінен соң бірі тізбектеліп шығып жатты.

Бір топ "оғаш" деп аталатын бөлшектер табылды: К-мезондар және массалары нуклондар массасынан ауыр гиперондар, 70-жылдары бұларға массасы олардыкінен де ауыр "ғажап" бөлшектердің үлкен бір тобы келіп қосылды. Мұнымен қоса, өмір сүру мерзімі 10-22 – 10-23 с шамасында ғана болатын қысқа өмірлі бөлшектер табылған еді. Бұл бөлшектер резонанстар деп аталды, ал олардың саны екі жүзден астам.

Міне, сол 1964 жылы М.Гелл-Маннон және Дж.Цвег ұсынған модель өзара күшті әсерлесетін (ядролық) барлық бөлшектер андрондар іргелі (немесе алғашқы) бөлшектерден — кварктардан құралатынын көрсеткен еді. Кварктардың электр зарядтары бөлшек:және  болып келеді.

Протондар мен нейтрондар үш кварктан құралады.

Қазіргі кезде кварктардың нақты бар екендігіне ешкім де күмәнданбайды, дегенмен олар бос күйінде әлі де білінген жоқ, мүмкін ешқашан білінбейтін де шығар.Кварктардың бар екенін электрондардың протондар мен нейтрондарға өте жоғары энергия шашырататыны жөніндегі тәжірибелер дәлелдейді. Әртүрлі кварктар саны алтыға тең. Кварктардың қазіргі күнде танымал болғаны сонша, олардың ішкі құрылымы жоқ және осы мағынада алғанда нағыз элементар бөлшек деп есептеуге болады.

Күшті өзара әсерлесуге қатыспайтын жеңіл бөлшектер лептондар деп аталады. Олар да кварктар сияқты алтау (электрон, нейтронның үш сорты және екі бөлшек: мююн және таулептон, бұлардың массасы электрон массасынан едәуір үлкен).

Кварктар мен лептондар — нағыз элементар бөлшектер.

 Позитронның ашылуы. Антибөлшектер

 Ағылшын физигі П.Дирак 1931 ж. электрондардың егізі — позитронның - бар екендігі жөнінде теориялық болжам жасаған болатын. Сонымен қатар, Дирак позитрон электронмен кездесе, бөлшектердің екеуі бірдей жоғалып, жоғары энергиялы фотондар пайда болуы тиіс екенін айтқанды.

Электрон-позитрон жұбы туатын кері процестің болуы да мүмкін, мәселен, едәуір жоғары энергиялы фотон (оның массасы пайда болатын бөлшектердің тыныштық массаларының қосындысынан артық болуы тиіс) ядромен соқтығысқан кезде осы процесс байқалады. Арада екі жыл өткен соң позитрон магнит өрісінде орналасқан Вильсон камерасының көмегімен табылды. Бөлшек тректің қисаюы бойынша оның заряд таңбасы, ал қисықтық радиусы мен бөлшектің энергиясы бойынша оның зарядының массасына қатынасы анықталады.

1 сурет

Осының салдарынан траекторияның қисықтығы артқан. -квант қорғасын пластинкадан өткен кезде электрон — позитрон жұбы туатын кері процесті 2-суретте келтірілген фотосуреттен көресіңдер. Магнит өрісінде орналасқан Вильсон

2 сурет

камерасында ол жұп өзіне тән қос мүйізді шанышқы түрінде із қалдырады. Элементар бөлшектер арасындағы реакциялар кезінде бір бөлшектердің жоғалып (аннигиляция), екіншілерінің пайда болуы, ескі бөлшектердің құрамды бөліктерінің жаңа комбинацияларының пайда болуы емес, бұл түрлену болып табылады. Бұл әсіресе электрон — позитрон жұбының аннигиляциясы кезінде анық байқалады. Тыныштық күйде ол екі бөлшектің де белгілі массалары және электр зарядтары болады. Осы кезде туатын фотонның заряды да, тыныштық массасы да жоқ, өйткені ол тыныштық күйде бола алмайды. Бөлшек — антибөлшек жұптарының пайда болуы және олардың аннигиляциясы тек электрондар мен позитрондарға ғана тән емес екендігі қазір жалпы жұртқа белгілі.

Ядролары антинуклондардан, ал қабықшасы позитрондардан тұратын атомдар антизат түзеді. 1969 жылы Кеңестер Одағында бірінші рет антигелий алынды. Антизат пен заттың аннигиляциясы кезінде заттың тыныштық энергиясы -кванттар түзетін кинетикалық энергияға айналады.

Тыныштық энергиясы дегеніміз - Әлемдегі аса зор және бір жерде шоғырланған энергия резервуары болып табылады. Ол тек аннигиляция кезінде ғана толығымен босанып, энергияның басқа түрлеріне айналады. Сондықтан да антизат - энергияның сарқылмас көзі, ең калориялы "отын". Осындай "отынды" адамзаттың қай кезде жүгендей алатындығын қазір айту киын. Элементар бөлшектер физикасының және бүкіл физика атаулының көкейкесті міндеттері шешілген күн де алыс емес деп үміттенеміз.

 VІ. ДК. Оқытылып отырған  оқу материалын қабылдаудағы оқушы түсінігін тексеру.

§9.3, 9.4, 9.5.  дайындық сұрақтарын талдау.

1. Элементар бөлшектер деп нені айтады?
2. Нейтрон протоннан, электроннан  және нейтринодан құралады деп есептеуге бола ма?
3. Неліктенлептондар шын элементар бөлшектер деп аталады?
4. Адрондар кварктардан қалай құрылады?
5. «түрлену арқылы өзара әрекеттесу» ұғымының мазмұны қандай?

VІІ. ДК. Оқытылып отырған оқу материалын бекіту немесе дағдыландыру жұмыстарын жүргізу.

Есептер  шығару.

VIІI.ДК. Бағалау. Үй тапсырмасын беру: § 9.3, 9.4, 9.5