Ученики на Учителя.com


Конспект урока "Мир элементарных частиц"

Конспект урока по физике
по теме: Мир элементарных частиц
План
1. Введение в мир элементарных частиц
2. Фундаментальные физические взаимодействия
2.1. Гравитационное взаимодействие
2.2. Электромагнитное взаимодействие
2.3. Слабое взаимодействие
2.4. Сильное взаимодействие
3. Классификация элементарных частиц
4. Последние достижения в физики элементарных частиц
4.1. Открытие темной материи
4.2. Квантовая гравитация
4.3. Нанотехнология
4.4. Физика элементарных частиц
5. Заключение
6. Список литературы
Введение в мир элементарных частиц
Человеческое понимание структуры материи развивалось постепенно.
Именно атомная теория строение вещества показала, что не все в мире
устроено так, как кажется на первый взгляд. На протяжении XX века, после
появления атомной модели Бора, внимание ученых состояло на объяснении
устройства атомного ядра.
Первоначально ученые предполагали, в атомном ядре существуют два вида
частиц: протоны и нейроны. Однако 1930 года ученых ждал переворот в
понимании строение атомного ядра. Экспериментальным путем они стали
получать все чаще новые, неизвестные в рамках классической модели Бора (о
строение атомного ядра) результаты, тогда был сделан вывод, что на самом
деле атомное ядро представляет динамическую систему разнообразных
частиц, чье взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных
процессах.
К началу 1950 года, изучение элементарных частиц выдвинулось на
передний край всей физической науки. Основным методом изучение
заключался в том, что атомное ядро бомбардируют пучком протонов или
электронов, при этом ученые стали наблюдать за осколками ядра,
образующимися после столкновения. Так же учеными были разработаны и в
конечном счете построены первые «Ускорители элементарных частиц»,
благодаря которым стало возможным получать искусственным путем
управляемые потоки элементарных частиц.
За исключением протона и электрона все эти частицы нестабильны, то есть
быстро распадаются на другие элементарные частицы. Однако для участия во
внутриядерных процессах частице хватает и совсем малое временя
существования, достаточного для перемещения в пределах границ ядра.
Таким образом, можно сделать вывод, что переворотным моментом в
понимании о строение атомной частицы становится XX век. В котором
ученые совершали грандиозные открытия в различных отраслях науки и
технике. Именно этот век современные историки считают веком начала
научного прогресса в области физики, химии, медицине и других отраслей
науки.
Фундаментальные физические взаимодействия
Каждый день, человек имеет столкновение связанных с множеством сил,
действующие на тела: вес тел; давление воздуха; выбросы взрывающихся
химических веществ и т.п. Одни силы, как известно действуют
непосредственно при простом контакте с телом, другие действуют через
пространство на большом расстоянии, такие как гравитация. Но на
протяжение развития естествознания человеку стало известно, что несмотря
на большое разнообразие, все действующие силы в природе можно свести к
четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационное, слабое,
электромагнитное и сильное. Именно они отвечают за все изменения
происходящие в природе, за все преобразования материальных тел и
процессов.
Гравитационное взаимодействие
Гравитационное взаимодействие впервые в истории становится предметом
изучения физики в XVII веке, основоположник которой стал английский
физик, математик, механик и астроном - Исаак Ньютон. Теория гравитации
И. Ньютона основа которой становится закон всемирного тяготения который
гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными
точками массы и разделенным расстоянием, пропорциональна обеим массам
и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
F - гравитационное притяжения
m1и m2 – масса материальной точки
R – расстояние
Любая материальная частица является источником гравитационного
воздействия и испытывает на себе. По мере увеличения массы
гравитационные взаимодействия возрастают (чем больше масса
взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы).
Многие ученые которые рассматривают вопросы о гравитационном
взаимодействии, предполагают – что в первый момент образования
вселенной происходило гравитационное отталкивание, но точного ответа на
это предположение еще не найдено.
