Slajd 1

Elementarne čestice

Opštinska budžetska nestandardna obrazovna ustanova "Gimnazija br. 1 imena G. Kh. Tasirova grada Belova"

Prezentacija za čas fizike u 11. razredu (profilni nivo)

Izvršila: Popova I.A., nastavnik fizike

Belovo, 2012

Slajd 2

Uvod u fiziku elementarnih čestica i sistematizacija znanja o temi. Razvoj apstraktnog, ekološkog i naučnog mišljenja učenika zasnovanog na idejama o elementarnim česticama i njihovim interakcijama

Slajd 3

Koliko elemenata ima u periodnom sistemu?

Samo 92. Kako? Ima li još? Istina, ali sve ostalo je umjetno dobiveno, ne javlja se u prirodi. Dakle - 92 atoma. Od njih se mogu praviti i molekuli, tj. supstance! Ali činjenicu da se sve supstance sastoje od atoma naveo je Demokrit (400 pne). Bio je veliki putnik, a njegova omiljena izreka je bila:

"Ništa ne postoji osim atoma i čistog prostora, sve ostalo je pogled"

Slajd 4

Antičestica - čestica koja ima istu masu i spin, ali suprotne vrijednosti naboja svih vrsta;

Vremenska linija fizike čestica

Svaka elementarna čestica ima svoju antičesticu

Slajd 5

Sve ove čestice su bile nestabilne, tj. raspadnu se na čestice sa manjim masama, postajući na kraju stabilni protoni, elektroni, fotoni i neutrini (i njihove antičestice).

Teoretski fizičari su se suočili s najtežim zadatkom da urede cijeli otkriveni "zoološki vrt" čestica i pokušaju da svedu broj osnovnih čestica na minimum, dokazujući da se ostale čestice sastoje od osnovnih čestica.

Slajd 6

Slajd 7

Kako detektovati elementarnu česticu?

Obično se tragovi (putanja ili tragovi) koje ostavljaju čestice proučavaju i analiziraju pomoću fotografija.

Slajd 8

Klasifikacija elementarnih čestica

Sve čestice su podijeljene u dvije klase: Fermioni, koji čine materiju; Bozoni kroz koje dolazi do interakcije.

Slajd 9

Fermioni se dijele na leptone i kvarkove.

Kvarkovi učestvuju u jakim interakcijama, kao i slabim i elektromagnetnim.

Slajd 10

Gell-Mann i Georg Zweig predložili su model kvarka 1964. Paulijev princip: u jednom sistemu međusobno povezanih čestica nikada ne postoje najmanje dvije čestice sa identičnim parametrima ako te čestice imaju polucijeli spin.

M. Gell-Mann na konferenciji 2007

Slajd 11

Šta je spin?

Spin pokazuje da postoji prostor stanja koji nema nikakve veze sa kretanjem čestice u običnom prostoru; Spin (od engleskog to spin - vrtjeti) se često upoređuje sa ugaonim momentom "vrha koji se brzo okreće" - to nije istina! Spin je unutrašnja kvantna karakteristika čestice koja nema analoga u klasičnoj mehanici;

Spin (od engleskog spin - vrtenje, rotacija) je unutrašnji ugaoni moment elementarnih čestica, koji ima kvantnu prirodu i nije povezan s kretanjem čestice kao cjeline.

Slajd 12

Slajd 13

Slajd 14

Četiri vrste fizičkih interakcija

gravitacioni, elektromagnetni, slab, jak.

Slaba interakcija - mijenja unutrašnju prirodu čestica. Snažne interakcije određuju različite nuklearne reakcije, kao i nastanak sila koje vežu neutrone i protone u jezgrima.

Mehanizam interakcija je isti: zbog razmjene drugih čestica - nosilaca interakcije.

Slajd 15

Elektromagnetna interakcija: nosilac - foton. Gravitaciona interakcija: nosioci - kvanti gravitacionog polja - gravitoni. Slabe interakcije: nosioci - vektorski bozoni. Nosioci jakih interakcija: gluoni (od engleske riječi glue), sa masom mirovanja jednakom nuli.

I fotoni i gravitoni nemaju masu (masu mirovanja) i uvijek se kreću brzinom svjetlosti.

Značajna razlika između nosilaca slabe interakcije i fotona i gravitona je njihova masivnost.

Slajd 16

Osobine kvarkova

Kvarkovi supermultipleti (trijada i antitrijada )

Slajd 17

Kvarkovi imaju svojstvo koje se zove naboj boje. Postoje tri vrste naboja u boji, konvencionalno označene kao plava, zelena i crvena. Svaka boja ima dopunu u obliku svoje anti-boje - anti-plave, anti-zelene i anticrvene. Za razliku od kvarkova, antikvarkovi nemaju boju, već antiboju, odnosno suprotan naboj boje.

