Ettekanne teemal "Elementaarosakesed. Antiosakesed"

Esimene etapp . Elektronist positronini

1897-1932 gg.

Kui kreeka filosoof Demokritos nimetas lihtsamaid, jagamatuid osakesi aatomiteks (sõna aatom, meenutame, tähendab jagamatut), siis põhimõtteliselt ei tundunud talle kõik ilmselt kuigi keeruline. Jagamatutest muutumatutest osakestest on ehitatud erinevad esemed, taimed, loomad. Maailmas täheldatud transformatsioonid on aatomite lihtne ümberpaigutamine. Kõik maailmas voolab, kõik muutub, välja arvatud aatomid ise, mis jäävad muutumatuks.

DEMOKRIIDID

(umbes 470 või 460–360 eKr)

Kuid 19. sajandi lõpus. avastati ja eraldati aatomite keeruline struktuur elektron aatomi lahutamatu osana.

Juba kahekümnendal sajandil avati need prooton Ja neutron- osakesed, mis moodustavad aatomituuma.

Alguses vaadeldi kõiki neid osakesi täpselt nii, nagu Demokritos vaatas aatomeid: neid peeti jagamatuteks ja muutumatuteks esmasteks essentsideks, universumi põhilisteks ehitusplokkideks.

ELEMENTAARSE OSAKESTE FÜÜSIKA ARENGU KOLM ETAPPI

Teine etapp . Positronitest kvarkideni

1932 - 1970 gg.

Ahvatleva selguse olukord ei kestnud kaua. Kõik osutus palju keerulisemaks: nagu selgus, pole muutumatuid osakesi üldse.

Sõnas endas elementaarne on kahekordne tähendus.

Ühest küljest on elementaarne ette antud, kõige lihtsam. Teisest küljest peame elementaarse all midagi silmas fundamentaalne , aluseks olevad asjad (selles mõttes nimetatakse subatomilisi osakesi (osakesi, millest aatomid on valmistatud) nüüd elementaarseteks).

Ainult neli osakest - footon, elektron, prooton ja neutriino- suudaksid säilitada oma muutumatuse, kui igaüks neist oleks terves maailmas üksi.

Ükski osake pole surematu. Enamik osakesi, mida praegu nimetatakse elementaarseteks, ei suuda isegi välise mõju puudumisel ellu jääda kauem kui kaks miljondiksekundit.

Aga elektronid Ja prootonid seal on kõige ohtlikumad vennad positronid Ja antiprootonid, millega kokkupõrkel need osakesed vastastikku hävivad ja moodustuvad uued.

Footon, mida kiirgab laualamp, elab mitte rohkem kui 10 -8 s.

Ainult neutriino peaaegu surematu, kuna see interakteerub teiste osakestega äärmiselt nõrgalt. Kuid neutriinod surevad ka teiste osakestega kokkupõrkel, kuigi sellised kokkupõrked on äärmiselt haruldased.

See on aeg, mis kulub, et see jõuaks raamatu leheküljele ja imenduks paberisse.

Niisiis, igaveses püüdluses leida meie muutuvas maailmas muutumatut, ei leidnud teadlased end mitte "graniitvundamendil", vaid "kiirel liival".

Kõik elementaarosakesed muunduvad üksteiseks ja need vastastikused teisendused on nende olemasolu peamine fakt.

Idee elementaarosakeste muutumatusest osutus vastuvõetamatuks. Kuid idee nende lagunematusest jäi alles.

Kui ülikõrge energiaga osakesed põrkuvad, ei lagune osakesed millekski, mida võiks nimetada nende koostisosadeks. Ei, nad sünnitavad uusi osakesi nende hulgast, mis juba esinevad elementaarosakeste loendis. Mida suurem on põrkuvate osakeste energia, seda suurem arv ja pealegi raskemaid osakesi sünnib. See on võimalik tänu sellele, et kiiruse kasvades suureneb ka osakeste mass. Vaid ühest suurema massiga osakeste paarist on põhimõtteliselt võimalik saada kõik praegu teadaolevad osakesed.

Sarnased reaktsioonid kiirendis tekkivate relativistlike tuumade kokkupõrgetes viidi esimest korda maailmas läbi 1976. aastal Ameerika Ühendriikide kõrgenergia laboris.

 Tuta tuumauuringud Dubnas akadeemiku juhendamisel

A. M. Baldina.

60 miljardi eV energiaga süsiniku tuuma (paks ülemine joon) kokkupõrke tulemus fotograafilise emulsiooni hõbedase tuumaga. Tuum jaguneb fragmentideks, mis lendavad eri suundades. Samal ajal sünnib palju uusi elementaarosakesi – pione.

Muidugi, osakeste kokkupõrgetes energiaga, mis pole veel kättesaadav, sünnivad ka mõned uued tundmatud osakesed. Kuid see ei muuda asja olemust. Kokkupõrgete käigus sündinud uusi osakesi ei saa mingil juhul käsitleda algosakeste komponentidena; Lõppude lõpuks võivad "tütar" osakesed, kui neid kiirendada, ilma oma olemust muutmata, vaid ainult massi suurendades omakorda kokkupõrgete ajal tekitada mitu osakest, mis on täpselt samad kui nende "vanemad" ja isegi paljud. muud osakesed.

Kaasaegsete ideede järgi elementaarosakesed on primaarsed, lagunematud siis osakesed, millest kogu mateeria on ehitatud.

Kuid jagamatus elementaarosakesed ei tähenda, et neil puudub sisemine struktuur .

ELEMENTAARSE OSAKESTE FÜÜSIKA ARENGU KOLM ETAPPI

Kolmas etapp . Kvargi hüpoteesist tänapäevani.

1964 gg. -...

60ndatel tekkis kahtlus, et kõik osakesed, mida praegu nimetatakse elementaarseteks, õigustavad täielikult oma nime. Mõned neist, võib-olla isegi enamik neist, kannavad seda nime vaevalt vääritult. Kahtluse põhjus on lihtne: neid osakesi on palju.

Uue elementaarosakese avastamine on alati olnud ja on endiselt teaduse silmapaistev triumf. Kuid üsna kaua aega tagasi hakkas iga järjestikuse võidukäiguga segunema omajagu ärevust. Triumfid hakkasid järgnema sõna otseses mõttes üksteise järel.

