Урок 1. Мир элементарных частиц <2>
Продолжительность: 2 академических часа, профильный уровень.
Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества, дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.<3>
Тип урока: комбинированный урок.
Использование ИКТ на уроке: компьютерный класс, интерактивное учебное пособие «Наглядная школа. Ядерная физика», интегрированное с интерактивной доской.
I. Организационный этап. Учитель демонстрирует тему и цель урока. Актуализация опорных знаний и способов действий
Перед классом ставится вопрос, подводящий к необходимости изучения темы с кратким обобщением по пройденному материалу:
Какие элементарные частицы были открыты в начале 20-го века? Что вам о них известно? <4,5>
Учащиеся называют элементарные частицы и сообщают классу о том, что им известно о них (история открытия, характеристика частицы, свойства и др.)
Ответ: до 1932 г. только три частицы: протон, нейтрон и электрон представляли собой в глазах ученых «полный набор» простейших частиц, из которых состоит вещество. Поэтому эти частицы были названы элементарными. К числу элементарных частиц относили также фотон, являющийся переносчиком электромагнитных взаимодействий.
II. Формирование новых понятий и способов действий
План изложения нового материала:
- Три этапа в развитии физики элементарных частиц
- Классификация элементарных частиц.
- Фундаментальные частицы и взаимодействия.
Изучение нового материала следует в контексте следующей хронологической схемы:
1. Три этапа в развитии физики элементарных частиц. <6-9>
Этап первый. От электрона до позитрона: 1897 — 1932 гг.
Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.<10>
Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. По мере того, как развивалась наука, многие элементарные частицы переходили в разряд неэлементарные.
Этап второй. От позитрона до кварков: 1932 — 1964 гг.
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.
Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней.
Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру. В 1964 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц — кварков.
Однако, такое простое представление о первоначалах мироздания продержалось недолго: в 1932 г. была открыта античастица электрона – позитрон, который имеет в точности ту же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. <11>
В дальнейшем выяснилось, что кроме электрического заряда, элементарные частицы могут иметь и другие заряды, которые также сохраняются во всех видах взаимодействий. Например, нуклоны обладают «барионным» зарядом. Когда были открыты античастицы протона и нейтрона (антипротон и антинейтрон), было установлено, что они обладают отрицательным барионным зарядом. Антипротон имеет, кроме того, отрицательный электрический заряд. Удалось создать даже «антиатомы» простейших элементов, например, антигелий. Ядро антигелия состоит из двух антипротонов и двух антинейтронов, а вокруг этого ядра движутся два позитрона.
Согласно современным представлениям, у каждой частицы есть античастица, имеющая такую же массу, но противоположные знаки всех зарядов.<12>
Античастицы некоторых частиц совпадают с самими частицами: например, античастицей фотона является фотон. Такие частицы называют истинно нейтральными, потому что все их заряды равны нулю.
Новые опыты заставили также пересмотреть «очевидное» понятие составного объекта. Долгое время считалось, что сложные микрообъекты состоят из более простых подобно тому, как механизм состоит из деталей. Чтобы выяснить, «из чего состоят» те или иные микрообъекты, физики, начиная с Резерфорда, «прощупывали» или разрушали микрообъекты, подвергая их бомбардировке быстрыми частицами.
Однако, во второй половине 20-го века выяснилось, что частицы с большими энергиями не раскалываются при столкновениях на более простые – вместо этого рождаются новые, в том числе неизвестные частицы, причем массы этих частиц могут быть больше, чем массы сталкивающихся частиц.<13-15>
«Превращение» кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу рождающихся частиц возможно согласно формуле Эйнштейна E = mc2, связывающей массу и энергию.<16>
Кроме того оказалось, что частицы могут превращаться друг в друга.<17> Например, частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы. При этом, однако, выполняются все законы сохранения, в том числе закон сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Например, при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция: они превращаются в два фотона.
Во второй половине 20-го века при исследовании космических лучей и в экспериментах на ускорителях частицы стали открывать десятками и сегодня их число составляет несколько сотен! Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е годы к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными. Некоторые из вновь открытых частиц (их назвали резонансами) являются очень короткоживущими: они распадаются на другие частицы через 10-22 – 10-23с, то есть эти частицы живут чуть больше времени, которое нужно свету, чтобы пролететь сквозь атомное ядро! Обилие новых элементарных частиц поставило вопрос об их классификации.
