Téléchargez la leçon de transformation des particules élémentaires. Trois étapes dans le développement de la physique des particules élémentaires - Hypermarché du savoir. Introduction au sujet de la leçon

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Chapitre 14. PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Dans ce chapitre, nous parlerons des particules qui ne peuvent être séparées et à partir desquelles toute matière est construite.

§ 114. TROIS ÉTAPES DU DÉVELOPPEMENT DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

Vous connaissez déjà plus ou moins l'électron, le photon, le proton et le neutron. Mais qu'est-ce qu'une particule élémentaire ?

Première étape. De l'électron au positon : 1897-1932(Les particules élémentaires sont les "atomes de Démocrite" à un niveau plus profond.)

Lorsque le physicien grec Démocrite appelait la plus simple des particules indivisibles d'autres atomes (le mot atome, rappelons-le, signifie « indivisible »), alors tout lui semblait, en principe, peu compliqué. Divers objets, plantes, animaux sont constitués de particules indivisibles et immuables. Les transformations observées dans le monde sont un simple réarrangement des atomes. Tout dans le monde coule, tout change, sauf les atomes eux-mêmes, qui restent inchangés.

Mais à la fin du XIXème siècle. la structure complexe des atomes a été découverte et l'électron a été isolé en tant que partie constitutive de l'atome. Puis, déjà au XXe siècle, le proton et le neutron ont été découverts - des particules qui font partie du noyau atomique. Au début, toutes ces particules étaient considérées exactement comme Démocrite considérait les atomes : elles étaient considérées comme des entités initiales indivisibles et immuables, les principaux éléments constitutifs de l'univers.

Deuxième étape. Du positron aux quarks : 1932-1964(Toutes les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres.) La situation de clarté attrayante n'a pas duré longtemps. Tout s'est avéré beaucoup plus compliqué : il s'est avéré qu'il n'y a pas du tout de particules invariables. Le mot élémentaire lui-même a un double sens. D'une part, l'élémentaire est pris pour acquis, demandant : le plus simple. D'autre part, élémentaire signifie quelque chose de fondamental, sous-jacent aux choses (c'est dans ce sens que les particules subatomiques sont maintenant appelées élémentaires).

Le simple fait suivant empêche les particules élémentaires maintenant connues d'être semblables aux atomes immuables de Démocrite. Aucune des particules n'est immortelle. La plupart des particules, aujourd'hui appelées élémentaires, ne peuvent vivre plus de deux millionièmes de seconde, même en l'absence de toute influence extérieure. Un neutron libre (un neutron en dehors du noyau atomique) vit en moyenne 15 minutes.

Seules les particules un photon, un électron, un proton et un neutrino conserveraient leur invariabilité si chacune d'elles était seule dans le monde entier (le neutrino est dépourvu de charge électrique, et sa masse au repos, apparemment, est égale à zéro).

Mais les électrons et les protons ont les contreparties les plus dangereuses - les positons et les antiprotons, lors d'une collision avec laquelle ces particules s'annihilent mutuellement et de nouvelles se forment.

Photon émis lampe de table, ne vit pas plus de 10 -8 s. C'est le temps qu'il lui faut pour atteindre la page du livre et être absorbé par le papier.

Seuls les neutrinos sont presque immortels, car ils interagissent extrêmement faiblement avec les autres particules. Cependant, les neutrinos meurent également lorsqu'ils entrent en collision avec d'autres particules, bien que de telles collisions soient extrêmement rares.

Ainsi, dans l'éternel effort pour trouver l'immuable dans notre monde changeant, les scientifiques se sont retrouvés non pas sur une "fondation de granit", mais sur du "sable instable".

Toutes les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres, et ces transformations mutuelles sont le fait principal de leur existence.

Les scientifiques ont observé des transformations de particules élémentaires lors de collisions de particules de haute énergie. L'idée de l'invariabilité des particules élémentaires s'est avérée incohérente. Mais l'idée de leur indivisibilité persistait. Les particules élémentaires ne sont plus indivisibles, mais elles sont inépuisables dans leurs propriétés. C'est ce qui te fait penser.

Ayons un désir naturel de rechercher si, par exemple, un électron est constitué de toute autre particule sous-élémentaire. Que faut-il faire pour essayer de démembrer un électron ? Vous ne pouvez penser qu'à une seule façon. C'est la même manière qu'un enfant utilise s'il veut savoir ce qu'il y a à l'intérieur d'un jouet en plastique - un coup dur.

Bien sûr, un électron ne peut pas être frappé avec un marteau. Pour ce faire, vous pouvez utiliser un autre électron volant à grande vitesse, ou un autre se déplaçant avec grande vitesse particule élémentaire.

Les accélérateurs modernes transmettent des vitesses aux particules chargées très proches de la vitesse de la lumière.

Que se passe-t-il lorsque des particules à ultra haute énergie entrent en collision ? Ils ne sont en aucun cas fragmentés en quelque chose qui pourrait les appeler. parties constitutives... Non, elles donnent naissance à de nouvelles particules parmi celles qui figurent déjà dans la liste des particules élémentaires. Plus il y a d'énergie de particules en collision, plus de particules naissent. Dans ce cas, l'apparition de particules de masse supérieure aux particules en collision est possible. La principale chose à noter est que la loi de conservation de l'énergie est toujours respectée.

Sur la figure 14.1, vous voyez le résultat de la collision d'un noyau de carbone de 60 milliards d'eV (ligne supérieure en gras) avec le noyau d'argent de l'émulsion. Le noyau se brise en fragments, se disperse, vole dans différentes directions. Dans le même temps, de nombreuses nouvelles particules élémentaires naissent - les pions. Pour la première fois au monde, des réactions similaires dans des collisions de noyaux relativistes obtenues dans un accélérateur ont été réalisées au laboratoire de haute énergie de l'Institut commun de recherche nucléaire de Doubna sous la direction de l'académicien A. M. Baldin. Les noyaux privés de la couche électronique ont été obtenus en ionisant des atomes de carbone avec un faisceau laser.