Svojstva kvarkova: boja

Slajd 18

Kvarkovi imaju dva glavna tipa masa koje se ne poklapaju po veličini: trenutnu masu kvarka, procijenjenu u procesima sa značajnim prijenosom kvadrata 4 impulsa, i strukturnu masu (blok, sastavna masa); također uključuje masu polja gluona oko kvarka i procjenjuje se iz mase hadrona i njihovog sastava kvarka.

Svojstva kvarkova: masa

Slajd 19

Svaki ukus (tip) kvarka karakterišu kvantni brojevi kao što su izospin Iz, neobičnost S, šarm C, šarm (dno, lepota) B′, istina (vrh) T.

Svojstva kvarkova: ukus

Slajd 20

Slajd 23

Slajd 24

Slajd 25

Slajd 26

Slajd 27

Koji nuklearni procesi proizvode neutrine?

A. Tokom α - raspada. B. Tokom β - raspada. B. Kada se emituju γ - kvanti. D. Tokom bilo koje nuklearne transformacije

Slajd 28

Slajd 29

Proton se sastoji od...

A. . . .neutron, pozitron i neutrino. B. . . .mesoni. IN. . . .kvarkovi. D. Proton nema sastavnih dijelova.

Slajd 30

Neutron se sastoji od...

A. . . .proton, elektron i neutrino. B. . . .mesoni. IN. . . . kvarkovi. D. Neutron nema sastavnih dijelova.

2. Sa stanovišta interakcije, sve čestice se dijele na tri tipa: A. Mezoni, fotoni i leptoni. B. Fotoni, leptoni i barioni. B. Fotoni, leptoni i hadroni.

3. Šta je glavni faktor u postojanju elementarnih čestica? A. Međusobna transformacija. B. Stabilnost. B. Interakcija čestica jedna s drugom.

4. Koje interakcije određuju stabilnost jezgara u atomima? A. Gravitacioni. B. Elektromagnetski. B. Nuklearni. D. Slabo.

Slajd 34

6. Realnost transformacije materije u elektromagnetno polje: A. Potvrđena iskustvom anihilacije elektrona i pozitrona. B. Potvrđeno eksperimentom anihilacije elektrona i protona.

7. Reakcija transformacije materije u polje: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.

8. Koja je interakcija odgovorna za transformaciju elementarnih čestica jedna u drugu? A. Jaka interakcija. B. Gravitacioni. B. Slaba interakcija D. Jaka, slaba, elektromagnetna.

Odgovori: B; IN; A; IN; B; A; IN; G.

5. Postoje li nepromjenjive čestice u prirodi? O: Postoje. B. Ne postoje.

Slajd 35

Književnost

Periodični sistem elementarnih čestica / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ishkhanov B.S. , Kabin E.I. Fizika jezgara i čestica, XX vek / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html tabela elementarnih čestica / http://lib.kemtipp.ru/lib/27/48.htm Čestice i antičestice / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Elementarne čestice. priručnik > hemijska enciklopedija / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Fizika elementarnih čestica / http://www.leforio.narod.ru/particles_physics.htm Quark / http://www.wikiznanie.ru /ru -wz/index.php/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BA Fizika jezgra i elementarnih čestica. Znanje je moć. / http://znaniya-sila.narod.ru/physics/physics_atom_04.htm Quark. Materijal iz Wikipedije - slobodne enciklopedije / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2. O kvarkovima. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Harmonija duge / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

1 slajd

Elementarne čestice Opštinska budžetska nestandardna obrazovna ustanova "Gimnazija br. 1 po imenu Tasirov G.Kh. grada Belova" Prezentacija za čas fizike u 11. razredu (profilni nivo) Izvršila: Popova I.A., nastavnik fizike Belovo, 2012.

2 slajd

Cilj: Upoznavanje sa fizikom elementarnih čestica i sistematizacija znanja o temi. Razvoj apstraktnog, ekološkog i naučnog mišljenja učenika zasnovanog na idejama o elementarnim česticama i njihovim interakcijama

3 slajd

Koliko elemenata ima u periodnom sistemu? Samo 92. Kako? Ima li još? Istina, ali sve ostalo je umjetno dobiveno, ne javlja se u prirodi. Dakle - 92 atoma. Od njih se mogu praviti i molekuli, tj. supstance! Ali činjenicu da se sve supstance sastoje od atoma naveo je Demokrit (400 pne). Bio je veliki putnik, a njegova omiljena izreka je bila: "Ništa ne postoji osim atoma i čistog prostora, sve ostalo je pogled."

