Slide 1

Particule elementare

Instituție de învățământ anormală bugetară municipală „Gimnaziul nr. 1 numit după G. Kh. Tasirov din orașul Belovo”

Prezentare pentru o lecție de fizică în clasa a XI-a (nivel de profil)

Completat de: Popova I.A., profesor de fizică

Belovo, 2012

Slide 2

Introducere în fizica particulelor elementare și sistematizarea cunoștințelor pe această temă. Dezvoltarea gândirii abstracte, ecologice și științifice a elevilor bazată pe idei despre particulele elementare și interacțiunile lor

Slide 3

Câte elemente sunt în tabelul periodic?

Doar 92. Cum? Mai sunt? Adevărat, dar toate celelalte sunt obținute artificial, nu apar în natură. Deci - 92 de atomi. Din ele pot fi făcute și molecule, adică. substante! Dar faptul că toate substanțele constau din atomi a fost afirmat de Democrit (400 î.Hr.). Era un mare călător, iar zicala lui preferată era:

„Nimic nu există în afară de atomi și spațiu pur, orice altceva este o vedere”

Slide 4

Antiparticulă - o particulă care are aceeași masă și spin, dar valori opuse ale sarcinilor de toate tipurile;

Cronologie a fizicii particulelor

Fiecare particulă elementară are propria sa antiparticulă

Slide 5

Toate aceste particule erau instabile, adică. s-a degradat în particule cu mase mai mici, devenind în cele din urmă protoni, electroni, fotoni și neutrini stabili (și antiparticulele lor).

Fizicienii teoreticieni s-au confruntat cu cea mai dificilă sarcină de a ordona întreaga „grădină zoologică” descoperită de particule și de a încerca să reducă numărul de particule fundamentale la minimum, demonstrând că alte particule constau din particule fundamentale.

Slide 6

Slide 7

Cum se detectează o particulă elementară?

De obicei, urmele (traiectorii sau urmele) lăsate de particule sunt studiate și analizate cu ajutorul fotografiilor.

Slide 8

Clasificarea particulelor elementare

Toate particulele sunt împărțite în două clase: Fermioni, care alcătuiesc materia; Bosonii prin care are loc interacțiunea.

Slide 9

Fermionii sunt împărțiți în leptoni și quarci.

Quarcii participă la interacțiuni puternice, precum și la cele slabe și electromagnetice.

Slide 10

Gell-Mann și Georg Zweig au propus modelul cuarcului în 1964. Principiul Pauli: într-un sistem de particule interconectate nu există niciodată cel puțin două particule cu parametri identici dacă aceste particule au spin semiîntreg.

M. Gell-Mann la o conferință în 2007

Slide 11

Ce este spin?

Spinul demonstrează că există un spațiu de stare care nu are nimic de-a face cu mișcarea unei particule în spațiul obișnuit; Spin (din engleză to spin - to spin) este adesea comparat cu impulsul unghiular al unui „vârf care se rotește rapid” - acest lucru nu este adevărat! Spinul este o caracteristică cuantică internă a unei particule care nu are analog în mecanica clasică;

Spin (din engleză spin - învârtire, rotație) este momentul unghiular intrinsec al particulelor elementare, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea particulei în ansamblu.

Slide 12

Slide 13

Slide 14

Patru tipuri de interacțiuni fizice

gravitațional, electromagnetic, slab, puternic.

Interacțiune slabă - modifică natura internă a particulelor. Interacțiunile puternice determină diferite reacții nucleare, precum și apariția forțelor care leagă neutronii și protonii în nuclee.

Mecanismul interacțiunilor este același: datorită schimbului de alte particule - purtători de interacțiune.

Slide 15

Interacțiune electromagnetică: purtător - foton. Interacțiune gravitațională: purtători - cuante de câmp gravitațional - gravitoni. Interacțiuni slabe: purtători - bosoni vectoriali. Purtători de interacțiuni puternice: gluoni (din limba engleză glue), cu o masă de repaus egală cu zero.

Atât fotonii, cât și gravitonii nu au masă (masă în repaus) și se mișcă întotdeauna cu viteza luminii.

O diferență semnificativă între purtătorii de interacțiune slabă și fotoni și gravitoni este masivitatea lor.

Slide 16

Proprietățile quarcurilor

Supermultipleți de cuarci (triada și antitriada )

Slide 17

Quarcii au o proprietate numită încărcare de culoare. Există trei tipuri de taxe de culoare, denumite în mod convențional albastru, verde și roșu. Fiecare culoare are un complement sub forma propriei sale anti-culoare - anti-albastru, anti-verde si anti-rosu. Spre deosebire de quarci, antiquarcii nu au culoare, ci anticolor, adică încărcătura de culoare opusă.

Proprietățile quarcurilor: culoare

Slide 18

Cuarcii au două tipuri principale de mase care nu coincid ca mărime: masa curentă a cuarcului, estimată în procese cu transfer semnificativ de 4-moment pătrat, și masa structurală (bloc, masa constitutivă); include și masa câmpului de gluoni din jurul cuarcului și este estimată din masa hadronilor și din compoziția lor de cuarc.

