1. dia

Elemi részecskék

Önkormányzati költségvetési nem szabványos oktatási intézmény "G. Kh. Tasirov, Belovo város 1. számú gimnázium"

Prezentáció fizika órára 11. osztályban (profilszinten)

Elkészítette: Popova I.A., fizikatanár

Belovo, 2012

2. dia

Bevezetés az elemi részecskék fizikába és a témával kapcsolatos ismeretek rendszerezése. A tanulók elvont, ökológiai és tudományos gondolkodásának fejlesztése az elemi részecskékről és kölcsönhatásaikról alkotott elképzelések alapján

3. dia

Hány elem van a periódusos rendszerben?

Csak 92. Hogyan? Van több is? Igaz, de a többit mesterségesen állítják elő, a természetben nem fordul elő. Tehát - 92 atom. Molekulákat is lehet belőlük készíteni, pl. anyagok! De azt a tényt, hogy minden anyag atomokból áll, Démokritosz (Kr. e. 400) állította. Nagy utazó volt, és kedvenc mondása ez volt:

"Semmi sem létezik, csak az atomok és a tiszta tér, minden más csak kilátás."

4. dia

Antirészecske - olyan részecske, amelynek tömege és spinje azonos, de minden típusú töltés ellentétes értékkel rendelkezik;

A részecskefizika idővonala

Minden elemi részecskének megvan a maga antirészecskéje

5. dia

Mindezek a részecskék instabilok voltak, azaz. kisebb tömegű részecskékre bomlik, végül stabil protonokká, elektronokká, fotonokká és neutrínókká (és antirészecskéivé) válnak.

Az elméleti fizikusok szembesültek a legnehezebb feladattal, hogy a teljes felfedezett részecskék „állatkertjét” rendezzék, és megpróbálják minimálisra csökkenteni az alapvető részecskék számát, bebizonyítva, hogy más részecskék alapvető részecskékből állnak.

6. dia

7. dia

Hogyan lehet felismerni egy elemi részecskét?

Általában a részecskék által hagyott nyomokat (pályákat vagy nyomokat) fényképek segítségével tanulmányozzák és elemzik.

8. dia

Az elemi részecskék osztályozása

Minden részecske két osztályba sorolható: Fermionok, amelyek anyagot alkotnak; Bozonok, amelyeken keresztül kölcsönhatás lép fel.

9. dia

A fermionokat leptonokra és kvarkokra osztják.

A kvarkok részt vesznek az erős kölcsönhatásokban, valamint a gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokban.

10. dia

Gell-Mann és Georg Zweig 1964-ben javasolta a kvark modellt. Pauli-elv: az egymással összefüggő részecskék rendszerében soha nem létezik legalább két azonos paraméterű részecske, ha ezeknek a részecskéknek félegészes spinük van.

M. Gell-Mann egy konferencián 2007-ben

11. dia

Mi az a spin?

A spin megmutatja, hogy van egy állapottér, amelynek semmi köze egy részecske mozgásához a közönséges térben; A pörgést (angol nyelvről pörgésre - pörgésre) gyakran a „gyorsan forgó felső” szögimpulzusához hasonlítják – ez nem igaz! A spin egy részecske belső kvantumjellemzője, amelynek nincs analógja a klasszikus mechanikában;

A spin (az angol spin - twirl, rotation szóból) az elemi részecskék belső szögimpulzusa, amely kvantum jellegű, és nem kapcsolódik a részecske egészének mozgásához.

12. dia

13. dia

14. dia

A fizikai interakció négy típusa

gravitációs, elektromágneses, gyenge, erős.

Gyenge kölcsönhatás - megváltoztatja a részecskék belső természetét. Az erős kölcsönhatások meghatározzák a különböző nukleáris reakciókat, valamint olyan erők megjelenését, amelyek az atommagokban neutronokat és protonokat kötnek meg.

A kölcsönhatások mechanizmusa ugyanaz: más részecskék cseréje miatt - a kölcsönhatás hordozói.

15. dia

Elektromágneses kölcsönhatás: hordozó - foton. Gravitációs kölcsönhatás: hordozók - gravitációs térkvantumok - gravitonok. Gyenge kölcsönhatások: hordozók - vektorbozonok. Erős kölcsönhatások hordozói: gluonok (az angol ragasztó szóból), nullával egyenlő nyugalmi tömeggel.

Mind a fotonoknak, mind a gravitonoknak nincs tömegük (nyugalmi tömegük), és mindig fénysebességgel mozognak.

A gyenge kölcsönhatáshordozók és a fotonok és gravitonok közötti jelentős különbség a tömegük.

16. dia

A kvarkok tulajdonságai

Kvark szupermultipletek (triád és antitriád )

17. dia

A kvarkoknak van egy színtöltés nevű tulajdonságuk. Háromféle színtöltés létezik, amelyeket hagyományosan kéknek, zöldnek és pirosnak neveznek. Minden színnek van egy kiegészítője a saját ellenszíne formájában - anti-kék, anti-zöld és anti-vörös. A kvarkokkal ellentétben az antikvarkoknak nem színük van, hanem antiszínük, vagyis ellentétes színtöltésük.

