План-конспект у рока по теме «Понятие об элементарных частицах»

План-конспект урока

по теме

«Понятие

об элементарных частицах»

(11 класс)

Учитель физики

Черпита Валерий Николаевич

ГБОУ Школа 2051

города Москвы

Понятие об элементарных частицах.

Классификация элементарных частиц.

/data/files/u1514922328.pptx (Презентация к уроку по теме "Понятие об элемент частицах")

Задачи урока: ознакомить учащихся с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне меньших 10¯¹⁵ м пространственных размеров и расстояний; раскрыть общие свойства элементарных частиц, дать их классификацию.

План урока

1. На протяжении курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны; далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне.

Заключительные уроки могут быть проведены в форме школьных лекций, включающих элементы беседы, краткие выступления учащихся по отдельным вопросам. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблемы, выдвижение гипотез и т.д.). При подготовке уроков следует позаботиться о средствах наглядности, подготовить таблицы, фотографии треков и т.д. Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует возможно больше связывать новое с раннее изученным.

2. Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны.

Если мы будем рассматривать строение вещества с учетом этих сведений, то в микромире на уровне малых расстояний, порядка 10¯¹⁴– 10¯¹⁵ м, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Но материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из микрочастиц – фотонов.

Микрочастица – фотоны, электроны, протоны, нейтроны – называются элементарными частицами. Слово «элементарная» означает простейшая, лежащая в основе материи: все материальные объекты – тела, поля – состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, т.е. они более не из ничего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чем будет сказано ниже.

В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными.

Характерная особенность большинства элементарных частиц – их нестабильность. Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и частиц нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10¯⁶– 10¯¹⁴с, а имеются и частицы, живущие всего 10¯²²– 10¯²³с.

Нейтрон вне ядра также неустойчив: среднее время жизни его 16 мин, но по сравнению с временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок.

Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время ее существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились бы в стабильные или исчезли бы, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы? Их открыли и получают как в ядерных реакциях, так и в различных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц.

В качестве примера реакции распада приведем следующую реакцию:

n → p + e¯+ ṽ,

где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.

Антинейтрино и нейтрино – это частицы с очень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой легкой частицы – электрона. Они электронейтральны. Нейтрино – стабильная частица. Долгое время, посте теоретического предсказания, действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 году была осуществлена реакция

p + ṽ → n + e˖

в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон – позитрон.

Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном, – он «исчезает» вместе с электроном:

e˖ + e¯ → 2y

Реакция называется аннигиляцией электронно-позитивной пары; в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счетчиками.

Взаимная превращаемость элементарных частиц при взаимодействиях – вторая их особенность.

Третья, присущая всем элементарным частицам особенность – наличие у каждой частицы двойника – античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несет противоположный по знаку заряд. Но существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, т.е. к исчезновению, к превращению в фотоны или другие частицы. В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получен антипротон, антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, - антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в поле, к аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда; при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc². Но в настоящее время известно, что Вселенная состоит только из вещества, а антивещества в ней нет, как нет или очень мало стабильных античастиц.

Далее следует дать классификацию элементарных частиц с подразделением всех частиц по массе на классы: лептоны, мезоны, барионы. При рассмотрении и анализе таблицы элементарных частиц обращаем внимание на их характеристики: массы, заряды, время жизни. Сообщаем, что в таблицу помещены основные частицы – стабильные и относительно стабильные. Множество нестабильных частиц – мезонов и барионов, называемых резонансами, – в таблицу не помещено.

Обсуждаем размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяженности и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядка 10¯¹⁵м. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название кварки.

Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе,– гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами. Это, как и фотоны, частицы без массы покоя я заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен.

3. Подведение итогов. Рефлексия

Домашнее задание

Презентация к уроку