Фундаментальные частицы. Презентация на тему "фундаментальные элементарные частицы" Презентация на тему элементарные частицы
Определение:Элементарными частицами
называют большую группу
мельчайших частиц материи, не
являющихся атомами или атомными
ядрами.
Элемент арные част ицы:
электроны
протоны
нейтрино
нейтроны
мюоны
мезоны
странные частицы
резонансы
«красивые»
частицы
фотоны
«очарованные» частицы
Обозначение, масса, заряд
ЧастицаЭлектрон
Символ
0e
-1
Масса, кг
Заряд, Кл
9*10-31
-1,6*10-19
Протон
1p
1
1,673*10-27
+1,6*10-19
Нейтрон
1n
0
1,675*10-27
0
Фотон
γ
0
0Подавляющее число элементарных
частиц не встречается в природе, т.к.
они не устойчивы, их получают в
лабораториях. Основной способ их
получения столкновение быстрых
стабильных частиц, в процессе
которого часть кинетической энергии
движущихся частиц превращается в
энергию образующихся частиц
Все процессы превращения частиц
подчиняются законам сохранения (энергии,
импульса, заряда и ряда других величин,
специфических для элементарных частиц).Взаимопревращаемость
элементарных частиц – одно из
наиболее важных свойств.
Современная физика
элементарных частиц
называется также
ФИЗИКОЙ ВЫСОКИХ
ЭНЕРГИЙ.Американские физики М. Гелл-Ман и
Г.Цвейг предложили гипотезу, согласно
которой протон состоит из трёх
зарядов: -е /3, +2е/3, +2е/3. Частицы с
дробным зарядом назвали кварками.
Нейтроны, согласно этой гипотезе,
также состоит из трёх кварков,
имеющих заряды: -е/3,-е/3, +2е/3. Итак,
элементарные частицы не являются
бесструктурными образованиями.
Согласно предст авлениям современной
физики, прот оны, нейт роны и другие
част ицы пост роены из кварков, кот орые
обладают дробными элект рическими
зарядами.
Античастицы
Частицы с массой, равной массе электрона, ноимеющей положительный заряд. Её назвали
позитроном (0е1).
Исследования показали, что позитрон может
появиться в результате взаимодействия γ-кванта с
тяжелым ядром, причём всегда вместе с электроном:
γ + Х → Х + 0е-1 + 0е1
Следовательно, рождение электрон – позитронной
пары представляет собой превращение одной
частицы – фотона (γ-кванта) в две другие частицы –
электрон и позитрон.Породить электрон – позитронную пару может
только такой фотон, энергия которого не меньше
суммы энергий покоя электрона и позитрона:
hν ≥ 2mc2
Поскольку энергия покоя электрона равна
примерно 0,5 МэВ, то минимальная энергия
фотона 1 МэВ, а его максимальная длина волны:
λмакс = hс/2moc2=10-12 м=10-3 нм.
В вакууме позитрон, как и электрон, - устойчивая,
стабильная частица. Но, встречаясь друг с
другом, электрон и позитрон АННИГИЛИРУЮТ,
порождая фотоны большой энергии: 0е-1+0е1→2γ
При аннигиляции вещества и антивещества
высвобождается колоссальная энергия –
энергия покоя.В последующее время были открыты
АНТИЧАСТИЦЫ других элементарных частиц.
Обычно античастица обозначается той же буквой,
что и частица, но над ней ставится волнистая
черта. Например, протон обозначается
буквой р, а антипротон –р.
Фундаментальные взаимодействия
Сильное
взаимодейст вие
Элект ромагнит ное
взаимодейст вие
Гравит ационное
взаимодейст вие
Слабое
взаимодейст виеСильное взаимодействие свойственно тяжелым
частицам. Именно оно обусловливает связь протонов, и
нейтронов в ядрах атомов.
В электромагнитном взаимодействии
участвуют электрически заряженные частицы и фотоны.
Благодаря электромагнитному взаимодействию существует
связь электронов с ядрами в атомах и связь атомов в
молекулах. Электромагнитное взаимодействие
обусловливает многие макроскопические свойства
вещества.
Слабое взаимодействие характерно для всех
частиц, кроме фотонов. Наиболее известное его
проявление - бета-распад нейтронов и атомных ядер.
Гравитационное взаимодействие присуще всем
телам Вселенной; оно проявляется в виде сил всемирного
тяготения. Эти силы обеспечивают существование звезд,
планетных систем и т.п. В микромире гравитационное
взаимодействие является предельно слабым из-за того, что
массы элементарных частиц чрезвычайно малы.Тип
заимодействия
Сильное
Радиус
действия,м
Интенсивность,
Переносчики
относительная ед. взаимодействия
10-15
1
Глюоны
∞
10-2
Фотоны
10-18
10-10
Промежуточ
ные
бозоны
∞
10-38
Гравитоны
Электромагнитное
Слабое
ГравитационноеЭлементарные частицы
Лептоны
Адроны
Адроны (от греч. – adros большой,
сильный.) – протоны, нейтроны и
другие частицы участвуют во всех
четырёх взаимодействиях.
Лептоны (от греч. – leptos –
легчайший, маленький.) – электроны,
мюоны и другие частицы в трёх типах
взаимодействия, за исключением
сильного.?
Существуют ли истинно
элементарные частицы – первичные,
далее неразложимые частицы, из
которых, по предположению, состоит
материя?
Истинно
элементарные
частицы
Лептоны
Переносчики
взаимодействий
Кварки
История открытия элементарных частиц
Первая элементарная частица –электрон – была открыта английским
физиком Дж.Томсоном в 1897 г.
Английский физик Э.Резерфорд в 1919 г.
Обнаружил среди частиц, выбитых из
атомных ядер, протоны. Другая частица,
входящая в состав ядра, нейтрон -
была открыта в 1932 г. английским
физиком Дж. Чедвиком.Швейцарский физик В.Паули в 1930 г. Впервые
предположил, что существуют особые элементарные
частицы - нейтрино (Уменьшительное от нейтрона),
не имеющие заряда и (возможно) массы.
Отличительная особенность нейтрино - огромная
проникающая способность, что затрудняет его
обнаружение. В 1934 г. Э.Ферми, основываясь на
гипотезе нейтрино, построил теорию ‚ β - распада.
Экспериментально нейтрино открыто в 1953 г.
Американскими физиками Ф.Райнесом и К.Коуэном.
Позитрон - первая античастица - был открыт
К. Андерсеном в 1932 г.
В 1936 г. К.Андерсон и С.Неддермайер (США) при
исследовании космических лучей обнаружили
мюоны, имеющие электрический заряд (обоих
знаков), - частицы с массой, равной примерно 200
массам электрона, а в остальном - близкие по
свойствам к электрону (и позитрону).В 1947 г. группой английских физиков под
руководством С.Пауэлла в космическом излучении
были открыты мезоны (От греч. Meson - средний,
промежуточный.).
В 1960-х гг. было обнаружено большое число частиц,
крайне неустойчивых, имеющих чрезвычайно малое
время жизни (порядка 10-24 – 10-23с). Эти частицы,
получившие название резонансы, составляют
большую часть элементарных частиц.
В 1976-1977 гг. в опытах по аннигиляции электрона
и позитрона были открыты «очарованные» частицы.
Их существование было предсказано кварковой
гипотезой строения элементарных частиц.
В 1983 г. были впервые обнаружены промежуточные
бозоны - группа тяжелых частиц, являющихся
переносчиками слабого взаимодействия. Открытие
новых элементарных частиц продолжается и по
сегодняшний день.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
«И это чудо, что несмотря напоразительную сложность
мира, мы можем обнаружить
в его явлениях некоторую
закономерность.»
Э. ШредингерПрезентацию
выполнили:
Гладченко Мария и
Гладченко Максим.
Этап первый . От электрона до позитрона
1897-1932 гг.
Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие, нерасчленимые далее частицы атомами (слово а т о м, напомним, означает неделимый), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные построены из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.
ДЕМОКРИТ
(ок. 470 или 460 - 360-е гг. до н.э.)
Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома.
Уже в ХХ в., были открыты протон и нейтрон - частицы, входящие в состав атомного ядра.
Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.
ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Этап второй . От позитрона до кварков
1932 - 1970 гг.
Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем.
В самом слове элементарная заключается двоякий смысл.
С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фундаментальное , лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы (частицы из которых состоят атомы) элементарными).