A kvarkok tulajdonságai: szín

18. dia

A kvarkoknak két fő tömegtípusa van, amelyek nagysága nem esik egybe: a jelenlegi kvark tömeg, amelyet a négyzetes impulzus jelentős átadásával járó folyamatokban becsülnek meg, és a szerkezeti tömeg (tömb, alkotó tömeg); magában foglalja a kvark körüli gluonmező tömegét is, és a hadronok tömegéből és kvarkösszetételükből becsülik.

A kvarkok tulajdonságai: tömeg

19. dia

A kvark minden ízét (típusát) olyan kvantumszámok jellemzik, mint izospin Iz, furcsaság S, varázs C, báj (alja, szépség) B′, igazság (felszín) T.

A kvarkok tulajdonságai: íz

20. dia

23. dia

24. dia

25. dia

26. dia

27. dia

Milyen nukleáris folyamatok termelnek neutrínókat?

A. α - bomlás során. B. A β - bomlás során. B. Amikor γ - kvantumokat bocsátanak ki. D. Bármilyen nukleáris átalakulás során

28. dia

29. dia

A proton a...

A. . . .neutron, pozitron és neutrínó. B. . . .mezonok. BAN BEN. . . .kvarkok. D. A protonnak nincsenek alkotórészei.

30. dia

A neutron a...

A. . . .proton, elektron és neutrínó. B. . . .mezonok. BAN BEN. . . . kvarkok. D. A neutronnak nincsenek alkotórészei.

2. A kölcsönhatás szempontjából minden részecskét három típusra osztanak: A. Mezonok, fotonok és leptonok. B. Fotonok, leptonok és barionok. B. Fotonok, leptonok és hadronok.

3. Mi a fő tényező az elemi részecskék létezésében? A. Kölcsönös átalakulás. B. Stabilitás. B. A részecskék egymás közötti kölcsönhatása.

4. Milyen kölcsönhatások határozzák meg az atommagok stabilitását az atomokban? A. Gravitációs. B. Elektromágneses. B. Nukleáris. D. Gyenge.

34. dia

6. Az anyag elektromágneses térré alakulásának valósága: A. Egy elektron és egy pozitron megsemmisülésének tapasztalata igazolja. B. Egy elektron és egy proton megsemmisítési kísérlete megerősítette.

7. Az anyag mezővé való átalakulásának reakciója: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.

8. Milyen kölcsönhatás felelős az elemi részecskék egymásba való átalakulásáért? A. Erős interakció. B. Gravitációs. B. Gyenge kölcsönhatás D. Erős, gyenge, elektromágneses.

Válaszok: B; BAN BEN; A; BAN BEN; B; A; BAN BEN; G.

5. Vannak-e változatlan részecskék a természetben? A. Vannak. B. Nem léteznek.

35. dia

Irodalom

Elemi részecskék periodikus rendszere / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ishkhanov B.S. , Kabin E.I. A magok és részecskék fizikája, XX. század / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html elemi részecskék táblázata / http://lib.kemtipp.ru/lib/27/48.htm Részecskék és antirészecskék / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Elemi részecskék. kézikönyv > kémiai enciklopédia / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Az elemi részecskék fizikája / 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 Az atommag és az elemi részecskék fizikája. A tudás hatalom. / http://znaniya-sila.narod.ru/physics/physics_atom_04.htm Quark. A Wikipedia anyaga - a szabad enciklopédia / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2. A kvarkokról. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm A szivárvány harmóniája / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

1 csúszda

Elemi részecskék Városi költségvetési nem szabványos oktatási intézmény "Belovo város Tasirov G.Kh. 1. számú gimnáziuma" Prezentáció egy fizikaórához a 11. osztályban (profilszint) Elkészítette: Popova I.A., Belovo fizikatanár, 2012

2 csúszda

Cél: Az elemi részecskék fizikájának megismertetése és a témával kapcsolatos ismeretek rendszerezése. A tanulók elvont, ökológiai és tudományos gondolkodásának fejlesztése az elemi részecskékről és kölcsönhatásaikról alkotott elképzelések alapján

3 csúszda

Hány elem van a periódusos rendszerben? Csak 92. Hogyan? Van több is? Igaz, de a többit mesterségesen állítják elő, a természetben nem fordul elő. Tehát - 92 atom. Molekulákat is lehet belőlük készíteni, pl. anyagok! De azt a tényt, hogy minden anyag atomokból áll, Démokritosz (Kr. e. 400) állította. Nagy utazó volt, és kedvenc mondása ez volt: „Semmi sem létezik, csak az atomok és a tiszta tér, minden más csak kilátás.”

4 csúszda

Antirészecske - olyan részecske, amelynek tömege és spinje azonos, de minden típusú töltés ellentétes értékkel rendelkezik; A részecskefizika kronológiája Minden elemi részecskének megvan a maga antirészecske Dátum A tudós neve Felfedezés (hipotézis) Kr.e. 400. Démokritosz atom XX. század eleje. Thomson Electron 1910 E. Rutherford Proton 1928 Dirac és Anderson A pozitron felfedezése 1928 A. Einstein Photon 1929 P. Dirac Az antirészecskék létezésének előrejelzése 1931 Pauli A neutrínók és antineutrínók felfedezése 1932 J. positron W1 -9ck3 Nesitron anti-1 -9ck3 Pauli A neutrínók létezésének előrejelzése 1935 Yukawa A mezon felfedezése

5 csúszda

A részecskefizika kronológiája Mindezek a részecskék instabilak voltak, i.e. kisebb tömegű részecskékre bomlik, végül stabil protonokká, elektronokká, fotonokká és neutrínókká (és ezek antirészecskéivé) váltak. Az elméleti fizikusok azzal a legnehezebb feladattal álltak szemben, hogy a teljes felfedezett részecskék „állatkertjét” rendezzék, és megpróbálják a minimálisra csökkenteni az alapvető részecskék számát, bebizonyítva, hogy más részecskék alapvető részecskékből állnak. Dátum Felfedezés (hipotézis) Második szakasz 1947 Felfedezés a π-mezonár a kozmikus sugarakban Az 1960-as évek eleje előtt Több száz új elemi részecskét fedeztek fel, tömegük 140 MeV és 2 GeV között volt.

