Náčrt problematiky elementárnych častíc. Metodický vývoj lekcie „Tri etapy vývoja fyziky elementárnych častíc“

ATÓMOVÁ A JADROVÁ FYZIKA

LEKCIA 11/60

Predmet. Elementárne častice

Účel lekcie: poskytnúť pojem elementárnych častíc a ich vlastností.

Typ lekcie: kombinovaná lekcia.

PLÁN LEKCIE

UČENIE NOVÉHO MATERIÁLU

· Prvá fáza. Od elektrónu k pozitrónu: 1897-1932 s. Za elementárne považujeme tie častice, ktoré z moderného hľadiska nepozostávajú z jednoduchších.

Ako poznamenal taliansky fyzik Enrico Fermi, výraz „elementárny“ sa vzťahuje skôr na úroveň našich vedomostí než na povahu častíc. Podľa spôsobu vývoja vedy sa mnohé elementárne častice stali neelementárnymi.

· Druhá fáza. Od pozitrónu ku kvarkom: 1932-1964.

Všetky elementárne častice sa navzájom premieňajú a tieto vzájomné premeny sú hlavným faktom ich existencie.

· Tretia etapa. Od hypotézy kvarku (1964) po súčasnosť. Väčšina elementárnych častíc má zložitú štruktúru.

v roku 1964 M. Gell-Mann a J. Zweig navrhli model, podľa ktorého sú všetky častice zúčastňujúce sa silných (jadrových) interakcií postavené z fundamentálnejších častíc – kvarkov.

Svet elementárnych častíc sa ukázal ako veľmi zložitý a neprehľadný. Ale aj tak sme na to prišli. A hoci konečná teória elementárnych častíc, ktorá vysvetľuje všetku rozmanitosť ich vlastností, ešte nebola vypracovaná, veľa vecí sa už objasnilo. Keďže molekuly, atómy a jadrá sa dajú rozdeliť, nepatria medzi elementárne častice. To, čo bolo povedané, však neznamená, že elementárne častice nemôžu pozostávať z nejakých iných, dokonca „menších“ útvarov. Väčšina z nich má navyše najkomplexnejšiu štruktúru. Zložky týchto častíc sú však držané takými silami, že pri zohľadnení moderných myšlienok je prerušenie zodpovedajúcich spojení v zásade neudržateľné.

V súlade s tým sú všetky elementárne častice rozdelené do dvoch veľkých tried (pozri obrázok): hadróny (častice so zložitou štruktúrou) a základné (alebo skutočne elementárne) častice, ktoré sú dnes klasifikované ako bezštruktúrne, a preto tvrdia, že sú skutočne primárne. prvky hmoty.

Charakteristickým znakom všetkých hadrónov je ich zloženie a schopnosť silnej interakcie, čo v skutočnosti vysvetľuje ich názov (grécke slovo „hadros“ znamená „veľký“, „silný“). Žiadne iné častice sa nemôžu zúčastniť silnej interakcie. Trieda hadrónov je najpočetnejšia (viac ako 300 častíc). Podľa zloženia kvarkov sa všetky delia na dve skupiny – baryóny a mezóny.

Za nositeľov fundamentálnych interakcií sa dnes považujú skutočné elementárne častice – leptóny a kvarky.

Ø Podľa kvantovej teórie poľa sú všetky základné interakcie vyskytujúce sa v prírode (silné, elektromagnetické, slabé a gravitačné) výmenného charakteru.

To znamená, že elementárne akty každej z uvedených interakcií sú procesy, pri ktorých častice emitujú a absorbujú určité kvantá. Tieto kvantá sa nazývajú nosiče zodpovedajúcich interakcií. Ich výmenou častice na seba vzájomne pôsobia.

Anglický fyzik P. Dirac v roku 1928 vytvoril relativistickú teóriu pohybu elektrónov. Z tejto teórie vyplýva, že elektrón môže mať záporný a kladný náboj.

v roku 1932 americký fyzik K. Anderson pri fotografovaní stôp kozmických častíc v oblačnej komore na jednej z fotografií zistil, že zrejme patria elektrónu, ale... s kladným nábojom. Anderson nazval časticu, ktorá dala podivnú stopu, pozitrón. v roku 1933 bol objavený fenomén vzniku pozitrónu a elektrónu počas interakcie γ kvanta s hmotou:

1934 sa zistilo, že pozitróny uvoľňujú niektoré rádioaktívne jadrá (je to spôsobené premenou jadrového protónu na neutrón):

Napríklad rádioaktívne jadro izotopu fosforu sa rozpadá na jadro kremíka, pozitrón a neutríno:

P. Dirac predpokladal, že pri stretnutí pozitrónu s elektrónom by mal nastať opačný proces: premena týchto častíc na dva fotóny. Čoskoro po experimentálnom objave pozitrónu bol zavedený takýto reverzný proces. Tento proces sa nazýva anihilácia.

Je dôležité upozorniť študentov na skutočnosť, že elektrón a pozitrón, ktoré majú pokojovú hmotnosť, sa menia na dva fotóny, ktoré nemajú pokojovú hmotnosť. Z toho vyplýva, že:

Ø Na úrovni elementárnych častíc sa stráca rozdiel medzi hmotou a poľom.

Anihilácia je dôvodom neprítomnosti pozitrónov na Zemi: pozitrón sa ihneď po svojom objavení stretne s elektrónom a oba sa premenia na dva fotóny.