4 slajd

Antičestica - čestica koja ima istu masu i spin, ali suprotne vrijednosti naboja svih vrsta; Hronologija fizike čestica Za svaku elementarnu česticu postoji sopstvena antičestica Datum Ime naučnika Otkriće (hipoteza) 400 pne. Demokritov atom Početak XX veka. Thomson Electron 1910 E. Rutherford Proton 1928 Dirac i Anderson Otkriće pozitrona 1928 A. Einstein Photon 1929 P. Dirac Predviđanje postojanja antičestica 1931 Pauli Otkriće neutrina i antineutrina 1928 Neutron antineutron 1923 Neutron po dio 193 0 W. Pauli Predviđanje postojanja neutrina 1935 Yukawa Otkriće mezona

5 slajd

Hronologija fizike čestica Sve ove čestice su bile nestabilne, tj. raspadnu se na čestice sa manjim masama, postajući na kraju stabilni protoni, elektroni, fotoni i neutrini (i njihove antičestice). Teoretski fizičari bili su suočeni s najtežim zadatkom da urede cijeli otkriveni „zoološki vrt“ čestica i pokušaju da broj osnovnih čestica svedu na minimum, dokazujući da se ostale čestice sastoje od osnovnih čestica Datum Otkriće (hipoteza) Druga faza 1947. Otkriće π-mezonar u kosmičkim zracima Prije početka 1960-ih Otkriveno je nekoliko stotina novih elementarnih čestica, s masama u rasponu od 140 MeV do 2 GeV.

6 slajd

Hronologija fizike čestica Ovaj model se sada pretvorio u koherentnu teoriju svih poznatih tipova interakcija čestica. Datum Ime naučnika Otkriće (hipoteza) Treća faza 1962 M. Gell-Manni nezavisno J. Zweig Predložio model strukture čestica koje su u jakoj interakciji iz osnovnih čestica - kvarkova 1995. Otkriće posljednjeg od očekivanih, šestog kvarka

7 slajd

Kako detektovati elementarnu česticu? Obično se tragovi (putanja ili tragovi) koje ostavljaju čestice proučavaju i analiziraju pomoću fotografija.

8 slajd

Klasifikacija elementarnih čestica Sve čestice se dijele u dvije klase: Fermioni, koji čine materiju; Bozoni kroz koje dolazi do interakcije.

Slajd 9

Klasifikacija elementarnih čestica Fermioni se dijele na leptone, kvarkove. Kvarkovi učestvuju u jakim interakcijama, kao i slabim i elektromagnetnim.

10 slajd

Kvarkovi Gell-Mann i Georg Zweig predložili su model kvarka 1964. Paulijev princip: u jednom sistemu međusobno povezanih čestica nikada ne postoje najmanje dvije čestice sa identičnim parametrima ako te čestice imaju polucijeli spin. M. Gell-Mann na konferenciji 2007

11 slajd

Šta je spin? Spin pokazuje da postoji prostor stanja koji nema nikakve veze sa kretanjem čestice u običnom prostoru; Spin (od engleskog to spin - vrtjeti) se često upoređuje sa ugaonim momentom "vrha koji se brzo okreće" - to nije istina! Spin je unutrašnja kvantna karakteristika čestice koja nema analoga u klasičnoj mehanici; Spin (od engleskog spin - vrtenje, rotacija) je unutrašnji ugaoni moment elementarnih čestica, koji ima kvantnu prirodu i nije povezan s kretanjem čestice kao cjeline.

12 slajd

Spinovi nekih mikročestica Spin Opšti naziv čestica Primeri 0 skalarne čestice π-mezoni, K-mezoni, Higsov bozon, atomi i jezgra 4He, parno-parna jezgra, parapozitronijum 1/2 spinor čestice elektron, kvarkovi, proton, neutron, atomi i jezgra 3He 1 vektorske čestice foton, gluon, vektorski mezoni, ortopozitronijum 3/2 spin-vektorske čestice Δ-izobare 2 tenzorske čestice graviton, tenzorski mezoni

Slajd 13

Kvarkovi Kvarkovi učestvuju u jakim interakcijama, kao iu slabim i elektromagnetnim. Naboji kvarkova su frakcioni - od -1/3e do +2/3e (e je naelektrisanje elektrona). Kvarkovi u današnjem Univerzumu postoje samo u vezanim stanjima – samo kao dio adrona. Na primjer, proton je uud, neutron je udd.

Slajd 14

Četiri vrste fizičkih interakcija su gravitacione, elektromagnetne, slabe i jake. Slaba interakcija - mijenja unutrašnju prirodu čestica. Snažne interakcije određuju različite nuklearne reakcije, kao i nastanak sila koje vežu neutrone i protone u jezgrima. Nuklearna Postoji samo jedan mehanizam interakcije: zbog razmjene drugih čestica - nosilaca interakcije.

15 slajd

Elektromagnetna interakcija: nosilac - foton. Gravitaciona interakcija: nosioci - kvanti gravitacionog polja - gravitoni. Slabe interakcije: nosioci - vektorski bozoni. Nosioci jakih interakcija: gluoni (od engleske riječi glue), sa masom mirovanja jednakom nuli. Četiri vrste fizičkih interakcija I fotoni i gravitoni nemaju masu (masu mirovanja) i uvijek se kreću brzinom svjetlosti. Značajna razlika između nosilaca slabe interakcije i fotona i gravitona je njihova masivnost. Interakcija Radijus djelovanja Konst. Gravitaciono Beskonačno veliko 6,10-39 Elektromagnetno Beskonačno veliko 1/137 Slabo Ne prelazi 10-16 cm 10-14 Jako Ne prelazi 10-13 cm 1