Il est possible, bien sûr, que dans les collisions de particules dont l'énergie nous est inaccessible, naissent de nouvelles particules encore inconnues. Mais cela ne changera pas le fond du problème. Les nouvelles particules produites lors de collisions ne peuvent en aucun cas être considérées comme des éléments constitutifs des particules "parentes". Après tout, les particules "filles", si elles sont accélérées, peuvent, sans changer de nature, générer, à leur tour, lors de collisions, plusieurs particules exactement identiques à celles de leurs "parents", et même de nombreuses autres particules.

Ainsi, selon les concepts modernes, les particules élémentaires sont des particules primaires, en outre indécomposables, dont toute la matière est construite. Cependant, l'indivisibilité des particules élémentaires ne signifie pas qu'elles n'ont pas de structure interne.

Troisième étape. De l'hypothèse des quarks (1964) à nos jours.(La plupart des particules élémentaires ont une structure complexe.) Dans les années 60. des doutes ont surgi que toutes les particules, maintenant appelées élémentaires, justifient pleinement ce nom. La raison du doute est simple : il y a beaucoup de ces particules.

La découverte d'une nouvelle particule élémentaire a toujours été et est toujours un triomphe exceptionnel de la science. Mais depuis un certain temps déjà, un grain d'inquiétude commençait à se mêler à chaque triomphe successif. Les triomphes ont commencé à se suivre littéralement les uns après les autres.

Un groupe de particules dites étranges a été découvert : les mésons K et les hypérons avec des masses dépassant la masse des nucléons. Dans les années 70. à eux s'est ajouté un grand groupe de particules avec des masses encore plus grandes, appelées enchantées.

De plus, des particules à vie courte avec une durée de vie de l'ordre de 10 -22 -10 -23 s ont été découvertes. Ces particules étaient appelées résonances et leur nombre dépassait les deux cents.

C'est alors (en 1964) que M. Gell-Mann et J. Zweig ont proposé un modèle selon lequel toutes les particules participant à des interactions (nucléaires) fortes - les hadrons - sont construites à partir de particules plus fondamentales (ou primaires) - les quarks...

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Légendes des diapositives :

Classification des particules élémentaires Particules élémentaires (particules non divisibles en composites) Fondamentaux (particules sans structure) Hadrons (particules à structure complexe) leptons quarks porteurs d'interactions baryons mésons e-, e+, muon, taon, trois types de neutrinos ( particules, dont sont constitués tous les androns) u, c, t, d, s, b 1) électromagnétique : photon 2) fort : gluons 3) faible : bosons intermédiaires W -, W + boson neutre Z 0 4) gravitationnel : graviton G (constitué de trois quarks) p, n, hypéron (constitué de deux quarks, dont un antiquark)

Aperçu:

Sujet de la leçon : Le monde des particules élémentaires

Méthode d'enseignement : cours magistral

Objectifs de la leçon:

Éducatif:familiariser les étudiants avec le concept - une particule élémentaire, avec la classification des particules élémentaires, généraliser et consolider les connaissances sur les types fondamentaux d'interactions,former une vision scientifique du monde.

Éducatif: former un intérêt cognitif pour la physique, inculquer l'amour et le respect pour les réalisations de la science.

Développement: le développement de la curiosité, la capacité d'analyser, de formuler des conclusions de manière indépendante, le développement de la parole, de la pensée.

Équipement: un tableau blanc interactif (ou un projecteur avec un écran).

Pendant les cours :

Étape organisationnelle

Salutations, vérification de l'état de préparation des élèves pour la leçon.

JE. Nouveau sujet Il existe 4 types d'interactions fondamentales (de base) dans la nature : gravitationnelle, électromagnétique, forte et faible. Selon les concepts modernes, l'interaction entre les corps s'effectue à travers les champs qui entourent ces corps. Le champ lui-même dans la théorie quantique est compris comme une collection de quanta. Chaque type d'interaction a ses propres porteurs d'interaction et se réduit à l'absorption et à l'émission par les particules des quanta correspondants de lumière.

Les interactions peuvent être à longue portée (se produisant à de très grandes distances) et à courte portée (se produisant à de très petites distances).

L'interaction gravitationnelle s'effectue par l'échange de gravitons. Ils n'ont pas été trouvés expérimentalement. Selon la loi découverte en 1687 par le grand scientifique anglais Isaac Newton, tous les corps, quelles que soient leur forme et leur taille, sont attirés les uns vers les autres avec une force directement proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. L'interaction gravitationnelle conduit toujours à l'attraction des corps.
L'interaction électromagnétique est de longue durée. Contrairement à l'interaction gravitationnelle, l'interaction électromagnétique peut conduire à la fois à l'attraction et à la répulsion. Les porteurs de l'interaction électromagnétique sont des quanta du champ électromagnétique - les photons. À la suite de l'échange de ces particules, il y a une interaction électromagnétique entre les corps chargés.
L'interaction forte est la plus puissante de toutes les interactions. Il est de courte durée, les forces correspondantes décroissent très rapidement à mesure que la distance entre elles augmente. Rayon d'action des forces nucléaires 10-13cm
Les interactions faibles apparaissent à de très courtes distances. Le rayon d'action est environ 1000 fois moindre, celui des forces nucléaires.

La découverte de la radioactivité et les résultats des expériences de Rutherford ont montré de manière convaincante que les atomes sont composés de particules. Ils se sont avérés être composés d'électrons, de protons et de neutrons. Au début, les particules à partir desquelles les atomes ont été construits étaient considérées comme indivisibles. Par conséquent, ils ont été appelés particules élémentaires. Le concept d'une structure "simple" du monde s'est effondré lorsqu'en 1932 l'antiparticule de l'électron a été découverte - une particule qui avait la même masse que l'électron, mais qui en diffère par le signe de sa charge électrique. Cette particule chargée positivement s'appelait un positron .. selon les idées modernes, chaque particule a une antiparticule. Particule et antiparticule ont la même masse, mais des signes opposés de toutes les charges. Si l'antiparticule coïncide avec la particule elle-même, alors ces particules sont appelées vraiment neutres, leur charge est 0. Par exemple, un photon. Une particule et une antiparticule s'annihilent lors d'une collision, c'est-à-dire qu'elles disparaissent et se transforment en d'autres particules (souvent ces particules sont un photon).

Diapositive (au fur et à mesure que l'histoire progresse, des mots apparaissent sur la diapositive).

Toutes les particules élémentaires (qui ne peuvent pas être divisées en composants) sont divisées en 2 groupes :fondamental(particules sans structure, toutes les particules fondamentales à ce stade du développement de la physique sont considérées comme sans structure, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas constituées d'autres particules) et hadrons (particules à structure complexe).

Particules fondamentalesà leur tour sont divisés en leptons, quarks et porteurs d'interactions... Les hadrons sont divisés en baryons et mésons. aux leptons comprennent l'électron, le positron, le muon, le taon, trois types de neutrinos. Ne participez pas à des interactions fortes. À quarks sont appelées les particules qui composent tous les hadrons. Ontsont en interaction forte.Selon les concepts modernes, chacune des interactions résulte de l'échange de particules, appeléporteurs de cette interaction: photons (portant des particulesinteraction électromagnétique), huit gluons (particules transportantinteraction forte), trois bosons vecteurs intermédiaires W +, W - et Z 0 portant interaction faible, graviton (porteur interaction gravitationnelleJe suis). L'existence des gravitons n'a pas encore été prouvée expérimentalement.

Hadrons participer à toutes sortesinteractions fondamentales... Ils sont constitués de quarks et se subdivisent, à leur tour, en : baryons composé de trois quarks, et mésons composé de deux quarks dont l'un est antiquaire.

L'interaction la plus forte est l'interaction entre les quarks. Un proton est constitué de 2 quarks u d'un quark d, d'un neutron d'un quark u et de 2 quarks d. Il s'est avéré qu'à de très petites distances, aucun des quarks ne remarque ses voisins et qu'ils se comportent comme des particules libres et sans interaction. Au fur et à mesure que les quarks s'éloignent les uns des autres, une attraction se crée entre eux, qui augmente avec la distance. Il faudrait beaucoup d'énergie pour diviser les hadrons en quarks isolés séparés. Puisqu'une telle énergie n'existe pas, les quarks sont des captifs éternels et restent à jamais enfermés à l'intérieur du hadron. Les quarks sont maintenus à l'intérieur du hadron par un champ de gluons.

III. Ancrage

Quelles sont les principales interactions qui existent dans la nature ?
Quelle est la différence entre une particule et une antiparticule ? Qu'est-ce qu'ils ont en commun?
Quelles particules sont impliquées dans les interactions gravitationnelles, électromagnétiques, fortes et faibles ?

Résumé de la leçon. Dans la leçon, nous nous sommes familiarisés avec les particules du microcosme, avons découvert quelles particules sont appelées élémentaires.

D/s § 28

Établissement d'enseignement budgétaire municipal -

lycée numéro 7 à Belgorod

Leçon publique en physique

11e année

"Particules élémentaires"

Préparé et réalisé :

Professeur de physique

Polshchikova A.N.

Belgorod 2015

Sujet : Particules élémentaires.

Type de cours : une leçon dans l'étude et la consolidation primaire de nouvelles connaissances

Méthode d'enseignement: conférence

Forme d'activité étudiante : frontal, collectif, individuel

Le but de la leçon : élargir la compréhension des élèves de la structure de la matière; considérer les principales étapes du développement de la physique des particules élémentaires; pour donner une idée des particules élémentaires et de leurs propriétés.

Objectifs de la leçon:

Éducatif : familiariser les étudiants avec le concept - une particule élémentaire, avec la typologie des particules élémentaires, ainsi qu'avec les méthodes d'étude des propriétés des particules élémentaires ;

Développement: développer l'intérêt cognitif des élèves, en s'assurant de leur implication possible dans une activité cognitive active ;

Éducatif: éducation aux qualités humaines universelles - prise de conscience de la perception des réalisations scientifiques dans le monde ; développement de la curiosité, de l'endurance.

Matériel pour le cours :

Matériel didactique : matériel de manuel, cartes de test et tableaux

Aides visuelles: présentation

Pendant les cours

(Présentation)

1. Organisation du début de la leçon.

Activité de l'enseignant : salutations mutuelles de l'enseignant et des élèves, fixation des élèves, vérification de l'état de préparation des élèves pour la leçon. Organisation de l'attention et inclusion des étudiants dans le rythme de travail de l'entreprise.

Activité prévue de l'étudiant : organisation de l'attention et inclusion dans le rythme de travail de l'entreprise.

2. Préparation pour l'étape principale de la leçon.

Activité de l'enseignant : aujourd'hui, nous allons commencer à étudier une nouvelle section de "Physique quantique" - "Particules élémentaires". Dans ce chapitre, nous parlerons des particules primaires, plus indécomposables, dont toute matière est construite, des particules élémentaires.

Les physiciens ont découvert l'existence des particules élémentaires dans l'étude des processus nucléaires. Par conséquent, jusqu'au milieu du 20e siècle, la physique des particules élémentaires était une branche de la physique nucléaire. À l'heure actuelle, la physique des particules élémentaires et la physique nucléaire sont des branches de la physique proches mais indépendantes, unies par la similitude de bon nombre des problèmes considérés et des méthodes de recherche utilisées.

La tâche principale de la physique des particules élémentaires est l'étude de la nature, des propriétés et des transformations mutuelles des particules élémentaires.

Ce sera aussi notre tâche principale dans l'étude de la physique des particules élémentaires.

3. Assimilation de nouvelles connaissances et méthodes d'action.

Activité de l'enseignant : Sujet de cours : "Les étapes du développement de la physique des particules élémentaires". Dans la leçon, nous considérerons prochaines questions:

L'histoire du développement des idées que le monde est constitué de particules élémentaires

Que sont les particules élémentaires ?

Comment obtenir une particule élémentaire séparée et est-ce possible ?

Typologie des particules.

L'idée que le monde est composé de particules fondamentales a une longue histoire. Aujourd'hui, il y a trois étapes dans le développement de la physique des particules élémentaires.

Ouvrons le tutoriel. Familiarisons-nous avec les noms des étapes et le calendrier.

Étape 1. De l'électron au positon : 1897 - 1932

Étape 2. Du positron aux quarks : 1932 - 1964

Étape 3. De l'hypothèse des quarks (1964) à nos jours.

Activité de l'enseignant :

Étape 1.