Гравитационная сила рассчитана и действует на большое расстояние. Они
управляют движением звезд, планет игалактик. Известно, гипотетическая
частица гравитон используется переносчиком гравитационного
взаимодействия. Считается, что в макропроцессах и мегапроцессах
гравитационное взаимодействие принадлежит значительная роль.
Электромагнитное взаимодействие
В середине 19 века электромагнитное взаимодействие становится одним из
предметов изучения элементарных частиц.
В электромагнитном взаимодействии участвуют все частицы, обладающие
электрическими зарядами. Они обуславливают строение атомов и различных
типы их связи в молекулах, жидкостях и кристаллов. Электромагнитные
силы отталкиваются между одноименными заряженными частицами атомных
ядер, а так же являются источником энергии радиоактивного альфа –
распада. Одними из главных свойств электромагнитных сил – является их
способность быть как силами притяжения, так и силами отталкивания.
Носителем данного типа взаимодействия – является фотон.
Слабое взаимодействие
В слабом взаимодействии, как доказали ученые способны участвовать любые
элементарные частицы, кроме фотонов. По сколько силы слабого
взаимодействия способны проявляться лишь на очень больших расстояниях.
Простейшим примером проявления действия сил слабого взаимодействия
являются процессы бета-распада с превращением нейтронов в протоны и
протонов в нейтроны.
Электромагнитное взаимодействие определяется электрическими зарядами и
способна передаваться посредством электрического и магнитного поля.
Электрическое поле способно возникнуть при наличии электрических
зарядов, а магнитное соответственно при их движении. Изменяющееся
магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое является
источником магнитного поля.
Сильное взаимодействие
Сильное взаимодействие называются взаимодействия между протонами и
нейтронами и другими тяжелыми частицами. Сильное взаимодействие
способно обеспечить связь нуклонов в атомном ядре. Сильное
взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Учеными было
доказано, чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем соответственно
ядро стабильней. Поэтому, с увеличением числа нуклонов атомном ядре и
увеличением размера атомного ядра - удельная энергия уменьшается и ядро
способно распадаться.
Ученые считают, что сильное взаимодействие способно передаваться
глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав
протонов, нейтронов и других частиц.
Классификация элементарных частиц
Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к
микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на
составные части.
В настоящее время существует множество видов элементарных частиц. Их
принято классифицировать по ряду признаков: по характеру взаимодействию
и по видам взаимодействиям.
По характеру взаимодействия, их принято делить на две большие группы:
фермионы (состав вещества) и бозоны (взаимодействие вещества).
Фермионы – частица с полуцелым значением спина (момент импульса
элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с
перемещением частицы как целого).
Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые
также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, нейтрино).
Бозон - частица с целым значением спина.
Примеры бозонов: фотон, глюон, мезон.
В зависимости от участия все элементарные частицы разбиваются на два
больших класса: адроны и лептоны, а также в особый класс выделяются
частицы – переносчики взаимодействий.
Адроны – частицы, обнаруживающие способность ко всем четырем
фундаментальным взаимодействиям.
Лептоны – частицы, способные к гравитационному, электромагнитному и
слабому взаимодействиям, но не способные к сильным взаимодействиям.
Переносчики взаимодействия.
Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны,
сильного взаимодействия – глюоны, слабого взаимодействия –
промежуточные базоны.
Строительный материал вещества составляют: адроны и лептоны.
Лептоны – истинные элементарные частицы (не имеют четких размеров),
Адроны – являются более сложные элементарные частицы. Общее число
составляет около четырехсот.
Известные американские ученые Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг в 1964
году проводя исследования обнаружили среди адронов особые структурные
элементы – кварки. С точки зрения кварковой модели, ядро атома – является
уже не просто набором протонов и нейтронов, а совокупностью
соответствующего числа кварков, связанных между собой.