16 slajd

Slajd 17

Kvarkovi imaju svojstvo koje se zove naboj boje. Postoje tri vrste naboja u boji, konvencionalno označene kao plava, zelena i crvena. Svaka boja ima dopunu u obliku svoje anti-boje - anti-plave, anti-zelene i anticrvene. Za razliku od kvarkova, antikvarkovi nemaju boju, već antiboju, odnosno suprotan naboj boje. Svojstva kvarkova: boja

18 slajd

Kvarkovi imaju dva glavna tipa masa koje se ne poklapaju po veličini: trenutnu masu kvarka, procijenjenu u procesima sa značajnim prijenosom kvadrata 4 impulsa, i strukturnu masu (blok, sastavna masa); također uključuje masu polja gluona oko kvarka i procjenjuje se iz mase hadrona i njihovog sastava kvarka. Svojstva kvarkova: masa

Slajd 19

Svaki ukus (tip) kvarka karakterišu kvantni brojevi kao što su izospin Iz, neobičnost S, šarm C, šarm (dno, lepota) B′, istina (vrh) T. Svojstva kvarkova: ukus

20 slajd

Svojstva kvarkova: aroma Simbol Naziv Naboj Masa Rus. engleski Prva generacija d niže dolje −1/3 ~ 5 MeV/c² gore gore +2/3 ~ 3 MeV/c² Druga generacija s čudno čudno −1/3 95 ± 25 MeV/c² c očarani šarm (očarano) +2/ 3 1,8 GeV/c² Treća generacija b lijepa ljepota (dolje) −1/3 4,5 GeV/c² t prava istina (gore) +2/3 171 GeV/c²

21 slajd

22 slajd

Slajd 23

Karakteristike kvarkova Karakteristika Vrsta kvarka d u s c b t Električni nabojQ -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Barionski brojB 1/3 1/3 1/3 1/3 1/ 3 1 /3 SpinJ 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 ParitetP +1 +1 +1 +1 +1 +1 IsospinI 1/2 1/2 0 0 0 0 Isospin projekcijaI3 - 1/ 2 +1/2 0 0 0 0 Neobičnost 0 0 -1 0 0 0 Šarm c 0 0 0 +1 0 0 Dno b 0 0 0 0 -1 0 Vrh t 0 0 0 0 0 +1 Masa u hadronu , GeV 0,31 0,31 0,51 1,8 5 180 Masa “slobodnog” kvarka, GeV ~0,006 ~0,003 0,08-0,15 1,1-1,4 4,1-4,9 174+5

24 slajd

25 slajd

26 slajd

Slajd 27

Koji nuklearni procesi proizvode neutrine? A. Tokom α - raspada. B. Tokom β - raspada. B. Kada se emituju γ - kvanti. D. Tokom bilo koje nuklearne transformacije

28 slajd

Koji nuklearni procesi proizvode antineutrine? A. Tokom α - raspada. B. Tokom β - raspada. B. Kada se emituju γ - kvanti. D. Tokom bilo koje nuklearne transformacije

Da biste koristili preglede prezentacija, kreirajte Google račun i prijavite se na njega: https://accounts.google.com

Naslovi slajdova:

ELEMENTARNE ČESTICE

TRI FAZE U RAZVOJU FIZIKE ELEMENTARNIH ČESTICA Kada je grčki filozof Demokrit najjednostavnije, nedjeljive čestice nazvao atomima (riječ atom, podsjetimo, znači nedjeljiv), tada mu se, u principu, vjerovatno sve činilo ne baš komplikovano. Razni objekti, biljke, životinje građene su od nedjeljivih, nepromjenjivih čestica. Transformacije uočene u svijetu su jednostavno preuređenje atoma. Sve u svijetu teče, sve se mijenja, osim samih atoma, koji ostaju nepromijenjeni. Prva faza. Od elektrona do pozitrona 1897-1932. Ali krajem 19. vijeka. otkrivena je složena struktura atoma i izolovan je elektron kao sastavni dio atoma. Već u dvadesetom stoljeću otkriveni su proton i neutron - čestice koje čine atomsko jezgro. Isprva su se sve te čestice posmatrale upravo onako kako je Demokrit gledao na atome: smatrane su nedjeljivim i nepromjenjivim primarnim esencijama, osnovnim građevnim blokovima svemira. (oko 470. ili 460. - 360. pne.) DEMOKRIT

Druga faza. Od pozitrona do kvarkova 1932-1970. TRI FAZE U RAZVOJU FIZIKE ELEMENTARNIH ČESTICA Situacija privlačne jasnoće nije dugo trajala. Ispostavilo se da je sve mnogo komplikovanije: kako se ispostavilo, uopšte nema nepromenljivih čestica. Sama riječ elementarno ima dvostruko značenje. S jedne strane, elementarno je nešto što se podrazumeva, najjednostavnije. S druge strane, pod elementarnim podrazumijevamo nešto fundamentalno što leži u osnovi stvari (u tom smislu se subatomske čestice (čestice od kojih su atomi napravljeni) sada nazivaju elementarnim). Sljedeća jednostavna činjenica sprječava nas da smatramo da su trenutno poznate elementarne čestice slične nepromjenjivim Demokritovim atomima. Nijedna čestica nije besmrtna. Većina čestica koje se danas nazivaju elementarnim ne mogu preživjeti više od dva milioniti dio sekunde, čak i u odsustvu bilo kakvog vanjskog utjecaja. Samo četiri čestice - foton, elektron, proton i neutrino - mogle bi ostati nepromijenjene da je svaka od njih sama u cijelom svijetu.

