Формування в учнів школи уявлень про елементарні частинки

     У 1962р. було досліджено , що існують два  різних нейтрино: електронне і міонне. В 1974р. були знайдені масивні і в той же час відносно стійкі -частинки.

     Вони  тісно пов'язані з новою родиною  елементарних частинок – “ зачарованих ”.

     В 1975 р. були одержані перші відомості  про існування  важкого аналога  електрона і мюона (важкого лептона t). В 1977 р. були відкриті частинки з масою  порядку десятка протонних мас. Таким чином, за роки, які пройшли після відкриття електрона, було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії .

 

РОЗДІЛ  3

      ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

       3.1.Маса і заряд елементарних частинок

       Елементарні частинки — найпростіші частинки в складі атома. Сучасний рівень знань не дозволяє точно встановити їхню структуру. Проблеми навчання фізики елементарних частинок та фундаментальних взаємодій у середній школі існують з 50-х років минулого століття. Методологічних досліджень з цих питань майже не було. Остаточного формування структури і змісту курсу фізики для 11-річної освіти ще не сталось. У цьому зв’язку пропонується одна з точок зору вивчення питань елементарних частинок і фундаментальних взаємодій у середній загальноосвітній школі.

       Основними характеристиками елементарних частинок вважають їхню масу спокою й елементарний заряд.

       Маси  спокою частинок

       електрон 

       протон 

       нейтрон 

       міон  

       -мезон 

       К-мезон 

       фотон

       нейтрино 

       Сумарна маса всіх частинок, що утворюють молекулу, атом або ядро, є масою цього  мікрооб'єкта, якщо її зменшити на величину дефекту маси. Дефект маси прямо пропорційний енергії, яку потрібно витратити, щоб розщепити мікрооб'єкт на елементарні частинки. Електричний заряд складного мікрооб'єкта дорівнює сумі зарядів складових його частинок.

 

       3.2.Спін елементарних частинок і мікрооб'єктів

       Спін  є дуже важливою характеристикою  як елементарної частинки, так і  всього мікрооб'єкта загалом.

       Спін  елементарної частинки — квантова величина, яка не має аналога в класичній механіці й електродинаміці. Це власна невід'ємна властивість елементарної частинки, настільки ж фундаментальна, як заряд або маса. Її можна пояснити як момент імпульсу елементарної частинки, що не пов'язаний з її рухом і не залежить від зовнішніх умов.

       Іноді під спіном мається на увазі обертання  елементарної частинки навколо своєї  осі, але це неправильно. Спін не можна  розуміти як обертання, він позначає лише наявність у частинки можливостей  для цього. Щоб внутрішній момент імпульсу перетворився на класичний  момент імпульсу (тобто щоб частинка справді почала обертатися), необхідним є виконання умови s>>1, де s — спін частинки. Ця умова нездійсненна, тому що максимально можливе значення спіну дорівнює 1.

       Спін  мікрооб'єкта, наприклад ядра, складається  зі спінів нуклонів і орбітальних  моментів імпульсу нуклонів, обумовлених  рухом нуклонів усередині ядра.

       Вивчення  спіну елементарних частинок дозволило  зробити висновки про їх поведінку  серед інших частинок. Спін частинок може бути цілим або дробовим. Це і є підставою для розподілу  частинок на бозони і ферміони.

       Бозони  — частинки з цілочисловим або нульовим спіном. Вони описуються симетричними хвильовими функціями і підкоряються статистичному розподілу Бозе — Ейнштейна.

       Ферміони — загальна назва частинок із нецілочисельним спіном. Якщо ж мікрооб'єкт складається з парного числа ферміонів, то його сумарний спін цілий, і такі ядра називаються бозонами.

 

РОЗДІЛ  4

      КЛАСИФІКАЦІЯ  ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

       Елементарні частинки поєднують у три групи:

• фотони;
• лептони;
• адрони.

       Група фотонів містить у собі тільки одну частинку — фотон, який є носієм електромагнітної взаємодії.

       рис.4.1. Класифікація елементарних частинок

       

       4.1. Лептони. Міони

       До  групи лептонів належать електрон, міон, електронне і міонне нейтрино і відповідні античастинки. Усі лептони є ферміонами, тому що їхній спін дорівнює 1/2. Вони не беруть участі в сильних (ядерних) взаємодіях.

       Розглянемо основні властивості міона. Міон був уперше виявлений у 1936 році, і тоді ж було встановлено, що він є твердим компонентом вторинного космічного випромінювання. Він є продуктом розпаду важчих частинок Маса міона складає 207т_с, що дозволяє зарахувати його до легких частинок Заряд міона чисельно дорівнює зарядові електрона, але міони можуть бути як позитивними (μ⁺), так і негативними (μ^-)

       Міони належать до нестабільних частинок, час їхнього життя складає 2,2·10 ^-6 с Вони зазнають спонтанного розпаду відповідно до наступної схеми: 

       Міони взаємодіють із ядрами атомів дуже слабко, тому вони не можуть бути носіями ядерної взаємодії.

       4.2. Адрони. Мезони. Гіперони

       Адрони, на відміну від лептонів, можуть брати участь у сильній ядерній  взаємодії. До цієї групи належать нуклони (протон і нейтрон), мезони (група частинок j масою меншою, ніж маса протона) і гіперони (група частинок із масою більшою, ніж маса протона).

       Мезони  бувають двох типів:

       π-мезони (піони);

       К-мезони (каони).

       Піони були вперше штучно отримані бомбардуванням а-частинками атомів Be, С і Сu. π-Мезони сильно взаємодіють із нуклонами й атомними ядрами; вони є головним чинником існування ядерних сил.

       Піони можуть бути позитивно (π⁺) і негативно (π ) зарядженими Чисельно величина їхнього заряду дорівнює величині заряду електрона Крім того, існують і нейтральні (π⁰) піони.

       Піони нестабільні. Час життя заряджених піонів складає 2,6 10^-8с. незаряджених - 0,8 •10^-16 с.

       Спонтанно π°-мезони розпадаються за такою схемою

;

; 

       Маси  позитивно і негативно заряджених π-мезонів однакові й складають 273,1 от . Маса π°-мезона дорівнює 264,1 т_с. Усі мезони належать до легких частинок. Заряджені піони мають нульовий спін.

       К-мезони — частинки з нульовим спіном і  масою 970/и, Відомі 4 типи каонів

       К⁺ — позитивно заряджений каон;

       К" — негативно заряджений каон;

       К°  і К° — нейтральні каони.

       Час життя К-мезонів коливається в  періоді від 10 ⁸ до 10 ¹⁰ с і залежить від їхнього типу. Розпад заряджених каонів відбувається відповідно до такої схеми

        

       Гіперони  — важкі нестабільні елементарні  частинки масою (2183-3273)т_с, що перевищує масу протона. Відомо кілька типів гіперонів 
 
 
 

       Спін  гіперонів дорівнює 1/2 (для Ω-гіперону 3/2). Час життя гіперонів складає 10^-10 с (для Ω°-гіперонів 10^-20 с). Розпад гіперонів супроводжується утворенням нуклонів і легких частинок (я-мезонів, електронів, нейтрино і у-квантів)

       Властивості гіперонів дозволили виявити  ще одну квантову характеристику елементарних частинок — дивність Справа в тому, що розрахований теоретично час життя гіперонів був у 10¹³ разів менший, ніж експериментально встановлений Закон збереження дивності s пояснив цей факт, а також і те, що гіперон народжується кожного разу у парі з К-мезоном. Слід зауважити, що закон збереження дивності виконується тільки при сильних і електромагнітних взаємодіях.

       4.3. Античастинки

       Квантова  теорія передбачала існування античастинок задовго до експериментального доказу цього факту. Наявність у кожної елементарної частинки античастинки підтверджується  принципом зарядового спряження. Справді, кожній частинці, m винятком фотона і π°-мезона, відповідає античастинка.

       Частинка  та античастинка мають однакову масу і рівну тривалість життя у  вакуумі. їхній заряд однаковий  за величиною і протилежний за знаком. Спін частинки та античастинки однаковий.

       Довгий  час вважалося, що, завдяки подібності характеристик, частинки та античастинки повинні брати участь в аналогічних  процесах (повна симетрія). Пізніше  було доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильної й  електромагнітної взаємодій, а для  слабкої порушується.

       Процес  зіткнення частинки з античастинкою, у результаті чого виникають інші елементарні частинки або фотони, одержав назву анігіляція. Першим прикладом анігіляції у фізиці стала взаємодія електрона й позитрона з утворенням двох у-квантів:

       Для створення пари «частинка-античастинка»  потрібна енергія, яка дорівнює або  перевищує подвоєну енергію спокою пари. Це відбувається тому, що частинкам  необхідно надати значної кінетичної енергії. Наприклад, для створення  пари «протон-антипротон» (р-р) потрібно витратити 4,4 ГеВ.

       Античастинки  можуть анігілювати не тільки з відповідними до них частинками, але і з іншими частинками також.

       Відмінність частинки та античастинки полягає не тільки в різноіменності їхніх зарядів. Крім цього, розрізняються їхні магнітні моменти. Так, нейтрон (π) і антинейтрон (π) відрізняються знаком власних магнітних моментів.

       Існує група елементарних частинок, для  яких немає античастинок. Це так  звані істинно нейтральні частинки. До них належать фотон, π°-мезон і π-мезон (т_η = 1074m_t, час життя 7 10 ¹⁹,с, при розпаді утворюються π-мезони і γ-кванти). Вважають, що істинно нейтральна частинка тотожна зі своєю античастинкою. У силу цього істинно нейтральні частинки не здатні анігілювати, зате вони зазнають взаємних перетворень.

 

РОЗДІЛ  5

ПЕРЕТВОРЕННЯ  ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

       Розглянемо  схему розпаду мюона:

       На  підставі цієї схеми можна зробити  висновок, що мюон складається з  трьох елементарних частинок, але  це твердження не буде правильним. Досить узяти до уваги той факт, що для  деяких частинок існує кілька схем розпаду.

       Розпад  частинки — перетворення її на деяку  сукупність нових частинок, породжених у результаті її знищення.

       При зіткненнях частинок картина взаємних перетворень не менш багата, ніж  при їхньому розпаді. Наприклад, при зіткненні фотона з нейтроном  мають місце такі перетворення: 
 
 
 

       З наведених схем видно, що сума мас  спокою кінцевих частинок більша, ніж  вихідних. Таким чином, енергія частинок, що зіштовхуються, перетворюється на масу, що не суперечить формулі Ейнштейна:

       ΔЕ = Δтс².

       Також зі схем випливає, що неможливо розщепити  елементарні частинки ^! (зокрема нейтрони), бомбардуючи їх іншими частинками (у цьому випадку фотонами): насправді ж відбувається не розщеплення обстрілюваних частинок, а народження нових, причому значною мірою це відбувається за рахунок енергії частинок, що зіштовхуються.