Proprietățile quarcurilor: masa

Slide 19

Fiecare aromă (tip) de quarc este caracterizată de numere cuantice precum isospin Iz, ciudățenie S, farmec C, farmec (fond, frumusețe) B′, adevăr (topness) T.

Proprietăți ale quarcurilor: aromă

Slide 20

Slide 23

Slide 24

Slide 25

Slide 26

Slide 27

Ce procese nucleare produc neutrini?

A. În timpul α - dezintegrare. B. În timpul β - dezintegrare. B. Când sunt emise γ - cuante. D. În timpul oricăror transformări nucleare

Slide 28

Slide 29

Un proton este format din...

A. . . .neutroni, pozitroni si neutrini. B. . . .mezoni. IN . . .quarci. D. Un proton nu are părți constitutive.

Slide 30

Un neutron este format din...

A. . . .proton, electron și neutrino. B. . . .mezoni. IN . . . quarcuri. D. Neutronul nu are părți constitutive.

2. Din punct de vedere al interacțiunii, toate particulele sunt împărțite în trei tipuri: A. Mezoni, fotoni și leptoni. B. Fotoni, leptoni și barioni. B. Fotoni, leptoni și hadroni.

3. Care este principalul factor în existența particulelor elementare? A. Transformare reciprocă. B. Stabilitate. B. Interacțiunea particulelor între ele.

4. Ce interacțiuni determină stabilitatea nucleelor ​​din atomi? A. Gravitațional. B. Electromagnetice. B. Nuclear. D. Slab.

Slide 34

6. Realitatea transformării materiei într-un câmp electromagnetic: A. Confirmată de experienţa anihilării unui electron şi a unui pozitron. B. Confirmat prin experimentul anihilării electronilor și protonilor.

7. Reacția de transformare a materiei într-un câmp: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.

8. Ce interacțiune este responsabilă pentru transformarea particulelor elementare unele în altele? A. Interacțiune puternică. B. Gravitațional. B. Interacțiune slabă D. Puternic, slab, electromagnetic.

Raspunsuri: B; ÎN; A; ÎN; B; A; ÎN; G.

5. Există particule neschimbate în natură? A. Există. B. Nu există.

Slide 35

Literatură

Sistem periodic de particule elementare / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ișhanov B.S. , Kabin E.I. Fizica nucleelor ​​și particulelor, secolul XX / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html tabelul particulelor elementare / http://lib.kemtipp.ru/lib/27/48.htm Particule și antiparticule / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Particule elementare. carte de referință > enciclopedie chimică / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Fizica particulelor elementare / 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 Fizica nucleului și a particulelor elementare. Cunoașterea este putere. / http://znaniya-sila.narod.ru/physics/physics_atom_04.htm Quark. Material de pe Wikipedia - enciclopedia liberă / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2.Despre quarci. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Armonia curcubeului / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

1 tobogan

Particule elementare Instituție de învățământ anormală bugetară municipală „Gimnaziul nr. 1 numit după Tasirov G.Kh. al orașului Belovo” Prezentare pentru o lecție de fizică în clasa a 11-a (nivel de profil) Completată de: Popova I.A., profesor de fizică Belovo, 2012

2 tobogan

Scop: Familiarizarea cu fizica particulelor elementare și sistematizarea cunoștințelor pe această temă. Dezvoltarea gândirii abstracte, ecologice și științifice a elevilor bazată pe idei despre particulele elementare și interacțiunile lor

3 slide

Câte elemente sunt în tabelul periodic? Doar 92. Cum? Mai sunt? Adevărat, dar toate celelalte sunt obținute artificial, nu apar în natură. Deci - 92 de atomi. Din ele pot fi făcute și molecule, adică. substante! Dar faptul că toate substanțele constau din atomi a fost afirmat de Democrit (400 î.Hr.). Era un mare călător, iar zicala lui preferată a fost: „Nimic nu există în afară de atomi și spațiu pur, totul este o vedere.”

4 slide

Antiparticulă - o particulă care are aceeași masă și spin, dar valori opuse ale sarcinilor de toate tipurile; Cronologia fizicii particulelor Pentru orice particulă elementară există propria sa antiparticulă Data Numele omului de știință Descoperire (ipoteză) 400 î.Hr. Atomul Democrit Începutul secolului XX. Thomson Electron 1910 E. Rutherford Proton 1928 Dirac și Anderson Descoperirea pozitronului 1928 A. Einstein Photon 1929 P. Dirac Predicția existenței antiparticulelor 1931 Pauli Descoperirea neutrinilor și antineutrinilor 1932 J. Chadwick Neutron + antiparticul 1 -9302 W. Pauli Predicția existenței neutrinilor 1935 Yukawa Descoperirea mezonului

5 slide

Cronologia fizicii particulelor Toate aceste particule au fost instabile, i.e. s-a degradat în particule cu mase mai mici, devenind în cele din urmă protoni, electroni, fotoni și neutrini stabili (și antiparticulele lor). Fizicienii teoreticieni s-au confruntat cu cea mai dificilă sarcină de a ordona întreaga „zoo” descoperită de particule și de a încerca să reducă numărul de particule fundamentale la minimum, demonstrând că alte particule constau din particule fundamentale. π-mesonarul în razele cosmice Înainte de începutul anilor 1960 Au fost descoperite câteva sute de noi particule elementare, cu mase cuprinse între 140 MeV și 2 GeV.

