Элементарные частицы

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"

Античастица - частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов;
Хронология физики частиц
Для любой элементарной частицы есть своя античастица

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

Хронология физики частиц
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
Фермионы подразделяются на
лептоны
кварки.
Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.

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

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.
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.

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.

Свойства кварков
Кварковые супермультиплеты
(триада
и антитриада
)

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

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

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

Свойства кварков: аромат

Характеристики кварков

Рассмотрим 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.
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)?

Тест
1.Какие физические системы образуются из элементарных частиц в результате электромагнитного взаимодействия?
А. Электроны, протоны. Б. Ядра атомов. В. Атомы, молекулы вещества и античастицы.
2. 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.
3. Что является главным фактором существования элементарных частиц? А. Взаимное превращение. Б. Стабильность. В. Взаимодействие частиц друг с другом.
4. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? А. Гравитационные. Б. Электромагнитные. В. Ядерные. Г. Слабые.

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 + 2γ→е+ Б. е + 2γ→е- В. е+ +е- =2γ.
8. 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.