Лишь четыре частицы - фотон, электрон, протон и нейтрино - могли бы сохранять свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире.
Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.
Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья позитроны и антипротоны , при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.
Фотон , испущенный настольной лампой, живет не более 10 -8 с.
Лишь нейтрино почти бессмертно из-за того, что оно чрезвычайно слабо взаимодействует с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.
Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.
Итак, в извечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.
Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.
При столкновении частиц сверхвысоких энергий частицы не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество, и притом более тяжелых, частиц рождается. Это возможно благодаря тому, что при увеличении скорости масса частиц растет. Всего лишь из одной пары любых частиц с возросшей массой можно в принципе получить все известные на сегодняшний день частицы.
Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире были осуществлены в 1976 г. в лаборатории высоких энергий Объединенного
тута ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика
А. М. Балдина.
Результат столкновения ядра углерода, имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающиеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц - пионов.
Конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока энергией будут рождаться и какие-то новые еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц - «родителей»; Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, а только увеличив массу, породить в свою очередь при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.
По современным представлениям элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.
Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура .
ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Этап третий . От гипотезы о кварках до наших дней.
1964 гг. - …
В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают свое название. Часть из них, возможно даже большая часть, носит это название вряд ли заслуженно. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.
Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.
Была открыта группа так называемых « странных » частиц:
К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов.
В 1964 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных (или первичных) частиц – кварков .
В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа « очарованных » частиц с еще большими массами.
Были открыты чрезвычайно короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.
Эти частицы были названы резонансами , и их число перевалило за двести.
В настоящее время в реальности кварков почти никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены.
ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ
Существование двойника электрона - позитрона - было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г.
Одновременно Дирак предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезать (аннигилировать), породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, - например, при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.
Поль Адриен Морис Дирак - английский физик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент АН СССР (1931). Разработал квантовую статистику (статистика Ферми - Дирака); релятивистскую теорию движения электрона (уравнение Дирака, 1928 год), предсказавшую позитрон, а также аннигиляцию и рождение пар. Заложил основы квантовой электродинамики и квантовой теории гравитации.
Нобелевская премия (1933, совместно с Эрвином Шредингером).
Поль Дирак
1932 г. Позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле.
Направление искривления трека частицы указывало знак ее заряда, а по радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона.
Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.
Первая фотография, доказавшая существование позитрона.
То, что исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением , а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц, особенно наглядно обнаруживается именно при аннигиляции пары электрон - позитрон.
Обе эти частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электрическими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя.
Процесс рождения пары электрон - позитрон ɣ-квантом в свинцовой пластинке.
В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.
В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке .
До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться невечным.
Обнаружены сравнительно недавно антипротон и антинейтрон .
Электрический заряд антипротона отрицателен.
Впоследствии двойники (античастицы) были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов , а оболочка - из позитронов, образуют антивещество .
Антиводород получен экспериментально.
Физикам CERN из коллаборации ALPHA удалось удержать частицы антиматерии от аннигиляции на протяжении 1000 секунд,
В 1995 году впервые удалось получить атомы антиводорода, состоящие из антипротона и позитрона, но они быстро аннигилировали, что не давало возможности изучить их свойства.
Сейчас же атомщикам удалось собрать установку, создающую сложное магнитное поле, что позволило удержать неуловимые ранее атомы. И хотя время, на которое удалось зафиксировать антиводород, составило всего одну десятую долю секунды, по словам ученых, этого достаточно, чтобы снять спектры и провести детальное изучение частиц.
Антиводород, с которым работали ученые, получили из нескольких десятков миллионов антипротонов и позитронов, источником для которых стал изотоп натрия 22 Na. Далее последовала многоступенчатая очистка. После этого несколько тысяч атомов антиматерии попали в магнитную ловушку.
При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся гамма-квантов.
Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной .
И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самый совершенный источник энергии, самое калорийное «горючее».
В состоянии ли будет человечество когда-либо это «горючее» использовать, трудно сейчас сказать.
РАСПАД НЕЙТРОНА. ОТКРЫТИЕ НЕЙТРИНО
Природа β-распада
При β-распаде из ядра вылетает электрон. Но электрона в ядре нет. Откуда же он берется?