6 slide

Cronologia fizicii particulelor Acest model sa transformat acum într-o teorie coerentă a tuturor tipurilor cunoscute de interacțiuni ale particulelor. Data Numele omului de știință Descoperire (ipoteză) Etapa a treia 1962 M. Gell-Manni independent J. Zweig A propus un model al structurii particulelor care interacționează puternic din particulele fundamentale - cuarcuri 1995 Descoperirea ultimului dintre cei așteptați, al șaselea cuarc

7 slide

Cum se detectează o particulă elementară? De obicei, urmele (traiectorii sau urmele) lăsate de particule sunt studiate și analizate cu ajutorul fotografiilor.

8 slide

Clasificarea particulelor elementare Toate particulele se împart în două clase: Fermioni, care alcătuiesc materia; Bosonii prin care are loc interacțiunea.

Slide 9

Clasificarea particulelor elementare Fermionii sunt împărțiți în leptoni, cuarci. Quarcii participă la interacțiuni puternice, precum și la cele slabe și electromagnetice.

10 diapozitive

Quarcii Gell-Mann și Georg Zweig au propus modelul cuarcilor în 1964. Principiul Pauli: într-un sistem de particule interconectate nu există niciodată cel puțin două particule cu parametri identici dacă aceste particule au spin semiîntreg. M. Gell-Mann la o conferință în 2007

11 diapozitiv

Ce este spin? Spinul demonstrează că există un spațiu de stare care nu are nimic de-a face cu mișcarea unei particule în spațiul obișnuit; Spin (din engleză to spin - to spin) este adesea comparat cu impulsul unghiular al unui „vârf care se rotește rapid” - acest lucru nu este adevărat! Spinul este o caracteristică cuantică internă a unei particule care nu are analog în mecanica clasică; Spin (din engleză spin - învârtire, rotație) este momentul unghiular intrinsec al particulelor elementare, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea particulei în ansamblu.

12 slide

Spiri ale unor microparticule Spin Denumirea generală a particulelor Exemple 0 particule scalare π-mezoni, K-mezoni, bosonul Higgs, atomi și nuclee 4He, nuclee pare-pare, parapozitroniu 1/2 particule spinor electroni, quarci, protoni, neutroni, atomi și nuclee 3He 1 particule vector foton, gluon, vector mezoni, ortopozitroniu 3/2 spin-vector particule Δ-izobare 2 tensor particule graviton, tensor mesoni

Slide 13

Cuarcii Quarcii participă la interacțiuni puternice, precum și la cele slabe și electromagnetice. Sarcinile quarcilor sunt fracționale - de la -1/3e la +2/3e (e este sarcina electronului). Quarcii din Universul de astăzi există numai în stări legate - doar ca parte a hadronilor. De exemplu, un proton este uud, un neutron este udd.

14 slide

Patru tipuri de interacțiuni fizice sunt gravitaționale, electromagnetice, slabe, puternice. Interacțiune slabă - modifică natura internă a particulelor. Interacțiunile puternice determină diferite reacții nucleare, precum și apariția forțelor care leagă neutronii și protonii în nuclee. Nuclear Există un singur mecanism de interacțiuni: datorită schimbului de alte particule - purtători de interacțiune.

15 slide

Interacțiune electromagnetică: purtător - foton. Interacțiune gravitațională: purtători - cuante de câmp gravitațional - gravitoni. Interacțiuni slabe: purtători - bosoni vectoriali. Purtători de interacțiuni puternice: gluoni (din limba engleză glue), cu o masă de repaus egală cu zero. Patru tipuri de interacțiuni fizice Atât fotonii, cât și gravitonii nu au masă (masă în repaus) și se mișcă întotdeauna cu viteza luminii. O diferență semnificativă între purtătorii de interacțiune slabă și fotoni și gravitoni este masivitatea lor. Interacţiune Raza de acţiune Const. Gravitațional Infinit mare 6,10-39 Electromagnetic Infinit mare 1/137 Slab Nu depășește 10-16 cm 10-14 Puternic Nu depășește 10-13 cm 1

16 slide

Slide 17

Quarcii au o proprietate numită încărcare de culoare. Există trei tipuri de taxe de culoare, denumite în mod convențional albastru, verde și roșu. Fiecare culoare are un complement sub forma propriei sale anti-culoare - anti-albastru, anti-verde si anti-rosu. Spre deosebire de quarci, antiquarcii nu au culoare, ci anticolor, adică încărcătura de culoare opusă. Proprietățile quarcurilor: culoare

