1. Вступительная часть 1-2 мин

1. Опрос 10 мин

2. Лекция 30 мин

3. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Элементарные частицы. 2. Свойства элементарных частиц.

Задачи:

1. Летящая со скоростью 0,8 с нейтральная частица распадается на два фотона, которые затем движутся в противоположных направлениях. Каково отношение частот этих квантов?

2. Покоившаяся нейтральная частица распалась на протон с кинетичес­кой энергией 5,3 МэВ и π^- - мезон. Найти массу этой частицы. Как она называется?

3. При распаде нейтральной частицы образовались два фотона, движу­щихся под углами 30° и 60° к первоначальному направлению движения частицы. Какова ее скорость?

Вопросы:

1. Стабильность электрона – следствие закона сохранения электрического заряда. Так ли это?

2. Как изменился бы наш мир, если бы электрон был нестабильной частицей?

3. Приведите примеры превращения энергии в вещество и вещества в энергию.

4. Почему при аннигиляции свободного электрона и позитрона всегда возникают два фотона?

5. Если в вакууме близко друг от друга разместить две тончайших обкладки конденсатора, то даже без заряда они будут притягиваться друг к другу (эффект Казимира). Почему? Если два корабля при сильном волнении на море сближаются бортами, то между ними тоже возникает притяжение.

III. Адроны - сильно взаимодействующие частицы (от греческого ^"хадрос" - массивный, сильный). Состав ядра атома - протоны и нейтроны (нуклоны). Зондирование нуклонов пучком электронов 1969 г. (чем больше им­пульс налетающей частицы, тем меньше длина волны, тем больше дета­лей удастся различить). Эти опыты показали, что нуклоны состоят из трех точечных объектов.

Другие доказательства: а) У протона есть возбужденные состояния, как и у молекулы, атома, ядра (резонансы).

б) При взаимодействии протона с налетающим протоном рождаются мезоны, которые должны распространяться преимущественно вдоль направления движения протона, если он не имеет внутренней структуры (закон сох­ранения импульса), однако в поперечном направлении рождается много больше мезонов (протон состоит из движущихся частиц).

Новый уровень элементарности - кварки. Кварк - частица со спином и дробным электрическим зарядом, являющаяся составным элементом адронов (кварк – по-немецки "творог").

Таблица кварков:

Аромат	Название	Спин	Заряд	Масса в МэВ	Странность	Очарование
u	Верхний	/2	2\3 е	2,01 0,14	0	0
d	Нижний	-	-1\3 е	4,79 0,16	0	0
s	Странный	-	-1\3 е	150	-1	0
c	Очарованный	-	2\3 е	1300	0	1
b	Красивый	-	-1\3 е	5000	0	0
t	Истинный	-	2\3 е	20000	0	0

Мезоны состоят из пары кварк - антикварк (спин целый). Примеры-демонстрации на магнитной доске: π⁺ = , π^- = d , К⁺ = u , К⁰ = d , К^- = s (всего девять мезонов со спином равным нулю). Что касается π°, то он представляет собой линейную комбинацию состояний и (часть времени он проводит в одном состоянии, а часть в другом состоянии, при этом его можно застать с равной вероятностью в каждом из этих состояний).

Спин мезонов равен нулю?! Почему? А существуют ли мезоны со спином ? Да! Существует и более тяжелая "девятка" мезонов со спином . Настоящим триумфом кварковой модели явилось открытие очарованных частиц, содержащих с-кварки. Пример: Д⁺ = с (1869 МэВ).

Барионы состоят из трех кварков (демонстрации на магнитной доске). Спин барионов полуцелый. Примеры: p = uud , n = ddu. При распаде нейтрона один d -кварк превращается в u-кварк: d → u + e^- + ; . Существует ли электрическое поле внутри нейтрона? Барионы, состоящие не только из u и d кварков, называются гиперонами.

Примеры: = uds.

Известны барионы с огромным спином 13/2 (возбужденные состояния), что соответствует большим значениям орбитального момента импульса системы кварков. Кварки, как и лептоны - фундаментальные фермионы.

Почему существует (sss)? Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным

п

олем (кванты поля – глюоны). Цвет кварков: красный, синий, желтый.