Kedysi bol objav zrodu a zničenia párov elektrón-pozitrón skutočne senzáciou vo vede. Následne sa vo všetkých časticiach našli dvojčatá – antičastice.

1931 V. Paula predvídal a v roku 1955 bolo experimentálne zistené n neutríno a antineutríno. Neutrína vznikajú pri rozpade 1 0 n. v roku 1955 bol experimentálne získaný antiprotón pri zrážke rýchlych protónov s jadrom Kuprumu. v roku 1956 bol v reakcii objavený antineutrón

Tie. Pri zrážke protónu a antiprotónu vzniká neutrón a antineutrón.

Antičastice sa môžu od častíc líšiť znakom elektrického náboja, smerom magnetického momentu alebo inou charakteristikou. Ale ich hlavnou črtou je toto:

Ø Stretnutie antičastice s časticou vedie vždy k ich vzájomnej anihilácii.

Atómy, ktorých jadrá pozostávajú z antinukleónov a obal z pozitrónov, tvoria antihmotu. V roku 1969 sa prvýkrát podarilo získať antihélium.

Počas anihilácie antihmoty s hmotou sa zvyšok energie premení na kinetickú energiu vytvorených gama kvánt.

Kľudová energia je najväčšou a najkoncentrovanejšou zásobárňou energie vo vesmíre. A až počas anihilácie sa úplne uvoľní a zmení sa na iné druhy energie. Preto je antihmota najdokonalejším zdrojom energie, najkalorickejším „palivom“. Je ťažké teraz povedať, či ľudstvo niekedy bude môcť použiť toto „palivo“.

OTÁZKY PRE ŠTUDENTOV POČAS PREZENTÁCIE NOVÉHO MATERIÁLU

Prvá úroveň

1. Aké častice sa nazývajú elementárne?

2. Vymenujte častice, ktoré sa v súčasnosti považujú za skutočne elementárne.

3. Čo vysvetľuje veľmi zriedkavé prípady pozorovania pozitrónov?

4. Ktoré antičastice poznáte?

5. Čo znamená antihmota?

Druhá úroveň

1. Čo sú základné častice?

2. Aké typy základných interakcií poznáte? Ktoré sú najsilnejšie? najslabší?

3. Aké sú hlavné vlastnosti kvarkov?

4. Existujú kvarky vo voľnom stave?

KONŠTRUKCIA NAUČENÉHO MATERIÁLU

· Za elementárne považujeme tie častice, ktoré z moderného pohľadu nepozostávajú z jednoduchších.

· Na úrovni elementárnych častíc zaniká rozdiel medzi hmotou a poľom.

· Stretnutie antičastice s časticou vedie vždy k ich vzájomnej anihilácii.

Domáca úloha

Riv1 č. 18,3; 18,4; 18,6; 18.10.

Riv2 č. 18,11; 18,13; 18,14; 18.15.

Riv3 č. 18,16, 18,17; 18,18; 18.19.

Späť dopredu

Pozor! Ukážky snímok slúžia len na informačné účely a nemusia predstavovať všetky funkcie prezentácie. Ak vás táto práca zaujala, stiahnite si plnú verziu.

Lekcia prebieha v 11. ročníku a je určená na 2 akademické hodiny a je rozdelená do niekoľkých blokov:

• charakteristiky opisujúce stav elektrónu v atóme;

Každý z týchto blokov možno posudzovať jednotlivo aj spoločne. Blok „Etapy vývoja fyziky elementárnych častíc“ (snímky 1-5) je teda možné zvážiť v 9. ročníku pri štúdiu príslušnej témy na úvodnej úrovni. Aj v 9. ročníku môžete pri organizovaní práce žiakov s učebnicou využiť blok „Metódy registrácie elementárnych častíc“ (snímky 29-31). Blok „Typy interakcií a ich vlastnosti“ (snímky 11-15) je možné využiť na prvých hodinách 10. ročníka.

Pred štúdiom témy v 11. ročníku (týždeň) majú študenti za úlohu pripraviť správy v nasledujúcich oblastiach:

• etapy vývoja fyziky elementárnych častíc;
• typy interakcií a ich vlastnosti;
• metódy záznamu elementárnych častíc.

Tieto témy už študovali skôr (9. – 10. ročník), takže príprava nezaberie veľa času a zvyčajne nevyvoláva otázky. Počas vyučovania si študenti robia poznámky do svojich pracovných zošitov na základe správ a prezentačných snímok. Blok „Charakteristiky popisujúce stav elektrónu v atómoch“ je diskutovaný formou prednášky. V priebehu prednášky si študenti zapisujú iba názvy charakteristík.

Použité knihy:

1. Elementárna učebnica fyziky, vyd. akad. G.S. Landsberg. Zväzok 3. M.: „Veda“, 1975
2. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Kurz fyziky. Zväzok 3. M.: „Vyššia škola“, 1971
3. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf Fyzika: Pre študentov stredných škôl a pre študentov vysokých škôl. M.: "Drop", 2000
4. Váš učiteľ. fyzika. Interaktívne prednášky. Disk 1. Multimediálne technológie a diaľkové vzdelávanie LLC, 2003
5. L.Ya. Borevského Kurz fyziky pre 21. storočie. M.: „MediaHouse“, 2003

Téma lekcie:"Elementárne častice a ich vlastnosti"

Účel lekcie:

• Vzdelávacie: získajte študentov, ktorí si osvojili nasledujúce vedomosti:

  • v mikrokozme sa rozlišujú tri úrovne, líšiace sa charakteristickými mierkami a energiami (molekulárno-atómová, jadrová, úroveň elementárnych častíc);
  • v prírode je asi 400 rôznych elementárnych častíc (spolu s antičasticami);
  • Existujú 4 typy základných interakcií (silné, elektromagnetické, slabé, gravitačné)
  • silná interakcia je charakteristická pre ťažké častice; v elektromagnetickom sú priamo zapojené iba elektricky nabité častice; slabá interakcia je charakteristická pre všetky častice okrem fotónov; gravitačná interakcia je vlastná všetkým telesám vesmíru a prejavuje sa vo forme síl univerzálnej gravitácie;
  • základné interakcie sa líšia intenzitou, rozsahom pôsobenia, charakteristickými časmi, ako aj ich prirodzenými zákonmi ochrany;
  • všetky elementárne častice sa delia na leptóny (základné) a hadróny (kompozitné);
  • hadróny sa delia na mezóny a baryóny;
• Vývojový: získajte študentov, ktorí sa naučili tieto aktivity:
  • rozpoznať rôzne typy základných interakcií podľa ich charakteristík;
  • vykonávať klasifikáciu elementárnych častíc;
  • zapísať reakcie premien elementárnych častíc s prihliadnutím na zákony zachovania;
  • opísať konštrukciu a princíp činnosti prístrojov na záznam elementárnych častíc;
• Vzdelávacie: presvedčte študentov, že:
  • všetky elementárne častice sa navzájom premieňajú a tieto vzájomné premeny sú hlavným faktom ich existencie;
  • identifikácia všeobecného (výmenného) mechanizmu všetkých základných interakcií dáva nádej na možnosť konštrukcie jednotnej teórie, ktorá vysvetľuje obraz sveta;
  • základné zložky hmoty sú: 6 typov kvarkov a 6 leptónov, medzi ktorými dochádza k interakcii v dôsledku výmeny zodpovedajúcich nosičov interakcie (fotón, 8 gluónov, 3 intermediárne bozóny a gravitón)

Typ lekcie: kombinované.

Vybavenie: mediálny projektor, plátno, počítač, tabuľka „Metódy registrácie častíc“, tabuľka „Základné interakcie“, letáky ( Príloha 1 , Dodatok 2 )

Plán lekcie:

I. Aktivizácia vedomostí

Úvodná reč učiteľa o potrebe porozumieť vedeckému obrazu sveta.

II. Získavanie vedomostí

1) Odkaz študenta „Etapy vývoja časticovej fyziky“ (snímky 1-5)
2) Prednáška „Stav elektrónu v atóme“ (snímky 6-10)
3) Správa „Typy interakcií“ (Snímky 11 – 15)
4) Prednáška „Charakteristika elementárnych častíc“ (Snímky 16-28)
5) Odkaz študenta „Metódy zaznamenávania elementárnych častíc“ (Snímky 29 – 31)

3) Vysvetlite možnosť prezentovaných reakcií z pohľadu zákonov zachovania náboja (reakcie vyberá podľa uváženia učiteľa). Použiť údaje tabuľky ( Príloha 1 )

4) Pomocou zákona zachovania náboja, tabuľka 2 ( Príloha 1 ) A Dodatok 2 , vysvetlite kvarkové zloženie niektorých hadrónov (podľa uváženia učiteľa)

IV. Kontrola vedomostí

Cvičenie 1.

Na základe navrhnutých vlastností určite, do akého typu patria prezentované interakcie.

Typ interakcie	Intenzita	Charakteristický čas, s
	1/137	~10-20
	~1	~ 10-23
	~ 10-38	?
	~ 10-10	~

Úloha 2.

Nositelia typu interakcie sú:

• Gluóny
• Medziľahlé bozóny
• Fotóny
• Gravitóny

Úloha 3.

Aký je rozsah každej interakcie?

V. Domáca úloha

§§ 115, 116, zhrnutie 14. hlavy

Svet elementárnych častíc

Lekcia v 11. ročníku

Účel lekcie:

Vzdelávacie:

Oboznámiť študentov so štruktúrou elementárnych častíc, s vlastnosťami síl a interakcií vo vnútri jadra; naučiť sa zhrnúť a analyzovať získané poznatky, správne vyjadrovať svoje myšlienky; podporovať rozvoj myslenia, schopnosť štruktúrovať informácie; pestovať emocionálne a hodnotové postoje k svetu

Vzdelávacie:

Pokračujte v rozvoji myslenia, schopnosti analyzovať, porovnávať a vyvodzovať logické závery.

Rozvíjať zvedavosť, schopnosť aplikovať vedomosti a skúsenosti v rôznych situáciách.

Vzdelávacie:

Rozvoj intelektuálnych schopností tímovej práce; výchova základov mravného sebauvedomenia (myšlienka: zodpovednosť vedca, objaviteľa za plody svojich objavov);

Prebudiť u študentov záujem o populárno-náučnú literatúru a o štúdium predpokladov na objavovanie konkrétnych javov.

Účel lekcie:

Vytvárať podmienky na rozvoj intelektových a komunikatívnych kompetencií, v ktorých bude žiak schopný:

Vymenujte hlavné typy elementárnych častíc;

Pochopte nejednoznačnosť moderného štandardného modelu sveta;

Formulujte svoje predstavy o histórii vývoja elementárnych častíc;

Analyzovať úlohu rozvoja elementárnej fyziky;

Klasifikovať elementárne častice podľa ich zloženia;

Zamyslite sa nad potrebou mať vlastnú pozíciu, byť tolerantný k inému pohľadu;

Ukážte bezkonfliktnú komunikáciu pri práci v skupine.

Typ lekcie: učenie sa nového materiálu.

Formát lekcie: kombinovaná lekcia.

Metódy lekcie: verbálne, vizuálne, praktické.

Vybavenie: počítačová prezentácia, multimediálny projektor, žiacky zošit, osobný počítač.

Kroky lekcie	Čas, min.	Metódy a techniky
1.Organizačný úvod. Vyhlásenie o výchovnom probléme.		Zaznamenajte si tému lekcie. Príbeh učiteľa.
2. Aktualizácia vedomostí (prezentácia študentov)		Príbeh študenta o existujúcich vedomostiach, predpokladoch na učenie sa nových vecí.
3. Učenie sa nového materiálu (prezentácia učiteľa)		Príbeh učiteľa pomocou diapozitívov. Pozorovanie. Konverzácia. Príbeh študenta pomocou diapozitívov.
4. Precvičovanie preberanej látky. Konsolidácia.		Konsolidácia podľa sprievodných poznámok a prácu s učebnicou. Odpovede na bezpečnostné otázky.
5. Zhrnutie. Domáca úloha		Identifikácia hlavnej veci učiteľom a študentmi.

Počas vyučovania

Organizačný moment vyučovacej hodiny(pozdrav, kontrola pripravenosti študentov na hodinu)

Dnes sa v lekcii pozrieme na rôzne pohľady na štruktúru sveta, z akých častíc pozostáva všetko, čo nás obklopuje. Lekcia bude prebiehať ako prednáška a väčšinou si vyžaduje vašu pozornosť.

Na začiatku lekcie vám chcem dať do pozornosti históriu vzniku doktríny častíc.

2. Aktualizácia vedomostí (Prezentácia Aleksakhiny V. „História vývoja vedomostí o časticiach“)

Snímka 2. Staroveký atomizmus- to sú predstavy o štruktúre sveta starovekých vedcov. Atómy boli podľa Demokrita večné, nemenné, nedeliteľné, častice líšiace sa tvarom a veľkosťou, ktoré, keď sa spojili a oddelili, vytvorili rôzne telesá.

Snímka 3. Vďaka objavu vedcov Diraca, Galilea a Newtona princípu relativity, zákonov dynamiky, zákonov zachovania, zákona univerzálnej gravitácie prešiel atomizmus staroveku v 17. storočí významnými zmenami a udomácnil sa vo vede. mechanický obraz sveta, ktorá bola založená na gravitačnej interakcii – podliehajú jej všetky telesá a častice bez ohľadu na náboj.

Snímka 4. Poznatky nahromadené pri štúdiu elektrických, magnetických a optických javov viedli k potrebe dopĺňať a rozvíjať obraz sveta. Takto v 19. storočí a až do začiatku 20. storočia elektrodynamický obraz sveta. Uvažovalo sa už o dvoch typoch interakcie – gravitačnej a elektromagnetickej. Ale nedokázali vysvetliť iba tepelné žiarenie, stabilitu atómu, rádioaktivitu, fotoelektrický efekt a čiarové spektrum.

Snímka 5. Na začiatku 20. storočia sa objavila myšlienka kvantovania energie, ktorú podporovali Planck, Einstein, Bohr, Stoletov, ako aj vlnovo-časticový dualizmus Louisa de Broglieho. Tieto objavy znamenali vznik kvantový obraz sveta, v ktorom sa pridala aj silná interakcia. Začal sa aktívny rozvoj fyziky elementárnych častíc.

3. Učenie sa nového materiálu

Až do tridsiatych rokov 20. storočia bola štruktúra sveta vedcom predstavovaná v tej najjednoduchšej podobe. Verili, že „kompletný súbor“ častíc, ktoré tvoria všetku hmotu, sú protón, neutrón a elektrón. Preto sa im hovorilo elementárne. Medzi tieto častice patrí aj fotón, nosič elektromagnetických interakcií.

Snímka 6.Moderný štandardný svetový model:

Hmota sa skladá z kvarkov, leptónov a častíc – nosičov interakcie.

Pre všetky elementárne častice existuje možnosť detekcie antičastíc.

Dualita vlny a častíc. Princípy neistoty a kvantovania.

Silné, elektromagnetické a slabé interakcie sú opísané veľkými zjednotenými teóriami. Nezjednotená gravitácia zostáva.

Snímka 7. Jadro atómu tvoria hadróny, ktoré sa skladajú z kvarkov. Hadróny sú častice, ktoré sa zúčastňujú silných interakcií.

Klasifikácia hadrónov: Mezóny pozostávajú z jedného kvarku a jedného antikvarku Baryóny sa skladajú z troch kvarkov - nukleónov (protóny a neutróny) a

hyperóny.

Snímka 8. Kvarky sú základné častice, ktoré tvoria hadróny. V súčasnosti je známych 6 rôznych odrôd (častejšie nazývaných príchute) kvarkov. Kvarky udržujú silnú interakciu a podieľajú sa na silných, slabých a elektromagnetických interakciách. Navzájom si vymieňajú gluóny, častice s nulovou hmotnosťou a nulovým nábojom. Pre všetky kvarky existujú antikvarky . Nemožno ich pozorovať vo voľnej forme. Majú zlomkový elektrický náboj: +2/3е - nazývané U-kvarky (hore) a -1/3е - d-kvark (dole).

