Физика. 11 класс

Урок 30. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Взаимодействия в природе

Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

На уроке мы узнали, что в природе существует четыре типа фундаментального взаимодействия: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Теории фундаментального взаимодействия:

- гравитационного – общая теория относительности (ОТО);

- слабого – теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ);

- электромагнитного – квантовая электродинамика (КЭД);

- сильного – квантовая хромодинамика (КХД).

Стандартная модель – теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех элементарных частиц.

Материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов, при этом каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).

Кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным $\frac{e}{3}$.

Существует шесть кварковых ароматов, по числу типов кварков: u,d,s c,b,t. Каждый из ароматов кварка имеет цвет – красный, зелёный и синий.

Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Конструктивно ускорители делят на линейные и циклические.

Физическая картина мира – это совокупность представлений о мире и его процессах, полученных на основе экспериментальных исследований и дальнейшего теоретического осмысления результатов.

Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц, полученных в пузырьковой камере»

Дополнительная сцена с объясняющим содержанием

Ускорители заряженных частиц

Проникновению в тайны мироздания способствуют исследования в области физики высоких энергий. Эти исследования проводятся на ускорителях. Впервые идея циклотрона содержалась в патентной заявке Сциларда, относящейся приблизительно к 1928 году. Первый циклотрон был создан в 1932 году под руководством Лоуренса, за что он был удостоен Нобелевской премии в 1939 году.

О необходимости создания в Советском Союзе серьезной ускорительной базы впервые было заявлено на правительственном уровне в марте 1938 года. Группа исследователей Ленинградского физико-технического института (ЛФТИ) во главе с академиком Иоффе А.Ф. обратилась к председателю СНК СССР Молотову В.М. с письмом, в котором предлагалось создать техническую базу для исследований в области строения атомного ядра. В то время одной из центральных проблем естествознания был вопрос строения атомного ядра, а Советский Союз значительно отставал в этом направлении. На тот момент в Америке насчитывалось, по крайней мере, пять работающих циклотронов, а в Советском Союзе не было ни одного (единственный циклотрон Радиевого института АН (РИАН), пущенный в 1937 году, из-за явных дефектов проектирования практически не работал).

В марте 1957 года в подмосковной Дубне был запущен первый в стране и четвёртый в мире синхрофазотрон, который сразу стал рекордным: максимальная энергия протонов составила 10 ГэВ.

25 марта 2016 года в Дубне началось строительство российского ускорителя ядерных частиц NICA. Это флагманский проект Объединённого института ядерных исследований. Проект NICA должен заработать к 2020 году. Он представляет собой гигантский коллайдер, который в лабораторных условиях позволит воссоздать экстремальные состояния материи в первые микросекунды существования Вселенной.

Распад и превращение фундаментальных частиц

Исследования распада и превращения фундаментальных частиц показали, что при этом выполняются некоторые новые законы сохранения. Эти законы позволяют объяснить, почему одни реакции возможны, а другие нет.

Возможна одна реакция распада нейтрона: $ n\rightarrow p+e^-+v^{\sim}_{e}$, но невозможна вторая:

$ n\rightarrow p+e^-+v^{\sim}_{e}+v_e$, хотя известные законы сохранения выполняются. Для объяснения таких фактов было введено новое квантовое число – лептонный заряд L. У электрона и электронного нейтрино электронный лептонный заряд $L_e$ = 1, у позитрона и электронного антинейтрино $L_e$ = -1, у остальных частиц $L_e$ = 0. На основе эксперимента был сформулирован закон сохранения лептонного заряда. Тогда становится понятно, почему вторая реакция не может произойти, – при ней не сохраняется лептонный заряд.

Было замечено, что иногда при реакциях распада испускается другая частица – мюонное нейтрино ($v_\mu$).

При распаде с участием мюонов выполняется закон сохранения мюонного лептонного заряда, у мюона $\mu^{-}$ и мюонного нейтрино $v_\mu$  лептонный заряд $L_\mu$= +1, у мюона $\mu^+ $ и мюонного антинейтрино лептонный заряд $L_\mu$= -1, у остальных частиц $L_\mu$= 0.

В 1975 году была открыта частица, также относящаяся к классу лептонов – таон ($\tau^-$), частица гораздо более тяжёлая, чем электрон и даже протон. Время жизни таона очень мало. Он распадётся на мюон, мюонное антинейтрино и таонное нейтрино:

$\tau^-\rightarrow \mu^-+v^{\sim}_{\mu}+v_\tau$. При этой реакции распада сохраняется таонный лептонный заряд $L_\tau$, который у таона $\tau^-$ и таонного нейтрино равен единице: $L\tau$= +1, а у таона $\tau^+$ и таонного антинейтрино $L_\tau$= -1.

Взаимодействие и распад нуклонов происходит, как мы знаем, за счёт сильного взаимодействия. При таком распаде выполняется ещё один закон сохранения – закон сохранения барионного заряда. Введение этого квантового числа было вызвано необходимостью объяснения, почему реакция $p+p \rightarrow p+p+ \tilde{p}$ не наблюдается, а реакция $p+ n \rightarrow n+p+\tilde{p}+p$ наблюдается.

Считается, что барионный заряд всех нуклонов B = +1, а антинуклонов B = -1.

Предметы

По алфавиту По предметным областям

Классы

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
angle-skew-bottom mix-copy next-copy-2 no-copy step-1 step-2 step-3 step-4 step-5 step-6 step-6