6 csúszda

A részecskefizika kronológiája Ez a modell mára a részecskekölcsönhatások összes ismert típusának koherens elméletévé vált. Dátum A tudós neve Felfedezés (hipotézis) Harmadik szakasz 1962 M. Gell-Manni önállóan J. Zweig Javasolt egy modellt az erősen kölcsönható részecskék szerkezetére alapvető részecskékből - kvarkokból 1995 Az utolsó várt felfedezés, a hatodik kvark

7 csúszda

Hogyan lehet felismerni egy elemi részecskét? Általában a részecskék által hagyott nyomokat (pályákat vagy nyomokat) fényképek segítségével tanulmányozzák és elemzik.

8 csúszda

Az elemi részecskék osztályozása Minden részecske két osztályba sorolható: Fermionok, amelyek anyagot alkotnak; Bozonok, amelyeken keresztül kölcsönhatás lép fel.

9. dia

Az elemi részecskék osztályozása A fermionokat leptonokra, kvarkokra osztják. A kvarkok részt vesznek az erős kölcsönhatásokban, valamint a gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokban.

10 csúszda

Kvarkok Gell-Mann és Georg Zweig 1964-ben javasolták a kvark modellt. Pauli-elv: az egymással összefüggő részecskék egy rendszerében soha nem létezik legalább két azonos paraméterű részecske, ha ezeknek a részecskéknek a spinje félegész szám. M. Gell-Mann egy konferencián 2007-ben

11 csúszda

Mi az a spin? A spin megmutatja, hogy van egy állapottér, amelynek semmi köze egy részecske mozgásához a közönséges térben; A pörgést (angol nyelvről pörgésre - pörgésre) gyakran a „gyorsan forgó felső” szögimpulzusához hasonlítják – ez nem igaz! A spin egy részecske belső kvantumjellemzője, amelynek nincs analógja a klasszikus mechanikában; A spin (az angol spin - twirl, rotation szóból) az elemi részecskék belső szögimpulzusa, amely kvantum jellegű, és nem kapcsolódik a részecske egészének mozgásához.

12 csúszda

Egyes mikrorészecskék spinjei Spin A részecskék általános neve Példák 0 skaláris részecskék π-mezonok, K-mezonok, Higgs-bozon, atomok és magok 4He, páros-páros magok, parapozitrónium 1/2 spinor részecskék elektron, kvark, proton, neutron, atomok ill. magok 3He 1 vektor részecskék foton, gluon, vektor mezonok, ortopositronium 3/2 spin-vektor részecskék Δ-izobárok 2 tenzorrészecskék graviton, tenzor mezonok

13. dia

Kvarkok A kvarkok erős kölcsönhatásokban, valamint gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokban vesznek részt. A kvarkok töltései töredékesek - -1/3e-tól +2/3e-ig (e az elektron töltése). A mai Univerzumban a kvarkok csak kötött állapotban léteznek – csak a hadronok részeként. Például egy proton uud, egy neutron udd.

14. dia

A fizikai kölcsönhatások négy típusa: gravitációs, elektromágneses, gyenge, erős. Gyenge kölcsönhatás - megváltoztatja a részecskék belső természetét. Az erős kölcsönhatások meghatározzák a különböző nukleáris reakciókat, valamint olyan erők megjelenését, amelyek az atommagokban neutronokat és protonokat kötnek meg. Nukleáris A kölcsönhatásoknak egyetlen mechanizmusa van: más részecskék cseréje miatt - a kölcsönhatás hordozói.

15 csúszda

Elektromágneses kölcsönhatás: hordozó - foton. Gravitációs kölcsönhatás: hordozók - gravitációs térkvantumok - gravitonok. Gyenge kölcsönhatások: hordozók - vektorbozonok. Erős kölcsönhatások hordozói: gluonok (az angol ragasztó szóból), nullával egyenlő nyugalmi tömeggel. A fizikai kölcsönhatások négy típusa Mind a fotonoknak, mind a gravitonoknak nincs tömegük (nyugalmi tömegük), és mindig fénysebességgel mozognak. A gyenge kölcsönhatáshordozók és a fotonok és gravitonok közötti jelentős különbség a tömegük. Kölcsönhatás A cselekvés sugara Áll. Gravitációs Végtelenül nagy 6,10-39 Elektromágneses Végtelenül nagy 1/137 Gyenge Nem haladja meg a 10-16 cm-t 10-14 Erős Nem haladja meg a 10-13 cm-t 1

