Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

Ядерная физика

23.02.2024
1867
0

Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия

План урока

  • Элементарные частицы
  • Античастицы
  • Таблица элементарных частиц
  • Кварки
  • Фундаментальное взаимодействие

Цели урока

  • знать, какие частицы называют элементарными
  • знать классификацию элементарных частиц
  • знать, что такое античастицы
  • знать, что такое кварки
  • знать все виды фундаментального взаимодействия и их свойства

Разминка

  • Почему ядерные силы называют часто сильным взаимодействием?
  • Какие элементарные частицы вы знаете?
  • Что называют ядерной реакцией?

Элементарные частицы

К 30 г. ХХ века по итогу открытий, сделанных Резерфордом, Бором и другими выдающимися учёными, подробно были описаны как сложная структура атома, так и различные превращения одних атомных ядер в другие. В результате многочисленных открытий в области атомной физики были и известны всего четыре, как их тогда называли, элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон и фотон. Какой-то отрезок времени считалось, что именно эти частицы есть простейшие неделимые составляющие материи. Ситуация кардинально изменилась, когда были созданы ускорители частиц. Вследствие многочисленных исследований по ускорению элементарных частиц до огромных энергий и последующим столкновением их друг с другом, было открыто огромное количество новых элементарных частиц. Удивительным считалось, что во многих случаях массы порождённых частиц превышали массы сталкивающихся. Схожие результаты были получены при исследовании взаимодействия космических лучей высоких энергий с атомами атмосферы.

 

Чтобы классифицировать огромное количество новых частиц, их пришлось характеризовать не только массой и электрическим зарядом, но и другими величинами, смысл которых достаточно сложен, например, спин — собственный момент импульса элементарной частицы.


В современной физике под термином «элементарная частица» обычно подразумевают мельчайшую частицу материи, которая не является ни атомом, ни его ядром.


Протон является исключением, поскольку представляет собой ядро атома легчайшего изотопа водорода. Э. Ферми считал, что термин «элементарная частица» скорее относится к уровню наших знаний о частице, чем к её природе. 

Античастицы

Британский физик Поль Дирак в 1928 г. теоретически предсказал, что в природе должна существовать частица с массой равной массе электрона, но заряжённой положительно. Такая частица — позитрон — была обнаружена экспериментально в 1932 г. После открытия первой античастицы естественно возник вопрос о существовании античастиц и у других частиц. Оказалось, что почти у каждой частицы существует, причём только одна, античастица. При столкновении частицы со своей античастицей они аннигилируют, то есть исчезают. При этом появляются совершенно другие частицы, например фотоны.


Античастицы — частицы с такой же массой, но с противоположной по знаку величиной заряда. Для каждой частицы существует античастица.

 

При столкновении частицы со своей античастицей происходит аннигиляция — превращение частиц в излучение.


Примерами пар частицы и её античастицы являются электрон и позитрон, протон и антипротон. В данных парах частицы отличаются друг от друга только знаком электрического заряда. В общем случае частицы отличаются от своей античастицы только одной из многих характеризующих их величин.

 

Существуют истинно нейтральные частицы — частицы, которые не имеют античастицы, например, фотон и π0–мезон. Экспериментально установлено, что истинно нейтральная частица, имеющая достаточную энергию, при определённых условиях может одновременно порождать частицу и её античастицу.

Классификация элементарных частиц

Поначалу за каждую открытую новую элементарную частицу учёным присуждали Нобелевскую премию, но потом элементарных частиц стало так много, что премии выдавать перестали. К настоящему времени известно более 350 элементарных частиц. Среди них имеются частицы, обладающие массой, которая превышает массу протона. Также существуют частицы, элементарный заряд которых в 2 или в 3 раза превышает элементарный заряд.


В результате многочисленных экспериментов было установлено, что все элементарные частицы могут превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главная особенность их существования.


В настоящее время все элементарные частицы разделены на три группы. В таблице №1 приведены характеристики фотонов и лептонов, а в таблице №2 — характеристики некоторых частиц, состоящих из нескольких кварков. 

 

В первую группу входит только одна частица — фотон. Фотон не имеет ни массы, ни заряда и является истинно нейтральной частицей. Фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия.

 

Таблица № 1. Классификация элементарных частиц (фотон и лептоны)

 

Таблица № 2. Классификация элементарных частиц (адроны)

 

Группа частиц «лептоны» также не участвует в сильном взаимодействии. Данная группа состоит из шести частиц и их античастиц. Массы этих частиц малы (кроме таона), отсюда и название — лептоны (с греч. «лёгкие»).