Rühm nn. imelik» osakesed:

K-mesonid Ja hüperonid mille massid ületavad nukleonide massi.

1964. aastal pakkusid M. Gell-Mann ja J. Zweig välja mudeli, mille kohaselt kõik tugevas (tuuma) vastasmõjus osalevad osakesed on üles ehitatud fundamentaalsematest (või primaarsetest) osakestest - kvargid .

70ndatel neile lisandus suur grupp" lummatud» veelgi suurema massiga osakesed.

Avastati äärmiselt lühiealised osakesed, mille eluiga oli suurusjärgus 10-22-10-23 s.

Neid osakesi nimetati resonantse ja nende arv ületas kahesaja.

Hetkel sees kvarkide tegelikkus peaaegu keegi ei kahtle selles, kuigi neid pole leitud vabas olekus.

POSITRONI AVASTAMINE. ANTIOSAKESED

Elektronkaksiku olemasolu - positron– ennustas teoreetiliselt inglise füüsik P. Dirac 1931. aastal.

Samal ajal ennustas Dirac, et kui positron kohtub elektroniga, peaksid mõlemad osakesed kaduma (annihileeruma), tekitades suure energiaga footoneid. Võib toimuda ka pöördprotsess – elektron-positroni paari sünd – näiteks siis, kui piisavalt suure energiaga footon (selle mass peab olema suurem kui sündivate osakeste ülejäänud masside summa) põrkab tuumaga.

Paul Adrien Maurice Dirac- Inglise füüsik, üks kvantmehaanika loojatest, NSVL Teaduste Akadeemia väliskorrespondentliige (1931). Arenenud kvantstatistika (Fermi-Dirac statistika); elektronide liikumise relativistlik teooria (Diraci võrrand, 1928), mis ennustas positroni, samuti annihilatsiooni ja paaride teket. Pani aluse kvantelektrodünaamikale ja gravitatsiooni kvantteooriale.

Nobeli preemia (1933, koos Erwin Schrödingeriga).

Paul Dirac

1932 d Positron avastati magnetvälja asetatud pilvekambri abil.

Osakeste raja kõveruse suunda näitas selle laengu märk ning selle laengu ja massi suhe määrati osakese kõverusraadiuse ja energia järgi. Selgus, et see on moodulilt sama, mis elektronil.

Osake liikus alt üles ja pärast pliiplaadist möödumist kaotas osa oma energiast. Selle tõttu suurenes trajektoori kõverus.

Esimene foto, mis tõestas positroni olemasolu.

Asjaolu, et mõnede osakeste kadumine (annihilatsioon) ja teiste ilmumine elementaarosakeste vaheliste reaktsioonide käigus on täpselt muutumine, mitte lihtsalt vanade osakeste komponentide uue kombinatsiooni tekkimine, ilmneb eriti selgelt just elektron-positroni paari hävitamise ajal.

Mõlemal osakesel on puhkeolekus teatud mass ja elektrilaengud. Sel juhul sündinud footonitel pole laenguid ega puhkemassi, kuna nad ei saa puhkeseisundis eksisteerida.

Elektron-positroni paari loomise protsess ɣ-kvanti abil pliiplaadis.

Magnetväljas asuvas pilvekambris jätab paar iseloomuliku jälje kahesarvelise kahvli kujul.

Ühel ajal põhjustas elektron-positroni paaride sünni ja hävimise avastamine tõelise sensatsioon teaduses .

Seni polnud keegi ette kujutanud, et elektron, osakestest vanim, aatomite kõige olulisem ehitusmaterjal, ei pruugi olla igavene.

Avastati suhteliselt hiljuti antiprooton Ja antineutron .

Antiprootoni elektrilaeng on negatiivne.

Seejärel leiti kõigist osakestest kaksikud (antiosakesed). Antiosakesed vastanduvad osakestele just seetõttu, et kui mõni osake kohtub vastava antiosakesega, siis nende hävitamine, see tähendab, et mõlemad osakesed kaovad, muutudes kiirguskvantideks või muudeks osakesteks.

Aatomid, mille tuumad koosnevad antinukleonid, ja kest on valmistatud positronitest, vorm antiaine .

Antivesinik saadi katseliselt.

CERNi füüsikutel ALPHA koostöös õnnestus hoida antiaineosakesi hävitamast 1000 sekundit,

IN 1995 Esimest korda oli võimalik saada antivesiniku aatomeid, mis koosnesid antiprootonist ja positronist, kuid need hävisid kiiresti, mis muutis nende omaduste uurimise võimatuks.

Nüüd on tuumateadlastel õnnestunud kokku panna seadistus, mis loob keerulise magnetvälja, mis võimaldab säilitada seni tabamatuid aatomeid. Ja kuigi antivesiniku registreerimisaeg oli teadlaste sõnul vaid üks kümnendik sekundist, piisab sellest spektrite võtmiseks ja osakeste üksikasjalikuks uurimiseks.

Antivesinik, millega teadlased töötasid, saadi mitmekümnest miljonist antiprootonist ja positronist, mille allikaks oli naatriumisotoop 22 Na. Sellele järgnes mitmeastmeline puhastus. Pärast seda langes mitu tuhat antiaine aatomit magnetlõksu.

Antiaine hävitamisel ainega muundatakse ülejäänud energia tekkivate gamma kvantide kineetiliseks energiaks.

Puhkeenergia- kõige grandioossem ja kontsentreeritum mahuti energia universumis .

Ja ainult siis, kui hävitamine see vabaneb täielikult, muutudes teist tüüpi energiaks. Seetõttu on antiaine kõige täiuslikum energiaallikas, kõige kaloririkkam "kütus".

Praegu on raske öelda, kas inimkond suudab seda “kütust” kunagi kasutada.

NEUTRONIDE LAGUNEMINE. NEUTRINOTE AVASTAMINE

β-lagunemise olemus

Beeta-lagunemise ajal kiirgub tuumast elektron. Kuid tuumas pole elektroni. Kust see tuleb?

Pärast elektroni lahkumist tuumast suureneb tuuma laeng ja seega ka prootonite arv ühe võrra. Tuuma massiarv ei muutu. See tähendab, et neutronite arv väheneb ühe võrra.

