Скачать урок превращения элементарных частиц. Три этапа в развитии физики элементарных частиц — Гипермаркет знаний. Введение в тему урока

>> Три этапа в развитии физики элементарных частиц

Глава 14. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

В этой главе речь пойдет о частицах, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя.

§ 114. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном , протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица?

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 гг. (Элементарные частицы - «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.)

Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон - частицы, входяпцие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) 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, прос:тейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фуидаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинствo частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

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. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Итак, в вечном 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.

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать.

Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон ? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, - сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.

Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь 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 частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, -это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.

На рисунке 14.1 вы видите результат столкновения ядра углерода , имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающ,иеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц - пионов. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.

Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам 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 , породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.

Итак, 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.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. 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 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.

Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 -22 -10 -23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, - адроны - построены из более фундаментальных (или первичных) частиц - кварков.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Классификация элементарных частиц Элементарные частицы (частицы, которые нельзя разделить на составные) Фундаментальные (бесструктурные частицы) Адроны (частицы, имеющие сложное строение) лептоны кварки переносчики взаимодействий барионы мезоны е-, е+, мьюон, таон, три типа нейтрино (частицы, из которых состоят все андроны) u ,c, t , d, s, b 1) электромагнитного: фотон 2) сильного: глюоны 3) слабого: промежуточные бозоны W - , W + нейтральный бозон Z 0 4) гравитационного: гравитон G (состоят из трех кварков) p , n , гиперон (состоят из двух кварков, один из которых является антикварком)

Предварительный просмотр:

Тема урока : Мир элементарных частиц

Метод обучения: лекция

Цели урока:

Образовательные: познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с классификацией элементарных частиц, обобщить и закрепить знания об фундаментальных видах взаимодействий, формировать научное мировоззрение.

Воспитательные: формировать познавательный интерес к физике, привитие любви и уважения к достижениям науки.

Развивающие: развитие любознательности, умение анализировать, самостоятельно формулировать выводы, развитие речи, мышления.

Оборудование: интерактивная доска (или проектор с экраном).

Ход урока:

Организационный этап

Приветствие, проверка готовности учащихся к уроку.

I. Новая тема В природе существуют 4 типа фундаментальных (основных) взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. По современным представлениям взаимодействие между телами осуществляется через поля, окружающие эти тела. Само поле в квантовой теории понимается как совокупность квантов. Каждый тип взаимодействия имеет своих переносчиков взаимодействия и сводится к поглощению и испусканию частицами соответствующих квантов света.

Взаимодействия могут быть длиннодействующие (проявляются на очень больших расстояниях) и короткодействующие (проявляются а очень малых расстояниях).

Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством обмена гравитонами. Экспериментально они не обнаружены. Согласно закону, открытому в 1687 году великим английским ученым Исааком Ньютоном, все тела независимо от формы и размеров притягиваются друг другу с силой, прямо пропорциональной их массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Гравитационное взаимодействие всегда приводит к притяжению тел.
Электромагнитное взаимодействие является длиннодействующим. В отличие от гравитационного взаимодействия, электромагнитное взаимодействие может привести как к притяжению, так и к отталкиванию. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – фотонами. В результате обмена этими частицами и возникает электромагнитное взаимодействие между заряженными телами.
Сильное взаимодействие – это самые мощное из всех взаимодействий. Оно является короткодействующим, соответствующие силы очень быстро убывают по мере увеличения расстояния между ними. Радиус действия ядерных сил 10 -13 см
Слабое взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Радиус действия примерно в 1000 раз меньше, сем у ядерных сил.

Открытие радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы состоят из частиц. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. Первое время частицы, из которых построены атомы, считались неделимыми. Поэтому их назвали элементарными частицами. Представление о «простом» устройстве мира разрушилось, когда в 1932 году открыли античастицу электрона – частицу, которая имела макую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. Эту положительно заряженную частицу назвали позитроном.. согласно современным представлениям у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица имеют одинаковою массу, но противоположные знаки всех зарядов. Если античастица совпадает с самой частицей, то такие частицы называют истинно нейтральными, заряд их равен 0. Например, фотон. Частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы (часто этими частицами является фотон).

Слайд (по ходу рассказа на слайде появляются слова).

Все элементарные частицы (которые нельзя разделить на составные) делятся на 2 группы: фундаментальные (бесструкaтурные частицы, все фундаментальные частицы на данном этапе развития физики считаются бесструктурными, то есть не состоят из других частиц) и адроны (частицы, имеющие сложное строение).

Фундаментальные частицы в свою очередь делятся на лептоны , кварки и переносчики взаимодействий . Адроны делятся на барионы и мезоны . К лептонам относятся электрон, позитрон, мьюон, таон, три типа нейтрино. Не участвуют в сильных взаимодействиях. К кварками называют частицы, из которых состоят все адроны. У частвуют в сильном взаимодействии. Согласно современным представлениям, каждое из взаимодействий возникает в результате обмена частицами, называемые переносчиками этого взаимодействия : фотон (частица, переносящая электромагнитное взаимодействие ), восемь глюонов (частиц, переносящих сильное взаимодействие ), три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие , гравитон (переносчик гравитационного взаимодействи я). Существование гравитонов пока не доказано экспериментально.

Адроны участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий . Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: барионы , состоящие из трех кварков, и мезоны , состоящие из двух кварков , один из которых является антикварком .

Самое сильное взаимодействие – это взаимодействие между кварками. Протон состоит из 2 u кварков одного d кварка, нейтрон из одного u кварка и 2 d кварков. Оказалось, что на очень малых расстояниях ни один из кварков не замечает соседей, и они ведут себя как свободные, невзаимодействующие между собой частицы. При удалении кварков друг от друга между ними возникает притяжение, которое с увеличением расстояния возрастает. Чтобы разделить адроны на отдельные изолированные кварки потребовалась бы большая энергия. Так как такой энергии нет, то кварки оказываются вечными пленниками и навсегда остаются запертыми внутри адрона. Кварки удерживаются внутри адрона глюонным полем.

III. Закрепление

Назовите основные взаимодействия, которые существую в природе
Чем отличаются частица и античастица? Что у них общего?
Какие частицы участвую в гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом взаимодействиях?

Итог урока. На уроке познакомились частицами микромира, выяснили, какие частицы называются элементарными.

Д/з § 28

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение –

средняя общеобразовательная школа № 7 г. Белгорода

Открытый урок по физике

11 класс

«Элементарные частицы»

Подготовила и провела:

учитель физики

Польщикова А.Н.

Белгород 2015

Тема: Элементарные частицы.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Метод обучения: лекция

Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная

Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества; рассмотреть основные этапы развития физики элементарных частиц; дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Задачи урока:

Образовательная : познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с типологией элементарных частиц, а так же с методами исследования свойств элементарных частиц;

Развивающая : развивать познавательный интерес учащихся, обеспечивая посильное вовлечение их в активную познавательную деятельность;

Воспитательная : воспитание общечеловеческих качеств - осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.

Оборудование к уроку:

Дидактические материалы: материал учебника, карточки с тестами и с таблицами

Наглядные пособия: презентация

Ход урока

(Презентация)

1. Организация начала урока.

Деятельность учителя: взаимные приветствия учителя и учащихся, фиксация учащихся, проверка готовности учащихся к уроку. Организация внимания и включение учащихся в деловой ритм работы.

Прогнозируемая деятельность ученика: организация внимания и включение в деловой ритм работы.

2. Подготовка к основному этапу занятия.

Деятельность учителя: сегодня мы приступим к изучению нового раздела "Квантовой физики" - "Элементарные частицы". В этой главе речь пойдет о первичных, неразложимых далее частицах, из которых построена вся материя, об элементарных частицах.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования.

Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Она будет являться и нашей главной задачей при изучении физики элементарных частиц.

3. Усвоение новых знаний и способов действий.

Деятельность учителя: Тема урока: "Этапы развития физики элементарных частиц". На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц

Что такое элементарные частицы?

Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это?

Типология частиц.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.

Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

Этап 1. От электрона до позитрона: 1897 - 1932 гг.

Этап 2. От позитрона до кварков: 1932 - 1964 гг.

Этап 3. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наши дней.

Деятельность учителя:

Этап 1.

Элементарный, т.е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово "атом" в переводе означает "неделимый". Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.

Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

Прогнозируемая деятельность ученика:

Деятельность учителя: ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

Прогнозируемая деятельность ученика:

Электрон. В 1898 г. Дж. Томсон доказал реальность существования электронов. В 1909 г. Р. Милликен впервые измерил заряд электрона.

Протон . В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота - частицами обнаружил частицу, заряд которой равен заряду электрона, а масса в 1836 раз больше массы электрона. Назвали частицу протон.

Нейтрон. Резерфорд так же высказал предположение о существовании частицы, не имеющей заряда, масса которой равна массе протона.

В 1932 г. Д. Чэдвик открыл частицу, о которой предполагал Резерфорд, и назвал её нейтроном.

Деятельность учителя: после открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг).

В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие -иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века - помимо открытия электрона, ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).

Вспомним: что называется фотоном?

Прогнозируемая деятельность ученика: Фотон (или квант электромагнитного излучения) - элементарная световая частица, электрически нейтральная, лишенная массы покоя, но обладающая энергией и импульсом.

Деятельность учителя: открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Однако такое мнение просуществовало не долго.

Этап 2.

В 30-е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными "кирпичиками" природы.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными). Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).

Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.

Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.

Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.

Я упомянула об ещё одной частице - нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?

Прогнозируемая деятельность ученика: Нейтрино - частица, лишенная электрического заряда и масса покоя его равна 0. О существовании этой частицы предсказал в 1931 г. В. Паули, а в 1955г., частица была экспериментально зарегистрирована. Проявляется в результате распада нейтрона:

Деятельность учителя: нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин.

Другие частицы "живут" гораздо меньшее время.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10 -22 -10 -23 с.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.

Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение ) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Позитрон - (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами ( -мезонами ). Среднее время жизни -мезона равно 2,2 * 10 -6 с.

Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. -мезоны). Среднее время жизни нейтрального -мезона - 0,87·10 -16 с.

В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий "на встречных курсах" и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий "пойманных" частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны (Приложение 2).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.

Прогнозируемая деятельность ученика: К группе фотонов относится единственная частица - фотон

Деятельность учителя: следующая группа состоит из легких частиц лептонов .

: в эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и?-мезон

Деятельность учителя: к лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами . Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов .

Прогнозируемая деятельность ученика : наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные -мезоны. Пионы являются квантами ядерного поля.

Деятельность учителя: вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.

Прогнозируемая деятельность ученика: самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны.

Деятельность учителя: за ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен +2/3 или -1/3 единичного положительного заряда протона.

Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд -1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.

Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed) и странным - s (от strange).

Третью пару составляют истинный - t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый - b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки.

Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.

Однако в декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии "свободных топ-кварков".

4. Первичная проверка понимания.

Деятельность учителя: итак, ребята, мы рассмотрели с вами:

основные этапы развития физики элементарных частиц

выяснили, какую частицу называют элементарной

познакомились с типологией частиц.

На следующем уроке мы рассмотрим:

более подробную классификацию элементарных частиц

виды взаимодействий элементарных частиц

античастицы.

А сейчас я предлагаю вам выполнить тест, чтобы оживить в памяти основные моменты изученного нами материала (Приложение 3).