18 slide

Cuarcii au două tipuri principale de mase care nu coincid ca mărime: masa curentă a cuarcului, estimată în procese cu transfer semnificativ de 4-moment pătrat, și masa structurală (bloc, masa constitutivă); include și masa câmpului de gluoni din jurul cuarcului și este estimată din masa hadronilor și din compoziția lor de cuarc. Proprietățile quarcurilor: masa

Slide 19

Fiecare aromă (tip) a unui quarc este caracterizată de numere cuantice precum isospin Iz, ciudățenie S, farmec C, farmec (fond, frumusețe) B′, adevăr (topness) T. Proprietăți ale quarcurilor: aromă

20 de diapozitive

Proprietățile quarcurilor: aromă Simbol Nume Sarcină Masă Rus. Engleză Prima generație d jos în jos −1/3 ~ 5 MeV/c² u sus în sus +2/3 ~ 3 MeV/c² A doua generație ciudat ciudat −1/3 95 ± 25 MeV/c² c farmec fermecat (fermecat) +2/ 3 1,8 GeV/c² A treia generație b frumusețe minunată (jos) −1/3 4,5 GeV/c² t adevărul adevărat (sus) +2/3 171 GeV/c²

21 de diapozitive

22 slide

Slide 23

Caracteristicile quarcurilor Caracteristic Tipul de quarc d u s c b t Sarcină electricăQ -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 Număr barionB 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 ParitateP +1 +1 +1 +1 +1 +1 IsospinI 1/2 1/2 0 0 0 0 Proiecție IsospinI3 - 1/ 2 +1/2 0 0 0 0 Ciudație 0 0 -1 0 0 0 Farmecul c 0 0 0 +1 0 0 De jos b 0 0 0 0 -1 0 Înălțime t 0 0 0 0 0 +1 Masă în hadron , GeV 0,31 0,31 0,51 1,8 5 180 Masa unui quarc „liber”, GeV ~0,006 ~0,003 0,08-0,15 1,1-1,4 4,1-4,9 174+5

24 slide

25 diapozitiv

26 slide

Slide 27

Ce procese nucleare produc neutrini? A. În timpul α - dezintegrare. B. În timpul β - dezintegrare. B. Când sunt emise γ - cuante. D. În timpul oricăror transformări nucleare

28 slide

Ce procese nucleare produc antineutrini? A. În timpul α - dezintegrare. B. În timpul β - dezintegrare. B. Când sunt emise γ - cuante. D. În timpul oricăror transformări nucleare

Pentru a utiliza previzualizările prezentării, creați un cont Google și conectați-vă la el: https://accounts.google.com

Subtitrările diapozitivelor:

PARTICILE ELEMENTARE

TREI ETAPE ÎN DEZVOLTAREA FIZICII PARTICULUI ELEMENTARE Când filozoful grec Democrit a numit particulele cele mai simple, indivizibile, atomi (cuvântul atom, ne amintim, înseamnă indivizibil), atunci, în principiu, probabil că totul nu i s-a părut foarte complicat. Diverse obiecte, plante, animale sunt construite din particule indivizibile, neschimbabile. Transformările observate în lume sunt o simplă rearanjare a atomilor. Totul în lume curge, totul se schimbă, cu excepția atomilor înșiși, care rămân neschimbați. Prima etapă. De la electron la pozitron 1897-1932. Dar la sfârșitul secolului al XIX-lea. structura complexă a atomilor a fost descoperită și electronul a fost izolat ca parte integrantă a atomului. Deja în secolul al XX-lea au fost descoperite protonii și neutronii - particule care alcătuiesc nucleul atomic. La început, toate aceste particule au fost privite exact așa cum privea Democrit la atomi: erau considerate esențe primare indivizibile și neschimbabile, blocurile de bază ale universului. (c. 470 sau 460 - 360 î.Hr.) DEMOCRIT

Etapa a doua. De la pozitron la quarci 1932 - 1970. TREI ETAPE ÎN DEZVOLTAREA FIZICII PARTICULUI ELEMENTARE Situația de claritate atractivă nu a durat mult. Totul s-a dovedit a fi mult mai complicat: după cum sa dovedit, nu există deloc particule neschimbate. Cuvântul elementar în sine are un dublu sens. Pe de o parte, elementarul este o chestiune desigur, cea mai simplă. Pe de altă parte, prin elementar înțelegem ceva fundamental care stă la baza lucrurilor (în acest sens, particulele subatomice (particulele din care sunt formați atomii) se numesc acum elementare). Următorul fapt simplu ne împiedică să considerăm particulele elementare cunoscute în prezent ca fiind similare cu atomii neschimbători ai lui Democrit. Niciuna dintre particule nu este nemuritoare. Majoritatea particulelor numite acum elementare nu pot supraviețui mai mult de două milioane de secundă, chiar și în absența oricărei influențe externe. Doar patru particule - foton, electron, proton și neutrino - ar putea rămâne neschimbate dacă fiecare dintre ele ar fi singură în întreaga lume.