Seetõttu β-radioaktiivsete tuumade sees neutron võib laguneda prootoniks ja elektroniks. Prooton jääb tuumasse ja elektron lendab välja.

Ainult stabiilsetes tuumades on neutronid stabiilsed.

Kuid siin on imelik.

Absoluutselt identsed tuumad kiirgama elektronid erinevad energiad. Äsja moodustunud tuumad on aga täielikult on samad olenemata sellest, milline on kiiratava elektroni energia.

See on vastuolus energia jäävuse seadusega – kõige fundamentaalsema füüsikaseadusega!

Algtuuma energia osutub ebavõrdseks lõpptuuma ja elektroni energiate summaga!!!

Pauli hüpotees

Šveitsi füüsik W. Pauli pakkus välja, et koos prootoni ja elektroniga sünnib neutroni lagunemise käigus mingisugune “nähtamatu” osake, mis kannab puuduoleva energia minema.

Seda osakest instrumendid ei tuvasta, kuna see ei kanna elektrilaengut ja tal puudub puhkemass. See tähendab, et see ei ole võimeline aatomeid ioniseerima ega tuumasid poolitama, st ei saa tekitada mõjusid, mille järgi saab hinnata osakese välimust.

Pauli pakkus, et hüpoteetiline osake oli lihtsalt suhtleb ainega väga nõrgalt ja seetõttu võib see läbida suure paksuse aine ilma ennast tuvastamata.

Fermi nimetas seda osakest neutriino, mis tähendab "neutron".

Pauli ennustatud neutriino ülejäänud mass osutus võrdseks null. Nende sõnade taga peitub lihtne tähendus: Puhkeseisundis neutriinosid pole.

Olles vaevalt jõudnud sündida, liigub neutriino kohe kiirusega 300 000 km/s.

Arvutasime välja, kuidas neutriinod teatud paksusega kihis ainega suhtlevad. Tulemus osutus selle osakese eksperimentaalse tuvastamise võimaluse osas kaugeltki mitte rahustavaks. Neutriino võib pliis läbida vahemaa, mis on võrdne valguse läbitud vahemaaga vaakumis mitme aasta jooksul.

TASUTA NEUTRONIDE LAGUNEMINE

Neutriinode roll ei piirdu ainult tuumade β-lagunemise selgitamisega. Paljud vabas olekus olevad elementaarosakesed lagunevad spontaanselt neutriinode emissiooniga.

Neutriino (sümbol ν ) sisaldab antiosakest, mida nimetatakse antineutriinoks (sümbol ν joonega).

Kui neutron laguneb prootoniks ja elektroniks, eraldub antineutriino:

Täpselt nii käitub neutron. Ainult tuumades omandab neutron stabiilsuse tänu interaktsioonile teiste nukleonidega.

Neutroni energia on alati suurem kui prootoni ja elektroni energiate summa. Liigne energia kantakse antineutriinost minema.

Vaba neutron elab keskmiselt 16 minutit. Seda tõestati eksperimentaalselt alles pärast võimsate neutronite kiirte tekitavate tuumareaktorite ehitamist.

Neutriinode eksperimentaalne avastamine

Vaatamata oma tabamatusest avastati neutriinod (täpsemalt antineutriinod) pärast peaaegu 26 aastat kestnud "kummituseksistentsi" teadusajakirjades eksperimentaalselt.

Teooria ennustas, et kui antineutriino tabab prootonit, tekivad positron ja neutron:

Sellise protsessi tõenäosus on antineutriinode koletu läbitungimisvõime tõttu väike. Aga kui antineutriinosid on palju, siis võime loota neid tuvastada.

Kaukaasias Baksani kurusse tehti monoliitsesse kaljusse kahekilomeetrine tunnel ja rajati teaduslabor, mida kaitses kosmiliste kiirte eest mitme kilomeetri paksune kivi. Laboris on seadmed päikeseneutriinode ja kosmosest pärinevate neutriinode salvestamiseks.

Baksan Neutrino jaam

VAHESBOSONID – NÕRKA INTERAKTSIOONIDE KANDJAD

Neutroni lagunemist prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks ei saa põhjustada tuumajõud, kuna elektron ei koge tugevat vastastikmõju ega saa seetõttu nende tõttu tekkida. Elektronide sünd on võimalik elektromagnetiliste jõudude mõjul.

Kuid on ka antineutriino, millel puudub elektrilaeng ja mis ei osale elektromagnetilistes interaktsioonides.

Sama olukord tekib lagunemise ajal π -mesonid ja muud neutriinosid või antineutriinosid kiirgavad osakesed.

Seetõttu peavad neutroni (ja paljude teiste osakeste) lagunemise eest vastutavad muud vastasmõjud. See on tegelikult tõsi.

Looduses on neljandat tüüpi jõud - nõrgad interaktsioonid. Just need jõud on osakeste hukkumise tragöödia peamised tegelased.

Nõrk neid interaktsioone nimetatakse seetõttu, et need on tõesti nõrgad: umbes 10 14 korda nõrgemad kui tuuma omad!

Nad saavad alati hooletusse jätmine kus toimub tugev või elektromagnetiline vastastikmõju.

Kuid on palju protsesse, mida saab ainult nimetada nõrgad interaktsioonid .

Väikese väärtuse tõttu ei mõjuta nõrgad vastasmõjud oluliselt osakeste liikumist. Nad ei kiirenda ega aeglusta neid.

Nõrgad interaktsioonid ei suuda hoida osakesi üksteise lähedal, et moodustada seotud olekuid.

Sellegipoolest on need jõud samas tähenduses kui elektromagnetilised ja tuumajõud.

Mis tahes suhtluses on peamine asi osakeste sünd ja hävimine. Nimelt need funktsioonid (eriti viimane) nõrgad interaktsioonid Nad teevad seda aeglaselt, kuid täiesti religioosselt.

Nõrk interaktsioon pole sugugi haruldane.

Vastupidi, nad on äärmiselt UNIVERSAALNE. Neis osalevad kõik osakesed. Kõigil osakestel on laeng või täpsemalt nõrkade vastastikmõjude konstant.

Kuid ainult muudes interaktsioonides osalevate osakeste puhul on nõrga vastasmõju võime tähtsusetu.