Kvarkové zloženie elektrónu je uud, kvarkové zloženie protónu je udd.

Snímka 9.Častice, ktoré nie sú súčasťou jadra, sú leptóny. Leptóny sú základné častice, ktoré sa nezúčastňujú na silných interakciách. Dnes je známych 6 leptónov a 6 ich antičastíc.

Všetky častice majú anticysty. Leptóny a ich antičastice: elektrón a pozitrón s nimi, elektrónové neutríno a antineutríno. Mión a antimión s nimi miónové neutríno a antineutríno. Taon a antitaon - taon neutrino a antineutrino.

Snímka 10. Všetky interakcie v prírode sú prejavmi štyroch typov zásadné interakcie medzi základnými časticami - leptónmi a kvarkami.

Silná interakcia Kvarky sú náchylné a ich nosičmi sú gluóny. Spája ich dohromady a vytvárajú protóny, neutróny a iné častice. Nepriamo ovplyvňuje väzbu protónov v atómových jadrách.

Elektromagnetická interakcia nabité častice sú citlivé. V tomto prípade sa pod vplyvom elektromagnetických síl samotné častice nemenia, ale iba získavajú vlastnosť odpudzovania v prípade nábojov s rovnakým názvom.

Slabá interakcia Citlivé sú kvarky a leptóny. Najznámejším efektom slabej interakcie je premena kvarku down na kvark up, čo následne spôsobí rozpad neutrónu na protón, elektrón a antineutríno.

Jedným z najvýznamnejších typov slabej interakcie je Higgsova interakcia. Podľa predpokladov vypĺňa Higgsovo pole (sivé pozadie) celý priestor kvapalinou, čím sa obmedzuje rozsah slabých interakcií. Higgsov bozón tiež interaguje s kvarkami a leptónmi, čím zabezpečuje existenciu ich hmoty.

Gravitačná interakcia. Je to najslabšie známe. Zúčastňujú sa na ňom všetky častice a nosiče všetkých typov interakcií bez výnimky. Uskutočňuje sa vďaka výmene gravitónov - jediných častíc, ktoré ešte neboli experimentálne objavené. Gravitačná interakcia je vždy lákadlom.

Snímka 11. Mnohí fyzici dúfajú, že tak ako sa im podarilo spojiť elektromagnetické a slabé interakcie do elektroslabých, budú nakoniec schopní vybudovať teóriu, ktorá zjednotí všetky známe typy interakcií, nazývanú „Veľké zjednotenie“.

4 . Upevnenie vedomostí.

Primárna konsolidácia(Prezentácia Gordienka Zh. „Veľký hadrónový urýchľovač“. Moderní vedci sa snažia zlepšiť proces štúdia častíc, aby dosiahli nové objavy pre vedecký a technologický pokrok. Na tento účel sa budujú grandiózne výskumné centrá a urýchľovače. Jedným z takouto grandióznou budovou je Veľký hadrónový urýchľovač.

Záverečná konsolidácia(práca v skupinách: odpovede na otázky z učebnice)

Ste rozdelení do dvoch skupín: 1. riadok a 2. riadok. Máte úlohu na papierikoch: musíte odpovedať na otázky a odpovede nájdete v učebnici v odseku 28 (s. 196 – 198).

Úlohy prvej skupiny:

Koľko základných častíc je celkovo? (48)

Kvarkové zloženie elektrónu? (uud)

Uveďte dve najsilnejšie sily (silné a elektromagnetické)

Celkový počet gluónov? (8)

Úlohy druhej skupiny:

Koľko častíc je v srdci vesmíru? (61)

Kvarkové zloženie protónu? (udd)

Uveďte dve najslabšie sily (slabú a gravitačnú)

Aké častice vykonávajú elektromagnetickú interakciu? (fotón)

Vyjadrené vedúcimi skupín odpovedí na otázky a výmena kariet.

Zhrnutie lekcie.

Oboznámili ste sa s niektorými aspektmi vývoja modernej fyziky a teraz máte základné pochopenie toho, akým smerom sa naša veda vyvíja a prečo ju potrebujeme.

6. Domáce úlohy. Odsek 28.

Úlohy prvej skupiny:

1. Koľko základných častíc je celkovo? _______________

2. Kvarkové zloženie elektrónu? ____________

3. Uveďte dve najsilnejšie interakcie ______

4. Celkový počet gluónov? _______

___________________________________________________________________

Úlohy druhej skupiny:

1. Koľko častíc je základom vesmíru? ________

2. Kvarkové zloženie protónu? ___________

___________________________________________________________________

Úlohy prvej skupiny:

1. Koľko základných častíc je celkovo? __________

2. Kvarkové zloženie elektrónu? __________

3. Uveďte dve najsilnejšie interakcie _______________________________________________________________________________

4. Celkový počet gluónov? _________

___________________________________________________________________

Úlohy druhej skupiny:

1. Koľko častíc je základom vesmíru? ____________

2. Kvarkové zloženie protónu? _____________

3. Uveďte dve najslabšie interakcie _______________________

4. Ktoré častice vykonávajú elektromagnetickú interakciu? ______

___________________________________________________________________

Úlohy prvej skupiny:

1. Koľko základných častíc je celkovo? _____________

2. Kvarkové zloženie elektrónu? _______________

3. Uveďte dve najsilnejšie interakcie ___________________________________________________________________________

4. Celkový počet gluónov? _____

___________________________________________________________________

Úlohy druhej skupiny:

1. Koľko častíc je základom vesmíru? ______

2. Kvarkové zloženie protónu? _________

3. Uveďte dve najslabšie interakcie ________________________

4. Ktoré častice vykonávajú elektromagnetickú interakciu? _______

Mestská rozpočtová vzdelávacia inštitúcia –

Stredná škola č.7 v Belgorode

Otvorená hodina fyziky

11. ročník

"Elementárne častice"

Pripravené a realizované:

Učiteľ fyziky

Polshchikova A.N.

Belgorod 2015

Téma: Elementárne častice.

Typ lekcie: hodina štúdia a primárne upevňovanie nových poznatkov

Metóda výučby: prednáška

Forma študentskej aktivity: frontálne, kolektívne, individuálne

Účel lekcie: rozšíriť porozumenie študentov o štruktúre hmoty; zvážiť hlavné etapy vývoja fyziky elementárnych častíc; uveďte pojem elementárne častice a ich vlastnosti.

Ciele lekcie:

Vzdelávacie : oboznámiť študentov s pojmom elementárna častica, typológiou elementárnych častíc, ako aj metódami štúdia vlastností elementárnych častíc;

Vývojový: rozvíjať kognitívny záujem študentov, zabezpečiť ich realizovateľné zapojenie do aktívnej kognitívnej činnosti;

Vzdelávacie: výchova univerzálnych ľudských vlastností - uvedomenie si vnímania vedeckých úspechov vo svete; rozvíjanie zvedavosti a vytrvalosti.

Vybavenie na lekciu:

Didaktické materiály: učebnicový materiál, kartičky s testami a tabuľky

Vizuálne pomôcky: prezentácia

Počas vyučovania

(Prezentácia)

1. Organizácia začiatku vyučovacej hodiny.

Aktivity učiteľa: Vzájomné pozdravy medzi učiteľom a študentmi, opravovanie študentov, kontrola pripravenosti študentov na hodinu. Organizácia pozornosti a začlenenie žiakov do obchodného rytmu práce.

Predpokladaná aktivita študentov: organizácia pozornosti a začlenenie do obchodného rytmu práce.

2. Príprava na hlavnú fázu vyučovacej hodiny.

Aktivity učiteľa: Dnes začneme študovať novú časť „Kvantová fyzika“ - „Elementárne častice“. V tejto kapitole si povieme o primárnych, nerozložiteľných časticiach, z ktorých je postavená všetka hmota, o elementárnych časticiach.

Fyzici pri skúmaní jadrových procesov objavili existenciu elementárnych častíc, takže až do polovice 20. storočia bola fyzika elementárnych častíc odvetvím jadrovej fyziky. Fyzika elementárnych častíc a jadrová fyzika sú v súčasnosti blízkymi, ale nezávislými odvetviami fyziky, ktoré spája zhoda mnohých uvažovaných problémov a používaných výskumných metód.

Hlavnou úlohou fyziky elementárnych častíc je štúdium povahy, vlastností a vzájomných premien elementárnych častíc.

Bude to aj naša hlavná úloha pri štúdiu fyziky elementárnych častíc.

3. Asimilácia nových poznatkov a metód konania.

Aktivity učiteľa: Téma hodiny: "Etapy vývoja fyziky elementárnych častíc." V tejto lekcii sa pozrieme na nasledujúce otázky:

História vývoja myšlienok, že svet pozostáva z elementárnych častíc

Čo sú to elementárne častice?

Ako možno získať izolovanú elementárnu časticu a je to možné?

Typológia častíc.

Myšlienka, že svet sa skladá zo základných častíc, má dlhú históriu. Dnes existujú tri etapy vývoja fyziky elementárnych častíc.

Otvorme učebnicu. Zoznámime sa s názvami etáp a časovými rámcami.

1. etapa. Od elektrónu k pozitrónu: 1897 - 1932.

2. etapa. Od pozitrónu ku kvarkom: 1932 - 1964.

3. fáza. Od hypotézy kvarku (1964) po súčasnosť.

Aktivity učiteľa:

1. fáza

Elementárne, t.j. najjednoduchší, ďalej nedeliteľný, takto si atóm predstavoval známy starogrécky vedec Demokritos. Pripomínam, že slovo „atóm“ v preklade znamená „nedeliteľný“. Prvýkrát myšlienku existencie malých, neviditeľných častíc, ktoré tvoria všetky okolité objekty, vyjadril Democritus 400 rokov pred naším letopočtom. Veda začala používať myšlienku atómov až na začiatku 19. storočia, keď na tomto základe bolo možné vysvetliť množstvo chemických javov. A na konci tohto storočia bola objavená zložitá štruktúra atómu. V roku 1911 bolo objavené atómové jadro (E. Rutherford) a konečne sa dokázalo, že atómy majú zložitú štruktúru.

Pripomeňme si chlapci: aké častice sú súčasťou atómu a stručne ich charakterizujte?

Predpokladaná aktivita študentov:

Aktivity učiteľa: Chlapci, možno si niektorí pamätáte: kto a v ktorých rokoch objavil elektrón, protón a neutrón?

Predpokladaná aktivita študentov:

Electron. V roku 1898 J. Thomson dokázal reálnosť existencie elektrónov. V roku 1909 R. Millikan prvýkrát zmeral náboj elektrónu.

Proton. V roku 1919 E. Rutherford pri bombardovaní dusíka časticami objavil časticu, ktorej náboj sa rovnal náboju elektrónu a ktorej hmotnosť bola 1836-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Častica dostala názov protón.