Dar electronii și protonii au cei mai periculoși frați, pozitronii și antiprotonii, atunci când se ciocnesc de ei, aceste particule se distrug reciproc și se formează altele noi. Un foton emis de o lampă de masă nu durează mai mult de 10 -8 s. Acesta este timpul necesar pentru ca acesta să ajungă la pagina cărții și să fie absorbit de hârtie. Numai neutrinul este aproape nemuritor datorită faptului că interacționează extrem de slab cu alte particule. Cu toate acestea, neutrinii mor și atunci când se ciocnesc cu alte particule, deși astfel de ciocniri sunt extrem de rare. Așadar, în căutarea eternă de a găsi neschimbabilul în lumea noastră în schimbare, oamenii de știință s-au trezit nu pe o „fundație de granit”, ci pe „nisip mișcător”. Toate particulele elementare se transformă unele în altele, iar aceste transformări reciproce sunt principalul fapt al existenței lor.

Ideea imuabilității particulelor elementare s-a dovedit a fi insuportabilă. Dar ideea indecompoziției lor a rămas. Particulele elementare nu mai sunt indivizibile, dar sunt inepuizabile în proprietățile lor. Când particulele de energie ultra-înaltă se ciocnesc, particulele nu se descompun în ceva ce ar putea fi numit părțile lor constitutive. Nu, ele dau naștere la noi particule dintre cele care apar deja în lista particulelor elementare. Cu cât este mai mare energia particulelor care se ciocnesc, cu atât este mai mare numărul și, în plus, particulele mai grele se nasc. Acest lucru este posibil datorită faptului că pe măsură ce viteza crește, masa particulelor crește. Dintr-o singură pereche de particule cu masă crescută, este posibil, în principiu, să se obțină toate particulele cunoscute în prezent. Rezultatul unei coliziuni a unui nucleu de carbon cu o energie de 60 de miliarde de eV (linie superioară groasă) cu un nucleu de argint al unei emulsii fotografice. Miezul se împarte în fragmente care zboară în direcții diferite. În același timp, se nasc multe noi particule elementare - pionii. Reacții similare în ciocnirile nucleelor ​​relativiste produse într-un accelerator au fost efectuate pentru prima dată în lume în 1976 la Laboratorul de înaltă energie al Institutului Comun de Cercetare Nucleară din Dubna, sub conducerea academicianului A. M. Baldin.

Desigur, în ciocnirile de particule cu energie care nu este încă disponibilă, se vor naște și unele noi particule necunoscute. Dar acest lucru nu va schimba esența problemei. Noile particule născute în timpul ciocnirilor nu pot fi în niciun fel considerate componente ale particulelor „părinte”; La urma urmei, particulele „fiice”, dacă sunt accelerate, pot, fără a-și schimba natura, ci doar prin creșterea masei lor, la rândul lor, în timpul ciocnirilor, pot da naștere la mai multe particule exact la fel ca „părinții” lor și chiar multe alte particule. Conform conceptelor moderne, particulele elementare sunt particulele primare, indecompuse, din care este construită toată materia. Cu toate acestea, indivizibilitatea particulelor elementare nu înseamnă că le lipsește o structură internă.

Etapa a treia. De la ipoteza cuarcului până în zilele noastre. TREI ETAPE ÎN DEZVOLTAREA FIZICII PARTICULUI ELEMENTARE 1964 - ... În anii 60. Au apărut îndoieli că toate particulele numite acum elementare își justifică pe deplin numele. Unii dintre ei, poate chiar majoritatea, poartă acest nume cu greu meritat. Motivul îndoielii este simplu: există o mulțime de aceste particule.

Descoperirea unei noi particule elementare a fost întotdeauna și este încă un triumf remarcabil al științei. Dar cu destul de mult timp în urmă, o parte de anxietate a început să se amestece cu fiecare triumf succesiv. Triumfurile au început să urmeze literalmente unul după altul. A fost descoperit un grup de așa-numite particule „ciudate”: K-mezoni și hiperoni cu mase care depășesc masa nucleonilor. În anii 70 li s-a adăugat un grup mare de particule „fermecate” cu mase și mai mari. Au fost descoperite particule cu o durată de viață extrem de scurtă, cu o durată de viață de ordinul 10 -22 -10 -23 s. Aceste particule au fost numite rezonanțe, iar numărul lor depășea două sute. În 1964, M. Gell-Mann și J. Zweig au propus un model conform căruia toate particulele care participă la interacțiuni puternice (nucleare) sunt construite din particule mai fundamentale (sau primare) - quarci. În prezent, aproape nimeni nu se îndoiește de realitatea quarcilor, deși aceștia nu au fost descoperiți în stare liberă.