16 csúszda

17. dia

A kvarkoknak van egy színtöltés nevű tulajdonságuk. Háromféle színtöltés létezik, amelyeket hagyományosan kéknek, zöldnek és pirosnak neveznek. Minden színnek van egy kiegészítője a saját ellenszíne formájában - anti-kék, anti-zöld és anti-vörös. A kvarkokkal ellentétben az antikvarkoknak nem színük van, hanem antiszínük, vagyis ellentétes színtöltésük. A kvarkok tulajdonságai: szín

18 csúszda

A kvarkoknak két fő tömegtípusa van, amelyek nagysága nem esik egybe: a jelenlegi kvark tömeg, amelyet a négyzetes impulzus jelentős átadásával járó folyamatokban becsülnek meg, és a szerkezeti tömeg (tömb, alkotó tömeg); magában foglalja a kvark körüli gluonmező tömegét is, és a hadronok tömegéből és kvarkösszetételükből becsülik. A kvarkok tulajdonságai: tömeg

19. dia

A kvark minden ízét (típusát) olyan kvantumszámok jellemzik, mint izospin Iz, furcsaság S, varázs C, báj (alja, szépség) B′, igazság (felszín) T. A kvarkok tulajdonságai: íz

20 csúszda

A kvarkok tulajdonságai: íz Szimbólum Név Töltés Tömeg Rus. angol Első generáció d lent lent −1/3 ~ 5 MeV/c² u felfelé +2/3 ~ 3 MeV/c² Második generáció s furcsa furcsa −1/3 95 ± 25 MeV/c² c elbűvölő bűbáj (elbűvölt) +2/ 3 1,8 GeV/c² Harmadik generációs b szép szépség (alul) −1/3 4,5 GeV/c² t igaz igazság (fent) +2/3 171 GeV/c²

21 dia

22 csúszda

23. dia

A kvarkok jellemzői Karakterisztika A kvark típusa d u s c b t Elektromos töltésQ -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 BarionszámB 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 ParitásP +1 +1 +1 +1 +1 +1 IsospinI 1/2 1/2 0 0 0 0 Isospin projekcióI3 - 1/ 2 +1/2 0 0 0 0 Furcsaság 0 0 -1 0 0 0 Charm c 0 0 0 +1 0 0 Alja b 0 0 0 0 -1 0 Felső t 0 0 0 0 0 +1 A hadron tömege , GeV 0,31 0,31 0,51 1,8 5 180 „Szabad” kvark tömege, GeV ~0,006 ~0,003 0,08-0,15 1,1-1,4 4,1-4,9 174+5

24 csúszda

25 csúszda

26 csúszda

27. dia

Milyen nukleáris folyamatok termelnek neutrínókat? A. α - bomlás során. B. A β - bomlás során. B. Amikor γ - kvantumokat bocsátanak ki. D. Bármilyen nukleáris átalakulás során

28 csúszda

Milyen nukleáris folyamatok termelnek antineutrínókat? A. α - bomlás során. B. A β - bomlás során. B. Amikor γ - kvantumokat bocsátanak ki. D. Bármilyen nukleáris átalakulás során

A prezentáció előnézetének használatához hozzon létre egy Google-fiókot, és jelentkezzen be: https://accounts.google.com

Diafeliratok:

ELEMI RÉSZecskék

AZ ELEMI RÉSZÉKFIZIKA FEJLŐDÉSÉNEK HÁROM SZAKASZ Amikor a görög filozófus, Démokritosz a legegyszerűbb, oszthatatlan részecskéket atomoknak nevezte (az atom szó, emlékszünk rá, oszthatatlant jelent), akkor elvileg valószínűleg nem tűnt túl bonyolultnak minden. Különféle tárgyak, növények, állatok oszthatatlan, változatlan részecskékből épülnek fel. A világban megfigyelt átalakulások az atomok egyszerű átrendeződését jelentik. A világon minden áramlik, minden változik, kivéve magukat az atomokat, amelyek változatlanok maradnak. Első szakasz. Elektrontól pozitronig 1897-1932. De a 19. század végén. felfedezték az atomok bonyolult szerkezetét, és az elektront az atom szerves részeként izolálták. Már a huszadik században felfedezték a protont és a neutront - az atommagot alkotó részecskéket. Eleinte mindezekre a részecskékre pontosan úgy tekintettek, mint Démokritoszra az atomokra: oszthatatlan és megváltoztathatatlan elsődleges esszenciáknak, a világegyetem alapvető építőköveinek tekintették őket. (Kr.e. 470 vagy 460 - 360-as évek) DEMOCRITUS

Második szakasz. A pozitrontól a kvarkokig 1932-1970. AZ ELEMI RÉSZECSKIFIZIKA FEJLŐDÉSÉNEK HÁROM SZAKASZ A vonzó tisztaság helyzete nem tartott sokáig. Minden sokkal bonyolultabbnak bizonyult: mint kiderült, egyáltalán nincsenek változatlan részecskék. Maga az elemi szó kettős jelentésű. Egyrészt az elemi magától értetődő, a legegyszerűbb. Másrészt az elemi alatt valami alapvető dolgot értünk, ami a dolgok alapja (ebben az értelemben nevezik a szubatomi részecskéket (azokat a részecskéket, amelyekből az atomok keletkeznek) ma eleminek). A következő egyszerű tény megakadályozza, hogy a jelenleg ismert elemi részecskéket Démokritosz változatlan atomjaihoz hasonlónak tekintsük. Egyik részecske sem halhatatlan. A legtöbb ma eleminek nevezett részecske nem tud életben maradni két milliomod másodpercnél tovább, még külső hatás hiányában sem. Csak négy részecske – foton, elektron, proton és neutrínó – maradhatna változatlan, ha mindegyik egyedül lenne az egész világon.