После вылета электрона из ядра заряд ядра, а значит, и число протонов увеличиваются на единицу. Массовое число ядра не меняется. Это означает, что число нейтронов уменьшается на единицу.
Следовательно, внутри β -радиоактивных ядер нейтрон способен распадаться на протон и электрон . Протон остается в ядре, а электрон вылетает наружу.
Только в стабильных ядрах нейтроны устойчивы.
Но вот что странно.
Совершенно тождественные ядра испускают электроны различной энергии . Вновь образующиеся ядра, однако, совершенно одинаковы независимо от того, какова энергия испущенного электрона.
Это противоречит закону сохранения энергии - самому фундаментальному физическому закону!
Энергия исходного ядра оказывается неравной сумме энергий конечного ядра и электрона!!!
Гипотеза Паули
Швейцарский физик В. Паули предположил, что вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона рождается какая-то частица- «невидимка», которая уносит с собой недостающую энергию.
Частица эта не регистрируется приборами, потому что она не несет электрического заряда и не имеет массы покоя. Значит, она не способна производить ионизацию атомов, расщеплять ядра, т. е. не может вызвать эффекты, по которым можно судить о появлении частицы.
Паули предположил, что гипотетическая частица просто очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому может пройти сквозь большую толщу вещества, не обнаружив себя.
Эту частицу Ферми назвал нейтрино , что означает «нейтрончик».
Масса покоя нейтрино, как и предсказал Паули, оказалась равной нулю . За этими словами кроется простой смысл: покоящихся нейтрино нет.
Едва успев появиться на свет, нейтрино сразу движется со скоростью 300000 км/с.
Подсчитали, как взаимодействуют нейтрино с веществом в слое определенной толщины. Результат оказался далеко не утешительным в смысле возможности обнаружить эту частицу экспериментально. Нейтрино способно пройти в свинце расстояние, равное расстоянию, проходимому светом в вакууме за несколько лет.
РАСПАД СВОБОДНОГО НЕЙТРОНА
Роль нейтрино не сводится только к объяснению β- распада ядер. Очень многие элементарные частицы в свободном состоянии самопроизвольно распадаются с испусканием нейтрино.
Нейтрино (символ ν ) имеет античастицу, называемую антинейтрино (символ ν с чертой).
При распаде нейтрона на протон и электрон излучается именно антинейтрино:
Именно так ведет себя нейтрон. Только в ядрах нейтрон за счет взаимодействия с другими нуклонами приобретает стабильность.
Энергия нейтрона всегда больше суммы энергий протона и электрона. Избыточная энергия уносится с антинейтрино.
Свободный же нейтрон живет в среднем 16 мин . Это было экспериментально доказано лишь после того, как были построены ядерные реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.
Экспериментальное открытие нейтрино
Несмотря на свою неуловимость, нейтрино (точнее, антинейтрино) после почти 26 лет его «призрачного существования» в научных журналах было открыто экспериментально.
Теория предсказала, что при попадании антинейтрино в протон возникнут позитрон и нейтрон:
Вероятность такого процесса мала из-за чудовищной проникающей способности антинейтрино. Но если антинейтрино будет очень много, то можно надеяться их обнаружить.
В ущелье Баксан на Кавказе в монолитной скале проделан двухкилометровый тоннель и сооружена научная лаборатория, защищенная от космических лучей скалой толщиной в несколько километров. В лаборатории располагается аппаратура для регистрации солнечных нейтрино и нейтрино из космоса.
Нейтринная Баксанская станция
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ БОЗОНЫ - ПЕРЕНОСЧИКИ СЛАБЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино не может быть вызван ядерными силами, так как электрон не испытывает сильных взаимодействий и поэтому не может быть рожден за их счет. Рождение электронов возможно под действием электромагнитных сил.
Но ведь есть еще антинейтрино, которое лишено электрического заряда и не участвует в электромагнитных взаимодействиях.
Такая же ситуация возникает при распаде π -мезонов и других частиц с испусканием нейтрино или антинейтрино.
Следовательно, должны быть какие-то другие взаимодействия, ответственные за распад нейтрона (и многих других частиц). Так на самом деле и есть.
В природе существует четвертый тип сил - слабые взаимодействия . Именно эти силы являются главным действующим лицом в трагедии гибели частиц.
Слабыми эти взаимодействия названы потому, что они действительно слабы: примерно в 10 14 раз слабее ядерных!