Ainult neutriino interaktsiooni puudumisel, välja arvatud nõrgad, on võimetud (välja arvatud ülinõrgad - gravitatsioonilised).

Nõrkade vastasmõjude roll Universumi arengus pole sugugi väike. Kui nõrgad vastasmõjud välja lülitada, kustuks Päike ja teised tähed.

"Kiire" ja "aeglane" on paremad kui "tugev" ja "nõrk"

Nõrk interaktsioon on nõrk üldse mitte selles mõttes, et nad ei suuda mikromaailmas midagi silmapaistvat teha. Nad võivad helistada kumerus mis tahes puhkemassiga osake, kui ainult see on jäävusseadustega lubatud.

Siiski, millal kõrged energiad põrkuvad osakesed suurusjärgus sada miljardit elektronvolti nõrka vastastikmõju lõpeta nõrk olemine võrreldes elektromagnetilistega.

Viimase tingimuse täitmine on väga oluline. Vastasel juhul oleksid neutronid tuumades ebastabiilsed ja looduses poleks midagi peale vesiniku.

Iseloomulik aeg nõrk interaktsioonid

10 -10 koos vastu 10 -21 C jaoks elektromagnetiline .

Tegevused nõrgad interaktsioonid ilmuvad väga harva. Selles mõttes on need tõenäolisemad aeglane, kui nõrgad ja meenutavad tõstjat, kes suudab tõsta tohutut kangi, kuid ainult väga-väga aeglaselt.

Tugev (tuuma) vastastikmõju- need on kõige kiiremad vastastikmõjud ja nende põhjustatud elementaarosakeste muundumised toimuvad väga sageli.

Elektromagnetilised vastasmõjud töötavad aeglasemalt kui tugevad, kuid siiski mõõtmatult kiiremini kui nõrgad.

Kuidas nõrgad interaktsioonid toimivad

Pikka aega arvati, et vahel esineb nõrk interaktsioon neli osakest ühes punktis.

Neutronite lagunemise korral on need neutron ise, prooton, elektron ja antineutriino.

Vastava nõrkade interaktsioonide kvantteooria konstrueerisid E. Fermi, R. Feynman ja teised teadlased.

Tõsi, loodusjõudude ühtsuse üldiste kaalutluste põhjal tehti ettepanek, et nõrgad vastasmõjud, nagu kõik teisedki, tuleks läbi viia mingisuguse “nõrga” välja kaudu. Vastavalt sellele peavad olema selle välja kvantid – osakesed – vastastikmõju kandjad.

Kuid selle kohta polnud eksperimentaalseid tõendeid .

Uus, oluline samm nõrkade interaktsioonide teooria arendamisel tehti 60ndatel. Ameerika füüsikud S. Weinberg, S. Glashow ja Pakistani teadlane A. Salam, kes töötasid Triestes.

Nad esitasid julge hüpotees nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude ühtsuse kohta .

Weinbergi, Glashow ja Salami hüpotees põhines varem tehtud eeldusel, et nõrgad interaktsioonid viiakse läbi vahetada osakesi nimetatakse vahepealne või vektor bosonid, kolm sorti: W + ,W – ja Z 0 .

Esimesed kaks osakest kannavad elementaarsega võrdset laengut ja kolmas on neutraalne.

Uue hüpoteesi olemus on järgmine: nõrkade ja elektromagnetiliste vastastikmõjude olemus on sama selles mõttes, et kõige sügavamal tasemel on nende tegelik tugevus sama ja vahepealsed bosonid interakteeruvad kõigi osakestega lühikese vahemaa tagant samamoodi kui laetud osakestega footonid.

Seetõttu peaksid nõrgad vastasmõjud väga lühikestel vahemaadel ilmnema sama tugevalt kui elektromagnetilised.

Miks siis need suhtlused ikkagi oma nime väärivad?

Nõrkade vastastikmõjude raadius on palju väiksem kui elektromagnetiliste vastastikmõjude raadius. Seetõttu tunduvad need nõrgemad kui elektromagnetilised.

Miks nende põhjustatud protsessid kulgevad palju aeglasemalt kui elektromagnetilised protsessid?

Slaid 1

Elementaarosakesed

Munitsipaaleelarveline mittestandardne õppeasutus "Belovo linna G. Kh. Tasirovi nimeline gümnaasium nr 1"

Füüsikatunni esitlus 11. klassis (profiilitase)

Lõpetanud: Popova I.A., füüsikaõpetaja

Belovo, 2012

Slaid 2

Sissejuhatus elementaarosakeste füüsikasse ja teemakohaste teadmiste süstematiseerimine. Abstraktse, ökoloogilise ja teadusliku mõtlemise arendamine õpilastes, tuginedes ideedele elementaarosakeste ja nende vastasmõju kohta

Slaid 3

Mitu elementi on perioodilisustabelis?

Ainult 92. Kuidas? Kas on veel? Tõsi, kuid kõik ülejäänud on kunstlikult saadud, looduses neid ei esine. Seega - 92 aatomit. Nendest saab valmistada ka molekule, st. aineid! Kuid tõsiasja, et kõik ained koosnevad aatomitest, väitis Demokritos (400 eKr). Ta oli suurepärane reisija ja tema lemmikütlus oli:

"Midagi pole olemas peale aatomite ja puhta ruumi, kõik muu on vaade"

Slaid 4

Antiosake - osake, millel on sama mass ja spin, kuid igat tüüpi laengute väärtused on vastupidised;

Osakeste füüsika ajaskaala

Igal elementaarosakel on oma antiosake

Slaid 5

Kõik need osakesed olid ebastabiilsed, s.t. lagunesid väiksema massiga osakesteks, muutudes lõpuks stabiilseteks prootoniteks, elektronideks, footoniteks ja neutriinodeks (ja nende antiosakesteks).

Teoreetilised füüsikud seisid silmitsi kõige keerulisema ülesandega korraldada kogu avastatud osakeste "loomaaed" ja püüda viia põhiosakeste arv miinimumini, tõestades, et teised osakesed koosnevad põhiosakestest.

Slaid 6

Slaid 7

Kuidas tuvastada elementaarosakest?

Tavaliselt uuritakse ja analüüsitakse fotode abil osakeste jäetud jälgi (trajektoore või jälgi).