De az elektronoknak és protonoknak vannak a legveszélyesebb testvérei, a pozitronok és az antiprotonok, amikor velük ütköznek, ezek a részecskék kölcsönösen elpusztulnak, és újak keletkeznek. Az asztali lámpa által kibocsátott foton legfeljebb 10-8 másodpercig tart. Ennyi idő kell ahhoz, hogy elérje a könyv oldalát, és elnyelje a papír. Csak a neutrínó szinte halhatatlan, mivel rendkívül gyengén lép kölcsönhatásba más részecskékkel. Azonban a neutrínók is meghalnak, amikor más részecskékkel ütköznek, bár az ilyen ütközések rendkívül ritkák. Így a tudósok az örökkévaló törekvésben, hogy megtalálják a megváltoztathatatlant változó világunkban, nem „gránit alapon”, hanem „gyors homokon” találták magukat. Minden elemi részecske átalakul egymással, és ezek a kölcsönös átalakulások a létezésük fő ténye.

Az elemi részecskék megváltoztathatatlanságának gondolata tarthatatlannak bizonyult. De felbonthatatlanságuk gondolata megmaradt. Az elemi részecskék már nem oszthatatlanok, de tulajdonságaikban kimeríthetetlenek. Amikor ultra-nagy energiájú részecskék ütköznek, a részecskék nem bomlanak fel olyasmire, amit alkotórészeiknek nevezhetnénk. Nem, új részecskéket szülnek azok közül, amelyek már szerepelnek az elemi részecskék listáján. Minél nagyobb az ütköző részecskék energiája, annál nagyobb számban, ráadásul nehezebb részecskék születnek. Ez annak köszönhető, hogy a sebesség növekedésével a részecskék tömege nő. Bármely megnövelt tömegű részecskepárból elvileg az összes jelenleg ismert részecske kinyerhető. Egy 60 milliárd eV energiájú szénatommag (vastag felső vonal) és egy fényképészeti emulzió ezüst atommagjának ütközésének eredménye. A mag töredékekre bomlik, amelyek különböző irányokba repülnek. Ugyanakkor sok új elemi részecske – pion – születik. A világon először 1976-ban hajtottak végre hasonló reakciókat a gyorsítóban előállított relativisztikus atommagok ütközésénél a dubnai Közös Nukleáris Kutatóintézet Nagyenergiájú Laboratóriumában A. M. Baldin akadémikus vezetésével.

Természetesen a részecskék ütközésekor olyan energiával, amely még nem áll rendelkezésre, néhány új, ismeretlen részecske is megszületik. De ez a dolog lényegén nem változtat. Az ütközések során keletkezett új részecskék semmiképpen sem tekinthetők a „szülő” részecskék összetevőinek; Hiszen a „leány” részecskék, ha felgyorsítják őket, természetük megváltoztatása nélkül, csak tömegük növelésével viszont ütközések során több olyan részecskét is előidézhetnek, amelyek pontosan megegyeznek a „szüleik”-vel, sőt sok ilyen. egyéb részecskék. A modern fogalmak szerint az elemi részecskék az elsődleges, lebonthatatlan részecskék, amelyekből minden anyag felépül. Az elemi részecskék oszthatatlansága azonban nem jelenti azt, hogy ne lenne belső szerkezetük.

Harmadik szakasz. A kvark hipotézistől napjainkig. AZ ELEMI RÉSZÉKFIZIKA FEJLŐDÉSÉNEK HÁROM SZAKASZ 1964 - ... A 60-as években. kétségek merültek fel, hogy minden ma eleminek nevezett részecske teljes mértékben igazolja a nevét. Némelyikük, talán a legtöbbjük aligha méltán viseli ezt a nevet. A kétely oka egyszerű: sok ilyen részecske van.

Egy új elemi részecske felfedezése mindig is a tudomány kiemelkedő diadala volt és továbbra is az. De elég régen minden egymást követő diadalba belekeveredett a szorongás is. A diadalok szó szerint egymás után következtek. Felfedezték az úgynevezett „furcsa” részecskék csoportját: K-mezonokat és hiperonokat, amelyek tömege meghaladja a nukleonok tömegét. A 70-es években még nagyobb tömegű „elbűvölő” részecskék nagy csoportja került hozzájuk. Rendkívül rövid életű részecskéket fedeztek fel, amelyek élettartama 10 -22 -10 -23 s nagyságrendű. Ezeket a részecskéket rezonanciáknak nevezték, és számuk meghaladta a kétszázat. 1964-ben M. Gell-Mann és J. Zweig olyan modellt javasolt, amely szerint minden erős (nukleáris) kölcsönhatásban részt vevő részecske alapvetőbb (vagy elsődleges) részecskékből - kvarkokból - épül fel. Jelenleg szinte senki sem kételkedik a kvarkok valóságában, bár szabad állapotban nem fedezték fel őket.