Élémentaire, c'est-à-dire le plus simple, indivisible plus loin, c'est ainsi que le célèbre savant grec Démocrite imaginait l'atome. Permettez-moi de vous rappeler que le mot "atome" en traduction signifie "indivisible". Pour la première fois, l'idée de l'existence des plus petites particules invisibles qui composent tous les objets environnants a été exprimée par Démocrite 400 ans avant notre ère. La science n'a commencé à utiliser le concept d'atomes que dans début XIX siècle, quand sur cette base il était possible d'expliquer un certain nombre de phénomènes chimiques. Et à la fin de ce siècle, la structure complexe de l'atome a été découverte. En 1911, le noyau atomique est découvert (E. Rutherford) et il est finalement prouvé que les atomes ont une structure complexe.

Rappelons-nous les gars : quelles particules sont incluses dans l'atome et les caractérisent brièvement ?

Activité prévue des élèves :

Activité de l'enseignant : les gars, peut-être que quelqu'un se souvient de vous : par qui et en quelles années l'électron, le proton et le neutron ont-ils été découverts ?

Activité prévue des élèves :

Électron. En 1898, J. Thomson prouva la réalité de l'existence des électrons. En 1909, R. Millikan a mesuré pour la première fois la charge d'un électron.

Proton... En 1919, E. Rutherford, en bombardant de l'azote - avec des particules, a découvert une particule dont la charge est égale à la charge de l'électron et dont la masse est 1836 fois supérieure à la masse de l'électron. La particule a été nommée proton.

Neutron. Rutherford a également suggéré l'existence d'une particule sans charge, dont la masse est égale à la masse du proton.

En 1932, D. Chadwick découvrit la particule suggérée par Rutherford et la nomma neutron.

Activité de l'enseignant : après la découverte du proton et du neutron, il est devenu clair que les noyaux des atomes, comme les atomes eux-mêmes, ont une structure complexe. La théorie proton-neutron de la structure des noyaux est née (D. D. Ivanenko et V. Heisenberg).

Dans les années 30 du XIX siècle dans la théorie de l'électrolyse, développée par M. Faraday, le concept de -ion est apparu et la mesure de la charge élémentaire a été réalisée. Fin XIX siècle - outre la découverte de l'électron, a été marqué par la découverte du phénomène de la radioactivité (A. Becquerel, 1896). En 1905, la physique a développé le concept de quanta du champ électromagnétique - les photons (A. Einstein).

Rappelons-nous : qu'est-ce qu'on appelle un photon ?

Activité prévue des élèves : Photon (ou quantum de rayonnement électromagnétique) - une particule lumineuse élémentaire, électriquement neutre, dépourvue de masse au repos, mais possédant de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Activité de l'enseignant : les particules ouvertes étaient considérées comme des entités initiales indivisibles et immuables, les principaux éléments constitutifs de l'univers. Cependant, cet avis n'a pas duré longtemps.

Étape 2.

Dans les années 30, les transformations mutuelles des protons et des neutrons ont été découvertes et étudiées, et il est devenu clair que ces particules ne sont pas non plus des "blocs de construction" élémentaires invariables de la nature.

Actuellement, environ 400 particules subnucléaires sont connues (particules dont sont composés des atomes, qui sont généralement appelées élémentaires). L'écrasante majorité de ces particules sont instables (les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres).

Les seules exceptions sont le photon, l'électron, le proton et le neutrino.

Le photon, l'électron, le proton et le neutrino sont des particules stables (des particules qui peuvent exister à l'état libre pendant une durée illimitée), mais chacun d'eux, lorsqu'il interagit avec d'autres particules, peut se transformer en d'autres particules.

Toutes les autres particules subissent à intervalles réguliers des transformations spontanées en d'autres particules, et c'est le fait principal de leur existence.

J'ai mentionné une autre particule - le neutrino. Quelles sont les principales caractéristiques de cette particule ? Par qui et quand a-t-il été ouvert ?

Activité prévue des élèves : Le neutrino est une particule dépourvue de charge électrique et sa masse au repos est égale à 0. L'existence de cette particule a été prédite en 1931 par V. Pauli, et en 1955, la particule a été enregistrée expérimentalement. Il se manifeste à la suite de la désintégration des neutrons :

Activité de l'enseignant : les particules élémentaires instables sont très différentes les unes des autres en termes de durée de vie.

La particule à la plus longue durée de vie est le neutron. La durée de vie des neutrons est d'environ 15 minutes.

D'autres particules "vivent" beaucoup moins longtemps.

Il existe plusieurs dizaines de particules dont la durée de vie dépasse 10 -17 avec. A l'échelle du micromonde, c'est un moment significatif. De telles particules sont appeléesrelativement stable .

Majorité de courte durée les particules élémentaires ont des durées de vie de l'ordre de 10-22 -10 -23 p.

La capacité de se transformer mutuellement est la propriété la plus importante de toutes les particules élémentaires.

Les particules élémentaires sont capables de naître et de se détruire (émis et absorbés). Cela s'applique également aux particules stables à la seule différence que les transformations des particules stables ne se produisent pas spontanément, mais lors de l'interaction avec d'autres particules.

Un exemple estannihilation (c'est à dire. disparition ) électron et positon, accompagnés de la production de photons de haute énergie.

Un positron est (l'antiparticule d'un électron) une particule chargée positivement qui a la même masse et la même charge (modulo) qu'un électron. Nous parlerons de ses caractéristiques plus en détail dans la prochaine leçon. Disons simplement que l'existence du positon a été prédite par P. Dirac en 1928, et découverte en 1932 dans les rayons cosmiques par K. Anderson.

En 1937, des particules d'une masse de 207 masses d'électrons ont été découvertes dans les rayons cosmiques, appelésmuons ( -mésons ). Durée de vie moyenne-meson est 2,2 * 10-6 p.

Puis en 1947-1950 ont été ouvertspivoines (c'est à dire. -mésons). Durée de vie moyenne du neutre-méson - 0,87 10 -16 s.

Au cours des années suivantes, le nombre de particules nouvellement découvertes a commencé à augmenter rapidement. Cela a été facilité par les études des rayons cosmiques, le développement de la technologie des accélérateurs et l'étude des réactions nucléaires.