5. Подведение итогов занятия.

Деятельность учителя: Выставление оценок наиболее активным учащимся.

6. Домашнее задание

Деятельность учителя:

1. § 114 - 115

2. конспект.

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

УРОК 11/60

Тема. Элементарные частицы

Цель урока: дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

· Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 pp . Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. Согласно тому, как развивалась наука, много элементарных частиц переходили в разряд неелементарних.

· Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг .

· Третий этап. От гипотезы о кварки (1964 г.) до наших дней. Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.

в 1964 году М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков.

Мир элементарных частиц оказался очень сложным и запутанным. Но разобраться в нем все-таки удалось. И хотя окончательной теории элементарных частиц, которая объясняет все разнообразие их свойств, еще не разработан, много чего уже выяснилось. Поскольку молекулы, атомы и ядра можно подвергнуть расщеплению, они до элементарных частиц не принадлежат. Сказанное, однако, не означает, что элементарные частицы не могут состоять из каких-то других, еще более «мелких» образований. Кроме того, большинство из них имеет самое сложное строение. Но составляющие этих частиц удерживают такие силы, которые разорвать соответствующие связи, учитывая современные представления, принципиально несостоятельны.

Соответственно до этого все элементарные частицы делятся на два больших класса (см. рисунок): адроны (частицы, имеющие сложное строение) и фундаментальные (или истинно элементарные) частицы, которые сегодня относятся к безструктурних и поэтому претендуют на роль действительно первичных элементов материи.

Отличительной чертой всех адронов является их состав и способность к сильной взаимодействия, чем, собственно говоря, и обусловлено их название (греческое слово «хадрос» означает «большой», «сильный»). Никакие другие частицы в сильном взаимодействии участвовать не могут. Класс адронов самый многочисленный (более 300 частиц). В зависимости от кваркового состава все они делятся на две группы - барионы и мезоны.

Истинно элементарными частицами на сегодня считают переносчиков фундаментальных взаимодействий - лептоны и кварки.

Ø Согласно квантовой теории поля, все имеющиеся в природе фундаментальные взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) имеют обменный характер.

Это означает, что как элементарные акты каждой из перечисленных взаимодействий выступают процессы, при которых частицы испускают и поглощают определенные кванты. Эти кванты и называются переносчиками соответствующих взаимодействий. Обмениваясь ими, частицы взаимодействуют друг с другом.

Английский физик П. Дирак в 1928 году создал релятивистскую теорию движения электрона. Из этой теории следовало, что электрон может иметь отрицательный и положительный заряд.

в 1932 году американский физик К. Андерсон, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона, обнаружил на одной из фотографий следует, что будто принадлежит электрону, но... с положительным зарядом. Частичку, которая дала странный след, Андерсон назвал позитроном. в 1933 году было открыто явление образования позитрона и электрона при взаимодействии γ-квантов с веществом:

1934 г. было обнаружено, что позитроны выпускают некоторые радиоактивные ядра (это связано с преобразованием ядерного протона в нейтрон):

Например, радиоактивное ядро изотопа Фосфора распадается на ядро Кремния, позитрон и нейтрино:

П. Дирак предполагал, что при встрече позитрона с электроном должно произойти обратный процесс: превращение этих частиц в два фотона. Вскоре после экспериментального обнаружения позитрона такой обратный процесс было установлено. Это процесс получил название аннигиляции.

Важно обратить внимание учащихся на то, что электрон и позитрон, которые имеют массу покоя, превращаются в два фотона, массы покоя не имеют. Из этого следует, что:

Ø на уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов: позитрон сразу же после своего появления встречается с электроном, и оба они превращаются в два фотона.

В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар было действительно сенсацией в науке. Впоследствии двойники - античастинки - были найдены во всех частиц.