DEscoperirea POSITRONULUI. ANTIPARTICULE Existența gemenului electronului - pozitronul - a fost prezisă teoretic de către fizicianul englez P. Dirac în 1931. Paul Dirac (1902-1984) Paul Adrien Maurice Dirac - fizician englez, unul dintre creatorii mecanicii cuantice, străin. membru corespondent al Academiei de Științe a URSS (1931). Dezvoltarea statisticii cuantice (statistica Fermi-Dirac); teoria relativistă a mișcării electronilor (ecuația Dirac, 1928), care a prezis pozitronul, precum și anihilarea și producția de perechi. A pus bazele electrodinamicii cuantice și ale teoriei cuantice a gravitației. Premiul Nobel (1933, împreună cu Erwin Schrödinger). În același timp, Dirac a prezis că atunci când un pozitron întâlnește un electron, ambele particule ar trebui să dispară (se anihile), generând fotoni de înaltă energie. Procesul invers poate avea loc și - nașterea unei perechi electron-pozitron - de exemplu, atunci când un foton de energie suficient de mare se ciocnește (masa lui trebuie să fie mai mare decât suma maselor de rest ale particulelor care se nasc) cu un nucleu.

1932 Pozitronul a fost descoperit folosind o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Direcția de curbură a pistei particulelor a fost indicată de semnul sarcinii sale, iar raportul dintre sarcina sa și masa a fost determinat din raza de curbură și energia particulei. Sa dovedit a fi același ca modul cu cel al electronului. Prima fotografie care dovedește existența pozitronului. Particula sa deplasat de jos în sus și, după ce a trecut de placa de plumb, și-a pierdut o parte din energie. Din această cauză, curbura traiectoriei a crescut.

Procesul de creare a unei perechi electron-pozitron printr-un cuantum ɣ într-o placă de plumb. Într-o cameră cu nori situată într-un câmp magnetic, cuplul lasă o urmă caracteristică sub forma unei furci cu două coarne. Faptul că dispariția (anihilarea) unor particule și apariția altora în timpul reacțiilor dintre particulele elementare este tocmai o transformare, și nu doar apariția unei noi combinații a părților constitutive ale particulelor vechi, este dezvăluit în mod deosebit în mod clar tocmai în timpul anihilarea unei perechi electron-pozitron. Ambele particule au o anumită masă în repaus și sarcini electrice. Fotonii care se nasc în acest caz nu au încărcături și nu au masă de repaus, deoarece nu pot exista în stare de repaus.

La un moment dat, descoperirea nașterii și anihilării perechilor electron-pozitron a provocat o adevărată senzație în știință. Până atunci, nimeni nu și-a imaginat că electronul, cea mai veche dintre particule, cel mai important material de construcție al atomilor, ar putea să nu fie etern. Ulterior, s-au găsit gemeni (antiparticule) în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor tocmai pentru că atunci când orice particulă se întâlnește cu antiparticula corespunzătoare, are loc anihilarea lor, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule. Antiprotonul și antineutronul au fost descoperite relativ recent. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă.

Atomii ale căror nuclei sunt formați din antinucleoni și învelișul de pozitroni formează antimaterie. Antihidrogenul a fost obţinut experimental. În 1995, pentru prima dată, s-au putut obține atomi de antihidrogen, formați dintr-un antiproton și un pozitron, dar s-au anihilat rapid, ceea ce a făcut imposibilă studierea proprietăților lor. Acum, oamenii de știință nucleari au reușit să asambleze o configurație care creează un câmp magnetic complex, care face posibilă reținerea atomilor anterior evazivi. Și, deși timpul pentru care a fost înregistrat antihidrogenul a fost de doar o zecime de secundă, conform oamenilor de știință, acest lucru este suficient pentru a lua spectre și a efectua un studiu detaliat al particulelor. Fizicienii de la CERN din colaborarea ALPHA au reușit să împiedice anihilarea particulelor de antimaterie timp de 1000 de secunde. Aceasta a fost urmată de curățare în mai multe etape. După aceasta, câteva mii de atomi de antimaterie au căzut într-o capcană magnetică.

În timpul anihilării antimateriei cu materie, energia de repaus este convertită în energia cinetică a cuantelor gamma rezultate. Energia de repaus este cel mai mare și cel mai concentrat rezervor de energie din Univers. Și numai în timpul anihilării este eliberat complet, transformându-se în alte tipuri de energie. Prin urmare, antimateria este cea mai perfectă sursă de energie, cel mai bogat „combustibil” caloric. Este dificil de spus acum dacă umanitatea va putea vreodată să folosească acest „combustibil”.

