Одним из главных свойств частиц является их способность
превращаться друг в друга, рождаться и уничтожаться в результате
взаимодействия.
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей
на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд,
было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики
электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с
положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной
энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный
электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса
частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась
необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе.
Почему существует тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой частицы
с массой протона и отрицательным зарядом? Зато существовал легкий отрицательно
заряженный электрон. Открытие в 1932 г. позитрона по существу восстановило
зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска
античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной
частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при
столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и
позитрон исчезают, и вместо них рождаются два γ
-кванта
| e + + e - → 2γ | m(e -) = m(e +) = 0.511 Мэв. |
Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля в частицы с
нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется, а превращается в
кинетическую энергию.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс
рождения пары электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались -квантами
с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической
физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты
являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон в
фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между
излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар
заставили по-новому осмыслить, что же такое частицы, которые ранее называли
элементарными. Частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении
материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения
частиц. Оказалось, что частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие
частицы.
В созданной Э. Ферми теории -распада было показано, что
испускаемые в процессе -распада электроны не существуют в ядре,
а рождаются в результате распада нейтрона. В результате этого распада исчезает
нейтрон n и рождается протон p, электрон e - и электронное
антинейтрино e .
| n p + e - + e |
|
В результате реакций между антипротоном и протоном p, в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, могут рождаться различные частицы
| p + | → n + + π + + π - |
|
|
| →π + + π - + π 0 | |||
| → К + + K - |
Положительно заряженный К + -мезон, среднее время жизни которого 1.2∙ 10 -8 с, распадается одним из приведенных ниже способов (справа приведены относительные вероятности распадов.
Λ -гиперон и Δ 0 -резонанс имеют примерно одинаковые массы, распадаются на одни и те же частицы - протон и π - -мезон. Большое различие в их времени жизни обусловлено механизмом распада. Λ -гиперон распадается в результате слабого взаимодействия, а Δ 0 -резонанс - в результате сильного взаимодействия.
| Λ → p + π |
|
|
| Δ 0 → p + π |
|
При распаде отрицательного мюона ( -) в конечном состоянии наряду с электроном появляются две нейтральные частицы - мюонное нейтрино ν μ и электронное антинейтрино e . Этот распад происходит в результате слабого взаимодействия.
Муниципальное бюджетное нетиповое
общеобразовательное учреждение
"Гимназия №1 имени Тасирова Г.Х. города Белово"
Элементарные частицы
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"
Хронология
физики
частиц
Демокрит
Атом
Дата
Фамилия ученого
Открытие (гипотеза)
400 лет до н.э.
Начало XX
1910 г.
1928 г.
1928 г.
1929 г.
в. Томсон
Электрон
Античастица
- частица,
имеющая ту
Э. Резерфорд
жеПротон
массу и спин, но
Дирак и
Открытие позитрона
противоположные
значения
зарядов
Андерсон
всех
типов;
А. Эйнштейн
Фотон
П. Дирак
Предсказание существования
1931 г
Паули
Открытие нейтрино и антинейтрино
1932 г.
Дж. Чедвик
1932 г
1930 г.
1935 г.
античастиц
Для любой
Нейтрон элементарной
частицы
есть
своя
античастица
- позитрон
е+
В. Паули
античастица
Предсказание существования
Юкава
нейтрино n
Открытие мезона
Хронология физики частиц
Дата
Открытие (гипотеза)
Перед физиками - теоретиками встала
Второйупорядочить
этап
труднейшая задача
весь
1947 г.обнаруженный
Открытие π-мезона
p в частиц
космических
"зоопарк"
и
лучах
попытаться
свести число фундаментальных
До частиц
начала кБыло
открытодоказав,
несколькочто
сотен
новых
минимуму,
другие
1960-х
гг. состоят
элементарных
частиц, имеющих
массы
частицы
из фундаментальных
частиц
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
Открытие (гипотеза)
Третий этап
1962 г. М. Гелл-Манн Предложили модель
и независимо строения сильно
Дж. Цвейг
взаимодействующих
частиц из
фундаментальных частиц кварков
1995Эта
г. модель к настоящему
Открытие
последнего из
времени превратилась
в
ожидавшихся,
шестого
стройную теорию всех известных
типов взаимодействий
частиц.