Slaid 8

Elementaarosakeste klassifikatsioon

Kõik osakesed jagunevad kahte klassi: Fermioonid, mis moodustavad aine; Bosonid, mille kaudu interaktsioon toimub.

Slaid 9

Fermionid jagunevad leptoniteks ja kvarkideks.

Kvargid osalevad nii tugevas vastasmõjus kui ka nõrkades ja elektromagnetilistes vastasmõjudes.

Slaid 10

Gell-Mann ja Georg Zweig pakkusid välja kvargimudeli 1964. aastal. Pauli põhimõte: ühes omavahel seotud osakeste süsteemis ei eksisteeri kunagi vähemalt kahte ühesuguste parameetritega osakest, kui nendel osakestel on pooltäisarvuline spin.

M. Gell-Mann konverentsil 2007. a

Slaid 11

Mis on spin?

Spin demonstreerib, et on olemas olekuruum, millel pole midagi pistmist osakese liikumisega tavaruumis; Spinni (inglise keelest spin - to spin) võrreldakse sageli "kiiresti pöörleva ülaosa" nurkimpulssiga - see pole tõsi! Spin on osakese sisemine kvantkarakteristik, millel pole klassikalises mehaanikas analoogi;

Spin (inglise keelest spin - twirl, rotation) on elementaarosakeste sisemine nurkimpulss, millel on kvant iseloom ja mis ei ole seotud osakese kui terviku liikumisega.

Slaid 12

Slaid 13

Slaid 14

Neli tüüpi füüsilist suhtlust

gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk, tugev.

Nõrk interaktsioon – muudab osakeste sisemist olemust. Tugev vastastikmõju määrab erinevad tuumareaktsioonid, aga ka tuumades neutroneid ja prootoneid siduvate jõudude tekkimise.

Koostoimete mehhanism on sama: teiste osakeste - vastasmõju kandjate - vahetuse tõttu.

Slaid 15

Elektromagnetiline interaktsioon: kandja - footon. Gravitatsiooniline vastastikmõju: kandjad - gravitatsioonivälja kvantid - gravitonid. Nõrgad interaktsioonid: kandjad - vektorbosonid. Tugevate interaktsioonide kandjad: gluoonid (ingliskeelsest sõnast liim), mille puhkemass on võrdne nulliga.

Nii footonitel kui ka gravitonitel puudub mass (puhkemass) ja nad liiguvad alati valguse kiirusel.

Oluline erinevus nõrkade interaktsioonikandjate ning footonite ja gravitonide vahel on nende massiivsus.

Slaid 16

Kvarkide omadused

Kvarkide supermultipletid (kolmkõla ja antitriaad )

Slaid 17

Kvarkidel on omadus, mida nimetatakse värvilaenguks. Värvilaenguid on kolme tüüpi, mida tavaliselt tähistatakse sinise, rohelise ja punasena. Igal värvil on täiendus oma antivärvi kujul - anti-sinine, anti-roheline ja anti-punane. Erinevalt kvarkidest pole antikvarkidel värv, vaid antivärv ehk vastupidine värvilaeng.

Kvarkide omadused: värvus

Slaid 18

Kvarkidel on kaks peamist massitüüpi, mis suurusjärgus ei lange kokku: praegune kvargi mass, mis on hinnatud protsessides, kus ruudus 4-impulss on oluliselt üle kantud, ja struktuurne mass (plokk, koostisosa mass); hõlmab ka kvarki ümbritseva gluoonivälja massi ning seda hinnatakse hadronite massi ja nende kvarkide koostise põhjal.

Kvarkide omadused: mass

Slaid 19

Iga kvargi maitset (tüüpi) iseloomustavad sellised kvantarvud nagu isospin Iz, veidrus S, võlu C, võlu (põhjasus, ilu) B′, tõde (ülaosa) T.

Kvarkide omadused: maitse

Slaid 20

Slaid 23

Slaid 24

Slaid 25

Slaid 26

Slaid 27

Millised tuumaprotsessid tekitavad neutriinosid?

A. α - lagunemise ajal. B. β - lagunemise ajal. B. Kui kiirgavad γ - kvantid. D. Mis tahes tuumatransformatsiooni ajal

Slaid 28

Slaid 29

Prooton koosneb...

A. . . .neutron, positron ja neutriino. B. . . .mesonid. IN. . .kvarkid. D. Prootonil ei ole koostisosi.

Slaid 30

Neutron koosneb...

A. . . .prooton, elektron ja neutriino. B. . . .mesonid. IN. . . kvargid. D. Neutronil ei ole koostisosi.

2. Interaktsiooni seisukohalt jagunevad kõik osakesed kolme tüüpi: A. Mesonid, footonid ja leptonid. B. Footonid, leptonid ja barüonid. B. Footonid, leptonid ja hadronid.

3. Mis on elementaarosakeste olemasolu peamine tegur? A. Vastastikune ümberkujundamine. B. Stabiilsus. B. Osakeste vastastikmõju.

4. Millised vastastikmõjud määravad tuumade stabiilsuse aatomites? A. Gravitatsiooniline. B. Elektromagnetiline. B. Tuuma. D. Nõrk.

Slaid 34

6. Aine elektromagnetväljaks muutumise tegelikkus: A. Seda kinnitab elektroni ja positroni annihilatsiooni kogemus. B. Seda kinnitas elektroni ja prootoni annihilatsioonikatse.

7. Aine väljaks muundumise reaktsioon: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.

8. Milline vastastikmõju põhjustab elementaarosakeste muutumist üksteiseks? A. Tugev interaktsioon. B. Gravitatsiooniline. B. Nõrk interaktsioon D. Tugev, nõrk, elektromagnetiline.

Vastused: B; IN; A; IN; B; A; IN; G.