Des accélérateurs modernes sont nécessaires pour mettre en œuvre le processus de création de nouvelles particules et pour étudier les propriétés des particules élémentaires. Les particules initiales sont accélérées dans l'accélérateur à des énergies élevées "sur une trajectoire de collision" et entrent en collision les unes avec les autres à un certain endroit. Si l'énergie des particules est élevée, alors dans le processus de collision, beaucoup de nouvelles particules naissent, généralement instables. Ces particules, diffusées à partir du point de collision, se désintègrent en particules plus stables, qui sont enregistrées par les détecteurs. Pour chaque tel acte de collision (les physiciens disent : pour chaque événement) - et ils sont enregistrés en milliers par seconde ! -les expérimentateurs déterminent par conséquent les variables cinématiques : les valeurs des impulsions et des énergies des particules "attrapées", ainsi que leurs trajectoires (voir la figure dans le manuel). Après avoir collecté de nombreux événements du même type et étudié les distributions de ces grandeurs cinématiques, les physiciens reconstituent comment l'interaction s'est déroulée et quel type de particules peut être attribué aux particules résultantes.

Étape 3.

Les particules élémentaires sont regroupées en trois groupes : photons , leptons et hadrons (Annexe 2).

Les gars, dites-moi les particules appartenant au groupe des photons.

Activité prévue des élèves : Au groupe photons il n'y a qu'une particule - un photon

Activité de l'enseignant : le groupe suivant est constitué de particules légèresleptons .

: ce groupe comprend deux types de neutrinos (électron et muon), l'électron et le méson ?

Activité de l'enseignant : les leptons comprennent également un certain nombre de particules non répertoriées dans le tableau.

Le troisième grand groupe est constitué de particules lourdes appelées hadrons... Ce groupe est divisé en deux sous-groupes. Les particules plus légères forment un sous-groupe mésons .

Activité prévue des élèves: les plus légers d'entre eux sont chargés positivement et négativement, ainsi que les mésons neutres. Les pivoines sont des quanta du domaine nucléaire.

Activité de l'enseignant : deuxième sous-groupe -baryons - comprend des particules plus lourdes. C'est le plus étendu.

Activité prévue des élèves : les baryons les plus légers sont les nucléons - protons et neutrons.

Activité de l'enseignant : ils sont suivis de ce qu'on appelle les hypérons. La table est fermée par un oméga moins-hypéron, découvert en 1964.

L'abondance des hadrons découverts et nouvellement découverts a conduit les scientifiques à penser qu'ils sont tous construits à partir d'autres particules plus fondamentales.

En 1964, le physicien américain M. Gell-Mann avança une hypothèse, confirmée par des études ultérieures, que toutes les particules fondamentales lourdes - les hadrons - sont construites à partir de particules plus fondamentales appeléesquarks.

D'un point de vue structurel, les particules élémentaires qui composent les noyaux atomiques (nucléons), et en général toutes les particules lourdes - les hadrons (baryons et mésons) - sont constituées de particules encore plus simples, que l'on appelle généralement fondamentales. Dans ce rôle, les éléments primaires vraiment fondamentaux de la matière sont les quarks, dont la charge électrique est de +2/3 ou -1/3 de la charge positive unitaire du proton.

Les quarks les plus courants et les plus légers sont appelés quarks up et down et désignent respectivement u (de l'anglais up) et d (down). Parfois, ils sont également appelés quarks de proton et de neutrons en raison du fait que le proton est constitué d'une combinaison de uud et que le neutron est udd. Le quark up a une charge de +2/3 ; bas - charge négative -1/3. Puisqu'un proton se compose de deux quarks up et un down, et qu'un neutron se compose d'un quark up et de deux down, vous pouvez vérifier indépendamment que la charge totale d'un proton et d'un neutron s'avère strictement égale à 1 et 0.

Les deux autres paires de quarks font partie des particules plus exotiques. Les quarks de la deuxième paire sont appelés charmés - c (de charmé) et étranges - s (de étrange).

La troisième paire est constituée des quarks true - t (de true, ou dans la tradition anglaise de top) et beautiful - b (de beauty, ou dans la tradition anglaise de bottom).

Presque toutes les particules, constituées de diverses combinaisons de quarks, ont déjà été découvertes expérimentalement.

Avec l'adoption de l'hypothèse des quarks, il a été possible de créer un système harmonieux de particules élémentaires. De nombreuses recherches de quarks à l'état libre, effectuées dans des accélérateurs de haute énergie et dans les rayons cosmiques, ont été infructueuses. Les scientifiques pensent que l'une des raisons de la non-observabilité des quarks libres est peut-être leur très grande masse. Cela empêche la production de quarks aux énergies obtenues avec les accélérateurs modernes.

Pourtant, en décembre 2006, un étrange message sur la découverte de « top-quarks libres » a circulé dans les flux des agences de presse scientifiques et des médias.

4. Vérification initiale de la compréhension.

Activité de l'enseignant : alors les gars, nous avons couvert avec vous:

principales étapes du développement de la physique des particules élémentaires

trouvé quelle particule est appelée élémentaire

se familiariser avec la typologie des particules.

Dans la prochaine leçon, nous verrons :

classification plus détaillée des particules élémentaires

types d'interactions de particules élémentaires

antiparticules.

Maintenant, je vous propose de faire un test pour faire revivre dans votre mémoire les principaux points de la matière que nous avons étudiée. (Annexe 3).

5. Résumer les résultats de la leçon.

Activité de l'enseignant : Noter les élèves les plus actifs.

6. Devoirs

Activité de l'enseignant :

1.§ 114 - 115

2. résumé.

PHYSIQUE ATOMIQUE ET NUCLÉAIRE

LEÇON 11/60

Thème. Particules élémentaires

Objectif de la leçon : donner la notion de particules élémentaires et leurs propriétés.

Type de cours : cours combiné.

PLAN DE COURS

ÉTUDIER DE NOUVEAU MATÉRIEL

· Première étape. De l'électron au positon : 1897-1932 pp. Nous considérons comme élémentaires les particules qui, du point de vue moderne, ne sont pas constituées de plus simples.

Comme l'a noté le physicien italien Enrico Fermi, le terme « élémentaire » renvoie plus au niveau de nos connaissances qu'à la nature des particules. Selon la façon dont la science s'est développée, de nombreuses particules élémentaires sont passées dans la catégorie des non-élémentaires.

