Тема: "Елементарні частинки"
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Три етапи в розвитку фізики елементарних частинок
· Етап перший. Від електрона до позитрона: 1897—1932 pp. Елементарними ми вважаємо ті частинки, які із сучасної точки зору не складаються з більш простих.
Як помітив італійський фізик Енріко Фермі, поняття «елементарний» належить скоріше до рівня наших знань, ніж до природи частинок. Відповідно до того, як розвивалася наука, багато елементарних частинок переходили в розряд неелементарних.
· Етап другий. Від позитрона до кварків: 1932—1964 pp.
Всі елементарні частинки перетворюються одна в одну, і ці взаємні перетворення — головний факт їх існування.
· Етап третій. Від гіпотези про кварки (1964 р.) до наших днів. Більшість елементарних частинок має складну структуру.
1964 року М. Гелл-Манном і Дж. Цвейгом була запропонована модель, відповідно до якої всі частинки, що беруть участь у сильних (ядерних) взаємодіях, побудовані з більш фундаментальних частинок — кварків.
2. Адрони й фундаментальні частинки
Світ елементарних частинок виявився дуже складним і заплутаним. Але розібратися в ньому все-таки вдалося. І хоча остаточної теорії елементарних частинок, яка пояснює все розмаїття їхніх властивостей, ще не розроблено, багато чого вже з’ясувалося. Оскільки молекули, атоми і ядра можна піддати розщепленню, вони до елементарних частинок не належать. Сказане, однак, не означає, що елементарні частинки не можуть складатися з якихось інших, ще більш «дрібних» утворень. Крім того, більшість із них має саме складну будову. Але складові цих частинок утримують такі сили, які розірвати відповідні зв’язки, з огляду на сучасні уявлення, принципово неспроможні.
Відповідно до цього всі елементарні частинки діляться на два великих класи (див. рисунок): адрони (частинки, що мають складну будову) і фундаментальні (або істинно елементарні) частинки, які сьогодні належать до безструктурних і тому претендують на роль дійсно первинних елементів матерії.
Відмітною рисою всіх адронів є їхній склад й здатність до сильної взаємодії, чим, власне кажучи, і зумовлена їхня назва (грецьке слово «хадрос» означає «великий», «сильний»). Ніякі інші частинки в сильній взаємодії брати участь не можуть. Клас адронів найчисленніший (понад 300 частинок). Залежно від кваркового складу всі вони діляться на дві групи — баріони й мезони.
Істинно елементарними частинками на сьогодні уважають переносників фундаментальних взаємодій — лептони й кварки.
Ø Відповідно до квантової теорії поля, всі наявні в природі фундаментальні взаємодії (сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна) мають обмінний характер.
Це означає, що як елементарні акти кожної з перерахованих взаємодій виступають процеси, за яких частинки випускають і поглинають певні кванти. Ці кванти й називаються переносниками відповідних взаємодій. Обмінюючись ними, частинки взаємодіють одна з одною.
3. Відкриття позитрона
Англійський фізик П. Дирак 1928 року створив релятивістську теорію руху електрона. Із цієї теорії випливало, що електрон може мати негативний і позитивний заряд.
1932 року американський фізик К. Андерсон, фотографуючи сліди космічних частинок у камері Вільсона, виявив на одній із фотографій слід, що належить ніби електрону, але... із позитивним зарядом. Частинку, яка дала дивний слід, Андерсон назвав позитроном. 1933 року було відкрите явище утворення позитрона й електрона під час взаємодії γ-квантів з речовиною:
1934 р. було виявлено, що позитрони випускають деякі радіоактивні ядра (це пов’язане з перетворенням ядерного протона в нейтрон):
Наприклад, радіоактивне ядро ізотопу Фосфору розпадається на ядро Силіцію, позитрон і нейтрино:
4. Анігіляція
П. Дирак передбачав, що під час зустрічі позитрона з електроном має відбутися зворотний процес: перетворення цих частинок у два фотони. Незабаром після експериментального виявлення позитрона такий зворотний процес було встановлено. Це процес дістав назву анігіляції.
Важливо звернути увагу учнів на те, що електрон і позитрон, які мають масу спокою, перетворюються у два фотони, які маси спокою не мають. Із цього випливає, що:
Ø на рівні елементарних частинок зникає відмінність між речовиною й полем.
Анігіляція є причиною відсутності на Землі позитронів: позитрон відразу ж після своєї появи зустрічається з електроном, і обидва вони перетворюються у два фотони.
5. Античастинки й антиречовина
Свого часу відкриття народження й анігіляції електронно-позитронних пар було справді сенсацією в науці. Згодом двійники — античастинки — були знайдені у всіх частинок.
1931 року В. Паули передбачив, а 1955 року експериментально зареєстрували нейтрино n і антинейтрино 
. Нейтрино з’являється в ході розпаду 10n. 1955 року було експериментально отримано антипротон під час зіткнення швидких протонів з ядром Купруму. 1956 року відкрито антинейтрон у реакції 
Тобто зіткнення протона й антипротона призводить до появи нейтрона й антинейтрона.
Античастинки можуть відрізнятися від частинок знаком електричного заряду, напрямком магнітного моменту або іншою характеристикою. Але основна особливість їх така:
Ø зустріч античастинки із частинкою завжди призводить до їх взаємної анігіляції.
Атоми, ядра яких складаються з антинуклонів, а оболонка — з позитронів, утворюють антиречовину. 1969 року вперше було отримано антигелій.
Під час анігіляції антиречовини з речовиною енергія спокою перетворюється в кінетичну енергію гамма-квантів, що утворюються.
Енергія спокою — найграндіозніший і концентрований резервуар енергії у Всесвіті. І тільки під час анігіляції вона повністю вивільнюється, перетворюючись в інші види енергії. Тому антиречовина — найдосконаліше джерело енергії, найкалорійніше «пальне». Чи спроможне буде людство коли-небудь це «пальне» використати, складно зараз сказати.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Які частинки називаються елементарними?
2. Назвіть частинки, які в цей час уважаються істинно елементарними.
3. Чим пояснюються дуже рідкісні випадки спостереження позитрона?
4. Які античастинки ви знаєте?
5. Що розуміють під антиречовиною?
Другий рівень
1. Що таке фундаментальні частинки?
2. Які види фундаментальних взаємодій ви знаєте? Які з них найбільш сильні? найбільш слабкі?
3. Які основні властивості кварків?
4. Чи існують кварки у вільному стані?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Якісні питання
1. Чому вільний нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино, а вільний протон не може розпастися на нейтрон, позитрон і нейтрино?
Розв'язання
Другий вид розпаду заборонений законом збереження енергії. Маса спокою протона, а отже, і енергія спокою менша від маси й енергії спокою нейтрона.
2. Яка взаємодія характеризує процеси, що відбуваються з лептонами? Наведіть приклади таких процесів.
3. Чи може один γ-квант у вакуумі перетворитися в парі електрон-позитрон?
2). Навчаємося розв'язувати задачі
1. Під час анігіляції повільно рухомих електрона й позитрона утворилися два γ-кванти. Під яким кутом один від одного вони розлетілися? Яка частота γ-квантів, що виникають під час зазначених умов?
Розв'язання
Можна вважати, що сума імпульсів частинок, які рухаються уповільнено, дорівнює нулю, тому векторна сума імпульсів обох фотонів також повинна дорівнювати нулю. Отже, гамма-кванти розлітаються під кутом 180°. Частоту γ-кванта знаходимо із закону збереження енергії:
Звідси:
2. Під час анігіляції повільно рухомих електрона і позитрона утворилося два γ-кванти. Під яким кутом один до одного вони розлетяться?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
· Елементарними ми вважаємо ті частинки, які із сучасної точки зору не складаються з більш простих.
· На рівні елементарних частинок зникає відмінність між речовиною й полем.
· Зустріч античастинки із частинкою завжди призводить до їх взаємної анігіляції.
Домашнє завдання активне
Завдання необхідно виконати до 13 листопада 20:00
Повідомте учням
Код доступу 3980686
Попросіть учнів використати цей код,
відкривши посилання
join.naurok.ua
https://naurok.com.ua/test/join?gamecode=398068
Онлайн тест на тему "Елементарні частинки "