A POZITRON FELFEDEZÉSE. ANTI-RÉSZecskék Az elektron ikertestvérének, a pozitronnak a létezését elméletileg P. Dirac angol fizikus jósolta meg 1931-ben. Paul Dirac (1902-1984) Paul Adrien Maurice Dirac - angol fizikus, a kvantummechanika egyik megalkotója, külföldi a Szovjetunió Tudományos Akadémia levelező tagja (1931). Kvantumstatisztika fejlesztése (Fermi-Dirac statisztika); az elektronmozgás relativisztikus elmélete (Dirac-egyenlet, 1928), amely megjósolta a pozitront, valamint az annihilációt és a párképzést. Lefektette a kvantumelektrodinamika és a gravitációs kvantumelmélet alapjait. Nobel-díj (1933, Erwin Schrödingerrel közösen). Ugyanakkor Dirac megjósolta, hogy amikor egy pozitron találkozik az elektronnal, mindkét részecske eltűnik (megsemmisül), nagy energiájú fotonokat generálva. Fordított folyamat is előfordulhat - elektron-pozitron pár születése - például, amikor egy kellően nagy energiájú foton (tömegének nagyobbnak kell lennie, mint a születő részecskék nyugalmi tömegének összege) ütközik egy atommaggal.

1932 A pozitront egy mágneses térbe helyezett felhőkamra segítségével fedezték fel. A részecskepálya görbületi irányát a töltésének előjele jelezte, töltésének a tömeghez viszonyított arányát pedig a részecske görbületi sugarából és energiájából határoztuk meg. Kiderült, hogy modulusa megegyezik az elektronéval. Az első fénykép, amely bizonyította a pozitron létezését. A részecske alulról felfelé mozgott, és az ólomlemezen áthaladva elvesztette energiájának egy részét. Emiatt megnőtt a pálya görbülete.

Az elektron-pozitron pár létrehozásának folyamata ɣ-kvantum segítségével egy ólomlemezben. A mágneses térben elhelyezkedő felhőkamrában a pár jellegzetes nyomot hagy kétszarvú villa formájában. Az a tény, hogy egyes részecskék eltűnése (megsemmisülése), mások megjelenése az elemi részecskék közötti reakciók során éppen átalakulás, és nem csupán a régi részecskék alkotórészeinek új kombinációjának kialakulása, különösen egyértelműen az a tény, elektron-pozitron pár megsemmisítése. Mindkét részecske nyugalmi tömeggel és elektromos töltéssel rendelkezik. Az ebben az esetben megszülető fotonoknak nincs töltésük és nincs nyugalmi tömegük, mivel nem létezhetnek nyugalmi állapotban.

Egy időben az elektron-pozitron párok születésének és megsemmisülésének felfedezése igazi szenzációt keltett a tudományban. Addig senki sem gondolta, hogy az elektron, a részecskék legrégebbi része, az atomok legfontosabb építőanyaga, talán nem örökkévaló. Ezt követően minden részecskében ikreket (antirészecskéket) találtak. Az antirészecskék éppen azért állnak szemben a részecskékkel, mert amikor bármely részecske találkozik a megfelelő antirészecskével, megsemmisülésük következik be, azaz mindkét részecske eltűnik, sugárzási kvantummá vagy más részecskévé alakulva. Az antiprotont és az antineutront viszonylag nemrég fedezték fel. Az antiproton elektromos töltése negatív.

Azok az atomok, amelyek magja antinukleonokból és pozitronok héjából áll, antianyagot alkotnak. Az antihidrogént kísérleti úton kaptuk. 1995-ben először sikerült antihidrogénatomokat előállítani, amelyek egy antiprotonból és egy pozitronból álltak, de ezek gyorsan megsemmisültek, ami lehetetlenné tette tulajdonságaik tanulmányozását. A nukleáris tudósoknak most sikerült összeállítaniuk egy komplex mágneses teret létrehozó elrendezést, amely lehetővé teszi a korábban megfoghatatlan atomok megtartását. És bár az antihidrogén felvételének ideje csak egytized másodperc volt, a tudósok szerint ez elegendő a spektrumok felvételéhez és a részecskék részletes vizsgálatához. Az ALPHA együttműködésből származó CERN fizikusoknak 1000 másodpercig sikerült megvédeniük az antianyag részecskéket a megsemmisüléstől.Az antihidrogént, amellyel a tudósok dolgoztak, több tízmillió antiprotonból és pozitronból nyerték, amelyek forrása a 22 Na nátrium-izotóp volt. Ezt követte a többlépcsős takarítás. Ezt követően több ezer antianyag atom esett mágneses csapdába.

Az antianyag anyaggal történő megsemmisítése során a nyugalmi energia a keletkező gamma-kvantumok mozgási energiájává alakul. A nyugalmi energia az Univerzum legnagyobb és legkoncentráltabb energiatárolója. És csak a megsemmisülés során szabadul fel teljesen, más típusú energiává alakulva. Ezért az antianyag a legtökéletesebb energiaforrás, a legtöbb kalóriatartalmú „üzemanyag”. Nehéz most megmondani, hogy az emberiség valaha is képes lesz-e használni ezt az „üzemanyagot”.