Ali elektroni i protoni imaju najopasniju braću, pozitrone i antiprotone, kada se sudare s njima, te se čestice međusobno uništavaju i nastaju nove. Foton koji emituje stolna lampa ne traje duže od 10 -8 s. Ovo je vrijeme potrebno da stigne do stranice knjige i da ga papir upije. Samo je neutrino skoro besmrtan zbog činjenice da izuzetno slabo reaguje sa drugim česticama. Međutim, i neutrini umiru kada se sudare s drugim česticama, iako su takvi sudari izuzetno rijetki. Dakle, u vječnoj potrazi za pronalaženjem nepromjenjivog u svijetu koji se mijenja, naučnici se nisu našli na „granitnom temelju“, već na „pokretnom pijesku“. Sve elementarne čestice se pretvaraju jedna u drugu, a te međusobne transformacije su glavna činjenica njihovog postojanja.

Ideja o nepromjenjivosti elementarnih čestica pokazala se neodrživom. Ali ideja o njihovoj nerazgradljivosti je ostala. Elementarne čestice više nisu nedjeljive, ali su neiscrpne po svojim svojstvima. Kada se čestice ultra-visoke energije sudare, čestice se ne raspadaju u nešto što bi se moglo nazvati njihovim sastavnim dijelovima. Ne, oni rađaju nove čestice među onima koje se već pojavljuju na listi elementarnih čestica. Što je veća energija sudarajućih čestica, to je veći broj i, osim toga, teže, čestice se rađaju. To je moguće zbog činjenice da kako se brzina povećava, raste i masa čestica. Od samo jednog para bilo koje čestice povećane mase moguće je, u principu, dobiti sve trenutno poznate čestice. Rezultat sudara jezgre ugljika s energijom od 60 milijardi eV (debela gornja linija) sa srebrnim jezgrom fotografske emulzije. Jezgro se dijeli na fragmente koji lete u različitim smjerovima. Istovremeno se rađaju mnoge nove elementarne čestice - pioni. Slične reakcije u sudarima relativističkih jezgara proizvedenih u akceleratoru izvedene su prvi put u svijetu 1976. godine u Laboratoriji visoke energije Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni pod vodstvom akademika A. M. Baldina.

Naravno, u sudarima čestica sa energijom koja još nije dostupna, rodiće se i neke nove nepoznate čestice. Ali to neće promijeniti suštinu stvari. Nove čestice rođene tokom sudara ne mogu se ni na koji način smatrati komponentama „roditeljskih“ čestica; Na kraju krajeva, "ćerke" čestice, ako su ubrzane, mogu, bez promjene svoje prirode, već samo povećanjem svoje mase, zauzvrat, tokom sudara, proizvesti nekoliko čestica potpuno istih kao i njihovi "roditelji", pa čak i mnoge druge čestice. Prema modernim konceptima, elementarne čestice su primarne, nerazgradive čestice od kojih je izgrađena sva materija. Međutim, nedjeljivost elementarnih čestica ne znači da im nedostaje unutrašnja struktura.

Treća faza. Od hipoteze kvarka do danas. TRI FAZE U RAZVOJU FIZIKE ELEMENTARNIH ČESTICA 1964. - ... 60-ih godina. pojavile su se sumnje da sve čestice koje se sada nazivaju elementarnim u potpunosti opravdavaju svoj naziv. Neki od njih, možda čak i većina njih, jedva da zasluženo nose ovo ime. Razlog za sumnju je jednostavan: ovih čestica ima mnogo.

Otkriće nove elementarne čestice uvijek je bilo i još uvijek je izuzetan trijumf nauke. Ali davno, dio tjeskobe je počeo da se miješa sa svakim uzastopnim trijumfom. Trijumfi su počeli da se nižu bukvalno jedan za drugim. Otkrivena je grupa takozvanih „čudnih“ čestica: K-mezoni i hiperoni čija masa prelazi masu nukleona. 70-ih godina dodana im je velika grupa "začaranih" čestica sa još većim masama. Otkrivene su ekstremno kratkotrajne čestice sa životnim vijekom reda 10 -22 -10 -23 s. Te su čestice nazvane rezonancije, a njihov broj je prelazio dvije stotine. Godine 1964. M. Gell-Mann i J. Zweig su predložili model prema kojem su sve čestice koje učestvuju u snažnim (nuklearnim) interakcijama građene od fundamentalnijih (ili primarnih) čestica - kvarkova. Trenutno gotovo niko ne sumnja u stvarnost kvarkova, iako oni nisu otkriveni u slobodnom stanju.

OTKRIĆE POZITRONA. ANTI-ČESTICE Postojanje blizanca elektrona - pozitrona - teoretski je predvidio engleski fizičar P. Dirac 1931. godine. Paul Dirac (1902-1984) Paul Adrien Maurice Dirac - engleski fizičar, jedan od tvoraca kvantne mehanike, strani dopisni član Akademije nauka SSSR (1931). Razvijena kvantna statistika (Fermi-Dirac statistika); relativistička teorija kretanja elektrona (Diracova jednačina, 1928), koja je predvidela pozitron, kao i anihilaciju i proizvodnju parova. Postavio je temelje kvantne elektrodinamike i kvantne teorije gravitacije. Nobelova nagrada (1933, zajedno sa Erwinom Schrödingerom). U isto vrijeme, Dirac je predvidio da kada pozitron sretne elektron, obje čestice treba da nestanu (anihiliraju), stvarajući fotone visoke energije. Može se dogoditi i obrnuti proces - rađanje para elektron-pozitron - na primjer, kada se foton dovoljno velike energije sudari (njegova masa mora biti veća od zbira masa mirovanja čestica koje se rađaju) s jezgrom.

1932. Pozitron je otkriven korišćenjem komore u oblaku smeštene u magnetnom polju. Smjer zakrivljenosti traga čestice označen je predznakom njenog naboja, a odnos njenog naboja i mase određen je iz polumjera zakrivljenosti i energije čestice. Ispostavilo se da je po modulu isti kao i elektron. Prva fotografija koja dokazuje postojanje pozitrona. Čestica se kretala odozdo prema gore i, prošavši olovnu ploču, izgubila je dio svoje energije. Zbog toga se povećala zakrivljenost putanje.

Proces stvaranja para elektron-pozitron od strane ɣ-kvanta u olovnoj ploči. U komori oblaka koja se nalazi u magnetnom polju, par ostavlja karakterističan trag u obliku viljuške s dva roga. Činjenica da je nestanak (anihilacija) jednih i pojava drugih u reakcijama između elementarnih čestica upravo transformacija, a ne samo nastanak nove kombinacije sastavnih dijelova starih čestica, posebno se jasno otkriva upravo tokom anihilacija para elektron-pozitron. Obje ove čestice imaju određenu masu u mirovanju i električni naboj. Fotoni koji se rađaju u ovom slučaju nemaju naboje i nemaju masu mirovanja, jer ne mogu postojati u stanju mirovanja.

Svojevremeno je otkriće rađanja i uništavanja parova elektron-pozitron izazvalo pravu senzaciju u nauci. Do tada niko nije zamišljao da elektron, najstarija čestica, najvažniji građevinski materijal atoma, možda nije večan. Nakon toga su u svim česticama pronađeni blizanci (antičestice). Antičestice su suprotstavljene česticama upravo zato što kada se bilo koja čestica susretne sa odgovarajućom antičesticom, dolazi do njihovog poništavanja, tj. obe čestice nestaju, pretvarajući se u kvante zračenja ili druge čestice. Antiproton i antineutron otkriveni su relativno nedavno. Električni naboj antiprotona je negativan.

Atomi čija se jezgra sastoje od antinukleona i omotača pozitrona formiraju antimateriju. Antivodonik je dobijen eksperimentalno. 1995. godine po prvi put je bilo moguće dobiti atome antivodika, koji se sastoje od antiprotona i pozitrona, ali su oni brzo anihilirali, što je onemogućilo proučavanje njihovih svojstava. Sada su nuklearni naučnici uspjeli da sastave postavku koja stvara složeno magnetsko polje, koje omogućava zadržavanje prethodno nedostižnih atoma. I iako je vrijeme za koje je zabilježen antivodonik bilo samo deseti dio sekunde, prema naučnicima, ovo je dovoljno za uzimanje spektra i detaljnu studiju čestica. Fizičari CERN-a iz ALPHA kolaboracije uspjeli su zadržati čestice antimaterije od uništenja 1000 sekundi.Antivodik s kojim su naučnici radili dobijen je iz nekoliko desetina miliona antiprotona i pozitrona, čiji je izvor bio izotop natrijuma 22 Na. Nakon toga slijedilo je višestepeno čišćenje. Nakon toga, nekoliko hiljada atoma antimaterije palo je u magnetnu zamku.

Tokom anihilacije antimaterije materijom, energija mirovanja se pretvara u kinetičku energiju nastalih gama kvanta. Energija mirovanja je najveći i najkoncentriraniji rezervoar energije u Univerzumu. I tek tokom uništenja potpuno se oslobađa, pretvarajući se u druge vrste energije. Stoga je antimaterija najsavršeniji izvor energije, najkaloričnije „gorivo“. Teško je sada reći da li će čovečanstvo ikada moći da koristi ovo „gorivo“.

NEUTRON DECAY. OTKRIĆE NEUTRIJA Priroda β-raspada Nakon što elektron napusti jezgro, naboj jezgra, a samim tim i broj protona, raste za jedan. Maseni broj jezgra se ne menja. To znači da se broj neutrona smanjuje za jedan. Shodno tome, unutar β-radioaktivnih jezgara, neutron je sposoban da se raspadne na proton i elektron. Proton ostaje u jezgru, a elektron izleti van. Samo u stabilnim jezgrima neutroni su stabilni. Tokom beta raspada, iz jezgra se emituje elektron. Ali u jezgru nema elektrona. odakle dolazi? Ali evo šta je čudno. Apsolutno identična jezgra emituju elektrone različitih energija. Novonastala jezgra su, međutim, potpuno ista bez obzira kolika je energija emitovanog elektrona. Ovo je u suprotnosti sa zakonom održanja energije - najosnovnijem fizikalnom zakonu! Ispostavilo se da je energija početnog jezgra nejednaka zbiru energija konačnog jezgra i elektrona!!!

Paulijeva hipoteza Švicarski fizičar W. Pauli je sugerirao da se, zajedno sa protonom i elektronom, tokom raspada neutrona rađa neka vrsta “nevidljive” čestice koja nosi energiju koja nedostaje. Ovu česticu instrumenti ne detektuju jer ne nosi električni naboj i nema masu mirovanja. To znači da nije sposoban ionizirati atome ili cijepati jezgra, odnosno ne može izazvati efekte po kojima se može suditi o izgledu čestice. Pauli je sugerirao da hipotetička čestica jednostavno vrlo slabo stupa u interakciju s materijom i stoga može proći kroz veliku debljinu materije, a da ne bude otkrivena.

Fermi je ovu česticu nazvao neutrino, što znači "neutron". Ispostavilo se da je masa mirovanja neutrina, kako je Pauli predvidio, nula. Iza ovih riječi krije se jednostavno značenje: nema neutrina u mirovanju. Nakon što je jedva stigao da se rodi, neutrino se odmah kreće brzinom od 300.000 km/s. Izračunali smo kako neutrini stupaju u interakciju sa materijom u sloju određene debljine. Ispostavilo se da je rezultat daleko od ohrabrujućih u smislu mogućnosti da se ova čestica otkrije eksperimentalno. Neutrino može preći put u olovu jednak razdaljini koju pređe svjetlost u vakuumu za nekoliko godina.

SLOBODAN RASPAD NEUTRONA Uloga neutrina nije ograničena na objašnjenje β-raspada jezgara. Mnoge elementarne čestice u slobodnom stanju spontano se raspadaju emisijom neutrina. Upravo tako se ponaša neutron. Samo u jezgrima neutron postaje stabilan zbog interakcije s drugim nukleonima. Slobodni neutron živi u prosjeku 16 minuta. To je eksperimentalno dokazano tek nakon što su izgrađeni nuklearni reaktori koji su proizvodili snažne snopove neutrona. Neutrino (simbol ν) ima antičesticu koja se zove antineutrino (simbol ν sa crtom). Kada se neutron raspadne na proton i elektron, emituje se antineutrino: Energija neutrona je uvijek veća od zbira energija protona i elektrona. Višak energije se odnosi sa antineutrina.

Eksperimentalno otkriće neutrina Uprkos svojoj neuhvatljivosti, neutrini (tačnije, antineutrini), nakon skoro 26 godina njihovog „duhovnog postojanja“ u naučnim časopisima, otkriveni su eksperimentalno. Teorija je predviđala da će se, kada antineutrino udari u proton, pojaviti pozitron i neutron: + Vjerovatnoća takvog procesa je mala zbog monstruozne prodorne sposobnosti antineutrina. Ali ako ima puno antineutrina, možemo se nadati da ćemo ih otkriti.

Baksanska neutrinska stanica U Baksanskoj klisuri na Kavkazu napravljen je tunel od dva kilometra u monolitnoj stijeni i izgrađena naučna laboratorija, zaštićena od kosmičkih zraka stijenom debljine nekoliko kilometara. U laboratoriji se nalazi oprema za snimanje solarnih neutrina i neutrina iz svemira.

SREDNJI BOZONI - NOSAČI SLABIH INTERAKCIJA Raspad neutrona na proton, elektron i antineutrino ne može biti uzrokovan nuklearnim silama, jer elektron ne doživljava jake interakcije pa se zbog njih ne može ni roditi. Rađanje elektrona moguće je pod uticajem elektromagnetnih sila. Ali postoji i antineutrino, koji je lišen električnog naboja i ne učestvuje u elektromagnetnim interakcijama. Ista situacija nastaje prilikom raspada π-mezona i drugih čestica uz emisiju neutrina ili antineutrina. Stoga moraju postojati neke druge interakcije odgovorne za raspad neutrona (i mnogih drugih čestica). Ovo je zapravo istina. U prirodi postoji i četvrta vrsta sile – slabe interakcije. Upravo su te sile glavni protagonisti tragedije smrti čestica.

