|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Три этапа в развитии физики элементарных частиц · Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 pp. Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых. Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. Согласно тому, как развивалась наука, много элементарных частиц переходили в разряд неелементарних. · Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования. · Третий этап. От гипотезы о кварки (1964 г.) до наших дней. Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру. в 1964 году М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков. 2. Адроны и фундаментальные частицы Мир элементарных частиц оказался очень сложным и запутанным. Но разобраться в нем все-таки удалось. И хотя окончательной теории элементарных частиц, которая объясняет все разнообразие их свойств, еще не разработан, много чего уже выяснилось. Поскольку молекулы, атомы и ядра можно подвергнуть расщеплению, они до элементарных частиц не принадлежат. Сказанное, однако, не означает, что элементарные частицы не могут состоять из каких-то других, еще более «мелких» образований. Кроме того, большинство из них имеет самое сложное строение. Но составляющие этих частиц удерживают такие силы, которые разорвать соответствующие связи, учитывая современные представления, принципиально несостоятельны. Соответственно до этого все элементарные частицы делятся на два больших класса (см. рисунок): адроны (частицы, имеющие сложное строение) и фундаментальные (или истинно элементарные) частицы, которые сегодня относятся к безструктурних и поэтому претендуют на роль действительно первичных элементов материи.
Отличительной чертой всех адронов является их состав и способность к сильной взаимодействия, чем, собственно говоря, и обусловлено их название (греческое слово «хадрос» означает «большой», «сильный»). Никакие другие частицы в сильном взаимодействии участвовать не могут. Класс адронов самый многочисленный (более 300 частиц). В зависимости от кваркового состава все они делятся на две группы - барионы и мезоны. Истинно элементарными частицами на сегодня считают переносчиков фундаментальных взаимодействий - лептоны и кварки. Ø Согласно квантовой теории поля, все имеющиеся в природе фундаментальные взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) имеют обменный характер. Это означает, что как элементарные акты каждой из перечисленных взаимодействий выступают процессы, при которых частицы испускают и поглощают определенные кванты. Эти кванты и называются переносчиками соответствующих взаимодействий. Обмениваясь ими, частицы взаимодействуют друг с другом. Английский физик П. Дирак в 1928 году создал релятивистскую теорию движения электрона. Из этой теории следовало, что электрон может иметь отрицательный и положительный заряд. в 1932 году американский физик К. Андерсон, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона, обнаружил на одной из фотографий следует, что будто принадлежит электрону, но... с положительным зарядом. Частичку, которая дала странный след, Андерсон назвал позитроном. в 1933 году было открыто явление образования позитрона и электрона при взаимодействии γ-квантов с веществом:
1934 г. было обнаружено, что позитроны выпускают некоторые радиоактивные ядра (это связано с преобразованием ядерного протона в нейтрон):
Например, радиоактивное ядро изотопа Фосфора распадается на ядро Кремния, позитрон и нейтрино:
П. Дирак предполагал, что при встрече позитрона с электроном должно произойти обратный процесс: превращение этих частиц в два фотона. Вскоре после экспериментального обнаружения позитрона такой обратный процесс было установлено. Это процесс получил название аннигиляции. Важно обратить внимание учащихся на то, что электрон и позитрон, которые имеют массу покоя, превращаются в два фотона, массы покоя не имеют. Из этого следует, что: Ø на уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем. Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов: позитрон сразу же после своего появления встречается с электроном, и оба они превращаются в два фотона. 5. Античастинки и антивещество В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар было действительно сенсацией в науке. Впоследствии двойники - античастинки - были найдены во всех частиц. 1931 года В. Паулы предусмотрел, а в 1955 году экспериментально зарегистрировали нейтрино n и антинейтрино Т.е. столкновение протона и антипротона приводит к появлению нейтрона и антинейтрона. Античастинки могут отличаться от частиц знаком электрического заряда, направлением магнитного момента или иной характеристикой. Но основная особенность их такова: Ø встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонів, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. в 1969 году впервые было получено антигелій. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию гамма-квантов, образующихся. Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только во время аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самое совершенное источник энергии, самое калорийное «топливо». Ли способно будет человечество когда-нибудь это «горючее» использовать, сложно сейчас сказать. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА Первый уровень 1. Какие частицы называются элементарными? 2. Назовите частицы, которые в настоящее время считаются истинно элементарными. 3. Чем объясняются очень редкие случаи наблюдения позитрона? 4. Которые античастинки вы знаете? 5. Что понимают под антивеществом? Второй уровень 1. Что такое фундаментальные частицы? 2. Какие виды фундаментальных взаимодействий вы знаете? Какие из них самые сильные? наиболее слабые? 3. Какие основные свойства кварков? 4. Существуют ли кварки в свободном состоянии?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1). Качественные вопросы 1. Почему свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а свободный протон не может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино? Решение Второй вид распада запрещен законом сохранения энергии. Масса покоя протона, а следовательно, и энергия покоя меньше массы и энергии покоя нейтрона. 2. Взаимодействие характеризует процессы, происходящие с лептонами? Приведите примеры таких процессов. 3. Может ли один γ-квант в вакууме превратиться в пару электрон-позитрон? 2). Учимся решать задачи 1. При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два γ-кванты. Под каким углом друг от друга они разлетелись? Какая частота γ-квантов, возникающих при указанных условиях? Решение Можно считать, что сумма импульсов частиц, которые движутся замедленно, равна нулю, поэтому векторная сумма импульсов обоих фотонов также должна равняться нулю. Следовательно, гамма-кванты разлетаются под углом 180°. Частоту γ-кванта находим из закона сохранения энергии:
Отсюда:
2. При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два γ-кванты. Под каким углом друг к другу они разлетятся?
· Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых. · На уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем. · Встреча античастинки с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции. Домашнее задание 1. Подр.: § 33. Рів1 № 18.3; 18.4; 18.6; 18.10. Рів2 № 18.11; 18.13; 18.14; 18.15. Рів3 № 18.16, 18.17; 18.18; 18.19.
|
|
. Нейтрино появляется в ходе распада 