кварка
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:
1. Фермионы, которые составляют
вещество;
2. Бозоны, через которые осуществляется
взаимодействие.
Классификация элементарных
Кварки участвуют
в
сильных
взаимодействиях,
а
частиц
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
Спин
(от
англ.
spin
-
вертеть[-ся],
пространство состояний, никак не связанное с
вращение) -
собственный
перемещением
частицы
в обычном момент
пространстве;
импульса элементарных частиц,
Спин
(от англ. квантовую
to spin – крутиться)
частои не
имеющий
природу
сравнивают с угловым
моментом «быстро
связанный
с перемещением
частицы
вращающегося волчка» - это неверно!
как целого
Спин является внутренней квантовой
характеристикой частицы, которая не имеет
аналога в классической механике;
Спины некоторых микрочастиц
Спин
0
Ообщее название частиц
π-мезоны, K-мезоны,
хиггсовский бозон, атомы и
скалярные частицы
ядра 4He, чётно-чётные ядра,
парапозитроний
1/2
спинорные
частицы
1
векторные частицы
3/2
спин-векторные
частицы
2
Примеры
электрон, кварки, протон,
нейтрон, атомы и ядра 3He
фотон, глюон, векторные
мезоны, ортопозитроний
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,
Ядерные
сильные.
Механизм
один:
Слабое взаимодействие -взаимодействий
меняет внутреннюю
за счет обмена
природу частиц.
частицами Сильные взаимодействиядругими
- обусловливают
различные ядерные реакции, апереносчиками
также возникновение
сил, связывающих нейтроны взаимодействия.
и протоны в ядрах.
Четыре вида физических
взаимодействий
Электромагнитное
И
фотоны,
и
Взаимодействие Радиус
действияКонст. взаимдств.
взаимодействие:
переносчик
гравитоны не
фотон.
имеют
массы
Гравитационное
-39
Гравитационное
Бесконечно большой
6.10
взаимодействие: переносчики - (массы покоя) и
кванты поля тяготения всегда
движутся
гравитоны.
Электромагнитное Бесконечно большой
1/137
со скоростью
Слабые взаимодействия:
света.
переносчики - векторные
бозоны.
Слабое
Не превышает 10-16 см
10-14
Существенным отличием
Переносчики сильных
переносчиков слабого
взаимодействий: глюоны (от-13взаимодействия от фотона
Сильное
Не glue
превышает
10 см
1
английского слова
- клей),
и гравитона является их
с массой покоя равной нулю.
массивность.
Свойства кварков
Кварковые супермультиплеты
(триада
Презентация на тему "Элементарные частицы" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников 11 класса объясняется физика элементарных частиц и систематизируются знания по теме. Цель работы - развить абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях. Автор презентации: Попова И.А., учитель физики.
Фрагменты из презентации
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"
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
- 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).
- Третий эта. М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков
- 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.
Кварки
- Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
- 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.
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
Четыре вида физических взаимодействий
- 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.
Свойства кварков
- 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.
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.
- 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)?
Тест
- Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия? А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы.
- С точки зрения взаимодействия все частицы делятся на три типа: А. Мезоны, фотоны и лептоны. Б. Фотоны, лептоны и барионы. В. Фотоны, лептоны и адроны.
- Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом.
- Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.
- Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют.
- Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона.
- Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ.
- Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.
Ответы: В; В; А; В; Б; А; В; Г. 5. Существуют ли в природе неизменные частицы? А. Существуют. Б. Не существуют. 6. Реальность превращения вещества в электромагнитное поле: А. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и позитрона. Б. Подтверждается на опыте аннигиляции электрона и протона. 7. Реакция превращения вещества в поле: А. е + 2??е+ Б. е + 2??е- В. е+ +е- =2?. 8. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? А. Сильное взаимодействие. Б. Гравитационное. В. Слабое взаимодействие Г. Сильное, слабое, электромагнитное.
Слайд 34 из презентации «Классы элементарных частиц» . Размер архива с презентацией 1337 КБ.Физика 11 класс
краткое содержание других презентаций««Строение атома» физика 11 класс» - Импульс фотона. Монохроматический свет. Определите энергию и импульс фотона видимого света. Каков заряд фотона. Первый постулат Бора. Сколько квантов с различной энергией. Диаграмма энергетических уровней атома. Как корпускулярные, так и волновые свойства. P = h. Фотон либо движется со скоростью света, либо не существует. Во сколько раз линейный размер ядра меньше размера атома. Можно ли остановить фотон.