Ими всегда можно пренебречь там, где проявляются сильные или электромагнитные взаимодействия.
Но есть много процессов, которые могут быть вызваны только слабыми взаимодействиями .
Из-за малого значения слабые взаимодействия не влияют на движение частиц заметным образом. Не ускоряют их и не замедляют.
Слабые взаимодействия не способны удерживать какие-либо частицы друг возле друга с образованием связанных состояний.
Тем не менее это силы в таком же смысле, как и электромагнитные и ядерные.
Главное ведь в любом взаимодействии - это рождение и уничтожение частиц . А именно эти функции (особенно последнюю ) слабые взаимодействия выполняют не торопясь, но совершенно неукоснительно.
Слабые взаимодействия совсем не редкость.
Напротив, они до крайности УНИВЕРСАЛЬНЫ . В них участвуют все частицы. Заряд, или, точнее, константа слабых взаимодействий, имеется у всех частиц.
Но только для частиц, участвующих в других взаимодействиях, способность к слабым взаимодействиям несущественна.
Лишь нейтрино ни к каким взаимодействиям, кроме слабых , неспособны (за исключением ультраслабых - гравитационных).
Роль слабых взаимодействий в эволюции Вселенной совсем не мала. Если бы слабые взаимодействия выключились, то погасло бы Солнце и другие звезды.
«Быстрые» и «медленные» лучше, чем «сильные» и «слабые»
Слабые же взаимодействия слабы совсем не в том смысле, что ничто выдающееся в микромире им не под силу. Они могут вызвать развал любой частицы, обладающей массой покоя, если только это допускается законами сохранения.
Однако при больших энергиях сталкивающихся частиц порядка ста миллиардов электронвольт слабые взаимодействия перестают быть слабыми по сравнению с электромагнитными.
Соблюдение последнего условия весьма существенно. В противном случае нейтроны в ядрах были бы нестабильными и в природе не было бы ничего, кроме водорода.
Характерное время слабых взаимодействий
10 -10 с против 10 -21 С для электромагнитных .
Действия слабых взаимодействий проявляются очень редко. В этом смысле они скорее медленные , чем слабые, и напоминают тяжелоатлета, способного поднять огромную штангу, но только очень и очень медленно.
Сильные (ядерные) взаимодействия - это самые быстрые взаимодействия, и вызываемые ими превращения элементарных частиц происходят очень часто.
Электромагнитные взаимодействия работают медленнее, чем сильные, но все же неизмеримо быстрее, чем слабые.
Как осуществляются слабые взаимодействия
Долгое время считалось, что слабые взаимодействия происходят между четырьмя частицами в одной точке.
В случае распада нейтрона это сам нейтрон, протон, электрон и антинейтрино.
Была построена Э. Ферми, Р. Фейнманом и другими учеными соответствующая квантовая теория слабых взаимодействий.
Правда, исходя из общих соображений о единстве сил природы, высказывалось предположение, что слабые взаимодействия, подобно всем другим, должны осуществляться посредством некоего «слабого» поля. Соответственно должны существовать кванты этого поля - частицы - переносчики взаимодействия.
Но никаких экспериментальных указаний на это не было .
Новый важнейший шаг в развитии теории слабых взаимодействий был сделан в 60-х гг. американскими физиками С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и пакистанским ученым А. Саламом, работавшим в Триесте.
Ими была выдвинута смелая гипотеза о единстве слабых и электромагнитных взаимодействий .
В основе гипотезы Вайнберга, Глэшоу и Салама лежало предположение, высказывавшееся ранее, о том, что слабые взаимодействия осуществляются путем обмена частицами, названными промежуточными или векторными бозонами , трех сортов: W + ,W – и Z 0 .
Первые две частицы несут заряд, равный элементарному, а третья нейтральна.
Суть новой гипотезы состоит в следующем: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина в том смысле, что на самом глубоком уровне истинная их сила одинакова и промежуточные бозоны взаимодействуют со всеми частицами на малых расстояниях точно так же, как фотоны с заряженными частицами.
Соответственно на очень малых расстояниях слабые взаимодействия должны проявляться с той же силой, что и электромагнитные.
Почему тогда эти взаимодействия все же оправдывают свое название?