5. Kas looduses leidub muutumatuid osakesi? A. Neid on. B. Neid pole olemas.

Slaid 35

Kirjandus

Perioodiline elementaarosakeste süsteem / http://www.organizmica.ru/archive/508/pic-011.gif; Ishkhanov B.S. , Kabin E.I. Tuumade ja osakeste füüsika, XX sajand / http://nuclphys.sinp.msu.ru/introduction/index.html elementaarosakeste tabel / http://lib.kemtipp.ru/lib/27/48.htm Osakesed ja antiosakesed / http://www.pppa.ru/additional/02phy/07/phy23.php Elementaarosakesed. teatmeteos > keemia entsüklopeedia / http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_article_4519.html Elementaarosakeste füüsika / 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 Tuuma ja elementaarosakeste füüsika. Teadmine on jõud. / http://znaniya-sila.narod.ru/physics/physics_atom_04.htm Kvark. Materjal Wikipediast - vaba entsüklopeedia / http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E2%E0%F0%EA 2.Kvarkidest. / http://www.milogiya.narod.ru/kvarki1.htm Vikerkaare harmoonia / http://www.milogiya2008.ru/uzakon5.htm

Slaid 1

Elementaarosakesed

Slaid 2

Sissejuhatus
Elementaarosakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavalt koosneb kogu aine. "Elementaarosakeste" mõiste kaasaegses füüsikas väljendab ideed ürgüksustest, mis määravad kõik materiaalse maailma teadaolevad omadused, ideed, mis tekkisid loodusteaduse kujunemise algfaasis ja on alati mänginud olulist rolli. selle areng.
Elementaarosakeste olemasolu on omamoodi postulaat ja selle kehtivuse testimine on füüsika üks olulisemaid ülesandeid.

Slaid 3

Lühike ajalooline teave
Elementaarosakeste avastamine oli loomulik tulemus 19. sajandi lõpus füüsikas saavutatud üldisele edule aine struktuuri uurimisel. See valmistati ette aatomite optiliste spektrite põhjalike uuringute, vedelike ja gaaside elektrinähtuste uurimise, fotoelektri, röntgenikiirguse ja loodusliku radioaktiivsuse avastamise, mis viitas aine keeruka struktuuri olemasolule.
Avastus: elektron on negatiivse elektrilaengu kandja aatomites, 1897. Tomson. Prootonid on osakesed, millel on ühikuline positiivne laeng ja mass, 1919. Rutherfordi neutron – mass, mis on lähedane prootoni massile, kuid sellel puudub laeng, 1932. a. Chadwicki foton – 1900 Alustas Plancki teooriat Neutriino – osake, mis ainega peaaegu ei interakteeru, 1930 Pauli

Slaid 4

30ndatest 50ndate alguseni. Elektronosakeste uurimine oli tihedalt seotud kosmiliste kiirte uurimisega. 1932. aastal avastas K. Anderson kosmilistes kiirtes positroni (e+) – elektroni massiga, kuid positiivse elektrilaenguga osakese. Positron oli esimene avastatud antiosake. 1936. aastal avastasid Ameerika füüsikud K. Anderson ja S. Neddermeyer kosmilisi kiiri uurides müüonid (mõlemad elektrilaengu märgid) – osakesed massiga ligikaudu 200 elektronmassi, kuid muidu oma omadustelt üllatavalt lähedased e-, e+-le. 40ndate lõpp - 50ndate algus. neid iseloomustas suure ebaharilike omadustega osakeste rühma avastamine, mida nimetatakse "kummaliseks".

Slaid 5

Elementaarosakeste põhiomadused. Interaktsiooni klassid
Kõik elektronosakesed on äärmiselt väikese massi ja suurusega objektid. Enamiku nende mass on prootoni massi suurusjärgus, võrdne 1,6 × 10–24 g (ainult elektronide mass on märgatavalt väiksem: 9 × 10–28 g). Eksperimentaalselt määratud prootoni, neutroni ja p-mesoni suurused on suurusjärgus 10-13 cm. Elektroni ja müüoni suurusi ei ole võimalik kindlaks teha, on teada, et need on väiksemad kui 10-15 cm Elektronosakeste mikroskoopilised massid ja suurused moodustavad nende käitumise kvantspetsiifilisuse. Iseloomulikud lainepikkused, mida tuleks kvantteoorias elektronosakestele omistada, on suurusjärgus lähedased tüüpilistele mõõtmetele, mille juures nende interaktsioon toimub (näiteks p-mesoni puhul 1,4 × 10–13 cm). See toob kaasa asjaolu, et elektronosakeste jaoks on määravad kvantseadused.

Slaid 6

Kõigi elektronosakeste kõige olulisem kvantomadus on nende võime tekitada ja hävitada (kiirgada ja neelduda) suhtlemisel teiste osakestega. Selles suhtes on nad footonitega täiesti analoogsed
Need määravad prootonite ja neutronite seose aatomituumades ning annavad nendele moodustistele erakordse tugevuse, mis on aluseks aine stabiilsusele maapealsetes tingimustes.
Eelkõige vastutavad elektromagnetilised interaktsioonid aatomi elektronide ühendamise eest tuumadega ja aatomite ühendamise eest molekulides.
Nõrk interaktsioon põhjustab väga aeglaselt toimuvaid protsesse elektronidega ja põhjustab ka aeglast lagunemist.

Slaid 7

mida iseloomustab eelkõige asjaolu, et neil on tugev vastastikmõju, lisaks elektromagnetiline ja nõrk
osaleda ainult elektromagnetilises ja nõrgas vastasmõjus

Slaid 8

Slaid 9

Slaid 10

Mõned osakeste teooria üldised probleemid
Pole teada, milline on leptonite, kvarkide ja erinevate vektorosakeste koguarv ning kas on olemas füüsikalised põhimõtted, mis selle arvu määravad. Spin 1/2 osakeste jagunemise põhjused 2 erinevaks rühmaks on ebaselged: leptonite ja kvarkide sisekvantarvude päritolu (L, B, 1, Y, Ch) ja kvarkide sellised omadused. ja gluoonid kui “värvus” on ebaselge, mil määral on vabadused seotud sisemiste kvantarvudega. Mis mehhanism määrab erinevate sümmeetriaomadustega interaktsioonide massid. ptk.

Slaid 11

Järeldus
Seega peaks tekkiv trend elektronosakeste erinevate interaktsioonide klasside samaaegse arvestamise suunas tõenäoliselt loogiliselt lõpule viima gravitatsioonilise interaktsiooni lisamisega üldisesse skeemi. Kõige tõenäolisemalt eeldatakse tulevase elektronosakeste teooria loomist, võttes samaaegselt arvesse kõiki interaktsioonitüüpe.