Neutrón. Rutherford tiež navrhol existenciu častice bez náboja, ktorej hmotnosť sa rovná hmotnosti protónu.

V roku 1932 D. Chadwick objavil časticu, ktorú navrhol Rutherford a nazval ju neutrón.

Aktivity učiteľa: Po objavení protónu a neutrónu sa ukázalo, že jadrá atómov, podobne ako samotné atómy, majú zložitú štruktúru. Vznikla protónovo-neutrónová teória štruktúry jadier (D. D. Ivanenko a V. Heisenberg).

V 30. rokoch 19. storočia sa v teórii elektrolýzy vyvinutej M. Faradayom objavil pojem -ión a meral sa elementárny náboj. Koniec 19. storočia – okrem objavu elektrónu, sa niesol v znamení objavu fenoménu rádioaktivity (A. Becquerel, 1896). V roku 1905 vznikla vo fyzike myšlienka kvanta elektromagnetického poľa - fotónov (A. Einstein).

Pripomeňme si: čo je fotón?

Predpokladaná aktivita študentov: Fotón (alebo kvantum elektromagnetického žiarenia) je elementárna svetelná častica, elektricky neutrálna, bez pokojovej hmotnosti, ale má energiu a hybnosť.

Aktivity učiteľa: otvorené častice boli považované za nedeliteľné a nemenné primárne esencie, základné stavebné kamene vesmíru. Tento názor však netrval dlho.

2. fáza

V tridsiatych rokoch minulého storočia boli objavené a študované vzájomné premeny protónov a neutrónov a ukázalo sa, že tieto častice tiež nie sú nemennými elementárnymi „stavebnými kameňmi“ prírody.

V súčasnosti je známych asi 400 subjadrových častíc (častíc, ktoré tvoria atómy, ktoré sa zvyčajne nazývajú elementárne). Prevažná väčšina týchto častíc je nestabilná (elementárne častice sa navzájom premieňajú).

Jedinými výnimkami sú fotón, elektrón, protón a neutríno.

Fotón, elektrón, protón a neutríno sú stabilné častice (častice, ktoré môžu neobmedzene existovať vo voľnom stave), ale každá z nich sa pri interakcii s inými časticami môže zmeniť na iné častice.

Všetky ostatné častice sa v určitých časových intervaloch spontánne premieňajú na iné častice, a to je hlavný fakt ich existencie.

Spomenul som ešte jednu časticu – neutríno. Aké sú hlavné charakteristiky tejto častice? Kto a kedy ho objavil?

Predpokladaná aktivita študenta: Neutríno je častica bez elektrického náboja a jej pokojová hmotnosť je 0. Existenciu tejto častice predpovedal v roku 1931 W. Pauli a v roku 1955 bola častica experimentálne zaregistrovaná. Prejavuje sa ako výsledok rozpadu neutrónov:

Aktivity učiteľa: Nestabilné elementárne častice sa veľmi líšia svojou životnosťou.

Častica s najdlhšou životnosťou je neutrón. Životnosť neutrónov je asi 15 minút.

Ostatné častice „žijú“ oveľa kratší čas.

Existuje niekoľko desiatok častíc so životnosťou presahujúcou 10 -17 s. V meradle mikrokozmu je to významný čas. Takéto častice sa nazývajúrelatívne stabilný .

Väčšina krátkodobý elementárne častice majú životnosť rádovo 10-22 -10 -23 s.

Schopnosť vzájomných premien je najdôležitejšou vlastnosťou všetkých elementárnych častíc.

Elementárne častice sa môžu zrodiť a zničiť (emitovať a absorbovať). To platí aj pre stabilné častice, len s tým rozdielom, že premeny stabilných častíc neprebiehajú spontánne, ale interakciou s inými časticami.

Príkladom by bolozničenie (t.j. zmiznutie ) elektrón a pozitrón, sprevádzaný zrodom vysokoenergetických fotónov.

Pozitron je (antičastica elektrónu) kladne nabitá častica, ktorá má rovnakú hmotnosť a rovnaký (v absolútnej hodnote) náboj ako elektrón. O jeho vlastnostiach si podrobnejšie povieme v ďalšej lekcii. Povedzme, že existenciu pozitrónu predpovedal P. Dirac v roku 1928 a v roku 1932 ho v kozmickom žiarení objavil K. Anderson.

V roku 1937 boli v kozmickom žiarení objavené častice s hmotnosťou 207 elektrónov, tzv.mióny ( -mezóny ). Priemerná dĺžka života-mezón sa rovná 2,2 * 10-6 s.

Potom v rokoch 1947-1950 otvorilipivonky (t.j. -mezóny). Priemerná životnosť neutrálu-mezón - 0,87·10 -16 s.

V nasledujúcich rokoch začal počet novoobjavených častíc rýchlo rásť. Uľahčil to výskum kozmického žiarenia, vývoj technológie urýchľovačov a štúdium jadrových reakcií.