NEUTRON BOMLÁS. A NEUTRIÓ FELFEDEZÉSE A β-bomlás természete Miután az elektron elhagyja az atommagot, az atommag töltése, így a protonok száma eggyel megnő. A mag tömegszáma nem változik. Ez azt jelenti, hogy a neutronok száma eggyel csökken. Következésképpen a β-radioaktív atommagok belsejében egy neutron képes protonná és elektronná bomlani. A proton az atommagban marad, az elektron pedig kirepül. Csak a stabil atommagokban stabilak a neutronok. A béta-bomlás során az atommagból elektron bocsát ki. De az atommagban nincs elektron. Honnan származik? De itt van a furcsa. Abszolút azonos atommagok különböző energiájú elektronokat bocsátanak ki. Az újonnan képződött atommagok azonban teljesen azonosak, függetlenül attól, hogy mekkora a kibocsátott elektron energiája. Ez ellentmond az energiamegmaradás törvényének – a legalapvetőbb fizikai törvénynek! Kiderül, hogy a kiindulási atommag energiája nem egyenlő a végső mag és az elektron energiáinak összegével!!!

Pauli-hipotézis W. Pauli svájci fizikus azt javasolta, hogy egy protonnal és egy elektronnal együtt a neutron bomlása során valamiféle „láthatatlan” részecske születik, amely elviszi a hiányzó energiát. Ezt a részecskét nem észlelik a műszerek, mert nem hordoz elektromos töltést és nincs nyugalmi tömege. Ez azt jelenti, hogy nem képes atomokat ionizálni vagy atommagokat felhasítani, azaz nem tud olyan hatásokat okozni, amelyek alapján egy részecske megjelenését meg lehet ítélni. Pauli azt javasolta, hogy a hipotetikus részecske egyszerűen nagyon gyengén kölcsönhatásba lép az anyaggal, ezért nagy vastagságú anyagon képes átjutni anélkül, hogy észlelnék.

Fermi ezt a részecskét neutrínónak nevezte, ami „neutront” jelent. A neutrínó nyugalmi tömege, ahogy Pauli megjósolta, nullának bizonyult. E szavak mögött egy egyszerű jelentés rejlik: nincsenek nyugalmi neutrínók. Alig volt ideje megszületni, a neutrínó azonnal 300 000 km/s-os sebességgel mozog. Kiszámoltuk, hogyan lépnek kölcsönhatásba a neutrínók az anyaggal egy bizonyos vastagságú rétegben. Az eredmény korántsem bizonyult megnyugtatónak a részecske kísérleti kimutatásának lehetőségét illetően. A neutrínó ólomban több év alatt megteheti a fény által vákuumban megtett távolságot.

SZABAD NEUTRON BOMLÁS A neutrínók szerepe nem korlátozódik az atommagok β-bomlásának magyarázatára. Sok szabad állapotú elemi részecske neutrínók kibocsátásával spontán elbomlik. Pontosan így viselkedik a neutron. Csak az atommagokban szerez stabilitást a neutron a többi nukleonnal való kölcsönhatás következtében. Egy szabad neutron átlagosan 16 percig él. Ezt kísérletileg csak azután igazolták, hogy olyan atomreaktorokat építettek, amelyek erőteljes neutronsugarat termeltek. A neutrínóban (ν szimbólum) van egy antineutrínó nevű antirészecske (a ν szimbólum egy oszloppal). Amikor egy neutron protonná és elektronná bomlik, az antineutrínó bocsátódik ki: A neutron energiája mindig nagyobb, mint a proton és az elektron energiáinak összege. A felesleges energiát az antineutrínó elviszi.

A neutrínók kísérleti felfedezése Megfoghatatlansága ellenére a neutrínókat (pontosabban antineutrínókat) a tudományos folyóiratokban eltöltött közel 26 évnyi „szellemlétük” után kísérleti úton fedezték fel. Az elmélet azt jósolta, hogy amikor egy antineutrínó eltalál egy protont, megjelenik egy pozitron és egy neutron: + Egy ilyen folyamat valószínűsége kicsi az antineutrínó szörnyű áthatoló képessége miatt. De ha sok az antineutrínó, akkor remélhetjük, hogy észleljük őket.

Baksan Neutrino Állomás A kaukázusi Baksan-szorosban egy monolit kőzetben két kilométeres alagutat alakítottak ki, és tudományos laboratóriumot építettek, amelyet több kilométer vastag szikla véd a kozmikus sugaraktól. A laboratóriumban a napneutrínók és az űrből származó neutrínók rögzítésére szolgáló berendezések találhatók.

KÖZÉPSŐ BOSONOK - GYENGE Kölcsönhatások hordozói A neutron protonná, elektronná és antineutrínóvá bomlását nem okozhatják magerők, mivel az elektron nem él át erős kölcsönhatásokat, ezért ezek hatására nem is születhet. Az elektronok születése elektromágneses erők hatására lehetséges. De van egy antineutrínó is, amely mentes az elektromos töltéstől, és nem vesz részt az elektromágneses kölcsönhatásokban. Ugyanez a helyzet áll elő a π-mezonok és más részecskék bomlásakor, neutrínók vagy antineutrínók kibocsátásával. Ezért bizonyos más kölcsönhatások is felelősek a neutron (és sok más részecske) bomlásáért. Ez valójában igaz. A természetben létezik egy negyedik típusú erő – a gyenge kölcsönhatások. Ezek az erők a részecskék halálának tragédiájának főszereplői.