DEZINTAREA NEUTRONILOR. DECOPERIREA NEUTRIOULUI Natura dezintegrarii β După ce electronul părăsește nucleul, sarcina nucleului și, prin urmare, numărul de protoni, crește cu unu. Numărul de masă al nucleului nu se modifică. Aceasta înseamnă că numărul de neutroni scade cu unul. În consecință, în interiorul nucleelor ​​β-radioactive, un neutron este capabil să se descompună într-un proton și un electron. Protonul rămâne în nucleu, iar electronul zboară. Numai în nucleele stabile neutronii sunt stabili. În timpul dezintegrarii beta, un electron este emis din nucleu. Dar nu există niciun electron în nucleu. De unde vine? Dar iată ce este ciudat. Nuclee absolut identice emit electroni de diferite energii. Nucleele nou formate, însă, sunt exact aceleași, indiferent de energia electronului emis. Aceasta contrazice legea conservării energiei - cea mai fundamentală lege fizică! Energia nucleului inițial se dovedește a fi inegală cu suma energiilor nucleului final și electronului!!!

Ipoteza Pauli Fizicianul elvețian W. Pauli a sugerat că, împreună cu un proton și un electron, în timpul dezintegrarii unui neutron, se naște un fel de particulă „invizibilă”, care duce energia lipsă. Această particulă nu este detectată de instrumente deoarece nu poartă o sarcină electrică și nu are masă de repaus. Aceasta înseamnă că nu este capabil să ionizeze atomi sau să divizeze nucleele, adică nu poate provoca efecte prin care se poate judeca aspectul unei particule. Pauli a sugerat că particula ipotetică interacționează pur și simplu foarte slab cu materia și, prin urmare, ar putea trece printr-o grosime mare de materie fără a fi detectată.

Fermi a numit această particule neutrin, ceea ce înseamnă „neutron”. Masa de repaus a neutrinului, după cum a prezis Pauli, s-a dovedit a fi zero. În spatele acestor cuvinte se află un sens simplu: nu există neutrini în repaus. Având abia timp să se nască, neutrinoul se mișcă imediat cu o viteză de 300.000 km/s. Am calculat modul în care neutrinii interacționează cu materia într-un strat de o anumită grosime. Rezultatul s-a dovedit a fi departe de a fi liniștitor în ceea ce privește posibilitatea detectării experimentale a acestei particule. Un neutrin poate parcurge o distanță în plumb egală cu distanța parcursă de lumină în vid în mai mulți ani.

DECADEREA NEUTRONILOR LIBERĂ Rolul neutrinilor nu se limitează la explicarea dezintegrarii β a nucleelor. Multe particule elementare în stare liberă se descompun spontan odată cu emisia de neutrini. Exact așa se comportă un neutron. Numai în nuclee un neutron capătă stabilitate datorită interacțiunii cu alți nucleoni. Un neutron liber trăiește în medie 16 minute. Acest lucru a fost demonstrat experimental numai după ce au fost construite reactoare nucleare care au produs fascicule puternice de neutroni. Un neutrin (simbol ν) are o antiparticulă numită antineutrin (simbol ν cu o bară). Când un neutron se descompune într-un proton și un electron, antineutronul este emis: energia neutronului este întotdeauna mai mare decât suma energiilor protonului și electronului. Excesul de energie este îndepărtat de antineutrino.

Descoperirea experimentală a neutrinilor În ciuda faptului că sunt evazive, neutrinii (mai precis, antineutrinii), după aproape 26 de ani de „existență fantomă” în reviste științifice, au fost descoperiți experimental. Teoria a prezis că atunci când un antineutrin lovește un proton, vor apărea un pozitron și un neutron: + Probabilitatea unui astfel de proces este scăzută datorită capacității monstruoase de penetrare a antineutrinului. Dar dacă există o mulțime de antineutrini, atunci putem spera să le detectăm.

Stația de neutrini Baksan În defileul Baksan din Caucaz s-a realizat un tunel de doi kilometri într-o rocă monolitică și s-a construit un laborator științific, protejat de razele cosmice de o stâncă de câțiva kilometri grosime. Laboratorul găzduiește echipamente pentru înregistrarea neutrinilor solari și a neutrinilor din spațiu.

BOSONI INTERMEDIAȚI - PURTĂTORI DE INTERACȚIUNI SLABE Dezintegrarea unui neutron într-un proton, electron și antineutrin nu poate fi cauzată de forțe nucleare, deoarece electronul nu experimentează interacțiuni puternice și, prin urmare, nu se poate naște datorită acestora. Nașterea electronilor este posibilă sub influența forțelor electromagnetice. Dar există și un antineutrin, care este lipsit de sarcină electrică și nu participă la interacțiunile electromagnetice. Aceeași situație apare în timpul dezintegrarii π-mezonilor și a altor particule cu emisia de neutrini sau antineutrini. Prin urmare, trebuie să existe și alte interacțiuni responsabile pentru dezintegrarea neutronului (și a multor alte particule). Acest lucru este de fapt adevărat. Există un al patrulea tip de forță în natură - interacțiuni slabe. Aceste forțe sunt principalii protagoniști în tragedia morții particulelor.

Aceste interacțiuni sunt numite slabe pentru că sunt cu adevărat slabe: de aproximativ 10 14 ori mai slabe decât cele nucleare! Ele pot fi întotdeauna neglijate acolo unde apar interacțiuni puternice sau electromagnetice. Dar există multe procese care pot fi cauzate doar de interacțiuni slabe. Datorită valorii sale mici, interacțiunile slabe nu afectează în mod semnificativ mișcarea particulelor. Nu le accelerează sau le încetinesc. Interacțiunile slabe nu sunt capabile să țină nicio particule una lângă alta pentru a forma stări legate. Cu toate acestea, acestea sunt forțe în același sens ca cele electromagnetice și nucleare. Principalul lucru în orice interacțiune este nașterea și distrugerea particulelor. Și anume, aceste funcții (mai ales ultima) sunt îndeplinite prin interacțiuni slabe lent, dar absolut riguros.

Interacțiunile slabe nu sunt deloc neobișnuite. Dimpotrivă, sunt extrem de UNIVERSALE. Toate particulele participă la ele. Toate particulele au o sarcină, sau mai precis, o constantă de interacțiuni slabe. Dar numai pentru particulele care participă la alte interacțiuni, capacitatea de a slăbi interacțiunile nu este importantă. Doar neutrinii sunt incapabili de alte interacțiuni decât cele slabe (cu excepția celor ultra-slabe - gravitaționale). Rolul interacțiunilor slabe în evoluția Universului nu este deloc mic. Dacă interacțiunile slabe ar fi oprite, Soarele și alte stele s-ar stinge.

„Rapid” și „lent” sunt mai bune decât „puternic” și „slab”. Interacțiunile slabe nu sunt deloc slabe în sensul că nu pot face nimic remarcabil în microlume. Ele pot provoca prăbușirea oricărei particule care are o masă în repaus, doar dacă acest lucru este permis de legile conservării. Respectarea ultimei condiții este foarte importantă. În caz contrar, neutronii din nuclee ar fi instabili și nu ar exista nimic în natură în afară de hidrogen. Efectele interacțiunilor slabe apar foarte rar. În acest sens, sunt mai degrabă lenți decât slabi și sunt ca un halterofil care poate ridica o mreană uriașă, dar doar foarte, foarte încet. Interacțiunile puternice (nucleare) sunt cele mai rapide interacțiuni, iar transformările particulelor elementare pe care le provoacă apar foarte des. Interacțiunile electromagnetice funcționează mai încet decât cele puternice, dar totuși nemăsurat mai rapid decât cele slabe. Timpul caracteristic al interacțiunilor slabe este de 10 -10 s față de 10 -21 C pentru cele electromagnetice. Cu toate acestea, la energii mari de ciocnire a particulelor de ordinul a o sută de miliarde de electroni volți, interacțiunile slabe încetează să fie slabe în comparație cu cele electromagnetice.

Cum apar interacțiunile slabe Pentru o lungă perioadă de timp, s-a crezut că interacțiunile slabe apar între patru particule la un moment dat. În cazul dezintegrarii neutronilor, acestea sunt neutronul însuși, un proton, un electron și un antineutrino. Teoria cuantică corespunzătoare a interacțiunilor slabe a fost construită de E. Fermi, R. Feynman și alți oameni de știință. Adevărat, pe baza considerațiilor generale despre unitatea forțelor naturii, s-a sugerat că interacțiunile slabe, ca toate celelalte, ar trebui efectuate printr-un fel de câmp „slab”. În consecință, trebuie să existe cuante ale acestui câmp - particule - purtători de interacțiune. Dar nu a existat nicio dovadă experimentală în acest sens.

Un nou pas important în dezvoltarea teoriei interacțiunilor slabe a fost făcut în anii 60. Fizicienii americani S. Weinberg, S. Glashow și savantul pakistanez A. Salam, care au lucrat la Trieste. Ei au prezentat o ipoteză îndrăzneață despre unitatea interacțiunilor slabe și electromagnetice. Ipoteza lui Weinberg, Glashow și Salam s-a bazat pe ipoteza făcută mai devreme că interacțiunile slabe sunt realizate prin schimbul de particule, numite bozoni intermediari sau vectori, de trei tipuri: W +, W – și Z 0. Primele două particule poartă o sarcină egală cu cea elementară, iar a treia este neutră.

Esența noii ipoteze este următoarea: natura interacțiunilor slabe și electromagnetice este aceeași, în sensul că la nivelul cel mai profund adevărata lor putere este aceeași și bosonii intermediari interacționează cu toate particulele la distanțe scurte în același mod ca și fotoni cu particule încărcate. În consecință, la distanțe foarte scurte, interacțiunile slabe ar trebui să se manifeste cu aceeași putere ca și cele electromagnetice. Atunci de ce aceste interacțiuni încă se ridică la nivelul numelui lor? De ce procesele pe care le provoacă decurg mult mai lent decât procesele electromagnetice? Raza interacțiunilor slabe este mult mai mică decât cea a interacțiunilor electromagnetice. Din această cauză, ele par mai slabe decât cele electromagnetice.