«Ультразвук в медицине» - Ультразвук в помощь фармакологам. Ультразвуковое исследование. Вредно ли ультразвуковое лечение. Лечение ультразвуком. Рождение ультразвука. Ультразвуковые процедуры. Вредно ли ультразвуковое исследование. Детская энциклопедия. Ультразвук в медицине. План.
«Скорость волны» - В воздухе свет. Разобьем мысленно поверхность моря на полосы. Гляди в оба. Миражи в пустыне. Звуковые волны. Показатель преломления. Волны движутся все медленнее. Как, однако, полезно знать физику, даже полководцам. Найдем скорость распространения волн на пляже. Уравнение луча у(x). Волны на пляже, солнце в небе и многое другое.
«Электрический резонанс» - Демонстрация настройки самодельного радиоприемника на волну. Контур. Электрическая схема. Кусочек говядины помещают между обкладками плоского конденсатора. В цепь переменного тока с частотой 400 Гц включена катушка. Три конденсатора переменной ёмкости. Резонанс в электрической цепи. В электрической цепи резонанс наступает при равенстве. Условие резонанса. Составьте электрическую схему.
«Классы элементарных частиц» - Протон не имеет составных частей. "Зоопарк" частиц. Энергия. Неизменные частицы. Как обнаружить элементарную частицу. Аромат. Какая энергия выделяется при аннигиляции протона и антипротона. Элементарные частицы. Нейтрон. Фотоны. Периодическая система элементарных частиц. Четыре вида физических взаимодействий. Поколение. Квантовый характер поглощения энергии. Спин. Хронология физики частиц. Цвет. Нейтрино.
«Законы волновой оптики» - Дифракция света. Объяснение. Законы электромагнитного поля. Развитие представлений о природе света. Принцип Гюйгенса–Френеля. Шкала электромагнитных волн. Построения Гюйгенса. Интерференционный опыт Юнга. Интерференция. Наблюдение интерференции света. Юнг. Кольца Ньютона. Волновая оптика. Зоны Френеля. Волновая теория. Электромагнитная теория. Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Два противоположных подхода к объяснению природы света.
Cлайд 2
Основным признаком для деления элементарных частиц на группы является способность к фундаментальным взаимодействиям различного вида. МОУ СОШ № 35 им.К.Д, Воробьева г.Курск Маршала И.А. Гравитационное Электромагнитное Сильное Слабое С Сила тяжести Трения Ядерные Слабые И Вес Л Сила тяготения Упругости Ы Реакции опоры ВыталкивающаяCлайд 3
Фундаментальные взаимодействия МОУ СОШ № 35 им.К.Д, Воробьева г.Курск Маршала И.А. Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное Взаимодействующиечастицы Кварки, нуклоны Частицы с электрическими зарядами Кварки, лептоны Все частицы Радиус действия сил 10-15м ∞ 10-17м ∞ Относительнаясила взаимодействия 1 10-2 10-3 10-39 Частицы- носители взаимодействия Глюоны мезоны фотоны Промежуточные бозоны Гравитоны (?)
Cлайд 4
На сегодняшний день на роль «настоящих элементарных частиц» ,т.е. частиц, не построенных из каких – то других частиц претендуют шесть легких частиц- лептонов и шесть кварков(правда у каждой из них есть своя античастица). Эти частицы называются фундаментальными элементарными частицами. В элементарных процессах сохраняются импульс, энергия, электрический заряд, момент импульса. Об этом на следующем уроке, а пока…
Cлайд 5
1. Одно из свойств элементарных частиц- способность……… 2. Какие элементарные частицы называют стабильными? 3. Является ли нейтрон стабильной частицей? 4. Что является главным фактором существования элементарных частиц? 5. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? 6.Существуют ли в природе неизменные частицы? 7.Какок взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? 8.Какое взаимодействие носит универсальный характер? Превращаться друг в друга Которые не могут существовать в свободном состоянии неограниченное время НЕТ Взаимное их превращение Ядерные Не существуют Сильное, слабое, электромагнитное Гравитационное МОУ СОШ № 35 им.К.Д, Воробьева г.Курск Маршала И.А.