1931 года В. Паулы предусмотрел, а в 1955 году экспериментально зарегистрировали нейтрино n и антинейтрино . Нейтрино появляется в ходе распада 1 0 n . в 1955 году было экспериментально получено антипротон во время столкновения быстрых протонов с ядром Купруму. в 1956 году открыт антинейтрон в реакции

Т.е. столкновение протона и антипротона приводит к появлению нейтрона и антинейтрона.

Античастинки могут отличаться от частиц знаком электрического заряда, направлением магнитного момента или иной характеристикой. Но основная особенность их такова:

Ø встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонів, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. в 1969 году впервые было получено антигелій.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию гамма-квантов, образующихся.

Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только во время аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самое совершенное источник энергии, самое калорийное «топливо». Ли способно будет человечество когда-нибудь это «горючее» использовать, сложно сейчас сказать.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие частицы называются элементарными?

2. Назовите частицы, которые в настоящее время считаются истинно элементарными.

3. Чем объясняются очень редкие случаи наблюдения позитрона?

4. Которые античастинки вы знаете?

5. Что понимают под антивеществом?

Второй уровень

1. Что такое фундаментальные частицы?

2. Какие виды фундаментальных взаимодействий вы знаете? Какие из них самые сильные? наиболее слабые?

3. Какие основные свойства кварков?

4. Существуют ли кварки в свободном состоянии?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

· Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

· На уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

· Встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Домашнее задание

Рів1 № 18.3; 18.4; 18.6; 18.10.

Рів2 № 18.11; 18.13; 18.14; 18.15.

Рів3 № 18.16, 18.17; 18.18; 18.19.

Мир элементарных частиц

Урок в 11 классе

Цель урока:

Образовательные:

Познакомить учащихся со структурой элементарных частиц, с особенностями сил и взаимодействия внутри ядра; научить обобщать и анализировать полученные знания, правильно излагать свои мысли; способствовать развитию мышления, умению структурировать информацию; воспитывать эмоционально-ценностные отношения к миру

Развивающие:

Продолжить развитие мышления, умения анализировать, сравнивать, делать логические выводы.

Развивать любознательность, умения применять знания и опыт в различных ситуациях.

Воспитательные:

Развитие навыков интеллектуальной коллективной работы; воспитание основ нравственного самосознания (мысль: ответственность ученого, первооткрывателя за плоды своих открытий);

Пробудить у учащихся интерес к научно – популярной литературе, к изучению предпосылок открытия конкретных явлений.

Цель урока:

Создать условия для развития интеллектуальной и коммуникативной компетентностей, в которых ученик сможет:

Назвать основные виды элементарных частиц;

Осмыслить многозначность современной стандартной модели мира;

Сформулировать свои представления об истории развития элементарных частиц;

Проанализировать роль развития элементарной физики;

Классифицировать элементарные частицы по их составу;

Задуматься о необходимости иметь собственную позицию, толерантно относиться к иной точке зрения;

Проявлять бесконфликтное общение при работе в группе.

Тип урока: изучение нового материала.

Форма урока: комбинированный урок.

Методы урока: словесные, наглядные, практические.

Оборудование: компьютерная презентация, мультимедийный проектор, рабочая тетрадь ученика, персональный компьютер.

Этапы урока	Время, мин.	Методы и приемы
1 .Организационное введение. Постановка учебной проблемы.		Запись темы урока. Рассказ учителя.
2. Актуализация знаний (презентация ученика)		Рассказ учащегося о имеющихся знаниях, предпосылки изучения нового.
3. Изучение нового материала (презентация учителя)		Рассказ учителя с использованием слайдов. Наблюдение. Беседа. Рассказ ученика с использованием слайдов.
4. Отработка изученного материала. Закрепление.		Закрепление по опорному конспекту и работа с учебником. Ответы на контрольные вопросы.
5. Подведение итогов. Домашнее задание		Выделение главного учителем, учениками.

Ход урока

Организационный момент урока (приветствие, проверка готовности обучающихся к уроку)

Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим различные взгляды на устройство мира, из каких именно частиц состоит всё то, что нас окружает. Урок будет похож на лекцию, и от вас, в основном, требуется внимание.

В начале урока я хочу предложить вашему вниманию историю возникновения учения о частицах.

2. Актуализация знаний.(Презентация Алексахиной В. «История развития знаний о частицах»)

Слайд 2 . Античный атомизм – это представления о строении мира учеными античности. По представлениям Демокрита, атомы были вечными, неизменными, неделимыми, отличающимися по форме и размерам частицами, которые, соединяясь и разъединяясь, образовывали различные тела.

Слайд 3. Благодаря открытию учеными Дираком, Галилеем и Ньютоном принципа относительности, законов динамики, законов сохранения, закона всемирного тяготения, в 17 веке атомистика древних претерпела значительные изменения и в науке утвердилась механическая картина мира , в основе которой лежало гравитационное взаимодействие – ему подвержены все тела и частицы, не зависимо от заряда.

Слайд 4. Знания, накопленные при изучении электрических, магнитных и оптических явлений, привели к необходимости дополнения и развития картины мира. Таким образом, в 19 веке и до начала 20 века стала господствовать электродинамическая картина мира . В ней рассматривалось уже два типа взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. Но им не удалось объяснить только тепловое излучение, устойчивость атома, радиоактивность, фотоэффект, линейчатый спектр.

Слайд 5. В начале 20 века появилась идея квантования энергии, которую поддерживали Планк, Эйнштейн, Бор, Столетов, а также корпускулярно-волновой дуализм Луи де Бройля. Эти открытия ознаменовали появление квантово-полевой картины мира , в которой добавилось ещё и сильное взаимодействие. Началось активное развитие физики элементарных частиц.

3. Изучение нового материала

До тридцатых годов 20 века устройство мира представлялось ученым в самом простом виде. Они считали, что «полный набор» частиц, из которых состоит все вещество – это протон, нейтрон и электрон. Поэтому их назвали элементарными. К этим частицам относят и фотон – переносчик электромагнитных взаимодействий.

Слайд 6. Современная стандартная модель мира:

Материя состоит из кварков, лептонов и частиц – переносчиков взаимодействия.

Для всех элементарных частиц есть вероятность обнаружить античастицы.

Корпускулярно-волновой дуализм. Принципы неопределённости и квантования.

Сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия описываются теориями великого объединения. Остается необъединенная гравитация.

Слайд 7. Ядро атома состоит из адронов, которые состоят из кварков. Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Классификация адронов: Мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка Барионы состоят из трёх кварков – нуклонов (протоны и нейтроны) и

гиперонов.

Слайд 8. Ква́рки - фундаментальные частицы, из которых состоят адроны. В настоящее время известно 6 разных сортов (чаще говорят - ароматов) кварков. Кварки удерживает сильное взаимодействие, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных. Обмениваются между собой глюонами, частицами с нулевой массой и нулевым зарядом. Для всех кварков существуют антикварки. Они не могут наблюдаться в свободном виде. Имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) и -1/3е – d-кварк (низ).

Кварковый состав электрона - uud, кварковый состав протона - udd

Слайд 9. Частицы, не входящие в состав ядра, – лептоны. Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. На сегодня известно 6 лептонов и 6 их античастиц.

У всех частиц есть антицастицы. Лептоны и их античастицы: электрон и позитрон с ними электронное нейтрино и антинейтрино. Мюон и антимюон с ними мюонное нейтрино и антинейтрино. Таон и антитаон - таонное нейтрино и антинейтрино.

Слайд 10. Все взаимодействия в природе являются проявлениями четырех видов фундаментальных взаимодействий между фундаментальными частицами – лептонами и кварками.

Сильному взаимодействию подвержены кварки, а глюоны являются его переносчиками. Оно связывает их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие частицы. Косвенно оно влияет на связь протонов в атомных ядрах.

