Физика элементарных частиц

Предмет	физика
Группа
Тема урока	Физика элементарных частиц
ФИО преподавателя	Бикбаева Гульшат Ульфатовна
Учебник	Учебник физики 11 класс Мякишев Г.Я,Буховцев Б.Б.
Сроки выполнения	23.06.20 до 17.00ч.
Как выполнять задание	Прочитать текст; Выписать основные выводы . Ответить на вопросы: 1. Дайте определения элементарных частиц. 2. Одно из свойств элементарных частиц – способность… 3. Какие элементарные частицы называются стабильными? 4. Является ли нейтрон стабильной частицей? 5. Что является главным фактором существования элементарных частиц? 6. Какие взаимодействия определяют устойчивость ядер в атомах? 7. Сколько живет нейтрон вне атома? 8. Опытом, подтверждающим реальность явления превращения электромагнитного поля в вещество, является рождение пар электрон-позитрон при поглощении гамма-квантов, обладающих энергией 9. Какое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга? 10. Какое взаимодействие носит универсальный характер? 11. Охарактеризуйте такие процессы взаимопревращения частиц, как аннигиляция и рождение пары. 12. Почему свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а свободный протон не может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино?
Домашняя работа	П.111
Обратная связь	Ответить на вопросу по плану урока 23.06.20 г.
Как узнать оценку	Оценки будут выставлены в личный журнал преподавателя и отправлены в беседу ВК

№104 "Физика элементарных частиц"

«если верно, что все на свете состоит

из элементарных частиц, то, следовательно,

всё на свете состоит из света».

Напомним, что до самого конца девятнадцатого века считалось, что атом – это неделимая частица. Только в 1897 году Джозефом Томсоном был открыт электрон, причем стало ясно, что электрон – это часть атома. Позднее, в 1919 году Эрнест Резерфорд открыл протон, а в 1932 году, Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. В этом состоит первый этап развития физики элементарных частиц: осознание того, что существуют множество неделимых частиц, из которых состоит вся материя. После этого, возникли теории, объясняющие строение атомного ядра. Исходя из этих теорий, ученые пришли к выводу, что в состав ядер должны входить частицы, осуществляющие обменное взаимодействие между элементарными частицами. Такие частицы назвали пи-мезонами (они были предсказаны Хидэки Юкавой в 1935 году, но открыты только к концу сороковых годов).

Получалась любопытнейшая картина: с одной стороны, частицы, называемые элементарными – неделимы, и являются простейшими. С другой стороны, эти частицы каким-то образом могут превращаться друг в друга, подобно тому, как превращаются друг в друга ядра атомов. Превращение ядер атомов друг в друга можно объяснить только сложной структурой ядра. Значит, элементарные частицы тоже имеют сложную структуру. Отсюда следует, пожалуй, самый главный вывод: элементарные частицы не являются неизменными. Это доказывается простым фактом: ни одна из частиц не бессмертна. Продолжительность существования большинства элементарных частиц измеряется в мкс. Нейтрон, находящийся вне атомного ядра «живет» значительно дольше – в среднем 15 минут, но это не меняет сути. Теоретически, если бы каждая из таких частиц, как фотон, электрон, протон и нейтрино была бы единственная во всем мире, они смогли бы существовать не ограниченно долго. Но тут выяснилось следующее: у каждой частицы должна быть античастица. Впервые это было предсказано Дираком еще в начале тридцатых годов двадцатого века. Сначала Дирак говорил только о позитроне (то есть, частице, противоположной электрону), но потом распространил свою гипотезу на все элементарные частицы.

Превращение элементарных частиц происходит при столкновении частиц высоких энергий. При этом рождаются совершенно иные частицы, которые нельзя называть составными частями элементарных частиц. Выясняется, что эти превращения взаимны, и происходят между всеми элементарными частицами. Единственное, что остается неизменным – это суммарная энергия до и после превращения (то есть, выполняется закон сохранения энергии).

Итак, элементарные частицы могут превращаться друг в друга, и при этом, у каждой частицы есть античастица. Из этого следует, что частицы могут рождаться только парами: частица и античастица. Это было обнаружено в космических лучах: то есть при наблюдении за некоторыми космическими лучами было зарегистрировано рождение электрона и позитрона. Исходя из этого, можно заключить, что при встрече частицы и античастицы, они уничтожаются, превращаясь в фотоны.

Открытие все новых и новых элементарных частиц всегда позиционировалось, да и сейчас позиционируется, как триумф науки. Но эти триумфы уже давно начали вызывать определенное беспокойство. В настоящее время насчитывается порядка четырёхсот элементарных частиц.

Возникает вопрос: а действительно ли эти частицы элементарны? Может, и они состоят из более простых, фундаментальных частиц? Этим заканчивается второй этап развития физики элементарных частиц: возникновение гипотезы о внутренней структуре элементарных частиц. Были открыты самые разные частицы: пи-мезоны, ка-мезоны, мю-мезоны, мюоны и так далее и так далее. Изначально, элементарные частицы попытались классифицировать следующим образом. Их разбили на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Известно, что группа фотонов состоит из 1 частицы – фотона. Лептонами назвали частицы, имеющую массу, близкую к массе электрона (не более, чем в 200 раз превосходящую массу электрона). К группе лептонов относятся электроны, мюоны, тау-мезоны (которые были открыты относительно недавно), и три, соответствующие им нейтрино (как оказалось, существует три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное). В эту же группу входят античастицы выше упомянутых частиц. И, наконец, адроны: к этой группе относятся мезоны и барионы. Как можно заметить, это самый распространенный вид частиц: их насчитывается более четырехсот, а в группу лептонов входит только 12, плюс фотон. Остальные частицы – это адроны. Адроны делятся на мезоны и барионы, в соответствии со вторым квантовым числом (которое называется барионным зарядом). Например, к барионам относятся протон и нейтрон. Первое квантовое число – это лептонный заряд.

Необходимо отметить следующее: время жизни некоторых элементарных частиц составляет порядка 10^–20 – 10^–22 с. Поэтому, в 1964 году Марри Гелл Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании более фундаментальных частиц – кварков. Согласно этой гипотезе, из кварков построены все адроны. На данный момент известно всего 6 кварков и, соответственно, 6 антикварков. Кварки обозначаются буквой q с нижним индексом от 1 до 6 (номер кварка) и с верхним индексом a (который обозначает цвет кварка). Да, ко всему прочему, выяснилось, что каждый кварк может обладать одним из трех основных цветов: зеленым, синим или красным.

Также были открыты такие частицы, как глюоны – частицы поля, отвечающие за сильное взаимодействие. Их, на сегодняшний день насчитывается 8.

Получается вот какая картина: существует четыре вида фундаментальных типов взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Согласно теории близкодействия, у каждого взаимодействия существуют частицы-переносчики. У электромагнитного взаимодействия – это фотоны, у сильного взаимодействия – это глюоны, у слабого взаимодействия – это бозоны, у гравитационного взаимодействия – это гипотетические частицы – гравитоны. А теперь давайте подсчитаем количество элементарных частиц: это фотоны, лептоны, кварки и глюоны. Лептонов насчитывается 12, кварков – 36 (с учетом цвета), глюонов – 8. Получается 57 элементарных частиц – и это только то, что открыто на сегодняшний день. Пока что нет известных частиц, являющихся более фундаментальными, чем лептоны и кварки, поэтому лептоны и кварки принято считать истинно элементарными частицами. Но количество этих частиц снова наталкивает на мысль о том, что, возможно, и эти частицы – не самые простые, и они тоже имеют сложную структуру. Альберт Эйнштейн как-то раз сказал, что если теория развивается в сторону усложнения, громоздкости, то стоит проверить, а верна ли эта теория? Основная задача современной физики элементарных частиц – это понять, действительно ли кварки и лептоны являются элементарными и существуют ли вообще какие-то неизменные частицы? Возможно, ими как раз окажутся гравитоны.

Что же сулит человечеству развитие физики элементарных частиц? Рассмотрим столкновение пары электрон-позитрон. Каждая из этих частиц обладает электрическим зарядом и массой покоя. При столкновении этих частиц происходит аннигиляция (то есть исчезновение одних частиц и появление других). При аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, которые не имеют ни заряда, ни массы покоя (поскольку фотоны попросту не могут существовать в состоянии покоя). Это говорит о том, что с помощью аннигиляции можно получать энергию в чистом виде. Не так давно были открыты антипротон и антинейтрон. Возник вопрос: а что если построить атом, ядро которого будет состоять из антинуклонов, а оболочка – из позитронов? Такие атомы смогут образовать антивещество. В 1969 году в СССР были получены ядра антигелия, хотя антивещество получить так и не удалось.

В 1995 году в ЦЕРНе удалось синтезировать атом антиводорода, а в последние годы удалось даже получить антиводород в достаточных количествах, чтобы начать изучать его свойства.

Из-за явления аннигиляции, антивещество является совершенным источником энергии. Например, расчеты говорят о том, что при аннигиляции одного килограмма вещества и одного килограмма антивещества выделится количество энергии, сравнимое с энергией ядерного взрыва. Поэтому, если человечеству удастся найти способ получения и удержания антивещества – это будет огромным прорывом в энергетике, подобным прорыву в начале двадцатого века – развитию ядерной энергетики.

Как известно, в наблюдаемой людьми части Вселенной практически нет антивещества. По современным представлениям, фундаментальные взаимодействия в веществе и антивеществе совершенно одинаковы, поэтому, столь сильная асимметрия вещества и антивещества во Вселенной – это одна из самых больших нерешенных задач в физике. Есть два предположения о том, почему в наблюдаемой части Вселенной нет антивещества. Первое предположение состоит в том, что такая асимметрия возникла при большом взрыве. Второе предположение, пожалуй, более логично: возможно во Вселенной существуют другие области, которые, наоборот, заполнены антивеществом, просто эти области находятся за гранью наблюдаемой людьми части Вселенной.

Основные выводы:

– Первый этап называется «от электрона до позитрона», то есть с момента осознания сложного строения атома до открытия античастиц.

– Второй этап называется «от позитрона до кварков», то есть до прихода осознания того, что и те частицы, которые сегодня называются элементарными, тоже имеют сложную структуру.

– Третий этап: от гипотезы о кварках до наших дней.

– Сегодня считается, что лептоны и кварки – это истинно элементарные частицы.

– Аннигиляция возникает при столкновении пар частица-античастица: и частица и античастица превращаются в фотоны очень высоких энергий.