· Deuxième étape. Du positron aux quarks : 1932-1964

Toutes les particules élémentaires se transforment les unes dans les autres, et ces transformations mutuelles sont le fait principal de leur existence.

· Troisième étape. De l'hypothèse des quarks (1964) à nos jours. La plupart des particules élémentaires ont une structure complexe.

En 1964, M. Gell-Mann et J. Zweig ont proposé un modèle selon lequel toutes les particules participant à des interactions (nucléaires) fortes sont construites à partir de particules plus fondamentales - les quarks.

Le monde des particules élémentaires s'est avéré très complexe et déroutant. Mais j'ai quand même réussi à comprendre. Et bien que la théorie finale des particules élémentaires, qui explique toute la variété de leurs propriétés, n'ait pas encore été développée, beaucoup de choses ont déjà été clarifiées. Puisque les molécules, les atomes et les noyaux peuvent être désintégrés, ils n'appartiennent pas aux particules élémentaires. Ce qui a été dit, cependant, ne signifie pas que les particules élémentaires ne peuvent pas être constituées d'autres formations encore plus "petites". De plus, la plupart d'entre eux ont la structure la plus complexe. Mais les constituants de ces particules conservent des forces telles que, compte tenu des concepts modernes, il est fondamentalement intenable de rompre les liens correspondants.

Ainsi, avant cela, toutes les particules élémentaires sont divisées en deux grandes classes (voir figure) : les hadrons (particules à structure complexe) et les particules fondamentales (ou véritablement élémentaires), qui sont aujourd'hui sans structure et prétendent donc être des éléments réellement primaires de la matière. .

Une caractéristique distinctive de tous les hadrons est leur composition et leur capacité à interagir fortement, ce qui explique en fait leur nom (le mot grec « hadros » signifie « grand », « fort »). Aucune autre particule ne peut participer à des interactions fortes. La classe des hadrons est la plus nombreuse (plus de 300 particules). Selon la composition en quarks, ils sont tous divisés en deux groupes : les baryons et les mésons.

Aujourd'hui, les porteurs des interactions fondamentales - leptons et quarks - sont considérés comme de véritables particules élémentaires.

Ø Selon la théorie quantique des champs, toutes les interactions fondamentales dans la nature (forte, électromagnétique, faible et gravitationnelle) ont un caractère d'échange.

Cela signifie que les actes élémentaires de chacune des interactions répertoriées sont des processus dans lesquels les particules émettent et absorbent certains quanta. Ces quanta sont appelés porteurs des interactions correspondantes. En les échangeant, les particules interagissent entre elles.

Le physicien anglais P. Dirac a créé en 1928 la théorie relativiste du mouvement de l'électron. De cette théorie, il découle qu'un électron peut avoir une charge négative et une charge positive.

En 1932, le physicien américain K. Anderson, photographiant les traces de particules cosmiques dans la chambre de Wilson, découvrit sur l'une des photographies qu'elle semblait appartenir à un électron, mais... avec une charge positive. Anderson a appelé la particule qui a donné l'étrange traînée un positron. en 1933, le phénomène de formation d'un positon et d'un électron dans l'interaction des quanta avec la matière est découvert :

En 1934, on découvre que les positons libèrent des noyaux radioactifs (ceci est dû à la transformation d'un proton nucléaire en neutron) :

Par exemple, le noyau radioactif de l'isotope du phosphore se désintègre en un noyau de silicium, un positon et un neutrino :

P. Dirac a supposé que lorsqu'un positron rencontre un électron, le processus inverse devrait se produire : la transformation de ces particules en deux photons. Peu de temps après la découverte expérimentale du positron, un tel processus inverse a été mis en place. Ce processus est appelé annihilation.

Il est important d'attirer l'attention des élèves sur le fait qu'un électron et un positron, qui ont une masse au repos, se transforment en deux photons, ils n'ont pas de masse au repos. Il s'ensuit que :

Ø au niveau des particules élémentaires, la différence entre matière et champ disparaît.

L'annihilation est la raison de l'absence de positrons sur Terre : un positron juste après son apparition rencontre un électron, et les deux se transforment en deux photons.

À une certaine époque, la découverte de la naissance et de l'annihilation des paires électron-positon était vraiment une sensation dans la science. Par la suite, des homologues - des antiparticules - ont été trouvés dans toutes les particules.

1931 V. Paula prévoyait, et en 1955 les neutrinos n et antineutrinos ont été enregistrés expérimentalement. Le neutrino apparaît lors de la désintégration 1 0 n. en 1955, un antiproton a été obtenu expérimentalement lors de la collision de protons rapides avec le noyau de Kuprumu. en 1956 l'antineutron a été découvert dans la réaction

Celles. la collision d'un proton et d'un antiproton conduit à l'apparition d'un neutron et d'un antineutron.

Les antiparticules peuvent différer des particules par le signe de la charge électrique, la direction du moment magnétique ou d'autres caractéristiques. Mais leur caractéristique principale est la suivante :

Ø la rencontre d'une antiparticule avec une particule conduit toujours à leur annihilation mutuelle.

Les atomes, dont les noyaux sont composés d'antinucléons et la coquille est constituée de positons, forment l'antimatière. en 1969, l'antihélium a été obtenu pour la première fois.

Lors de l'annihilation de l'antimatière avec la matière, l'énergie résiduelle est convertie en énergie cinétique des quanta gamma formés.

L'énergie au repos est le réservoir d'énergie le plus grand et le plus concentré de l'Univers. Et ce n'est que pendant l'annihilation qu'elle est complètement libérée, se transformant en d'autres types d'énergie. Par conséquent, l'antimatière est la source d'énergie la plus parfaite, le "carburant" le plus calorique. Il est difficile de dire maintenant si l'humanité pourra jamais utiliser ce "carburant".

QUESTION AUX ÉLÈVES PENDANT LA PRÉSENTATION DE NOUVEAU MATÉRIEL

Premier niveau

1. Quelles particules sont dites élémentaires ?

2. Nommez les particules qui sont actuellement considérées comme vraiment élémentaires.

3. Qu'est-ce qui explique les très rares cas d'observation de positons ?

4. Quelles antiparticules connaissez-vous ?

5. Qu'entend-on par antimatière ?

Deuxième niveau

1. Que sont les particules fondamentales ?

2. Quels types d'interactions fondamentales connaissez-vous ? Lesquels sont les plus forts ? le plus faible?

3. Quelles sont les principales propriétés des quarks ?

4. Les quarks existent-ils à l'état libre ?

SÉCURISER LE MATÉRIEL ÉTUDIÉ

· Nous considérons comme élémentaires les particules qui, du point de vue moderne, ne sont pas constituées de plus simples.

