Сценарий урока физики по теме «Элементарные частицы»

Сценарий урока по теме: «Элементарные частицы».

Учебник: Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин. Физика.11 класс.

I. Цели:

Образовательные: Учащиеся должны усвоить:

1) Существуют три этапа в развитии физики элементарных частиц:

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897—1932 гг. (Элементарные частицы — «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.)

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932—1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.)

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.)

2) Элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными.

3) Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования.

Большинство элементарных частиц нестабильно и превращается самопроизвольно с течением времени в другие частицы; исключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино.

4) Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами.

5) Все частицы имеют двойников — античастицы.

6) Кварк – фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3 () и не обнаруженная в свободном состоянии.

Развивающие: Учащиеся должны научиться:

1) «Создавать» понятие элементарные частицы

2) Классифицировать элементарные частицы по взаимодействию.

3) Распознавать элементарные частицы в к.с.

Воспитательные: Учащиеся должны убедиться:

1) Опыт – источник знаний.

2) Мир познаваем.

 II. Этап актуализации знаний

Учащиеся отвечают на вопросы учителя:

П: Из чего состоит окружающий мир?

У: Окружающий нас мир состоит из трех различающихся групп материальных объектов. Первая группа - это люди. Совокупность людей называется обществом. Вторая группа объектов - это мир искусственных объектов, который создается в результате человеческой деятельности и составляет наше ближайшее окружение. Назовем этот мир техносферой. Третья группа объектов представляет собой живую и неживую природу.

П: Напоминает ли структура вещества бесконечную череду вложенных друг в друга матрёшек или процесс деления прерывается, когда обнаруживается неделимая элементарная частица?

П: Что представляют из себя самые первичные фундаментальные частицы, из которых состоят все остальные?

Прослушав ответы учеников, происходит выход на логическую цепочку: природа – тело – вещество – молекула – атом – ядро - нуклоны (протон, нейтрон) - электрон.

П: Вспомните, какие элементарные частиц вам известны? Представьте их в виде кластера. (Протон, нейтрон, электрон, фотон, π-мезон)

Ученики работают индивидуально в тетрадях, по их предложениям учитель на доске оформляет кластер. Один из предложенных учениками кластер:

 

III. Мотивационный этап

Написанное в 1922 году русским поэтом-символистом В.Я. Брюсовым стихотворение «Мир электрона» отражает во многом планетарную теорию строения атома, а также автор допускает возможность, что и электроны тоже сложные частицы, строение которых еще не изучено.

 

Мир электрона (Валерий Брюсов)

Быть может, эти электроны

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

 

Ещё, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет,

Там - всё, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

 

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

 

Их мудрецы, свой мир бескрайный

Поставив центром бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют, как ныне я;

 

А в миг, когда из разрушенья

Творятся токи новых сил,

Кричат, в мечтах самовнушенья,

Что бог свой светоч загасил!

 

П: Сегодня мы приступим к изучению нового раздела «Квантовой физики» - «Элементарные частицы». В этой главе речь пойдет о первичных, неразложимых далее частицах, из которых построена вся материя, об элементарных частицах.

Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования.

Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Она будет являться и нашей главной задачей при изучении физики элементарных частиц.

IV. Этап создания нового знания

П: Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. На сегодняшний день выделяют три этапа развития физики элементарных частиц.

Откроем учебник. Ознакомимся с названиями этапов и временными рамками.

У: Существуют три этапа развития физики элементарных частиц:

Этап 1. От электрона до позитрона: 1897 - 1932 гг.

Этап 2. От позитрона до кварков: 1932 - 1964 гг.

Этап 3. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней.

П: Этап 1. Элементарный, т.е. простейший, неделимый далее, так представлял себе атом известный древнегреческий ученый Демокрит. Напомню, что слово «атом» в переводе означает «неделимый». Впервые мысль о существовании мельчайших, невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана Демокритом за 400 лет до нашей эры. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. И в конце этого века было открыто сложное строение атома. В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение.

П: Ребята, давайте вспомним, какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

У: Электрон – отрицательно заряженная частица, заряд электрона:

q_e = -1,6∙10 Кл;

масса электрона: m_e= - 9,1 ∙10 кг.

Протон – положительно заряженная частица, заряд протона

 q_p =1,6∙10 Кл;

масса протона:  m_p = 1, 6726∙10 кг.

Нейтрон – частица, не имеющая заряда;

​​​​​​​ m_n = 1,67∙10 кг.

П: Скажите мне, пожалуйста, кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

: Электрон. В 1898 г. Дж. Томсон доказал реальность существования электронов. В 1909 г. Р. Милликен впервые измерил заряд электрона.

: Протон. В 1919 г. Э. Резерфорд при бомбардировке азота - частицами обнаружил частицу, заряд которой равен заряду электрона, а масса в 1836 раз больше массы электрона. Назвали частицу протон.

: Нейтрон. Резерфорд так же высказал предположение о существовании частицы, не имеющей заряда, масса которой равна массе протона. В 1932 г. Д. Чэдвик открыл частицу, о которой предполагал Резерфорд, и назвал её нейтроном.

П: После открытия протона и нейтрона стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг).

В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие -иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века - помимо открытия электрона, ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля - фотонах (А. Эйнштейн).

П: Давайте с Вами вспомним: что называется фотоном?

У: Фотон (или квант электромагнитного излучения) – элементарная световая частица, электрически нейтральная, лишенная массы покоя, но обладающая энергией и импульсом.

П: Открытые частицы считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания. Однако такое мнение просуществовало не долго.

Этап 2.

В 30-е годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц (частицы из которых состоят атомы, которые принято называть элементарными). Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными, (элементарные частицы превращаются друг в друга).

Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино.

Фотон, электрон, протон и нейтрино являются стабильными частицами (частицы, которые могут существовать в свободном состоянии неограниченное время), но каждая из них при взаимодействии с другими частицами может превращаться в другие частицы.

Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы и это главный факт их существования.

П: Я упомянула об ещё одной частице - нейтрино. Каковы основные характеристики этой частицы? Кем и когда она была открыта?

У: Нейтрино - частица, лишенная электрического заряда и масса покоя его равна 0. О существовании этой частицы предсказал в 1931 г. В. Паули, а в 1955г., частица была экспериментально зарегистрирована. Проявляется в результате распада нейтрона:

П: Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни.

Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин.

Другие частицы «живут» гораздо меньшее время.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^-17с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными.

Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^-22-10^-23с.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц.

Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами.

Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Позитрон - (античастица электрона) положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. О её характеристиках более подробно поговорим на следующем уроке. Скажем только лишь, что существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году, а открыл его в 1932 г. в космических лучах К. Андерсон.

В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (-мезонами). Среднее время жизни -мезона равно 2,2 · 10^-6 с.

Затем в 1947-1950 годах были открыты пионы (т. е. -мезоны). Среднее время жизни нейтрального -мезона - 0,87·10^-16 с.

В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

Современные ускорители необходимы для осуществления процесса рождения новых частиц и изучения свойств элементарных частиц. Исходные частицы разгоняются в ускорителе до высоких энергий "на встречных курсах" и в определенном месте сталкиваются друг с другом. Если энергия частиц велика, то в процессе столкновения рождается множество новых частиц, обычно нестабильных. Эти частицы, разлетаясь из точки столкновения, распадаются на более устойчивые частицы, которые и регистрируются детекторами. Для каждого такого акта столкновения (физики говорят: для каждого события) - а они регистрируются тысячами в секунду! -экспериментаторы в результате определяют кинематические переменные: значения импульсов и энергий "пойманных" частиц, а также их траектории (см. рис. в учебнике). Набрав много событий одного типа и изучив распределения этих кинематических величин, физики восстанавливают то, как протекало взаимодействие и к какому типу частиц можно отнести полученные частицы.

П: Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны. (см.табл.)

Таблица 1

П: Ребята, перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.

У: К группе фотонов относится единственная частица – фотон.

П: Следующая группа состоит из легких частиц, не участвующие в сильных взаимодействиях – лептонов.

У: В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и мю-мезон

П: К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице.

Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов.

У: Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные -мезоны. Пионы являются квантами ядерного поля.

П: Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Какие самые легкие частицы в этой группе?

У: Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны.

П: За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками.

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен +2/3 или -1/3 единичного положительного заряда протона.

Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд +2/3; нижний - отрицательный заряд -1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0.

Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed) и странным - s (от strange).

Третью пару составляют истинный - t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый - b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки.

Практически все частицы, состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях.

Однако в декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии «свободных топ-кварков».

П: А теперь поговорим об открытии позитрона и античастицах.

В 1928 г. британский физик П. Дирак вывел квантовое релятивистское уравнение движения электрона (уравнение Дирака). Решением этого уравнения являлись квантовые уровни энергии электрона. И это уравнение давало не только положительные, но и отрицательные решения. Оказалось, что это не бессмысленные решения: электрон с отрицательной энергией следует рассматривать как частицу, равную по массе электрону, но при этом заряженную положительно. Такая частица была названа позитроном.

Позитрон – это двойник электрона. В 1932 году при наблюдениях космических лучей с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, К. Андерсон выявил треки частиц, которые по расчетам имели массу и модуль заряда как у электрона, однако направлены треки были в другую сторону. Следовательно, частицы имели положительный заряд и являлись позитронами, предсказанными П. Дираком.

Фотография, доказавшая существование позитрона:

С помощью той же камеры Вильсона был установлен источник этих позитронов: они рождались под действием гамма-квантов космического излучения и всегда в паре с электронами. В 1934 г. также был открыт еще один источник позитронов – β⁺ радиоактивность.

Открытие позитрона стало триумфом теории П. Дирака и говорило о существовании античастиц и для других существующих элементарных частиц. Лишь немногие «истинно нейтральные» частицы, например, фотон или бозон Хиггса, не имеют античастиц (точнее, одновременно являются и частицей, и античастицей).

Впоследствии двойники (античастицы) были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

V. Закрепление нового материала 

П: А сейчас я предлагаю вам ответить на вопросы, чтобы оживить в памяти основные моменты изученного нами материала.

Какие новые частицы вы сегодня узнали?

Сколько этапов в физике элементарных частиц можно выделить?

Как вы думаете, существуют ли предпосылки к появлению четвертого этапа?

VI. Домашнее задание

П: Спасибо за урок!

Домашнее задание: §95-96, ответить на вопросы.