Элементарные частицы
презентация к уроку по физике (11 класс) на тему

Слайд 1

Слайд 2

Что относится к элементарным частицам? Частицы, из которых состоят атомы различных веществ- электрон, протон и нейтрон, назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми.

Слайд 3

История открытия элементарных частиц

Слайд 4

Открытие электрона На основании опытов по электролизу Майкл Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.

Слайд 5

Открытие электрона В 1899 г. Джозеф Джон Томсон доказал реальность существования электронов.

Слайд 6

Открытие электрона В 1909 г. Роберт Милликен впервые измерил заряд электрона: q e = 1 ,602·10 -19 Кл

Слайд 7

Открытие протона В 1919 г. Эрнест Резерфорд при бомбардировке азота альфа-частицами обнаружил протон: 14 7 N + 4 2 He → → 17 8 O + 1 1 p

Слайд 8

Открытие нейтрона В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл новую частицу, которая не имеет электрического заряда, и назвал ее нейтроном. В свободном состоянии нейтрон живет около 1000 с, потом распадается на протон, электрон и нейтрино: n → p + 0 -1 e + ν Существование нейтрона доказывает опыт, проведенный супругами Кюри

Слайд 9

Открытие позитрона В 1928 г. Поль Дирак предсказал, а в 1932 г. Карл Андерсон открыл позитрон ( е + ), фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона. Позитрон рождается в паре с электроном и является его античастицей.

Слайд 10

Альберт Эйнштейн предположил, что свет распространяется в виде потока элементарных частиц – фотонов. Фотоны не имеют массы. Существуют только в движении со скоростью в вакууме Энергия фотона прямо пропорциональна частоте ЭМВ Открытие фотона

Слайд 11

В 1931 г. Вольфганг Паули предсказал, а в 1955 г. экспериментально зарегистрировал нейтрино («нейтрончик») и антинейтрино. Нейтрино появляется в ходе распада нейтрона. Нейтрино – это легкие нейтральные частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом. Открытие нейтрино

Слайд 12

Опыты Резерфорда и явление радиоактивности показали, что атомы не являются простейшими неделимыми частицами. Было установлено, что атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов, которые считались неспособными ни к каким изменениям и превращениям, т. е. элементарными или простейшими . Но вскоре выяснилось, что эти частицы вовсе не являются неизменными!

Слайд 13

Открытие других элементарных частиц Начало физике элементарных частиц в современном виде было положено в 1935 г. японским физиком Хидэки Юкава. В 1947 г. Юкава открыл π- мезон, который является переносчиком сильного взаимодействия и удерживает нуклоны внутри ядра. В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1959 г. – антинейтрон.

Слайд 14

Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в новые частицы. Поэтому термин «элементарная частица» является условным. Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.

Слайд 15

В основе классификации элементарных частиц лежат различия в массах покоя: Элементарные частицы Лептоны (легкие частицы m ‹ 207 me ) Мезоны (ср. частицы 207m e ‹ m ‹m p ) Барионы (тяж. частицы m › m p ) Фотон

Слайд 16

Фотон Название частицы Символ Масса (в массах электро на) Заряд (в зарядах электро на) Время жизни, с Части цы анти Части цы Фотон ν 0 0 Стаби лен

Слайд 17

Лептоны Название частицы Символ Масса (в массах электро на) Заряд (в зарядах электро на) Время жизни, с Части цы анти Части цы Лептоны (легкие частицы m ‹207 m e Электронное нейтрино ν е − ν е 0 0 Стабиль но Мюонное нейтрино ν μ − ν μ 0 0 Стабиль но Тау- нейтрино ν τ − ν τ 0 0 Стабиль но Электрон е - е + 1 -1 +1 стабилен Мюон μ - μ + 207 -1 +1 2,2·10 -6 Тау-лептон τ - τ + 3492 -1 +1 1,46·10 -12 Группа лептоны состоит из 12 частиц. Лептоны являются истинно элементарными.

Слайд 19

Мезоны Название частицы Символ Масса (в массах электрона) Заряд (в зарядах электрона) Время жизни, с Час тицы анти части цы мезоны ( средние частицы – 207 m e ‹ m ‹ m p ) Пи - мезоны π 0 π + π - 264,1 273,1 0 1 -1 1,83· 10 -16 2,6·10 -8 Ка - мезоны К + К 0 − К 0 К - 974,1 966,4 0 1 -1 Не стабильны Эта-нуль-мезон η 0 1074 0 2,4·10 -19 Группа мезоны состоит из 8 частиц.

Слайд 20

Барионы Название частицы Символ Масса (в массах электрона) Заряд (в зарядах электрона) Время жизни, с частицы анти частицы Барионы (тяжелые частицы m › m p ) Протон p p - 1836,1 1 -1 стабилен? Нейтрон n ñ 1838 , 6 0 10 3 Лямбда-гиперон Λ 0 Λ -0 2183,1 0 2,63·10 -10 Сигма-гиперон ∑ + ∑ 0 ∑ - ∑ -+ ∑ -0 ∑ -- 2327,6 2333,6 2343,1 1 -1 0 -1 1 8·10 -11 5,8·10 -20 1,48·10 -10 Кси-гиперон Ξ 0 Ξ - Ξ -0 Ξ -- 2572,8 2585,6 0 -1 1 2,9·10 -10 1,64·10 -10 Омега-минус-гиперон Ω - Ω -- 3273 -1 1 8,2·10 -11 Группа барионы состоит из 18 частиц. Легкие барионы – протон и нейтрон образуют группу нуклоны. Тяжелые барионы – это гипероны.

Слайд 21

Античастицы Античастицы найдены у всех элементарных частиц (массы равны, заряды противоположны, закрутка спина по направлению движения – спиральность, противоположна). В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например у -мезона) При встрече частицы со своей античастицей происходит аннигиляция – обе частицы исчезают, превратившись в ЭМ излучение. Существует антивещество, у которого ядра атомов состоят из антипротона и антинейтрона, а оболочка из позитронов (в 1969г получен экспериментально антигелий).

Слайд 22

Элементарные частицы Лептоны Адроны Мезоны Барионы Нуклоны Гипероны Фотон Барионы и мезоны образуют большую группу адронов («сильные»). Адроны участвуют в сильных взаимодействиях. Адроны не являются истинно элементарными – они состоят из кварков.

Слайд 23

В 1964 г. американские физики-теоретики Джордж Цвейг и Мюррей Гелл-Манн выдвинули гипотезу о том, что адроны состоят из кварков («бесы»). В 1969 г. экспериментальное подтверждение кварковой структуры адронов пришло из Стэнфорда (в свободном состоянии кварки не обнаружены).

Слайд 24

Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы . Три «сорта» кварков были обозначены буквами u ( up – вверх), d ( down – вниз), s ( strange – странный). Все известные в то время адроны теоретически можно было построить из кварков трёх видов: u , d , s .

Слайд 26

Семейство 1 Частица Масса, МэВ Заряд Электрон 0,00054 – 1 Электронное нейтрино <10 -8 0 U - кварк 0,0047 + 2/3 D - кварк 0,0074 – 1/3 Семейство 2 Частица Масса, МэВ Заряд Мюон 0,11 – 1 Мюонное нейтрино 0,0003 0 C - кварк 1,6 + 2/3 S - кварк 0,16 – 1/3 Семейство 3 Частица Масса, МэВ Заряд Таон 1,9 – 1 Таонное нейтрино <0,033 0 T - кварк 189,0 + 2/3 B - кварк 5,2 – 1/3 Кварк-лептонная симметрия

Слайд 27

Барионы состоят из трех кварков: p= ( u ; u ; d ), n= ( u ; d ; d ) Мезоны состоят из кварка и антикварка: П + =( u ; d ) Кварковая структура адронов

Слайд 28

Непривычное свойство - дробные заряды Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков нейтрон u d d

Слайд 29

Непривычное свойство - дробные заряды Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков протон d u u +1

Слайд 30

Непривычное свойство - пленение кварков: Межкварковые силы в отличие от всех других сил в природе при увеличении расстояния возрастают. При удалении кварка из частицы потенциальная энергия достигает достаточно высокого уровня и за счет этой энергии произойдет рождение пары кварк-антикварк. Полученный кварк останется и восстановит частицу, а антикварк объединится с удаляемым кварком и произойдет рождение мезона. Кварки существуют только в сочетаниях по два или по три.

Слайд 31

х Вскоре после возникновения модели кварков было выдвинуто предположение, что кварки обладают ещё одним свойством (или качеством), которое получило название цвет . Различие между шестью кварками u , d , s , c , b , t стали называть аромат . Согласно существующим представлениям, каждый из ароматов кварка может иметь три цвета, обычно обозначаемых как КРАСНЫЙ ( R ), ЗЕЛЁНЫЙ (G) и СИНИЙ (B) . Непривычные свойства - цвет и аромат кварков

Слайд 32

Так как существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь 3 цвета, то полное число кварков равно 36. Антикварки имеют цвета дополнительные к кваркам: желтый, пурпурный и сине-зеленый.

Слайд 33

Барионы содержат три кварка – по одному каждого цвета. Мезоны состоят из пары кварк определенного цвета и антикварк дополнительного к нему цвета. Принцип бесцветности Принцип бесцветности : все адроны состоят из такой комбинации кварков, что должны быть бесцветными.

Слайд 34

Квантовая хромодинамика Цвет кварков непрерывно меняется. Кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом сильным взаимодействием посредством обмена частицами – глюонами («клей»). Непрерывный обмен глюонами приводит к тому, что кварки в адронах меняют свой цвет (но не аромат), оставляя адрон во все моменты времени бесцветным. Теория взаимодействия между кварками называется квантовой хромодинамикой .

Слайд 35

Глюоны Глюоны не имеют заряда и массы. Существует восемь глюонов, но их не возможно обнаружить в свободном состоянии. Глюоны взаимодействуют друг с другом и могут превратиться в пару в пару кварк-антикварк, т.е. виртуальный мезон, который осуществляет связь между протонами и нейтронами в ядре. Сильное взаимодействие глюонов друг с другом и кварками приводит к удержанию кварков внутри адрона.

Слайд 36

Слабое взаимодействие Слабое взаимодействие между кварками осуществляется за счет обмена промежуточными бозонами Этот обмен приводит к изменению аромата кварка, т.е. приводит к превращениям элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия осуществляющие взаимные превращения элементарных частиц друг в друга называются слабыми взаимодействиями.

Слайд 37

Фундаментальные взаимодействия Во Вселенной материя существует в виде вещества и поля. На фундаментальном уровне им соответствуют элементарные частицы – фермионы и бозоны Форма материи Вещество Поле Элементарные частицы Фермионы Бозоны

Слайд 38

Фундаментальные взаимодействия Все наблюдаемые взаимодействия в природе сводятся к четырем фундаментальным взаимодействиям: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Все элементарные частицы могут быть или участниками или переносчиками этих взаимодействий. Все фундаментальные взаимодействия происходят по одной схеме – обмен фермионов бозонами

Слайд 39

Классификация частиц по взаимодействию: Взаимо действие Сила в относительных единицах Частицы участницы (фермионы) Радиус действия, м Частицы переносчики (бозоны) Сильное 1 Нуклоны (кварки) 10 -15 Глюоны Электромаг нитное 1/137 Заряженные частицы (лептоны, кварки) ∞ Фотоны Слабое 10(-10) Лептоны, кварки 10 -18 Промежуточные бозоны Гравитацион ное 10 (-38) Все частицы ∞ Гравитоны?

Слайд 41

Резюмируя все выше изложенное, можно сделать вывод, что в современных теориях истинно элементарными частицами являются фотон, лептоны, кварки, глюоны, промежуточные бозоны .

Слайд 42

Теория Великого объединения (ТВО) – учеными разработана теория объединяющая сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия. Теория суперструн – в настоящее время физики работают над теорией, которая призвана объединить все четыре взаимодействия. Теория объединения