Теория взаимодействия глюонов с кварками называется квантовой хромодинамикой. Существует 8 разновидностей глюонов (б явно окрашенных и 2 скрыто окрашенных). Испуская и поглощая глюоны, кварки осуществляют сильное взаимодействие между собой. Например, красный кварк, испуская глюон, в силу сохранения цвета становится желтым, а, испуская - переходит в синий цвет.

Почему нельзя наблюдать кварки в свободном состоянии ("конфайнмент")? Силы взаимодействия между кварками ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется растяжению тем сильнее, чем больше его растя­гивают, при этом энергия связи кварков оказывается больше энергии, необходимой для рождения пары кварк - антикварк. Выгоднее родить мезон, чем оторвать кварк уже на расстоянии радиуса протона (10^-13 см)! Адронные струи: γ + р → р + π⁰. Объяснение природы сильного взаимодействия на основе квантовой хромодинамики.

Выводы: Истинно элементарные частицы - лептоны и кварки. Из них построено все вещество. Взаимодействием этих частиц обусловлено много­образие мира.

Поколения частиц:

Поколение	Лептоны	Кварки
1	e-	u
1		d
2		c
2		s
3	-	t
3		b

Всего: лептоны - 12, кварки-12, глюоны-8, фотон-1, векторные бозоны-3 =36. Блестящее подтверждение кварковой модели - открытие чармония (cc) и других частиц. В кварки поверили даже те, кто относился к ним более чем скептически.

Вопросы:

1. Существуют ли способы отличить мир от антимира?

2. почему протоны и нейтроны не являются в истинном смысле элементарными частицами?

3. Что вы теперь знаете об элементарных частицах?

4. Почему протонов во Вселенной почти в 7 раз больше, чем нейтронов?

5. Почему не встречаются частицы, состоящие из четырех и более кварков?

6. Почему в обычных условиях нейтрон неустойчив. А протон – стабилен?

7. Имеют ли мезоны цветовой заряд?

8. Могут ли кварки распадаться?

9. Чему теперь равен элементарный электрический заряд?

10. Почему нейтрон, не обладая зарядом, имеет собственный магнитный момент?

11. Являются ли кварки фундаментальными частицами (до 10^-19 м)?

12. Что такое «частица Хиггса» и почему ее иногда называют «частицей Бога»?

IV. §§ 109 – 110

Дополнительная информация: Квантовое поле сегодня рассматривается как фундаментальный единый объект, заменяющий все поля и частицы классической физики. Физический вакуум - наинизшее энергетическое состояние квантового поля. Физический вакуум – активный участник процесса распространения частиц.

Поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода (открыт У. Лэмбом в 1947 г). Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет их магнит момент, вакуум "прижимает" тела друг к другу (эффект Казимира). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина (фермионы), а частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами.

Четность волновой функции, описывающей частицу, на примере отражения в зеркале слова «КОФЕ» и нечетность – «ЧАЙ». Комбинированная четность (СР) – волновая функция не меняет знак при зеркальном отражении (Р) и одновременной замене частиц античастицами (С).

Слабые взаимодействия способны вызывать переходы внутри троек кварков (uct) и (dsb). При распаде нейтральных В – мезонов СР – четность нарушается намного сильнее: Первый распад происходит на 10% чаще. В момент Большого Взрыва произошло спонтанное нарушение симметрии, поэтому Вселенная состоит из вещества. Примеры спонтанного нарушения симметрии: буриданов осел, маленький шарик лежит в выемке слабо накачанного большого шарика. Почему правшей больше чем левшей? Антиматерия превращается в материю быстрее, чем материя – в антиматерию!

"Распыленный мильоном мельчайших частиц.

В ледяном, безвоздушном, бездушном эфире,

Где ни солнца, ни звезд, ни деревьев, ни птиц,

Я вернусь – отраженьем – в потерянном мире".

Георгий Иванов

"Целью познания является найти такие формулы, такую простейшую систему законов, которая явля­лась как бы ключом ко всему многообразию при­роды: тогда наука создала бы для нас мир, пол­ный огромного эстетического достоинства".

А. В. Луначарский

Урок 35. ОБОБЩАЮЩИЙ УРОК ПО ТЕМЕ "АТОМНОЕ ЯДРО. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ".

ЦЕЛЬ УРОКА: Систематизировать и обобщить знания учащихся об атомном ядре, строении и свойствах вещества.

ТИП УРОКА: повторительный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Обобщающая таблица "Атомное ядро".

ПЛАН УРОКА: