Урок 30. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия
Предмет: Физика, 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 30. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

виды фундаментальных взаимодействий;
ускорители и их роль в изучении элементарных частиц;
современная физическая картина мира.

Глоссарий по теме:

Фундаментальные взаимодействия - качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

Кварк - это фундаментальная частица в стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 и не обнаруженная в свободном состоянии.

Глюоны – элементарные частицы, переносчики сильного взаимодействия.

Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Единая физическая картина мира - единая физическая теория, объясняющая загадки мироустройства

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 359 – 364, 408 - 412.

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 165 – 166.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 608 – 636.

4. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.2. М: «МИР», 1989. С. 620 – 630.

Основное содержание урока

Все бесконечное многообразие взаимодействий можно свести к четырём фундаментальным:

гравитационному;
слабому;
электромагнитному;
сильному.

Фундаментальные взаимодействия имеют различную природу и силу.

Свойства этих четырёх типов фундаментального взаимодействия приведены в таблице.

Виды взаимодействия

Время взаимодействия,

с

Радиус взаимодействия,

м

Отношение интенсивностей

Частица

(квант поля)

Гравитационное

1016

∞

10-39

Гравитоны (не обнаружены)

Слабое

10-9

10-18

10-14

W+, W-, Z0

Электромагнитное

10-21

∞

10-2

Фотоны

Сильное (ядерное)

10-23

10-15

1

π-мезоны (глюоны)

В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), в которой объясняется гравитационное взаимодействие.

Слабое взаимодействие объясняет теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ), созданная в 1967 году физиками Саламом, Глэшоу и Вайнбергом на основе квантовой электродинамики. За нее они получили Нобелевскую премию в 1979 году.

В 1927-1940-е годы Дираком, Паули, Фейнманом, Швингером создана квантовая электродинамика (КЭД), которая объясняет суть электромагнитного взаимодействия.

В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика (КХД), созданная объединенными усилиями многих физиков.

На основе этих двух последних теорий была создана Стандартная модель, все предсказания которой подтвердились, включая бозон Хиггса.

Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Согласно этой теории, материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов, при этом каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).

Лепто́ны — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. К лептонам относятся: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, τ-лептон, τ-нейтрино. Лептоны участвуют в слабом взаимодействии. Между заряженными частицами, относящимися к этому классу частиц, происходит ещё и электромагнитное взаимодействие.

Адро́ны — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. В Стандартной модели предполагается, что все адроны теоретически можно построить из кварков трех типов: u, d и s. Это самый обширный класс частиц. Адронов несколько сотен. Адроны имеют размер около 10-13 см и состоят из кварков. Адроны, состоящие из трёх кварков, называются барионами, состоящие из кварка и антикварка – мезонами. Наиболее известные адроны, относящиеся к группе барионов, - протон и нейтрон. В класс адронов входят также гипероны Λ, Σ+, Σ0, Σ-, π-мезоны, K-мезоны и другие частицы.

Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 и не обнаруженная в свободном состоянии.

Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10−16 см, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.

Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков – u, d и s.

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Нейтрон как структура из двух d-кварков и одного u-кварка

Кварковая модель элементарных частиц была независимо постулирована в 1964

году американскими физиками Марри Гел-Манном и Джорджем Цвейгом.

В настоящее время считается, что существует 6 сортов (чаще говорят: ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t.

Некоторые свойства кварков

Обозначение

Название

Электрический заряд

Масса

d

Нижний

(-1/3)e

~ 5 МэВ/с2

u

Верхний

(+2/3)e

~ 3 МэВ/с2

s

Странный

(-1/3)e

95 ± 25 МэВ/с2

c

Очарованный

(+2/3)e

1,8 ГэВ/с2

b

Прелестный

(-1/3)e

4,5 ГэВ/с2

t

Истинный

(+2/3)e

171 ГэВ/с2

Кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой цветом. Каждый из ароматов кварка имеет цвет – красный, зелёный и синий.

Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.

Физика высоких энергий находится в постоянном поиске и развитии. На данном этапе истинно элементарными (то есть не имеющими структуры) считаются кварки, лептоны, кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны) и частица Хиггса.

Для того чтобы понять сложные законы микромира применяют ускорители заряженных частиц.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Принцип работы всех ускорителей прост – заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля, магнитное же поле, создавая силу Лоренца, отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы:

линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки;
циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз.

Виды циклические ускорителей:

бетатрон;
циклотрон;
микротрон;
кольцевой фазотрон FFAG;
фазотрон;
синхрофазотрон;
синхротрон;
ускоритель-рекупер.

Можно также классифицировать ускорители по назначению:

коллайдеры,
источники нейтронов,
бустеры,
источники синхротронного излучения,
установки для терапии рака,
промышленные ускорители.

Современные ускорители являются огромными дорогостоящими комплексами, которые сооружают усилиями многих стран.

Единая физическая картина мира.

Физическая картина мира следует за ходом развития науки: с самого начала она основывалась на механике атома, представляя, что все вещи состоят из самостоятельных элементов, и все, что совершается в мире, основывается на перемещении, соединении и разъединении этих элементов. Затем была создана механическая картина мира, основанием для которой послужили законы классической механики Ньютона. Однако при исследовании электромагнитных процессов, выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Максвелл открыл новый тип фундаментальных законов - законы поведения электромагнитного поля. Развитие электродинамики привело к попыткам построить единую электромагнитную картин мира. Утверждалось, что все события в мире управляются законами электромагнитных взаимодействий. Кульминацией электромагнитной картины мира стало создание специальной теории относительности Эйнштейна. Эта теория заставила пересмотреть представления о пространстве и времени. Эксперименты в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), где достигается скорость частиц порядка 0,99999 скорости света, подтвердили все выводы теории относительности – сокращение длины, замедление времени, нелинейное увеличение импульса.

В первой половине XX века был обнаружен фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Основным принципом единой картины мира стало единство в строении материи. Но единство мира проявляется и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.

Революционное изменение классических представлений произошло после открытия квантовых свойств материи. Принципы квантовой теории являются совершенно общими, но все же многого выяснить пока еще не удалось

Предпринимаются попытки создания общей теории для всех типов взаимодействий, между которыми существует определённая связь. Электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия уже объединены в рамках теории великого объединения. Конечной целью физики является включение в эту теорию сил гравитации. Возможно совсем скоро кто-нибудь из вас, друзья, сумеет решить эту сложную проблему.

Разбор тренировочного задания

1. Решите кроссворд.

По горизонтали:

1) один из создателей КЭД;

5) название u-кварка.

По вертикали:

2) один из создателей кварковой модели;

3) t-кварк;

4) переносчик сильного взаимодействия.

Ответ: по горизонтали: 1) Паули; 5) верхний;

по вертикали: 2) Цвейг; 3) истинный; 4) глюон.

2. Определите по рисунку: 1) сколько кварков в составе протона и сколько в составе нейтрона; 2) сколько кварков в составе π-мезонов?

Кварковый состав протона и нейтрона

Кварковый состав +-мезона и --мезона

Ответ: 1) протон и нейтрон состоят из трех кварков; 2) π-мезоны состоят из двух кварков.