Ezeket a kölcsönhatásokat gyengének nevezzük, mert valóban gyengék: körülbelül 10-14-szer gyengébbek, mint a nukleárisak! Mindig elhanyagolhatóak, ahol erős vagy elektromágneses kölcsönhatás lép fel. De sok olyan folyamat van, amelyet csak gyenge kölcsönhatások idézhetnek elő. Kis értéke miatt a gyenge kölcsönhatások nem befolyásolják jelentősen a részecskék mozgását. Nem gyorsítják vagy lassítják őket. A gyenge kölcsönhatások nem képesek egyetlen részecskét sem egymás közelében tartani, hogy kötött állapotokat hozzanak létre. Mindazonáltal ezek ugyanolyan értelemben vett erők, mint az elektromágneses és a nukleáris erők. Minden interakcióban a legfontosabb a részecskék születése és megsemmisülése. Ugyanis ezeket a funkciókat (különösen az utolsót) gyenge interakciók látják el lassan, de abszolút szigorúan.

A gyenge interakciók egyáltalán nem ritkák. Éppen ellenkezőleg, rendkívül UNIVERZÁLIS. Minden részecske részt vesz bennük. Minden részecskének van töltése, pontosabban a gyenge kölcsönhatások állandója. De csak az egyéb kölcsönhatásokban részt vevő részecskék esetében a gyenge kölcsönhatások képessége nem fontos. Csak a neutrínók nem képesek a gyengéken kívül más kölcsönhatásra (kivéve az ultragyengéket - a gravitációsakat). A gyenge kölcsönhatások szerepe az Univerzum evolúciójában egyáltalán nem kicsi. Ha a gyenge kölcsönhatásokat kikapcsolják, a Nap és más csillagok kialszanak.

A „gyors” és „lassú” jobb, mint az „erős” és a „gyenge”. A gyenge interakciók egyáltalán nem gyengék abban az értelemben, hogy a mikrovilágban semmi kiemelkedőt nem tudnak tenni. Bármely nyugalmi tömegű részecske összeomlását okozhatják, ha csak ezt a megmaradási törvények megengedik. Az utolsó feltételnek való megfelelés nagyon fontos. Ellenkező esetben a neutronok az atommagokban instabilok lennének, és a hidrogénen kívül semmi sem létezne a természetben. A gyenge kölcsönhatások hatásai nagyon ritkán jelentkeznek. Ebben az értelemben inkább lassúak, mint gyengék, és olyanok, mint egy súlyemelő, aki képes felemelni egy hatalmas súlyzót, de csak nagyon-nagyon lassan. Az erős (nukleáris) kölcsönhatások a leggyorsabb kölcsönhatások, és az általuk okozott elemi részecskék átalakulásai nagyon gyakran előfordulnak. Az elektromágneses kölcsönhatások lassabban működnek, mint az erősek, de mérhetetlenül gyorsabban, mint a gyengék. A gyenge kölcsönhatások jellemző ideje 10 -10 s, szemben az elektromágnesesek 10 -21 C-kal. Az ütköző részecskék nagy energiáinál, százmilliárd elektronvoltos nagyságrendben azonban a gyenge kölcsönhatások már nem gyengék az elektromágnesesekhez képest.

Hogyan lépnek fel a gyenge kölcsönhatások Sokáig azt hitték, hogy négy részecske között egy ponton gyenge kölcsönhatás lép fel. Neutronbomlás esetén ezek maga a neutron, egy proton, egy elektron és egy antineutrínó. A gyenge kölcsönhatások megfelelő kvantumelméletét E. Fermi, R. Feynman és más tudósok alkották meg. Igaz, a természeti erők egységével kapcsolatos általános megfontolások alapján azt javasolták, hogy a gyenge kölcsönhatásokat, mint minden mást, valamilyen „gyenge” mezőn keresztül kell végrehajtani. Ennek megfelelően kell lennie ennek a mezőnek kvantumainak - részecskéinek - a kölcsönhatás hordozóinak. De erre nem volt kísérleti bizonyíték.

A 60-as években új és fontos lépést tettek a gyenge kölcsönhatások elméletének fejlesztésében. S. Weinberg amerikai fizikusok, S. Glashow és A. Salam pakisztáni tudós, aki Triesztben dolgozott. Merész hipotézist állítottak fel a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások egységéről. Weinberg, Glashow és Salam hipotézise azon a korábban megfogalmazott feltételezésen alapult, hogy a gyenge kölcsönhatások háromféle részecskék, úgynevezett köztes vagy vektorbozonok cseréjével jönnek létre: W +, W – és Z 0. Az első két részecske töltése megegyezik az elemivel, a harmadik pedig semleges.

Az új hipotézis lényege a következő: a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások természete megegyezik abban az értelemben, hogy a legmélyebb szinten azonos a valódi erősségük, és a közbenső bozonok kis távolságra lévő részecskékkel ugyanúgy kölcsönhatásba lépnek, mint töltött részecskékkel rendelkező fotonok. Ennek megfelelően nagyon kis távolságokon a gyenge kölcsönhatásoknak ugyanolyan erősséggel kell megnyilvánulniuk, mint az elektromágneseseknek. Miért felelnek meg ezek az interakciók a nevüknek? Miért zajlanak le sokkal lassabban az általuk okozott folyamatok, mint az elektromágneses folyamatok? A gyenge kölcsönhatások sugara sokkal kisebb, mint az elektromágneses kölcsönhatásoké. Emiatt gyengébbnek tűnnek, mint az elektromágnesesek.