Радиус слабых взаимодействий гораздо меньше, чем электромагнитных. Из-за этого они кажутся слабее электромагнитных.
Почему вызываемые ими процессы протекают гораздо медленнее, чем электромагнитные процессы?
«Классификация элементарных частиц» - Время жизни протона. Классификация адронов. Поколение. Лептонный дублет. Аннигиляция. Античастицы. Полное число кварков. Характеристики кварков и антикварков. Фермионы. Бозоны. Лептоны и их характеристики. Движение. Электрический заряд. Излучение. Взаимодействие. Элементарные частицы. Элементарная частица.
«Открытие нейтрона и протона» - Открытие протона. Открытие нейтрона и протона. Применение изотопов. Доказательство существования нейтрона. Резерфорд. Строение атомного ядра. Частицы из ядер азота. Д. Чедвик. Опыты с бором. Атомные массы. Метод «меченых атомов». Изотопы. В сельском хозяйстве. В археологии. В медицине.
«Нейтрино» - Черенковский детектор Super-Kamiokande. Смешивание нейтрино. Что мы хотим узнать. Эксперимент KamLand. 9438 ФЭУ для внутреннего объема. Обратная. 1700 тонн обычной воды. 5300 тонн обычной воды. 91 ФЭУ для внешнего объема (антисовпадения). Эксперимент MINOS. Число событий с E > 2.6 MeV 54 Ожидаемое число 86.8 ± 5.6 Фон 0.95 ± 0.99.
«Открытие протона» - Массовое и зарядовое число атома. Протонами. Количество протонов в ядре называют зарядовым числом. Зарядовым числом определяются химические свойства элемента. Как обозначают атомные ядра? В массах ядер обнаружилась. определяет относительную атомную массу химического элемента. Два ядра имеют одинаковые заряды, но разные массовые числа.
«Нейтрон» - Открытие нейтрона. Нейтро?н - элементарная частица, не имеющая заряда. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном. Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Нейтрон. Основные характеристики.
«Античастицы и антивещество» - Антимир – гипотетический космический объект (типа звезды или галактики) состоящий из антивещества. Открытие Андерсона. Теория большого взрыва. В мире должно быть одинаковое число звезд каждого сорта,» - Поль Дирак. Содержание. Рождение частиц и античастиц вблизи черных дыр-процесс Хокинга. Скопление антивещества в нашей Вселенной не найдено.
Cлайд 1
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.Cлайд 2
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
Cлайд 3
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"
Cлайд 4
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 Фамилия ученого Открытие (гипотеза) 400 лет до н.э. Демокрит Атом НачалоXXв. Томсон Электрон 1910 г. Э. Резерфорд Протон 1928 г. Дирак иАндерсон Открытие позитрона 1928 г. А. Эйнштейн Фотон 1929 г. П. Дирак Предсказание существованияантичастиц 1931 г Паули Открытие нейтрино и антинейтрино 1932 г. Дж. Чедвик Нейтрон 1932 г античастица - позитроне+ 1930 г. В. Паули Предсказание существованиянейтриноn 1935 г. Юкава Открытие мезона
Cлайд 5
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 Открытие (гипотеза) Второй этап 1947 г. Открытиеπ-мезонаpв космических лучах До начала 1960-х гг. Было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ.
Cлайд 6
Хронология физики частиц Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц. Дата Фамилия ученого Открытие (гипотеза) Третий этап 1962 г. М.Гелл-Манни независимо Дж. Цвейг Предложили модель строения сильно взаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков 1995 г. Открытие последнего из ожидавшихся, шестого кварка
Cлайд 7
Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами, по фотографиям
Cлайд 8
Классификация элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.
Cлайд 9
Классификация элементарных частиц Фермионы подразделяются на лептоны кварки. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.
Cлайд 10
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.
Cлайд 11
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
Cлайд 12
Спины некоторых микрочастиц Спин Ообщееназвание частиц Примеры 0 скалярные частицы π-мезоны,K-мезоны,хиггсовскийбозон, атомы и ядра4He, чётно-чётные ядра, парапозитроний 1/2 спинорные частицы электрон, кварки, протон, нейтрон, атомы и ядра3He 1 векторные частицы фотон, глюон, векторные мезоны, ортопозитроний 3/2 спин-векторные частицы Δ-изобары 2 тензорные частицы гравитон, тензорные мезоны
Cлайд 13
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.