Ove interakcije se nazivaju slabim jer su zaista slabe: oko 10 14 puta slabije od nuklearnih! Oni se uvijek mogu zanemariti tamo gdje dolazi do jakih ili elektromagnetnih interakcija. Ali postoje mnogi procesi koji mogu biti uzrokovani samo slabim interakcijama. Zbog svoje male vrijednosti, slabe interakcije ne utiču značajno na kretanje čestica. Ne ubrzavaju ih niti usporavaju. Slabe interakcije nisu sposobne držati čestice jednu blizu druge kako bi formirale vezana stanja. Ipak, to su sile u istom smislu kao i elektromagnetne i nuklearne. Glavna stvar u svakoj interakciji je rađanje i uništavanje čestica. Naime, ove funkcije (posebno posljednju) slabe interakcije obavljaju sporo, ali apsolutno rigorozno.

Slabe interakcije nisu neuobičajene. Naprotiv, izuzetno su UNIVERZALNI. U njima učestvuju sve čestice. Sve čestice imaju naboj, tačnije, konstantu slabih interakcija. Ali samo za čestice koje učestvuju u drugim interakcijama, sposobnost slabe interakcije je nevažna. Samo neutrini nisu sposobni za bilo kakve interakcije osim slabih (s izuzetkom ultraslabih - gravitacionih). Uloga slabih interakcija u evoluciji Univerzuma nije nimalo mala. Kada bi se isključile slabe interakcije, Sunce i druge zvijezde bi se ugasile.

“Brzo” i “sporo” su bolje od “jake” i “slabe”. Slabe interakcije uopće nisu slabe u smislu da ne mogu učiniti ništa izvanredno u mikrosvijetu. Oni mogu izazvati kolaps bilo koje čestice koja ima masu mirovanja, samo ako je to dozvoljeno zakonima održanja. Poštivanje poslednjeg uslova je veoma važno. Inače bi neutroni u jezgrima bili nestabilni i u prirodi ne bi bilo ničega osim vodonika. Efekti slabih interakcija javljaju se vrlo rijetko. U tom smislu, oni su prije spori nego slabi i nalik su dizaču tegova koji može podići ogromnu uteg, ali samo vrlo, vrlo sporo. Snažne (nuklearne) interakcije su najbrže interakcije, a transformacije elementarnih čestica koje izazivaju događaju se vrlo često. Elektromagnetne interakcije djeluju sporije od jakih, ali ipak nemjerljivo brže od slabih. Karakteristično vrijeme slabih interakcija je 10 -10 s naspram 10 -21 C za elektromagnetne. Međutim, pri visokim energijama sudarajućih čestica od 100 milijardi elektron volti, slabe interakcije prestaju biti slabe u odnosu na elektromagnetne.

Kako dolazi do slabih interakcija Dugo se vjerovalo da se slabe interakcije javljaju između četiri čestice u jednoj tački. U slučaju raspada neutrona, to su sam neutron, proton, elektron i antineutrino. Odgovarajuću kvantnu teoriju slabih interakcija konstruirali su E. Fermi, R. Feynman i drugi naučnici. Istina, na osnovu općih razmatranja o jedinstvu prirodnih sila, sugerirano je da se slabe interakcije, kao i sve druge, trebaju odvijati kroz neku vrstu „slabog“ polja. Shodno tome, moraju postojati kvanti ovog polja - čestice - nosioci interakcije. Ali nije bilo eksperimentalnih dokaza o tome.

Novi i važan korak u razvoju teorije slabih interakcija napravljen je 60-ih godina. Američki fizičari S. Weinberg, S. Glashow i pakistanski naučnik A. Salam, koji su radili u Trstu. Iznijeli su hrabru hipotezu o jedinstvu slabih i elektromagnetnih interakcija. Hipoteza Weinberga, Glashowa i Salama zasnovana je na ranije iznesenoj pretpostavci da se slabe interakcije provode razmjenom čestica, nazvanih srednji ili vektorski bozoni, tri tipa: W +, W – i Z 0. Prve dvije čestice nose naboj jednak elementarnom, a treća je neutralna.

Suština nove hipoteze je sljedeća: priroda slabe i elektromagnetske interakcije je ista u smislu da je na najdubljem nivou njihova prava snaga ista i da međubozoni stupaju u interakciju sa svim česticama na malim udaljenostima na isti način kao fotona sa naelektrisanim česticama. Shodno tome, na vrlo malim udaljenostima, slabe interakcije bi se trebale manifestirati istom snagom kao i elektromagnetne. Zašto onda ove interakcije još uvijek opravdavaju svoje ime? Zašto se procesi koje oni izazivaju odvijaju mnogo sporije od elektromagnetnih procesa? Radijus slabih interakcija je mnogo manji od polumjera elektromagnetnih interakcija. Zbog toga izgledaju slabije od elektromagnetnih.