Проводя дальнейшие исследования этого явления ученые выяснили, что
кварки способны участвовать: в электромагнитных, гравитационных,
сильных и слабых взаимодействиях. Сильные взаимодействия – способны
изменить цвет кварка, но не имеют его аромат (сорт кварка: в настоящее
время известно 6 сортов кварка). Слабые взаимодействия – не способны
изменить цвет кварка, но способны поменять его аромат.
Необычные свойства сильного взаимодействия кварка способны привести к
тому, что одинокий кварк теряет способность удалиться на какое – либо
расстояние от других кварков. В результате чего кварки неспособны
наблюдаться в свободном виде (данное явление получило название
конфайнмент). Разлететься способны лишь комбинированные кварки,
которыми выступают адроны.
Последние достижения в физике элементарных
частиц
Последними достижениями в физике элементарных частиц являются:
открытие темной энергии; открытие новых элементарных частиц; квантовой
гравитации, нанотехнологии и ФЭЧ.
Открытие темной энергии
Определяя структуру Вселенной в 1917 году Альберт Эйнштейн вводит
космологическую константу, то есть энергию которая свойственна
пространству. В результате чего она способствовала уравновешиванию
гравитационных сил. Но ее существование удалось доказать лишь в 1998
году. Благодаря этому ученые сошлись в едином мнении, что в мире
существует неизвестная энергия, которая определяет дальнейшую судьбу
Вселенной (ее расширение). Получается, что неизвестный вид энергии
заполняет все пространство, при этом вызывая отталкивание материи.
Открытие новых элементарных частиц
За последние время учеными были найдены множество новых, неизвестно
ранее элементарных частиц, одни из которых, к большому сожалению -
являются недолговечными. Для изучения данных частиц ученым необходимо
ускорение и разделение их на другие частицы. Поэтому, ученые
разрабатывают новые ускорители частиц, которые в свою очередь способны
действовать при гораздо более высоких энергиях. Именно это и является
одним из ключевых факторов прогресса в физике элементарных частиц.
Квантовая гравитация
Квантовая гравитация является результат взаимодействия двух отраслей
физики: квантовой механика и теории относительности. Именно поэтому она
занимает одно главных мест в физике. По сколько она выполняет одну из
главных функций в современном мире – определяет движение космических
тел. Современные ученые пытаются разгадать природу гравитации , но до
сих пор им это не дается.
Нанотехнология
Нанотехнология– наше будущие. Именно такую фразу говорят миру
современные ученые. Но почему? В чем состоит ее особенность? Ответ очень
прост: Нантехнология позволяет человеку работать с очень маленькими
объектами размерами менее 100 нанометров (1 нанометр равен 10
−9
метра).
Однако, на практике Нанотехнология находится только на начальной стадии
своего развития, по сколько основные открытия человек пока не сделал. Но
все же проводимые учеными исследования в этой области дают результаты.
По сколько она базируется на принципе аналогии.
Аналогия – это явление которое базируется на основе сходства тех или иных
предметов, явлениях и процессов, благодаря которым человек способен
создавать новые невиданные ранние изобретения.
Данный принцип высоко ценится в научных кругах XXI века. По сколько
результаты аналогии окружают человека повсюду. Простым примером может
стать самый обычный самолет
Но почему? Что таково в конструкции самолета может вызывать интерес у
современных физиков? И наконец главное – в чем реально в данном примере
заключается принцип аналогии? Ответ на данные вопросы на первый взгляд
очень просты, но в тоже время и очень сложны для восприятия.
Самолет – сложнейшая летательная конструкция человечества. Первые кому
удалось построить действующий летательный аппарат являются два
американца Братья Райт. Которые в свою очередь пользуясь при постройке
первого в мире летающего аппарата принципом аналогии, которой
послужила простая птица. И это чиста правда. Братья Райт заметили, как
ведут себя в полете местные птицы, и решили для создания своего
легендарного аппарата подсмотреть у природы. Поэтому у них получилось
17 декабря 1903 года совершить первый в мире полет на летающем аппарате
с двигателем, который в несколько раз тяжелее воздуха.