 

Третью группу составляют частицы, участвующие в сильном (ядерном) взаимодействии. Поэтому их назвали адронами (с греч. «сильный»). В эту группу входит огромное число частиц, часть из которых приведена в таблице № 2.

Кварки

Кроме частиц, представленных в таблице, открыто большое число частиц с очень малым временем жизни — около 10-22 c.  Эти частицы названы резонансами. С их открытием неопределённость понятия «элементарная частица» стала особенно заметной. 

 

В 1964 г. американскими физиками М. Гелл-Маном и Дж. Цвейгом для объяснения свойств адронов была предложена модель, согласно которой все адроны построены из более «простых» или «первичных» частиц — кварков. Согласно этой гипотезе, все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединённых между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трёх кварков, антибарион — из трёх антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

 

В настоящее время считают, что существует 18 кварков и столько же антикварков. Особенность кварков состоит в том, что они имеют электрические заряды, представляющие некоторую долю от элементарного заряда, например +23e или -13e. Другая особенность кварков состоит в том, что сила их взаимного притяжения по мере увеличения расстояния между ними быстро возрастает.

Фундаментальное взаимодействие

Особенно следует отметить существование четырёх типов взаимодействия (фундаментального взаимодействия) между элементарными частицами — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого. Особенности фундаментальных взаимодействий представлены в таблице № 3.

 

Таблица № 3. Фундаментальные взаимодействия 

Фундаментальные взаимодействия

Сильное

Электромагнитное

Слабое

Гравитационное

Взаимодействующие частицы

Кварки, нуклоны

Частицы с электрическими зарядами

Кварки, лептоны

Все частицы

Радиус действия сил, м

10-15

10-17

Относительная сила взаимодействия

1

10-2

106

10-38

Носители взаимодействия

Глюоны

Фотоны

Промежуточные бозоны

? (гравитоны)

 

Наиболее слабым является гравитационное взаимодействие. На данный момент считается, что все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии посредством обмена гипотетическими частицами — гравитонами, которые до сих пор не удалось зарегистрироватьТем не менее известно, что именно благодаря гравитационному взаимодействию происходит рождение планет, звёзд и галактик. 

 

Слабое взаимодействие имеет большую интенсивность действующих сил. Из таблицы 3 видно, что оно примерно в 1032 раз интенсивнее гравитационного, если расстояние между взаимодействующими частицами не превышает 10-17 м. В связи с чем данные силы называют короткодействующими. Слабое взаимодействие существует между кварками и лептонами, а также между лептонами. Данным взаимодействием обусловлены процессы распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные векторные бозоны, масса которых почти в 100 раз превышает массу нуклонов. Характерное время протекания реакций, вызванных слабым взаимодействием, составляет ~10-10 с.

 

Электромагнитное взаимодействие примерно в 104 раз интенсивнее слабого. Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, является дальнодействующим. Благодаря обмену фотонов между электрически заряжёнными частицами, электроны удерживаются в атоме, а атомы объединяются в молекулы, а молекулы в жидкие и твёрдые тела. Характерное время протекания реакций, вызванных электромагнитным взаимодействием, составляет ~10-21 с.

 

Сильное (ядерное) взаимодействие возникает только между адронами. Оно примерно в 100 раз интенсивнее электромагнитного, если расстояние между адронами не превышает 10-15 м. Таким образом, данные силы сильного взаимодействия являются короткодействующими. Характерное время протекания процессов, обусловленных сильным взаимодействием, составляет ~10-24 с. В адронах силы взаимодействия между кварками возникают за счёт обмена глюонами.


Согласно современным представлениям, фундаментальными (не состоящими из других) частицами являются лептоны и кварки. К истинно элементарным относят также частицы-переносчики различных видов взаимодействия.


Контрольные вопросы

 

1. Что называют элементарными частицами? Какие основные элементарные частицы вы знаете?

2. По каким параметрам строится таблица элементарных частиц?

3. Чему равны масса и зарядовое число фотона?

4. Что такое античастица?

5. Что такое кварк?

6. Какие частицы являются фундаментальными?

7. Какие из фундаментальных взаимодействий являются короткодействующими, а какие — дальнодействующими?


Предыдущий урок
Масса, импульс и энергия в СТО
Специальная теория относительности
Следующий урок
Методы регистрации ионизирующих радиоактивных ядерных излучений. Биологическое действие радиоактивных излучений. Дозиметрия
Ядерная физика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Скорость химических реакций

    Химия

  • Экосистема. Биогеоценоз. Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме

    Биология

  • Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор

    Физика

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке