Урок Практическое занятие "Элементарные частицы

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

«ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ»

Цель: дать понятие элементарных частиц, классификацию и свойства

Теоретическая справка

Термин элементарная частица первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, –фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны– легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны– средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы– тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков– частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^–10–10^-24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^–23–10^–22 с называют резонансами. Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина. Спином называется собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуется спиновым квантовым числом s, которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином –бозоны, с полуцелым –фермионы. Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чисел n, m, l, s. Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числом n, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числе l определяют “под оболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия. Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: гравитационное, слабое,  электромагнитное и сильное (ядерное).

Частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.

Лептоны получили свое название от греческого слова leptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ^–, μ⁺), электроны (е^–, е⁺),электронные нейтрино (v_e^–,v_e⁺) и мюонные нейтрино (v^–_m,v⁺_m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежит р-мезоны, или пионы (π⁺, π^–, π⁰),К-мезоны, или каоны (К⁺, К^–, К⁰), и эта-мезоны (η).Масса К-мезонов составляет ~970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральных К-мезонов). Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 10^–8с. Они распадаются с образованием я-мезонов и лептонов или только лептонов. Масса эта-мезонов равна 549 МэВ (1074mе), время жизни – порядка 10^–19с.Эта-мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~ 10^–23–10^–22с.

Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которому участвуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Ход занятия

1.      Прочитать теоретическую справку

2.      Заполнить таблицу

№

Название класса

Характеристика класса

3.      Ответьте на вопросы

А) Какие частицы называются элементарными?

Б) Какими характеристиками обладают элементарные частицы?

В) Как делятся частицы, относительно массы покоя?

Г) Какие виды взаимодействия существуют между частицами?

Д) Что такое спин и чем гон характеризуется