Элементарные частицы Презентация урока физики 11 класс

АТОМ (по Демокриту) – простейшая, неделимая далее частица Из атомов состоят все тела Превращения, наблюдаемые в природе, - это простая перестановка атомов В мире все течет, все изменяется, только атомы остаются неизменными

Примеры явлений, поставивших под сомнение неизменность атомов Электризация тел Линейчатые спектры испускания и поглощения атомов Радиоактивность ЭлектролизФотоэффект Термоэлектронная эмиссия Электрический разряд в газах Вывод: атомы обладают сложным внутренним строением и не являются простейшими неразрушимыми и неизменными частицами

Проблема – найти простые частицы, из которых построены все атомы 1897 год – открыт электрон (Джозеф Томсон) начало 1920-х годов – открыт протон (Резерфорд) начало 1920-х годов – открыт протон (Резерфорд) 1932 год – открыт нейтрон (Джеймс Чедвик)

Элементарные частицы (от лат. elementarius – первоначальный, простейший, основной) Частицы, из которых построены атомы считались неспособными ни к каким превращения Элементарными стали считать электроны, протоны и нейтроны Позже фотоны включили в число элементарных частиц Было обнаружено, что свободный нейтрон нестабилен и живет в среднем 15 минут Но нельзя сказать, что нейтрон состоит из этих частиц, они рождаются в момент распада

Элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти их взаимные превращения – главный факт их существования Неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура

АНТИЧАСТИЦЫ В 1928 году Поль Дирак разработал теорию движения электрона в атоме, учитывающую релятивистские эффекты. Из уравнения получалось, что у электрона должен быть «двойник» - частица такой же массы, но с положительным элементарным зарядом В 1932 году К. Андерсон экспериментально обнаружил в космическом излучении позитроны

АНТИЧАСТИЦЫ У всех элементарных частиц есть античастицы Заряженные частицы существуют парами В 1955 году обнаружен антипротон В 1956 году – антинейтрон Существуют истинно нейтральные частицы – фотон, пи-нуль-мезон, эта- мезон. Они полностью совпадают со своими античастицами

АННИГИЛЯЦИЯ Античастицы оказались способными к особому виду взаимодействия (доказано на опыте Ф. Жолио-Кюри в 1933 г.) Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона

АННИГИЛЯЦИЯ В том же году супруги Жолио-Кюри обнаружили обратный процесс – рождение электронно- позитронных пар при прохождении гамма- кванта большой энергии вблизи атомного ядра

Проблема 1 Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами в ядре требуется найти материальных носителей ядерного взаимодействия (согласно теории близкодействия)

Проблема 2 Количество открытых к настоящему времени элементарных частиц исчисляется сотнями Как классифицировать элементарные частицы для выяснения их внутренней структуры и поиска «настоящих» элементарных частиц?

Элементарные частицы разделяются на группы по их способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий 1. Гравитационное взаимодействие - - описывается законом всемирного тяготения - - действует между любыми телами Вселенной - - играет основную роль только для макроскопических тел больших масс - - носители – гравитоны?

2. Электромагнитное взаимодействие - действует между любыми электрически заряженными частицами и телами, а также фотонами – квантами электромагнитного поля - обеспечивает возможность существования атомов, молекул; определяет свойства твердых тел, жидкостей, газов и плазмы - вызывает деление тяжелых ядер; излучение и поглощение фотонов веществом - носители - фотоны

3. Сильное взаимодействие - это взаимодействие между нуклонами и другими тяжелыми частицами - проявляется на очень коротких расстояниях ~ м - примером является взаимодействие нуклонов ядерными силами - частицы, способные к этому взаимодействию называются адроны - носители – глюоны и мезоны

4. Слабое взаимодействие - в нем участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов - проявляется лишь на очень малых расстояниях ~ м - примером слабого взаимодействия может служить процесс бета- распада нейтрона, распад заряженного пиона - носители – промежуточные бозоны

КВАРКИ Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Кроме лептонов, фотонов и промежуточных бозонов, все уже открытые частицы являются составными. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.

Кварковый состав элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки. В настоящее время на роль истинно элементарных частиц претендуют 6 лептонов и 6 кварков

Резюме При исследовании атомов и элементарных частиц были обнаружены явления, совершенно не подчиняющиеся законам классической физики, и это привело к созданию квантовой физики как физики явлений микромира. Каково же соотношение между классической и квантовой физикой? Существуют ли они как две независимые теории или квантовая физика опровергла и отменила классическую?

Резюме Не произошло ни первого, ни второго. Законы квантовой физики оказались универсальными законами, применимыми не только к системам из элементарных частиц, но и к любым телам макромира. В согласии с принципом соответствия классическая физика оказалась частным случаем квантовой физики, применимым лишь в ограниченной области расстояний и размеров тел макромира.