Cлайд 14
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. Ядерные Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.
Cлайд 15
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. Четыре вида физических взаимодействий 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 10-16см 10-14 Сильное Не превышает 10-13см 1
Cлайд 16
Cлайд 17
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: цвет
Cлайд 18
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: масса
Cлайд 19
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
Cлайд 20
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
Cлайд 21
Cлайд 22
Cлайд 23
Характеристики кварков Характеристика Тип кварка d u s c b t Электрический зарядQ -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Барионное числоB 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 СпинJ 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 ЧетностьP +1 +1 +1 +1 +1 +1 ИзоспинI 1/2 1/2 0 0 0 0 Проекция изоспинаI3 -1/2 +1/2 0 0 0 0 Странностьs 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
Cлайд 24
Cлайд 25
Cлайд 26
Cлайд 27
При каких ядерных процессах возникает нейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях
Cлайд 28
При каких ядерных процессах возникает антинейтрино? А. При α - распаде. Б. При β - распаде. В. При излучении γ - квантов. Г. При любых ядерных превращениях
Слайд 2
§114-115. Элементарные частицы. Античастицы.
План урока 1. Презентация «Элементарные частицы». 2. Новый материал. 3. Закрепление знаний. 4. Л.Р. .
Слайд 3
Опрос учащихся
1. Какие элементарные частицы вы знаете? 2. Что означает термин «элементарный»? 3. Существуют ли другие элементарные частицы? 4. Чем они могут отличаться? 5. Как это можно узнать?
Слайд 4
Элементарные частицыИзвестно, что …
протон и нейтрон взаимно превращаются. существует более 350 элементарных частиц. Они отличаются массой, знаком и величиной заряда, временем жизни. Большинство – короткоживущие. Карл ДейвидАндерсон (1932 г.) обнаружил позитрон. Поль Дирак – предсказал его существование и процесс аннигиляции. (см.учебник, 1933 г. Подтверждено рпытом). 1955 г. Обнаружен антипротон и антинейтрон. Возникла идея антивещества. 1969 г. Серпухов. Ядра атомов антигелия. Адроны – взаимодействуют посредством ядерных сил (Свойства?) 1964 г. Гипотеза о кварках. (См. учебник.) Лептоны не взаимодействуют посредством ядерных сил.
Слайд 5
Три этапа
Слайд 6
Этап 1. От электрона к позитрону: 1897-1932 г.
Позитроон Электрон
Слайд 7
Этап 2. От позитрона к кваркам
Слайд 8
Элементарные частицы
Слайд 9
Фундаментальные взаимодействия
Слайд 10
Частицы и античастицы
γ hν=2mc2 Электрон Позитрон
Слайд 11
Слайд 12
Этап 3. От гипотезы о кварках до наших дней
Почти вся масса любого атома сосредоточена в ядре, которое меньше атома в сто тысяч раз. Ядро сложено из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков. (Рис. с сайта www.star.bnl.gov)
Слайд 13
Строение адронов
Слайд 14
Глюоны
Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. (Рис. с сайта www.nature.com)
Слайд 16
Симметрия элементарных частиц
современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.
Слайд 17
Слайд 18
Так выглядит типичное «интересное» событие в детекторе CDF на Тэватроне. Показан вид детектора с торца. Пучки сталкиваются в направлении, перпендикулярном рисунку, а рожденные частицы разлетаются в разные стороны, отклоняясь в магнитном поле. Чем больше импульс частицы, тем слабее она отклоняется. Гистограмма на краях показывает энерговыделение частиц. (Рис. с сайта www-cdf.fnal.gov)
Слайд 19
«Физическая» работа
Этот рисунок иллюстрирует ту порой скучную и даже черную работу, которую должны выполнить физики, чтобы выделить редкие события из всей статистики. На самом деле зачастую вообще невозможно достоверно сказать, родилась или нет интересующая нас частица в каждом конкретном событии. Осмысленную информацию можно извлечь только из всей статистики в целом. (Artwork: CERN. Рис. с сайта www.exploratorium.edu))
Слайд 20
Домашнее задание
Составить рассказ об элементарных частицах. Составить вопросы и ответы «Ералаш»
Посмотреть все слайды
