Элементарные частицы

Элементарные частицы

Учитель физики Цыпляева Т.А.

МОУ «СОШ № 36» г.Вологды

Этапы развития физики элементарных частиц

• 1897 -1932 г.г. - от электрона до позитрона.

• 1932 – 1964 г.г. - от позитрона до кварков.

• От гипотезы о кварках (1964г) до наших дней

Открытие электрона

На основании опытов по электролизу

М. Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.

Открытие электрона

В 1899 г.

Дж. Томсон доказал реальность существования электронов.

Открытие электрона

В 1909 г.

Р. Милликен впервые измерил заряд электрона:

q e = 1,602·10 -19 Кл

Открытие протона

В 1919 г.

Э. Резерфорд при бомбардировке азота альфа-частицами обнаружил протон:

14 7 N + 4 2 He → 17 8 O + 1 1 p

Открытие нейтрона

В 1932 г. Д. Чедвик открыл новую частицу и назвал ее нейтроном, которая не имеет электрического заряда.

В свободном состоянии нейтрон живет около

15 минут, потом распадается на протон, электрон и нейтрино:

n → p + 0 -1 e + ν

Было установлено, что атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов.

Были открыты еще позитрон, нейтрино и

γ–квант.

Эти частицы считались не способными ни к каким изменениям и превращениям, т. е. элементарными или простейшими .

Но вскоре выяснилось, что эти частицы вовсе не являются неизменными…

Античастицы –

частицы с одинаковой массой, но с противоположными знаками зарядов.

При взаимодействии аннигилируют (исчезают)

Открытие позитрона

В 1928 г. П. Дирак предсказал,

а в 1932 г. Г. Андерсон открыл позитрон ( е + ), фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона.

Эта частица является античастицей по отношению к электрону.

Электрон – позитронная пара

возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом.

γ→ е - + е +

Аннигиляция

• - процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы.

е - + е + → 2 γ

Один γ-квант не образуется, т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Открытие других элементарных частиц

В 1931 г. В.Паули предсказал, а в 1955 г. экспериментально зарегистрировал нейтрино и антинейтрино.

В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1959 г. – антинейтрон.

В 1947 г. Х. Юкатава открыл π-мезон.

Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Поэтому термин «элементарная частица» является условным.

Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.

Классификация элементарных частиц

Лептоны:

Лептоны

Название частицы

Символ

Электронное нейтрино

(легкие частицы

Части

Мюонное нейтрино

ν е

m‹207m e )

анти

цы

Масса

(в массах электрона)

Тау- нейтрино

Заряд

−

Части

ν μ

(в зарядах электрона)

ν е

Электрон

−

ν τ

0

Время жизни, с

цы

Мюон

ν μ

−

0

е -

0

ν τ

Стабиль

0

Тау-лептон

0

е +

μ -

0

μ +

но

τ -

1

Стабиль

-1 +1

τ +

207

Стабиль

но

но

-1 +1

3492

стабилен

2,2·10 -6

-1 +1

1,46·10 -12

Фотон:

Название частицы

Символ

Части

Фотон

цы

Масса

античастицы

ν

(в массах электрона)

Заряд

(в зарядах электрона)

Время жизни, с

0

0

Стаби

лен

Мезоны:

Символ

Пи - мезоны

Название частицы

Час

Масса (в массах электрона)

π 0

Ка - мезоны

мезоны

анти

тицы

части

Эта-нуль-мезон

( средние частицы –

Заряд (в зарядах электрона)

π + π -

К +

цы

η 0

207m e ‹ m‹ m p )

−

К 0

Время жизни, с

264,1

К 0

273,1

0

974,1

1 -1

1074

0

966,4

К -

1,83·

10 -16

1 -1

0

Не стабильны

2,6·10 -8

2,4·10 -19

Барионы:

Название частицы

Символ

Протон

частицы

Масса

Нейтрон

p

анти

Лямбда-гиперон

p -

(в массах электрона)

Заряд

частицы

n

(в зарядах электрона)

1836,1

Время жизни, с

ñ

Барионы

Λ 0

Сигма-гиперон

Кси-гиперон

1 -1

(тяжелые частицы

Λ -0

1838,6

∑ +

∑ 0

∑ -+

0

2183,1

Омега-минус-гиперон

стабилен?

m›m p )

Ξ 0

Ξ -0

Ξ -

0

∑ -0

2327,6

Ω -

10 3

∑ -

Ξ--

1 -1

∑ --

Ω --

2,63·10 -10

2333,6

2572,8

0

0

2585,6

3273

2343,1

8·10 -11

-1 1

2,9·10 -10

5,8·10 -20

-1 1

-1 1

1,64·10 -10

1,48·10 -10

8,2·10 -11

Классификация частиц по взаимодействию:

Взаимо

действие

Частицы

Сильное

Тяжелые частицы (нуклоны, кварки)

Электромаг

Радиус действия, м

Заряженные частицы, фотоны

Слабое

нитное

Происходит через

10 -15

Глюоны

Кварки, лептоны

∞

Гравитацион

Фотоны

10 -18

ное

Все тела Вселенной

Бозоны

∞

Гравитоны

Методы исследования свойств элементарных частиц

Ускоритель элементарных частиц

Адронный коллайдер

Коллайдер размещён на границе между Швейцарией и Францией.

Длина его окружности составляет 27 километров, поэтому его и называют большим. Кольцо ускорителя уходит вглубь от 50 до 175 метров.

В коллайдере установлено 1232 магнита. Они являются сверхпроводящими, а значит из них можно выработать максимальное поле для разгона, так как затраты энергии в таких магнитах практически отсутствуют. Общий вес каждого магнита составляет 3,5 тонны при длине 14,3 метра.

Характеристики элементарных частиц:

• Масса
• Время жизни
• Электрический заряд
• Спин
• Магнитный момент
• Цвет
• Странность
• Очарование
• …

Блиц – опрос

Верно ли, что:

• Адроны – это лептоны и мезоны?

• Нейтрон – это стабильная частица?

• Позитрон – это античастица электрона?

• Фотон относится к классу мезонов?

• Элементарных частиц примерно около 100?

Допишите реакции:

γ → 0 -1 е + ?

p → ? + 0 1 е + ν

? → 30 14 Si + 0 1 е + ν