Definitsioon: elementaarosakesed
helistage suurele rühmale
aine väikseimad osakesed, mitte
olles aatomid või aatomid
südamikud.
Elementaarosakesed:
elektronid
prootonid
neutriino
neutronid
müüonid
mesonid
kummalised osakesed
resonantse
"ilus"
osakesed
footonid
"nõiutud" osakesed

Nimetus, mass, laeng

Osake
elektron
Sümbol
0e
-1
Kaal, kg
Laeng, Cl
9*10-31
-1,6*10-19
Prooton
1p
1
1,673*10-27
+1,6*10-19
Neutron
1n
0
1,675*10-27
0
Footon
γ
0
0

Valdav hulk algõpetust
osakesi looduses ei leidu, sest
nad ei ole stabiilsed, neid võetakse sisse
laborid. Peamine viis, kuidas
kiire kokkupõrge
stabiilsed osakesed pooleli
millest osa kineetilisest energiast
liikuvad osakesed muutuvad
Saadud osakeste energia
Kõik osakeste muundamise protsessid
järgima jäävuse seadusi (energia,
impulss, laeng ja mitmed muud kogused,
elementaarosakeste jaoks).

Konverteeritavus
elementaarosakesed – üks
kõige olulisemad omadused.
Kaasaegne füüsika
elementaarosakesed
nimetatud ka
KÕRGE FÜÜSIKA
ENERGIA.

Ameerika füüsikud M. Gell-Mann ja
G. Zweig esitas hüpoteesi, vastavalt
millest prooton koosneb kolmest
tasud: -e/3, +2e/3, +2e/3. Osakesed koos
murdlaengu nimetati kvarkideks.
Selle hüpoteesi kohaselt on neutronid
koosneb ka kolmest kvargist,
millel on tasud: -e/3, -e/3, +2e/3. Niisiis,
elementaarosakesed ei ole
struktuurita moodustised.
Vastavalt kaasaegsetele ideedele
füüsikud, prootonid, neutronid ja teised
Osakesed on moodustatud kvarkidest, mis on
neil on murdosa elektriline
süüdistused.

Antiosakesed

Osakesed, mille mass on võrdne elektroni massiga, kuid
millel on positiivne laeng. Ta sai nimeks
positron (0e1).
Uuringud on näidanud, et positroon võib
ilmnevad γ-kvanti interaktsiooni tulemusena
raske tuum ja alati koos elektroniga:
γ + X → X + 0е-1 + 0е1
Järelikult elektron-positroni sünd
paar tähistab ühe teisendust
osake - footon (γ-kvant) kaheks teiseks osakeseks -
elektron ja positron.

Saab luua elektron-positroni paari
ainult footon, mille energia ei ole väiksem
elektroni ja positroni puhkeenergia summa:
hν ≥ 2mc2
Kuna elektroni puhkeenergia on
ligikaudu 0,5 MeV, siis minimaalne energia
footon on 1 MeV ja selle maksimaalne lainepikkus on:
λmax = hс/2moc2 = 10-12 m = 10-3 nm.
Vaakumis on positron, nagu elektron, stabiilne,
stabiilne osake. Aga üksteisega kohtudes
sõber, elektron ja positroni ANNHILEERIMINE,
suure energiaga footonite tekitamine: 0е-1+0е1→2γ
Aine ja antiaine hävitamise ajal
vabaneb kolossaalne energia -
puhkeenergia.

Hiljem need avanesid
Teiste elementaarosakeste ANTIOSAKESED.
Tavaliselt tähistatakse antiosakest sama tähega,
nagu osake, kuid selle kohale asetatakse laineline
omadus. Näiteks tähistatakse prootonit
täht p ja antiprooton – p.

Põhilised interaktsioonid
Tugev
interaktsiooni
Elektromagnetiline
interaktsiooni
Gravitatsiooniline
interaktsiooni
Nõrk
interaktsiooni

Tugev interaktsioon on iseloomulik raskele
osakesed. Just see määrab prootonite ühenduse ja
neutronid aatomite tuumades.
Elektromagnetilises interaktsioonis
kaasatud on elektriliselt laetud osakesed ja footonid.
Elektromagnetilise interaktsiooni tõttu on
elektronide ühendus tuumadega aatomites ja aatomite ühendus sisse
molekulid. Elektromagnetiline interaktsioon
määrab palju makroskoopilisi omadusi
ained.
Nõrk suhtlus on kõigile omane
muud osakesed peale footonite. Tema kuulsaim
ilming – neutronite ja aatomituumade beetalagunemine.
Gravitatsiooniline interaktsioon on omane kõigele
Universumi kehad; see avaldub universaalsuse jõudude kujul
gravitatsiooni. Need jõud tagavad tähtede olemasolu,
planeedisüsteemid jne. Mikrokosmoses gravitatsiooniline
interaktsioon on äärmiselt nõrk tänu sellele, et
elementaarosakeste massid on äärmiselt väikesed.

Tüüp
interaktsioonid
Tugev
Raadius
toimingud, m
intensiivsus,
Vektorid
suhtelised ühikud interaktsiooni
10-15
1
Gluoonid
∞
10-2
Footonid
10-18
10-10
Keskmine
uus
bosonid
∞
10-38
Gravitonid
Elektromagnetiline
Nõrk
Gravitatsiooniline

Elementaarosakesed
Leptonid
Hadronid
Hadronid (kreeka keelest - adros big,
tugev.) – prootonid, neutronid ja
muud osakesed osalevad kõigis
neli interaktsiooni.
Leptonid (kreeka keeles – leptos –
kergeim, väikseim) – elektronid,
müüonid ja muud kolme tüüpi osakesed
interaktsioon, va
tugev.

?
Kas on tõesti olemas
elementaarosakesed - esmased,
edasi lagunematud osakesed, alates
mis peaksid koosnema
asi?
Tõesti
elementaarne
osakesed
Leptonid
Vektorid
interaktsioonid
Kvargid

Elementaarosakeste avastamise ajalugu

Esimene elementaarosake -
elektron – avastasid inglased
füüsik J. Thomson 1897. aastal
Inglise füüsik E. Rutherford 1919. a
Leiti väljalöödud osakeste hulgast
aatomituumad, prootonid. Teine osake
osa tuumast, neutron -
avati 1932. aastal inglaste poolt
füüsik J. Chadwick.