Но тогда напрашивается один из главных вопросов – причем здесь
элементарные частицы? Для ответа на этот вопрос мы рассмотрим то, из чего
состоит корпус самолета. Никому не секрет, что первым летающим металлом
за всю историю становится алюминий. Запасы которого практически
неисчерпаемы. Но не это послужило окончательным решением
воспользоваться им для создания самолета. Решающем фактором становятся
его физические свойства: проводимость электричества и тепла. Но при этом
если мы обратимся к великой науки химии, то мы можем заметить, что
алюминий слишком мягок и непрочен, в результате чего из него делать
самолеты просто становится невозможным. Именно поэтому когда его
открыли и изучили его свойства некто не мог решить, что с ним делать.
Поэтому ученые решили действовать от обратного – воспользоваться его
сплавами. Ведь они прекрасно знали, на примере железа и стали, что сплавы
способны быть в несколько десятков раз прочнее основного из
составляющих его металлов. И вскоре ученых осенило, что прочность
алюминию можно предать путем его выдержки, так и появился на свет
дюралюминий, который до сих пор доводится до совершенства.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что нанотехнология неразрывна
связана с принцип аналогии. И именно благодаря им человечество всегда
будет процветать.
Физика элементарных частиц
Построение стандартной модели физике элементарных частиц является
одним их главных достижений в физике. Данная модель действует по
принципу калибровочных взаимодействий полей и механизме нарушения
калибровочной симметрии (механизм Хиггса). И именно она способна дать
адекватную картину нашего мира. Поэтому перед современными физиками
стоят две главные задачи: создавать и улучшать модели для описания
экспериментов и доведения их до экспериментально проверяемых величин.
Заключение
Исходя из вышесказанного, можно сделать следующий вывод: в XXI веке
ученые возлагают большие надежды на физику элементарных частиц.
Ученые смогли показать и доказать современному человеку, как на самом
деле устроена природа и ее законы. Осваивая при этом все новое, и улучшая
старое человек идет в ногу со временем.
За последние время человеком был достигнут прогресс в изучение
элементарных частиц: были открыты ряд новых, неизвестных ранние
элементарных частиц. И это не удивительно, ведь большое внимание
уделяют современные ученые изучению нанотехнологии и других явлений
связанных с ней. Пользуясь всем известным принципом аналогии. Именно
этим принципом подобия предметов и различных явлений многие ученые
пользуются в своих исследованиях: в области физики, химии, генетики и д.р.
Результаты которых поражают современное человеческое общество.
Благодаря элементарным частицам и принципу аналогии современные
ученые вошли в новую эру научно-технического прогресса. Они смогли
победить множество неизвестных ранение и не излечимых болезней, таких
как рак, порог сердца и м.д. Все это стало возможным только благодаря
изучению элементарных частиц.
При этом, открывая новое человек не останавливается на достигнутом, он
изучает новые явления, свойства той или иной материи, которые в
дальнейшем начнут помогать в изучении новых отраслей науки. Поэтом
каждое новое открытие становится сенсацией и несет много новой и
полезной информации для ученых всего мира.
Список литературы
1. Зельдович Я. Б., Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии,
"УФН", 1981, т. 133, в. 3, с. 479
2. Джорджи X., Единая теория элементарных частиц и сил, "УФН", 1982, т.
136, в. 2, с. 286
3. Окунь Л. Б., Лептоны н кварки, М., 1981.4. Вайнберг С. Первые три
минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.5. Кемп
П., Армс К.
3. Введение в биологию. М.,1986.6. Моисеев Н.Н.
4.Человек и биосфера. М.,1990.7.Найдыш В.М.
5. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.8.
Небел Б.
6. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.9. Николис Г.,
Пригожин И. Познание сложного. М.,1990.
7. Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М.,1994.10. Фейнберг Е.Л.
Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.,1992.
8. О'Ханьян Г. Гравитация и пространство-время. Учебник по теории
относительности для младшекурсников.1971.
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: