ФИЗИКА, ГРУППА № 36, 12.10.2020 г.
Занятие № 15
Тема: Три этапа в развитии физики элементарных частиц.
Цель: элементарные частицы, этапы развития физики элементарных частиц.
План:
1. Что такое элементарные частицы.
2. Три этапа в развитии физики элементарных частиц.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии "Элементарные частицы" в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все наблюдаемые свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.
Этап первый. От электрона до позитрона: 1897—1932 гг. (Элементарные частицы — «атомы Демокрита» на более глубоком уровне).
|
| Когда греческий ученый Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными. |
| Но в конце XIX века ученые смогли открыть и доказать сложное строение атома. Как составная часть атома был выделен электрон. |
| В XX веке были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра. Изначально эти частицы считали абсолютно неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. |
Данное мнение просуществовало недолго.
Этап второй. От позитрона до кварков: 1932—1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга).
|
| Как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин. |
| Если вести речь о фотоне, электроне, протоне и нейтрино, то эти частицы могут сохранять свою неизменность, но для этого необходимо одно условие: каждая из них должна быть одна в целом мире. Но и это, невозможно. |
| Еще один случай на примере фотона. Продолжительность жизни фотона порядка всего 10-8 с. Столько времени достаточно для того, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой. |
| Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко. |
| В результате проведенных опытов были получены разные результаты, и ученые пришли к выводу, что все элементарные частицы имеют способность видоизменяться, превращаться друг в друга. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать. Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей. Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света. Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? |
| На рисунке ниже видно фотографию, сделанную во время столкновения ядра углерода с ядром атома серебра. При столкновении ядро углерода имело энергию порядка 60 млрд электрон Вольт. На рисунке ядро представлено жирной линией вверху. Хорошо видно, что ядро раскалывается на части, которые движутся в противоположных направлениях. Так же в момент столкновения образуются новые элементарные частицы. Эти частицы называются пионы. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом. |
По современным представлениям, элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Но неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.
Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру).
|
| В начале 60-х годов ученые поставили под сомнение тот факт, что все ранее изученные частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много. |
| В этот период была открыта группа так называемых «странных» частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных «очарованными». Были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10-22—10-23 с. |
В результате (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, — адроны — построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.
Кварки имеют дробный электрический заряд  и 
Была выдвинута и доказана теория о том, что частицы в ядре, протоны и нейтроны, состоят из трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены. Число различных кварков равно шести.
|
| В настоящее время рассматриваются как элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры, т.е. являются точечными или фундаментальными, лептоны. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона). |
| Кварки и лептоны — истинно элементарные частицы. |
Основная литература по теме урока:
1) Учебник «Физика 11» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, М. «Просвещение»
2) интернет ресурсы