· Au niveau des particules élémentaires, la différence entre matière et champ disparaît.

· La rencontre d'une antiparticule avec une particule conduit toujours à leur annihilation mutuelle.

Devoirs

1 18,3 ; 18.4 ; 18.6 ; 18.10.

2 n° 18.11 ; 18.13 ; 18.14 ; 18.15.

3 n° 18.16, 18.17 ; 18.18 ; 18.19.

Le monde des particules élémentaires

Leçon en 11e année

Le but de la leçon :

Éducatif:

Familiariser les étudiants avec la structure des particules élémentaires, avec les particularités des forces et des interactions à l'intérieur du noyau ; apprendre à généraliser et analyser les connaissances acquises, à exprimer correctement vos pensées ; promouvoir le développement de la pensée, la capacité de structurer l'information; cultiver une relation à valeur émotionnelle avec le monde

Développement:

Continuer le développement de la pensée, la capacité d'analyser, de comparer, de tirer des conclusions logiques.

Développer la curiosité, la capacité d'appliquer les connaissances et l'expérience dans diverses situations.

Éducatif:

Développement de compétences intellectuelles en travail d'équipe; éducation aux fondements de la conscience morale de soi (pensée : responsabilité d'un scientifique, découvreur pour les fruits de ses découvertes) ;

Éveiller l'intérêt des élèves pour la littérature de vulgarisation scientifique, à l'étude des prérequis à la découverte de phénomènes spécifiques.

Le but de la leçon :

Créer les conditions du développement des compétences intellectuelles et communicatives, dans lesquelles l'étudiant sera capable de :

Nommer les principaux types de particules élémentaires ;

Comprendre l'ambiguïté du modèle standard moderne du monde ;

Formulez vos idées sur l'histoire du développement des particules élémentaires ;

Analyser le rôle du développement de la physique élémentaire;

Classer les particules élémentaires par leur composition ;

Pensez à la nécessité d'avoir votre propre position, tolérez un point de vue différent ;

Montrez une communication sans conflit lorsque vous travaillez en groupe.

Type de cours : apprendre de nouveaux matériaux.

Formulaire de cours : leçon combinée.

Méthodes de cours : verbale, visuelle, pratique.

Équipement: présentation informatique, projecteur multimédia, cahier de l'élève, ordinateur personnel.

Étapes de la leçon	Temps, min.	Méthodes et techniques
1. Présentation organisationnelle. Énoncé du problème éducatif.		Enregistrer le sujet de la leçon. L'histoire du professeur.
2. Actualisation des connaissances (présentation étudiante)		L'histoire de l'élève sur les connaissances existantes, les prérequis pour apprendre de nouvelles choses.
3. Apprendre du nouveau matériel (présentation de l'enseignant)		Histoire de l'enseignant à l'aide de diapositives. Observation. Conversation. Narration des élèves à l'aide de diapositives.
4. Développement du matériel étudié. Ancrage.		Épinglage par synopsis à l'appui et travailler avec le manuel. Réponses aux questions de sécurité.
5. En résumé. Devoirs		Attribution de l'enseignant principal, des étudiants.

Pendant les cours

Organisation du temps cours(accueil, vérification de l'état de préparation des élèves pour la leçon)

Aujourd'hui, dans la leçon, nous examinerons différentes vues sur la structure du monde, dont les particules sont constituées de tout ce qui nous entoure. La leçon sera comme une conférence, et la plupart de votre attention est requise de votre part.

Au début de la leçon, je veux attirer votre attention sur l'histoire de l'émergence de la doctrine des particules.

2. Mise à jour des connaissances (Présentation de V. Aleksakhina "Histoire du développement des connaissances sur les particules")

Diapositive 2. Atomisme antique- c'est le concept de la structure du monde par les scientifiques de l'antiquité. Selon les idées de Démocrite, les atomes étaient éternels, immuables, indivisibles, des particules de forme et de taille différentes, qui, se reliant et se séparant, formaient divers corps.

Diapositive 3. Grâce à la découverte par les scientifiques Dirac, Galilée et Newton du principe de relativité, des lois de la dynamique, des lois de conservation, de la loi de la gravitation universelle, au 17ème siècle, l'atomisme des anciens subit d'importants changements et s'est solidement ancré dans la science. image mécanique du monde, qui était basé sur l'interaction gravitationnelle - tous les corps et particules y sont soumis, quelle que soit la charge.

Diapositive 4. Les connaissances accumulées dans l'étude des phénomènes électriques, magnétiques et optiques ont conduit à la nécessité de compléter et de développer l'image du monde. Ainsi, au 19ème siècle et jusqu'au début du 20ème siècle, il a commencé à dominer image électrodynamique du monde... Il envisageait déjà deux types d'interaction - gravitationnelle et électromagnétique. Mais ils n'ont pas réussi à expliquer seulement le rayonnement thermique, la stabilité de l'atome, la radioactivité, l'effet photoélectrique, le spectre des raies.

Diapositive 5. Au début du XXe siècle, l'idée de quantifier l'énergie est apparue, soutenue par Planck, Einstein, Bohr, Stoletov, ainsi que le dualisme particule-onde de Louis de Broglie. Ces découvertes ont marqué l'émergence image de champ quantique du monde, dans laquelle une interaction forte a également été ajoutée. Le développement actif de la physique des particules élémentaires a commencé.

3. Apprendre du nouveau matériel

Jusqu'aux années trente du XXe siècle, la structure du monde était imaginée par les scientifiques dans le forme simple... Ils croyaient que "l'ensemble complet" de particules qui composent toute la matière est un proton, un neutron et un électron. Par conséquent, ils ont été appelés élémentaires. Ces particules comprennent également un photon - un porteur d'interactions électromagnétiques.

Diapositive 6.Modèle standard moderne du monde :

La matière est constituée de quarks, de leptons et de particules, vecteurs d'interaction.

Pour toutes les particules élémentaires, il existe une probabilité de détecter des antiparticules.

