Урок 15. Фундаментальные взаимодействия в микромире
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 15. Фундаментальные взаимодействия в микромире

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Какое фундаментальное взаимодействие называют сильным, и каковы его свойства.

Какое фундаментальное взаимодействие называют слабым и каковы его свойства

Какую роль играют фундаментальные взаимодействия в существовании жизни

Глоссарий по теме:

Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – самое сильное из фундаментальных взаимодействий, осуществляемое между элементарными частицами, называемыми адронами. В частности, связывает вместе протоны и нейтроны внутри ядра атома.

Слабое взаимодействие – один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Оно гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием — β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено А. А. Беккерелем в 1896 году.

Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов, частиц составляющих ядро атома

Протоны (от др. греческого πρῶτος — первый, основной) — стабильная положительно заряженная элементарная частица; величина заряда равна заряду электрона. Вместе с нейтронами образует ядра всех атомов.

Нейтроны (от лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро (за исключением ядра водорода). В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон.

Нейтрино – лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица. Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули. Название предложил в 1932 Э. Ферми, как уменьшительное от нейтрон.

Лептоны – (греч. λεπτός лёгкий) класс фундаментальных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относят, например, электрон, позитрон и др.

Адроны (от греч. hadros — тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. К ним относятся, в том числе, протоны и нейтроны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 72 – 74.

Электронные ресурсы:

Энергия связи ядер - https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph6/theory.html#.Wz1QovkzayI

Путешествие в Наномир – часть 1 https://www.youtube.com/watch?v=hLsxxbzafmw

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В природе известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Им соответствуют фундаментальные поля. Гравитационное взаимодействие практически не проявляется при движении объектов микромира. Причина в том, что это взаимодействие намного слабее остальных. Однако в макромире и мегамире гравитационное взаимодействие играет существенную роль. Например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля.

Электромагнитное взаимодействие зависит от расстояния, так же как и гравитационное. Однако поскольку электрические заряды в макротелах скомпенсированы с очень большой точностью (макроскопические тела практически электронейтральны), то электромагнитное взаимодействие также не играет в макромире такой роли, как гравитационное. При уменьшении расстояний между телами, начиная с расстояний порядка миллиметра, гравитационное взаимодействие сравнивается с электромагнитным, и далее, вплоть до расстояний 10-12 см, а природе господствует электромагнитное взаимодействие. В отличие от гравитационного взаимодействия, которому подвластны все частицы, электромагнитное взаимодействие действует только между заряженными частицами. Электромагнитным взаимодействием обусловлены многие излучения (видимый свет, тепловое излучение и др.), целостность атомов, молекул и макротел. Именно оно ответственно за все химические реакции, а, следовательно, и биологические процессы.

В то же время слабое и сильное взаимодействие является короткодействующим (т. е., будучи значительным при расстояниях порядка размера ядра, быстро убывают при увеличении этого расстояния), и не проявляются на макроскопических расстояниях.

На расстояниях меньше 10-12 см в игру вступает сильное взаимодействие. Однако это взаимодействие действует избирательно, ему подвластны только частицы, называемые адронами. К ним, в частности, относят составляющие атомных ядер протоны и нейтроны, для которых придумали общее название нуклоны. Стоит отметить, что помимо этих частиц к адронам относится также достаточно много короткоживущих частиц. Частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует, получили название – лептоны (к ним относится, например, электрон).

Именно сильное взаимодействие связывает нуклоны в атомном ядре. На расстояниях, сравнимых с размерами нуклонов (10-13 см.), оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного. Это взаимодействие отвечает за все ядерные реакции. Энергия сильного взаимодействия превращается в электроэнергию на атомных электростанциях. Энергия сильного взаимодействия выделяется на звездах и, в конечном счете, дает энергию для нашей жизни.

Некоторые реакции в мире микрочастиц не обусловлены ни электромагнитными, ни сильными взаимодействиями. Например, свободный нейтрон за время порядка 1000 с. превращается в протон, электрон и нейтрино (по своим характеристикам похож на электрон, но не имеет заряда), реакция может пойти и в обратном направлении с образование нейтрона. При этом частицы должны провзаимодействовать, но электрон не участвует в сильном взаимодействии, а нейтрино не участвует в электромагнитных. Из этого следует, что существует еще одно фундаментальное взаимодействие. К тому же, длительность этих реакций (по сравнению со скоростью ядерных реакций, обусловленных сильным взаимодействием, происходящих за доли секунды) означает, что такое взаимодействие слабее сильного. Это взаимодействие назвали «слабым».

Заметим, что открытие частицы нейтрино, была предсказана гораздо раньше, чем ее экспериментально обнаружили. Так расчеты показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон не выполняется закон сохранения энергии, энергия после реакции оказывалась меньше энергии до реакции. В 1931 году физик Вольфганг Паули предположил, что в процессе распада нейтрона возникает еще одна, не регистрируемая приборами частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино.

Слабое взаимодействие действует между всеми частицами, т.е. является универсальным (как и гравитационное). Оно самое короткодействующее, оно начинает работать при уменьшении расстояния между частицами до 10-16 см. Слабое взаимодействие играет важную роль в цепочке ядерных реакций, происходящих на звездах.

Заметим, что если в макроскопических масштабах мерой взаимодействия является сила, то в масштабах микромира механическое понятие силы является неприменимым. В общем случае взаимодействие объектов всегда приводит к изменению их энергии и импульса.

Выводы: Из четырёх фундаментальных взаимодействий на уровне микромира наиболее значительными являются сильное и слабое взаимодействия. Их действие ограничивается размерами ядра атома.

Сильное взаимодействие не универсально и действует только между адронами на расстоянии порядка 10-13 см. По интенсивности это самое сильное из фундаментальных взаимодействий. Посредством этого взаимодействия нуклоны объединяются в ядра. Однако это еще не все. Не будь сильного взаимодействия, из всех ядер атомов остались бы только самые простейшие — ядра атома водорода, т. е. протоны. Таким образом, оно обеспечивает существование многообразия структур мира природы, в том числе и жизни

Слабое взаимодействие проявляется в процессах β-распада и др. и является короткодействующим. Слабое взаимодействие является универсальным для всех микрочастиц. Несмотря на малую интенсивность, это взаимодействие играет важную роль в природе. Так, если бы удалось его «выключить», то прекратились бы реакции горения в звездах, которые служат источником энергии и появления тяжелых атомов, необходимых для жизни

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий необходимо для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира и, в конечном счёте, определяют существование жизни.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.

Задание 1.

Какие типы фундаментальных взаимодействий проявляют свое действие только в пределах, соотносимых с размером ядра атома?

Гравитационное;
Сильное;
Электромагнитное;
Слабое.

Правильный ответ: 2,4.

Пояснение: Гравитационное и электромагнитные взаимодействия могут осуществляться на значительных расстояниях.

Задание 2. Соотнесите по парам тип взаимодействия и характеристику взаимодействующих частиц.

Правильный ответ:

Гравитационное взаимодействие – все частицы имеющие массу;

Электромагнитное взаимодействие – заряженные частицы;

Сильное взаимодействие – адроны;

Слабое взаимодействие – все микрочастицы.