Электромагнитному взаимодействию подвержены заряженные частицы. При этом под воздействием электромагнитных сил сами частицы не изменяются, а лишь приобретают свойство отталкиваться в случае одноименных зарядов.

Слабому взаимодействию подвержены кварки и лептоны. Самый известный эффект слабого взаимодействия – превращение нижнего кварка в верхний, что в свою очередь заставляет нейтрон распасться на протон, электрон и антинейтрино.

Одной из самых существенных разновидностей слабого взаимодействия является взаимодействие Хиггса . Согласно предположениям, поле Хиггса (серый фон) заполняет все пространство жидкость, ограничивая дальность слабых взаимодействий. Также бозон Хиггса взаимодействует с кварками и лептонами, обеспечивая существование их массы.

Гравитационное взаимодействие. Является наиболее слабым из известных. В нем участвуют все без исключения частицы и переносчики всех видов взаимодействия. Осуществляется благодаря обмену гравитонами – единственными, еще не открытыми на опыте частицами. Гравитационное взаимодействие всегда является притяжением.

Слайд 11. Многие физики надеются на то, что подобно тому, как удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в электрослабое, со временем удастся построить теорию, объединяющую все известные виды взаимодействий, название которой «Великое объединение».

4 . Закрепление знаний.

Первичное закрепление (Презентация Гордиенко Ж. «Большой адронный коллайдер». Современные ученые стараются усовершенствовать процесс изучения частиц, с целью добиться новых открытий для научно-технического прогресса. Для этого строятся грандиозные исследовательские центры и ускорители. Одним из таких грандиозных строений является Большой адронный коллайдер.

Итоговое закрепление (работа в группах: ответы на вопросы по учебнику)

Вы разделены на две группы: 1 ряд и 2 ряд. У вас есть задание на листиках: вам необходимо ответить на вопросы, а ответы вы найдете в учебнике в параграфе 28 (стр. 196 – 198).

Задания первой группы:

Сколько всего фундаментальных частиц? (48)

Кварковый состав электрона? (uud)

Перечислите два самых сильных взаимодействия (сильное и электромагнитное)

Полное число глюонов? (8)

Задания второй группы:

Сколько частиц лежит в основе мироздания? (61)

Кварковый состав протона? (udd)

Перечислите два самых слабых взаимодействия (слабое и гравитационное)

Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? (фотон)

Озвучивание руководителями групп ответов на вопросы и обмен карточками.

Итог урока.

Вы познакомились с некоторыми аспектами развития современной физики и теперь имеете элементарные представления о том, в каком направлении развивается наша наука и для чего нам это нужно.

6. Домашнее задание. Параграф 28.

Задания первой группы:

1. Сколько всего фундаментальных частиц? ______________

2. Кварковый состав электрона? ____________

3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ______

4. Полное число глюонов? _______

___________________________________________________________________

Задания второй группы:

1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ________

2. Кварковый состав протона? ___________

___________________________________________________________________

Задания первой группы:

1. Сколько всего фундаментальных частиц? __________

2. Кварковый состав электрона? __________

3. Перечислите два самых сильных взаимодействия __________________________________________________________________________

4. Полное число глюонов? _________

___________________________________________________________________

Задания второй группы:

1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ____________

2. Кварковый состав протона? _____________

3. Перечислите два самых слабых взаимодействия ______________________

4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? ______

___________________________________________________________________

Задания первой группы:

1. Сколько всего фундаментальных частиц? _____________

2. Кварковый состав электрона? ______________

3. Перечислите два самых сильных взаимодействия ________________________________________________________________________

4. Полное число глюонов? _____

___________________________________________________________________

Задания второй группы:

1. Сколько частиц лежит в основе мироздания? ______

2. Кварковый состав протона? _________

3. Перечислите два самых слабых взаимодействия _______________________

4. Какие частицы осуществляют электромагнитное взаимодействие? _______