Dualisme onde-corpuscule. Les principes d'incertitude et de quantification.

Les interactions fortes, électromagnétiques et faibles sont décrites par les théories de la grande unification. Ce qui reste, c'est la gravité non unie.

Diapositive 7. Le noyau d'un atome est constitué de hadrons, qui sont constitués de quarks. Les hadrons sont des particules impliquées dans des interactions fortes.

Classification des hadrons : Les mésons se composent d'un quark et d'un antiquark Les baryons se composent de trois quarks - les nucléons (protons et neutrons) et

les hypérons.

Diapositive 8. Les quarks sont les particules fondamentales qui composent les hadrons. Actuellement connu 6 différentes variétés(plus souvent, disent-ils - saveurs) quarks. Les quarks ont des interactions fortes, participent aux interactions fortes, faibles et électromagnétiques. Ils échangent entre eux des gluons, des particules de masse nulle et de charge nulle. Il existe des antiquarks pour tous les quarks . Ils ne peuvent pas être observés librement. Ils ont une charge électrique fractionnaire : + 2/3e - appelés quarks U (up) et -1/3e - quark d (down).

Composition en quarks d'un électron - uud, composition en quarks d'un proton - udd

Diapositive 9. Les particules qui ne font pas partie du noyau sont des leptons. Les leptons sont des particules fondamentales qui ne participent pas aux interactions fortes. Il existe aujourd'hui 6 leptons connus et 6 de leurs antiparticules.

Toutes les particules ont des antiparticules. Les leptons et leurs antiparticules : un électron et un positon avec eux, un neutrino électronique et un antineutrino. Muon et anti-muon avec eux neutrino muon et antineutrino. Taon et antitaon - neutrino taon et antineutrino.

Diapositive 10. Toutes les interactions dans la nature sont des manifestations de quatre types interactions fondamentales entre les particules fondamentales - leptons et quarks.

Forte interaction les quarks sont affectés et les gluons en sont les porteurs. Il les lie ensemble pour former des protons, des neutrons et d'autres particules. Il affecte indirectement la liaison des protons dans les noyaux atomiques.

Interaction électromagnétique les particules chargées sont affectées. Dans ce cas, sous l'influence des forces électromagnétiques, les particules elles-mêmes ne changent pas, mais acquièrent seulement la propriété de se repousser dans le cas de charges similaires.

Interaction faible les quarks et les leptons sont affectés. L'effet d'interaction faible le plus connu est la transformation d'un quark down en un quark up, qui à son tour provoque la désintégration du neutron en un proton, un électron et un antineutrino.

L'un des types les plus essentiels d'interaction faible est Interaction de Higgs... Selon les hypothèses, le champ de Higgs (fond gris) remplit tout l'espace liquide, limitant la gamme des interactions faibles. De plus, le boson de Higgs interagit avec les quarks et les leptons, assurant l'existence de leur masse.

Interaction gravitationnelle. C'est le plus faible connu. Elle implique toutes, sans exception, les particules et les porteurs de tous types d'interactions. Elle est réalisée grâce à l'échange de gravitons - les seules particules non encore découvertes expérimentalement. L'interaction gravitationnelle est toujours une attraction.

Diapositive 11. De nombreux physiciens espèrent que, tout comme il a été possible de combiner les interactions électromagnétiques et faibles dans l'électrofaible, au fil du temps, il sera possible de construire une théorie qui unit tous les types d'interactions connus, dont le nom est "Grand Unification".

4 . Consolidation des connaissances.

Ancrage primaire(Présentation de J. Gordienko "Large Hadron Collider". Les scientifiques modernes essaient d'améliorer le processus d'étude des particules afin de réaliser de nouvelles découvertes pour le progrès scientifique et technologique. Pour cela, des centres de recherche et des accélérateurs grandioses sont en cours de construction. L'un de ces structures grandioses est le Grand collisionneur de hadrons.

Consolidation définitive(travail de groupe : réponses aux questions du manuel)

Vous êtes divisé en deux groupes : rangée 1 et rangée 2. Vous avez un devoir sur les feuilles : vous devez répondre aux questions, et vous trouverez les réponses dans le manuel au paragraphe 28 (p. 196 - 198).

Tâches du premier groupe :

Combien y a-t-il de particules fondamentales ? (48)

La composition en quarks de l'électron ? (euh)

Lister les deux interactions les plus fortes (forte et électromagnétique)

Nombre total de gluons ? (huit)

Tâches du deuxième groupe :

Combien y a-t-il de particules au cœur de l'univers ? (61)

La composition en quarks du proton ? (oud)

Lister les deux interactions les plus faibles (faible et gravitationnelle)

Quelles particules effectuent l'interaction électromagnétique? (photon)

Voix off par les animateurs des groupes de réponses aux questions et échange de cartes.

Résumé de la leçon.

Vous vous êtes familiarisé avec certains aspects du développement de la physique moderne et vous avez maintenant des idées élémentaires sur la direction dans laquelle évolue notre science et pourquoi nous en avons besoin.

6. Devoirs. Article 28.

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? ______________

2. La composition en quarks de l'électron ? ____________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes ______

4. Nombre total de gluons ? _______

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien de particules y a-t-il au cœur de l'univers ? ________

2. La composition en quarks du proton ? ___________

___________________________________________________________________

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? __________

2. La composition en quarks de l'électron ? __________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes ____________________________________________________________________________

4. Nombre total de gluons ? _________

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien y a-t-il de particules au cœur de l'univers ? ____________

2. La composition en quarks du proton ? _____________

3. Énumérez les deux interactions les plus faibles ______________________

4. Quelles particules effectuent l'interaction électromagnétique ? ______

___________________________________________________________________

Tâches du premier groupe :

1. Combien y a-t-il de particules fondamentales au total ? _____________

2. La composition en quarks de l'électron ? ______________

3. Énumérez les deux interactions les plus fortes ________________________________________________________________________

4. Nombre total de gluons ? _____

___________________________________________________________________

Tâches du deuxième groupe :

1. Combien y a-t-il de particules au cœur de l'univers ? ______

2. La composition en quarks du proton ? _________

3. Listez les deux interactions les plus faibles _______________________

4. Quelles particules effectuent l'interaction électromagnétique ? _______