Презентация "Элементарные частицы"


Подписи к слайдам:
Элементарные частицы

Опорный конспект по теме «Элементарные частицы»

  • Учитель физики Серединовского филиала МБОУ Сатинской СОШ Дивеев А.А.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

  • Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.
  • Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно.
  • Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

  • С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.
  • По величине спина
  • фермионы
  • бозоны

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ/2, 3/2ħ …

  • Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ/2, 3/2ħ …
  • (е-, р, n, vе- - электронное нейтрино)
  • Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2х фермионов с противоположными спинами.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2ħ …

  • Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2ħ …
  • (фотон, мезон)
  • Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3м возможным энергетическим состояниям системы: E1, E2, E3.

  • Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3м возможным энергетическим состояниям системы: E1, E2, E3.
  • N - число фермионов; S - спиновое число
  • S=3/2
  • S=1/2
  • (спиновый момент ħ/2)
  • Спин имеет 2е ориентации S=0, 1 т.е. можно рассматривать как бозон с целым спином 0 или ħ
  • S=1/2
  • S=-1/2
  • S=0
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=-1/2
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=1
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=1/2
  • S=-1/2

Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях

  • Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях
  • Частицы(а)
  • античастицы(ā)
  • Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.
  • Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой “e-” (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(me-v)/( e-B) (Fл=Fц); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда.

  • Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой “e-” (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(me-v)/( e-B) (Fл=Fц); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда.
  • +
  • В
  • а)

  • В
  • +
  • +
  • б)
  • Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+

В 1947г. – антипион

  • В 1947г. – антипион
  • 1955г. - антипротон
  • 1956г. – антинейтрон
  • Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия.
  • Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы.

  • Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы.
  • е- + е+→ 2 γ
  • Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом.

  • Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом.
  • γ→ е- + е+
  • γ
  • е+
  • е-
  • В

Классификация по видам взаимодействия

  • Элементарные частицы
  • адроны
  • лептоны
  • Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.
  • Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц).
  • Все лептоны – фермионы – полуцелый спин.
  • В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L.
  • L=1 – для лептонов
  • L=-1 – для антилептонов
  • L=0 – для адронов

Закон сохранения лептонного заряда

  • Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.
  • Лептонный заряд “е-” и “vе- ”, образующих 1ый лептонный дублет, равен 1, а позитрона равен -1.
  • Пример для реакции β- -распада:
  • n→ p + e- + vе (электронное антинейтрино).
  • Закон сохраненя лептонного заряда имеет вид: 0 = 0 + 1 -1.
  • ~

Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ- и мюонное нейтрино V μ.

  • Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ- и мюонное нейтрино V μ.
  • Мюон открыт в 1936г. В космических лучах и напоминает тяжелый “е-”.
  • m μ- > m е- в 207 раз, через 2,2с μ- распадается на е- , V μ , vе.
  • Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L=1.
  • ~

μ- → е- + vμ + vе.

  • μ- → е- + vμ + vе.
  • 1 =1-1+1.
  • Античастицам vμ и μ+ L=-1.
  • В 1975г. Открыт самый тяжелый (-) лептон – таон τ- (или τ-лептон). Таон в 3492 раза тяжелее электрона и почти в 2 раза тяжелее протона, за 4*10-13с таон распадается на мюон, мюонное нейтрино, лептоный заряд таона и таонного нейтрино L=1.
  • τ-→ μ- + V μ + Vτ
  • З,С: 1= 1-1+1
  • Таон и таонное нейтрино образуют 3ий лептонный дублет.
  • ~
  • ~
  • ~

Лептоны и их характеристики

  • Дублет
  • Название
  • Символ
  • Масса
  • L
  • Время жизни(с)
  • частица
  • античастица
  • в me
  • МэВ
  • 1
  • Электрон
  • е-
  • е+
  • 1
  • 0,511
  • ±1
  • стабильно
  • Электронное нейтрино
  • 0
  • 0(1,4*10-5)
  • ±1
  • стабильно
  • 2
  • Мюон
  • μ-
  • μ+
  • 207
  • 105,66
  • ±1
  • 2,2*10-6
  • Мюонное нейтрино
  • V μ
  • V μ
  • 0
  • 0(<0,25)
  • ±1
  • стабильно
  • 3
  • Таон
  • τ-
  • τ+
  • 3492
  • 1784
  • ±1
  • <4*10-13
  • Таонное нейтрино
  • 0
  • 0(<0,35)
  • ±1
  • стабильно
  • ~
  • ~
  • ~

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц.

  • Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц.
  • В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W+ и W-.
  • В 1961г. – американский физик Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон.

Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон W- распадается на е- и vе.

  • Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон W- распадается на е- и vе.
  • β - распад
  • W-
  • е-
  • р
  • n
  • ~
  • ~

В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е-, в другой - vе.

  • В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е-, в другой - vе.
  • W-
  • е-
  • е-
  • Взаимопревращение е- и vе
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии.

  • К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии.
  • В зависимости от значения спина
  • Адроны
  • Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии.
  • Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ , участвующие в сильном взаимодействии.
  • Мезоны (meso - средний)
  • Барионы (barys - тяжелый)
  • (подгруппы)
  • нуклоны
  • гипероны

Классификация адронов

  • Адроны
  • Мезоны
  • Барионы
  • S = 0, 1
  • нуклоны
  • гипероны
  • π+ π- π0
  • S = ½
  • λ 0 λ0 Σ+ Σ- Σ0 Σ0
  • К+ К- К0 К0 µ0
  • p, р, n, n
  • Ξ0 Ξ0 Ξ+ Ω- Ω+
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~

Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются.

  • Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются.
  • Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их “m” > чем “m” лептонов).

Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками.

  • Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками.
  • Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е- с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах.
  • Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне; в нуклоне 3и точ. заряда установлено(±).

Основные характеристики кварков

  • 1) имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх)
  • -1/3е – d-кварк (низ).
  • кварковый состав протона представляет U и d, электрона U и d.
  • т.к. mp≈mn , то близки и массы кварков (mn>mp на 2,5 mе), поэтому d-кварки чуть тяжелее U-кварка.

2) Барионный заряд

  • 2) Барионный заряд
  • Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.
  • Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В=А, для барионов В=1; антибарионов В=-1, у частиц, не являющимися барионами В=0.
  • при β-распаде: n → p + e- -Ve
  • З.с барионного заряда: 1 = 1+ 0 + 0.
  • Барионный заряд кварков =1/3, что дает для барионов(р,n) В=1.
  • ~

Затем были открыты тяжелые адроны:

  • Затем были открыты тяжелые адроны:
  • S – странный
  • C – очарованный
  • b – красота
  • t – правда
  • Их массы превышают массы “U” и“d” – кварков.
  • Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к. адроны являются фермионами.
  • Различные типы кварков называются ароматом.

Характеристики кварков и антикварков

  • Кварк
  • (аромат)
  • S=1/2
  • q
  • B
  • Антикварк
  • S=1/2
  • q
  • B
  • U, C, t
  • +2/3e
  • 1/3
  • U, C, t
  • -2/3e
  • -1/3
  • d, S, b
  • -1/3e
  • 1/3
  • d, S, b
  • +1/3e
  • -1/3
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~
  • ~

Цвет кварков

  • Каврки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки могут состоять из 3х одинаковых кварков:
  • (каждый тип кварков, U-кварк – либо зеленым, либо красным, либо синим)
  • Реально они не окрашены, но так лучше запомнить.
  • Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков.
  • Адроны – цветонейтральны.
  • Мезоны – цветонейтральны.

  • поколение
  • частица
  • цвет
  • q
  • m((ГэВ)
  • 1
  • Кварк
  • U
  • 2/3e
  • 0,330
  • D
  • -1/3e
  • 0,333
  • Лептон
  • e
  • -e
  • 5,11*10-4
  • Ve
  • 0
  • <1,4*10-8
  • 2
  • Кварк
  • C
  • 2/3e
  • 1,65
  • S
  • -1/3e
  • 0,486
  • Лептон
  • µ-
  • -e
  • 0,106
  • 0
  • <2,5*10-4
  • 3
  • Кварк
  • t
  • 2/3e
  • >80
  • b
  • -1/3e
  • 4,5
  • Лептон
  • τ-
  • -e
  • 1,78
  • 0
  • <0,035

π+- мезон π- - мезон

  • π+- мезон π- - мезон
  • ↑U 2/3е U↑ - 2/3е S↓ - 1/3e
  • ↓d 1/3e
  • барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0)
  • С помощью разноцветных кварков можно построить любой адрон: 6 кварков, 6 антикварков(каждый 3 цвета, полное число кварков - 36)
  • ~

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны.

  • Фундаментальные частицы – кварки и лептоны.
  • В сильном взаимодействии
  • Не участвуют в сильном взаимодействии
  • Они образуют начальный уровень материи
  • Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц (см. таблицу).