Šveitsi füüsik W. Pauli 1930. aastal Esimest korda
soovitas, et on olemas spetsiaalsed elementaarsed
osakesed - neutriino (neutronite deminutiiv),
millel puudub laeng ja (võimalik) mass.
Neutriinode eripäraks on nende tohutu
läbitungimisvõime, mis teeb selle raskeks
märkamine. 1934. aastal koostas E. Fermi, mis põhineb
neutriino hüpotees, ehitas β - lagunemise teooria.
Neutriinod avastati eksperimentaalselt 1953. aastal.
Ameerika füüsikud F. Reines ja K. Cowan.
Positron, esimene antiosake, avastati
K. Andersen 1932. aastal
1936. aastal K. Anderson ja S. Neddermayer (USA) all
avastati kosmilise kiirguse uurimine
elektrilaenguga müüonid (mõlemad
märgid) - osakesed massiga umbes 200
elektronide massid, kuid muidu - sulgeda
elektroni (ja positroni) omadused.

1947. aastal rühm inglise füüsikuid
S. Powelli juhtpositsioon kosmilise kiirguse vallas
avastati mesonid (kreeka keelest Meson - keskmine,
vahepealne.).
1960. aastatel avastati suur hulk osakesi
äärmiselt ebastabiilne, neil on äärmiselt vähe
eluiga (umbes 10-24 - 10-23 s). Need osakesed
nimetatakse resonantsiks, make up
enamik elementaarosakesi.
Aastatel 1976-1977 elektronide annihilatsiooni katsetes
ja positron, avastati "võlutud" osakesed.
Nende olemasolu ennustas kvark
elementaarosakeste ehituse hüpotees.
1983. aastal avastati esmakordselt vaheained
bosonid on rühm raskeid osakesi, mis on
nõrga interaktsiooni kandjad. Avamine
uued elementaarosakesed jätkub läbi
tänapäev.

KOKKUVÕTE:

"Ja sellest hoolimata on ime
hämmastav keerukus
maailm, mida saame avastada
tema esinemistes on mõned
muster."
E. Schrödinger

Esitlus
lõpetatud:
Gladchenko Maria ja
Gladchenko Maxim.

Slaid 2


Test 1. Millised füüsikalised süsteemid tekivad elementaarosakestest elektromagnetilise vastastikmõju tulemusena? A. Elektronid, prootonid. B. Aatomituumad. B. Aatomid, aine molekulid ja antiosakesed. 2. Interaktsiooni seisukohalt jagunevad kõik osakesed kolme tüüpi: A. Mesonid, footonid ja leptonid. B. Footonid, leptonid ja barüonid. B. Footonid, leptonid ja hadronid. 3. Mis on elementaarosakeste olemasolu peamine tegur? A. Vastastikune ümberkujundamine. B. Stabiilsus. B. Osakeste vastastikmõju. 4. Millised vastastikmõjud määravad tuumade stabiilsuse aatomites? A. Gravitatsiooniline. B. Elektromagnetiline. B. Tuuma. D. Nõrk.

Slaid 3


6. Aine elektromagnetväljaks muutumise tegelikkus: A. Seda kinnitab elektroni ja positroni annihilatsiooni kogemus. B. Seda kinnitas elektronide ja prootonite annihilatsiooni katse. 7. Aine väljaks muutumise reaktsioon: A. e + 2γ→e+B. e + 2γ→е- В.е+ +е- =2γ. 8. Milline vastastikmõju põhjustab elementaarosakeste muutumist üksteiseks? A. Tugev interaktsioon. B. Gravitatsiooniline. B. Nõrk interaktsioon D. Tugev, nõrk, elektromagnetiline. Vastused: B; IN; A; IN; B; A; IN; D. 5. Kas looduses leidub muutumatuid osakesi? A. Neid on. B. Neid pole olemas.

Slaid 4


1964. aasta Gell-Mann ja Zweig - hüpotees kvarkide olemasolu kohta. Kvarkideks nimetati kõiki oletatavaid "päris elementaarosakesi", mis moodustavad kõik mesonid, barüonid ja resonantsid. Selliste osakeste moodustamiseks pidid kvarkidel olema laengud +2\3 ja -1\3. Me ei teadnud selliseid osakesi!! n +2\3 -1\3 -1\3 u d d P +2\3 +2\3 -1\3 u d u Kvargid:u, d, s ,c, b, t. Sama palju antikvarke Pauli põhimõtte järgi: ühes omavahel seotud osakeste süsteemis ei eksisteeri kunagi vähemalt kahte ühesuguste parameetritega osakest, kui nendel osakestel on pooltäisarvuline spin.

Slaid 5


Omega - miinus - hüperon koosneb kolmest identsest kvargist. Põhimõtte rikkumine?? Kas kvargid on identsed?? Need ei saa olla identsed, seetõttu erinevad nad mõne tundmatu omaduse poolest. Need uued omadused on värvitasud. Kvarkidel on kolme tüüpi (värvi) laenguid. Punane, sinine, kollane. Antikvarkidel on: anti-punane, anti-sinine, anti-kollane laeng. Samade elektrilaengutega kvarkidel on erinevad värvilaengud ja nende vahel on värvide vastasmõju tõttu tõmbejõud. Värvide interaktsiooni kirjeldav teooria on kromodünaamika.

Slaid 6


Looduses pole tasuta KVARKE! Värvide interaktsiooni tugevused suurenevad kvargist kaugenedes. Kui kvarkide vaheline side katkeb, sünnib GLUUONS värvide koosmõju. Kolme värvi ja kolme antivärvi kombinatsioon annab kaheksa erinevat gluooni. Tänapäeval arvatakse, et looduses on 36 kvarki, 8 gluooni, 12 leptonit ja footonit, kokku 57 “kõige elementaarsemat” osakest.

Slaid 7


Mateeria lihtsaima alusprintsiibi otsimine viis taas kvalitatiivselt uue etapi avastamiseni looduse tundmises. "Elektron on ammendamatu nagu aatom, loodus on lõpmatu..." V.I. Lenin D/Z § 87

Vaadake kõiki slaide