Moderné urýchľovače sú potrebné na uskutočnenie procesu vytvárania nových častíc a štúdia vlastností elementárnych častíc. Počiatočné častice sú urýchľované v urýchľovači na vysoké energie „na kolíznom kurze“ a na určitom mieste sa navzájom zrážajú. Ak je energia častíc vysoká, potom sa počas procesu zrážky rodí veľa nových častíc, zvyčajne nestabilných. Tieto častice, ktoré sa rozptyľujú z miesta zrážky, sa rozpadajú na stabilnejšie častice, ktoré sú zaznamenané detektormi. Pre každý takýto akt kolízie (fyzici hovoria: pre každú udalosť) - a sú zaznamenané v tisícoch za sekundu! -experimentári v dôsledku toho určujú kinematické premenné: hodnoty impulzov a energií „chytených“ častíc, ako aj ich trajektórie (pozri obrázok v učebnici). Zhromažďovaním mnohých udalostí rovnakého typu a štúdiom distribúcie týchto kinematických veličín fyzici rekonštruujú, ako k interakcii došlo a akému typu častíc možno výsledné častice pripísať.

3. fáza

Elementárne častice sú spojené do troch skupín: fotóny , leptóny A hadróny (Príloha 2).

Chlapci, uveďte mi častice patriace do skupiny fotónov.

Predpokladaná aktivita študentov: Do skupiny fotóny označuje jedinú časticu - fotón

Aktivity učiteľa: ďalšiu skupinu tvoria ľahké časticeleptóny .

: táto skupina zahŕňa dva typy neutrín (elektrónové a miónové), elektrón a β-mezón

Aktivity učiteľa: Leptóny tiež zahŕňajú množstvo častíc, ktoré nie sú uvedené v tabuľke.

Tretiu veľkú skupinu tvoria ťažké častice tzv hadróny. Táto skupina je rozdelená na dve podskupiny. Ľahšie častice tvoria podskupinu mezóny .

Predpokladaná aktivita študentov: najľahšie z nich sú kladne a záporne nabité, rovnako ako neutrálne -mezóny. Pióny sú kvantá jadrového poľa.

Aktivity učiteľa: druhá podskupina -baryóny - obsahuje ťažšie častice. Je najrozsiahlejšia.

Predpokladaná aktivita študentov: Najľahšie baryóny sú nukleóny – protóny a neutróny.

Aktivity učiteľa: po nich nasledujú takzvané hyperóny. Tabuľku uzatvára Omega-mínus-hyperón, objavený v roku 1964.

Množstvo objavených a novoobjavených hadrónov viedlo vedcov k presvedčeniu, že všetky boli postavené z nejakých iných, zásadnejších častíc.

V roku 1964 predložil americký fyzik M. Gell-Man hypotézu potvrdenú následným výskumom, že všetky ťažké fundamentálne častice – hadróny – sú postavené z fundamentálnejších častíc tzv.kvarky.

Zo štruktúrneho hľadiska sa elementárne častice, ktoré tvoria atómové jadrá (nukleóny), a vo všeobecnosti všetky ťažké častice – hadróny (baryóny a mezóny) – skladajú z ešte jednoduchších častíc, ktoré sa zvyčajne nazývajú fundamentálne. Túto úlohu skutočne základných primárnych prvkov hmoty zohrávajú kvarky, ktorých elektrický náboj sa rovná +2/3 alebo -1/3 jednotkového kladného náboja protónu.

Najbežnejšie a ľahké kvarky sa nazývajú up a down a označujú sa, v uvedenom poradí, u (z angličtiny up) a d (down). Niekedy sa nazývajú aj protónové a neutrónové kvarky, pretože protón pozostáva z kombinácie uud a neutrónu - udd. Top kvark má náboj +2/3; dno - záporný náboj -1/3. Keďže protón pozostáva z dvoch up kvarkov a jedného down kvarku a neutrón sa skladá z jedného up a dvoch down kvarkov, môžete nezávisle overiť, že celkový náboj protónu a neutrónu je striktne rovný 1 a 0.

Ďalšie dva páry kvarkov sú súčasťou exotickejších častíc. Kvarky z druhého páru sa nazývajú očarované - c (od očarovaného) a podivné - s (od divného).

Tretí pár tvoria pravdivé - t (od pravdy, alebo v anglickej tradícii top) a krásne - b (od krásy, alebo v anglickej tradícii spodné) kvarky.

Takmer všetky častice pozostávajúce z rôznych kombinácií kvarkov už boli experimentálne objavené.

Prijatím kvarkovej hypotézy bolo možné vytvoriť harmonický systém elementárnych častíc. Početné pátrania po kvarkoch vo voľnom stave uskutočnené na vysokoenergetických urýchľovačoch a v kozmickom žiarení boli neúspešné. Vedci sa domnievajú, že jedným z dôvodov nepozorovateľnosti voľných kvarkov je možno ich veľmi veľká hmotnosť. To zabraňuje vzniku kvarkov pri energiách, ktoré sa dosahujú v moderných urýchľovačoch.

V decembri 2006 sa však vedeckými spravodajskými agentúrami a médiami šírila zvláštna správa o objave „voľných top kvarkov“.

4. Počiatočná kontrola porozumenia.

Aktivity učiteľa: Takže chlapci, prebrali sme:

hlavné etapy vývoja časticovej fyziky

zistil, ktorá častica sa nazýva elementárna

zoznámil sa s typológiou častíc.

V ďalšej lekcii sa pozrieme na:

podrobnejšiu klasifikáciu elementárnych častíc

typy interakcií elementárnych častíc

antičastice.

A teraz vám navrhujem urobiť test, aby ste si v pamäti oživili hlavné body materiálu, ktorý sme študovali (Príloha 3).

5. Zhrnutie lekcie.

Činnosť učiteľa: Udeľovanie známok najaktívnejším žiakom.

6. Domáce úlohy

Aktivity učiteľa:

1. § 114 - 115

2. abstraktný.