2. Классификация элементарных частиц
По величине спина (собственного момента количества движения) все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны.<18,19>
Фермионы – частицы с полуцелым спином: 1/2; 3/2, … . К фермионам относятся, например, электрон e-, протон p, нейтрон n, электронное нейтрино νe.<20>
Бозоны – частицы с целым спином: 0; 1, 2, … . К бозонам относятся, например, фотон γ, π+-мезон.
Для распределения фермионов по возможным энергетическим состояниям справедлив принцип Паули.<21>
Принцип Паули
В одном и том же энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.
Для бозонов принципа Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находиться любое число бозонов.
Адроны и лептоны
Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, назвали адронами.<22,23> Например, к числу адронов принадлежат частицы, из которых состоят атомные ядра – протоны и нейтроны. Известных сегодня адронов сотни: именно они и составляют большую часть открытых частиц.
Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях назвали лептонами.<24,25>
К их числу относится, например, электрон.
К настоящему времени установлено существование шести лептонов, причем один из них (таон) оказался не таким уж «легким»: его масса почти вдвое превышает массу протона! Зато три из шести лептонов (три вида нейтрино) полностью оправдывают свое название: их масса по современным представлениям, равна нулю.
Кварки
В 60-х годах 20-го века американские физики М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг произвели систематизацию всех адронов, исходя из предположения, что адроны являются составными объектами, то есть состоят из других частиц, названных кварками. <26>
Все адроны делятся на два вида – барионы и мезоны.<27> Барионы (к их числу принадлежат нуклоны) состоят из трех кварков, а мезоны (к их числу принадлежат, например пи-мезоны, обмен которыми между нуклонами дает существенный вклад в ядерные силы) – из кварка и антикварка.<28>
Эксперименты по рассеянию частиц высоких энергий подтвердили, что внутри нуклона действительно находятся три слабо связанные кварка, однако освободить эти кварки не удалось даже при бомбардировке нуклонов частицами очень большой энергии.
Кварки оказались весьма необычны по своим свойствам.
Во-первых, кварки обладают дробным электрическим зарядом, равным +2/3e и - 1/3e, где e – модуль заряда электрона. Например, протон состоит из двух кварков с зарядом+2/3e и одного кварка с зарядом – 1/3e, поэтому заряд протона равен e. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом +2/3e и двух кварков с зарядом – 1/3e, поэтому заряд нейтрона равен нулю.
Во-вторых, кварки слабо взаимодействуют друг с другом только на очень малых расстояниях – меньших размеров нуклона. При увеличении же расстояния взаимодействие между кварками не убывает, а становится более сильным. Именно поэтому кварки в свободном виде не существуют. При попытке разорвать связи между кварками рождаются кварки и антикварки, которые тут же объединяются в новые адроны. Это напоминает в некотором смысле невозможность получить магнит с одним полюсом: при разламывании двухполюсного магнита получаются снова два магнита с двумя полюсами каждый.
Взаимодействие кварков обусловлено наличием у них особого заряда, условно называемого «цветом». Сегодня установлено существование шести кварков. Каждый кварк существует в трех «цветовых» вариантах – «красный», «зеленый» и «синий». Массы некоторых кварков намного превышают массы нуклонов.
3. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия
Фундаментальные частицы
По современным представлениям фундаментальными частицами (то есть частицами, не состоящими из других частиц) являются лептоны и кварки. <29>
Фундаментальных частиц на сегодняшний день оказывается не так уж мало: 6 лептонов и 6 антилептонов, 18 кварков (6 кварков 3-х цветов) и 18 антикварков. Всего 48 фундаментальных частиц.
К числу «истинно элементарных» частиц принадлежат также 13 частиц – переносчиков различных видов взаимодействий. Итого - по современным представлениям в основе мироздания лежит 61 вид частиц.
Это не намного меньше, чем число различных химических элементов в Периодической таблице Менделеева, что заставляет думать, что мы находимся еще в «пути», то есть поиск истинных первоначал материи еще не завершен. Так 4 июля 2012 года в недрах ЦЕРНа обнаружен долгожданный бозон Хиггса! <30-33>
Фундаментальные взаимодействия и переносчики взаимодействий
По современным представлениям все взаимодействия в природе являются проявлениями четырех видов фундаментальных взаимодействий между фундаментальными частицами – лептонами и кварками. Каждый вид фундаментальных взаимодействий обусловлен обменами частиц – переносчиков этого взаимодействия.<34>
Сильное взаимодействие
Наиболее интенсивное взаимодействие – это сильное взаимодействие между кварками. Оно осуществляется благодаря обмену глюонами. Существует 8 видов глюонов. Взаимодействие между адронами рассматривается сегодня как взаимодействие сложных составных объектов, состоящих из кварков. Например, взаимодействие между нуклонами в атомном ядре осуществляется благодаря обмену между различными мезонами, состоящими из кварка и антикварка.
Электромагнитное взаимодействие
Следующее по интенсивности взаимодействие – электромагнитное взаимодействие между электрически заряженными частицами. Оно осуществляется благодаря обмену фотонами. Существует всего один вид фотонов.
Слабое взаимодействие
Далее по убыванию интенсивности идет слабое взаимодействие. В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны. Примером слабого взаимодействия является распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Слабое взаимодействие осуществляется благодаря обмену очень массивными частицами, которые называются промежуточными векторными бозонами. В 80-е годы 20-го века были экспериментально открыты три вида векторных бозонов: положительно заряженный, отрицательно заряженный и нейтральный. Масса каждого из них почти в сто раз больше массы нуклона. Выяснилось, что «слабость» слабого взаимодействия по сравнению с электромагнитным обусловлена именно большой массой промежуточных векторных бозонов, благодаря чему слабое и электромагнитное взаимодействия являются «близкими родственниками», представляя собой проявления так называемого электрослабого взаимодействия. Несмотря на свою «слабость», слабое взаимодействие играет огромную роль в природе. Например, только благодаря ему происходит превращение протонов в нейтроны в звездах, - а это необходимо для возможности осуществления термоядерной реакции, являющейся основным источником энергии звезд.
Гравитационное взаимодействие
Наконец, наиболее слабым из известных взаимодействий является гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все частицы, обладающие энергией, то есть все без исключения частицы – не только кварки и лептоны, но и переносчики всех видов взаимодействия (например, фотоны). Считается, что гравитационное взаимодействие осуществляется благодаря обмену гравитонами. Гравитон – единственная из «истинно элементарных» частиц, существование которой еще не установлено на опыте (этому мешает слабость гравитационных взаимодействий – они примерно в 1040 раз слабее электромагнитных). Гравитационное взаимодействие уникально в том отношении, что представляет собой только притяжение, и поэтому гравитацию невозможно «экранизировать». Поэтому в космических масштабах именно гравитационное взаимодействие является «главным»: оно управляет движением планет, звезд и галактик.
Таким образом, общее число частиц – переносчиков взаимодействия равно 13 (8 глюонов, фотон, три векторных бозона и гравитон).<35,36>
III. Применение знаний, формирование умений. Контроль и учет знаний
В зависимости от уровня подготовленности и профиля класса, учитель организует дифференцированный контроль с помощью средств ИКТ. Класс разбивается на группы и учащимся предлагается выполнить задания по вариантам в интерактивном режиме. Подбор заданий можно осуществлять для каждой группы индивидуально. Таким образом, учащиеся могут самостоятельно оценить свои знания.<37-56>
IV. Информация учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению
У: §114, 115, подготовиться к тематическому оцениванию знаний.<57>
Использованная литература и интернет-ресурсы
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс: учеб. Для общеобразоват. Учреждений: базовый и профильный уровни. – М.: Просвещение, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика-11. Квантовая физика (Второе полугодие). – М.: Илекса, 2005.
- Интерактивное учебное пособие «НАГЛЯДНАЯ ФИЗИКА. Ядерная физика»© ООО «Экзамен-Медиа», 2011.www.examen-media.ru
- http://teachers.jinr.ru/categories/128-cern2015
- http://teachers.jinr.ru/media-gallery/415-bednyakov?category_id=128; Vadim Bednyakov, «Higgs Boson, Science and JINR».
- http://teachers.jinr.ru/media-gallery/402-zimine-introduction-cern?category_id=128; Nikolai Zimine, «Introduction to CERN».
- http://teachers.jinr.ru/media-gallery/405-klygina?category_id=128;
Kseniya Klygina, «Virtual laboratories in schools and universities». - http://cdsweb.cern.ch/record/1165534. <58>