Понятие об элементарных частицах. Классификация элементарных частиц - ОБОБЩЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Задачи урока: ознакомить с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне пространственных размеров и расстояний, меньших 10 ¹⁵ м; раскрыть общие свойства элементарных частиц и дать их классификацию.

Ход урока

I. На протяжении изучения курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны; далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне.

Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблем, выдвижение гипотез и т. д.). Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует больше связывать новое с ранее изученным.

II. Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны.

Если рассматривать строение вещества с учётом этих сведений, то для микромира на уровне малых расстояний, порядка 10^-14—10^-15 м, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из частиц — фотонов.

1. Микрочастицы — электроны, протоны, нейтроны, фотоны — называются элементарными частицами. Слово “элементарная” означает “простейшая, лежащая в основе материи”: все материальные объекты — тела, поля — состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, т. е. они ни из чего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чём будет сказано далее.

В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными.

2. Характерная особенность большинства элементарных частиц — их нестабильность. Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало. Долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10^-6—10^-14 с, а существуют и частицы, живущие всего 10^-22—10^-23 с.

Нейтрон вне ядра также неустойчив: среднее время его жизни 16 мин, но по сравнению со временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок.

3. Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время её существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились в стабильные или исчезли, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы? Их открыли и получают как в ядерных реакциях, так и в различных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц.

В качестве примера реакции распада приведём следующую:

где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Антинейтрино и нейтрино — это частицы с очень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой лёгкой частицы — электрона. Они электронейтральны. Нейтрино — стабильная частица. Долгое время после теоретического предсказания действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 г. была осуществлена реакция

в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон — позитрон.

Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном, — он “исчезает” вместе с электроном:

Реакция называется аннигиляцией электронно-позитронной пары; в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счётчиками.

Ещё одна присущая всем элементарным частицам особенность — наличие у каждой частицы двойника — античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несёт противоположный по знаку заряд. Существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, т. е. к исчезновению, превращению в фотоны или другие частицы.

В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получены антипротон и антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, — антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в поле, к аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда; при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc².

4. Далее следует заполнить и расшифровать таблицу 50.

Таблица 50

Элементарные частицы

Обсуждаются размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяжённости и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядка 10^-15 м. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название “кварки”.

Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе, — гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами. Это, как и фотоны, частицы без массы покоя и заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен.

III. Домашнее задание: § 95—98*.