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.
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и α-частиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло представление о квантах электромагнитного поля – фотонах (А. Эйнштейн).
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В 1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. 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 том же 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменными элементарными «кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. 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. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10–22–10–23 с.
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. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 9.9.1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.
Группа
Название частицы
Символ
Масса (в электронных массах)
Электрический заряд
Спин
Время жизни (с)
Частица
Античастица
Фотоны
Фотон
γ

Стабилен
Лептоны
Нейтрино электронное
νe

1 / 2
Стабильно
Нейтрино мюонное
νμ

1 / 2
Стабильно
Электрон
e–
e+

–1 1
1 / 2
Стабильн
Мю-мезон
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Адроны
Мезоны
Пи-мезоны
π0
264,1

0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1

2,6∙10–8
К-мезоны
K +
K –
966,4
1 –1

1,24∙10–8
K 0

≈ 10–10–10–8
Эта-нуль-мезон
η0

≈ 10–18
Барионы
Протон
p

1836,1
1 –1
1 / 2
Стабилен
Нейтрон
n

Лямбда-гиперон
Λ0

1 / 2
2,63∙10–10
Сигма-гипероны
Σ +

2327,6
1 –1
1 / 2
0,8∙10–10
Σ 0

1 / 2
7,4∙10–20
Σ –

2343,1
–1 1
1 / 2
1,48∙10–10
Кси-гипероны
Ξ 0

1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –

2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Омега-минус-гиперон
Ω–

–1 1
1 / 2
0,82∙10–11

Таблица 9.9.1.
Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс (табл. 9.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю.
Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин
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. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков, антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными и элементарного заряда.
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.
Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона

А также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.
В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.
Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.
Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π+, π– и π0 (см. табл. 9.9.1).
В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны.
После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.
Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие. Эта теория получила название Великого объединения. Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик – гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.
В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях. Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология – наука об эволюции Вселенной – предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле. Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными. Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи – нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение –

средняя общеобразовательная школа № 7 г. Белгорода

Открытый урок по физике

11 класс

«Элементарные частицы»

Подготовила и провела:

учитель физики

Польщикова А.Н.

Белгород 2015

Тема: Элементарные частицы.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Метод обучения: лекция

Форма деятельности учащихся: фронтальная, коллективная, индивидуальная

Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества; рассмотреть основные этапы развития физики элементарных частиц; дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Задачи урока:

Образовательная : познакомить учащихся с понятием - элементарная частица, с типологией элементарных частиц, а так же с методами исследования свойств элементарных частиц;

Развивающая : развивать познавательный интерес учащихся, обеспечивая посильное вовлечение их в активную познавательную деятельность;

Воспитательная : воспитание общечеловеческих качеств - осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.

Оборудование к уроку:

Дидактические материалы: материал учебника, карточки с тестами и с таблицами

Наглядные пособия: презентация

Ход урока

(Презентация)

1. Организация начала урока.

Деятельность учителя: взаимные приветствия учителя и учащихся, фиксация учащихся, проверка готовности учащихся к уроку. Организация внимания и включение учащихся в деловой ритм работы.

Прогнозируемая деятельность ученика: организация внимания и включение в деловой ритм работы.

2. Подготовка к основному этапу занятия.

Деятельность учителя: 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.

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.

3. Усвоение новых знаний и способов действий.

Деятельность учителя: Тема урока: "Этапы развития физики элементарных частиц". На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

История развития представлений о том, что мир состоит из элементарных частиц

Что такое элементарные частицы?

Каким способом можно получить обособленную элементарную частицу и возможно ли это?

Типология частиц.

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.

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 наши дней.

Деятельность учителя:

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.

Вспомним ребята: какие частицы входят в состав атома и коротко охарактеризуем их?

Прогнозируемая деятельность ученика:

Деятельность учителя: ребята, а может быть, кто-то помнит из вас: кем и в какие годы были открыты электрон, протон и нейтрон?

Прогнозируемая деятельность ученика:

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.

Деятельность учителя: 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).

Вспомним: что называется фотоном?

Прогнозируемая деятельность ученика: Фотон (или квант электромагнитного излучения) - элементарная световая частица, электрически нейтральная, лишенная массы покоя, но обладающая энергией и импульсом.

Деятельность учителя: 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.

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

Прогнозируемая деятельность ученика: 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:

Деятельность учителя: 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 -17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными .

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

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.

Этап 3.

Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны , лептоны и адроны (Приложение 2).

Ребята перечислите мне частицы, относящиеся к группе фотоны.

Прогнозируемая деятельность ученика: К группе фотонов относится единственная частица - фотон

Деятельность учителя: следующая группа состоит из легких частиц лептонов .

: в эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и?-мезон

Деятельность учителя: 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 .

Прогнозируемая деятельность ученика : наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные -мезоны. Пионы являются квантами ядерного поля.

Деятельность учителя: вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной.

Прогнозируемая деятельность ученика: самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны.

Деятельность учителя: 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".

4. Первичная проверка понимания.

Деятельность учителя: итак, ребята, мы рассмотрели с вами:

основные этапы развития физики элементарных частиц

выяснили, какую частицу называют элементарной

познакомились с типологией частиц.

На следующем уроке мы рассмотрим:

более подробную классификацию элементарных частиц

виды взаимодействий элементарных частиц

античастицы.

А сейчас я предлагаю вам выполнить тест, чтобы оживить в памяти основные моменты изученного нами материала (Приложение 3).

5. Подведение итогов занятия.

Деятельность учителя: Выставление оценок наиболее активным учащимся.

6. Домашнее задание

Деятельность учителя:

1. § 114 - 115

2. конспект.

Каптелова Н.В., учитель физики МОУ «Гимназия № 79» г. Барнаула Алтайского края

11 класс

Урок по теме «Элементарные частицы» (2 часа).

Учебный предмет – физика

Уровень – базовый

Профиль класса – гуманитарный

Используемый текст - § 64 «Элементарные частицы» (Мансуров А.Н., Мансуров Н.А., учебник «Физика-10-11» для гуманитарных школ)

Технология «Развитие Критического Мышления через Чтение и Письмо» (РКМЧП)

Тип урока: работа с информационным текстом

Цели:

дидактическая – через опосредованное изучение текста сформировать у учащихся систему научных знаний об элементарных частицах

развивающая – выработать у школьников приёмы эффективной переработки учебной информации, продолжить формирование способа самостоятельного обучения, познавательных и коммуникативных компетентностей

воспитательная – продолжить формирование у учащихся уверенности в своих собственных познавательных возможностях, диалектико-материалистического мировоззрения

методическая – создать условия для освоение учащимися способа самостоятельного обучения на основе технологии РКМЧП

Ожидаемый результат:

усвоение учащимися системы научных знаний об элементарных частицах и представление её в виде кластера;

получение и осмысление каждым учеником собственного опыта самостоятельной познавательной деятельности на основе работы с текстом через индивидуальную, парную, групповую, коллективную формы работы (технология РКМЧП).

Примечание: Кластер - графический способ, позволяющий представить информацию в структурированном и систематизированном виде, выявить ключевые слова темы. Кластер представляет собой графическую схему, состоящую из овалов. В центре кластера, в главном овале – основная проблема, тема, идея. В овалах следующего уровня – классифицирующие признаки или основания для систематизации, в овалах третьего уровня – дальнейшая детализация и т.д. Кластеры могут быть очень разветвлёнными, поэтому всегда нужно выбрать тот уровень детализации, на котором можно остановиться. С помощью кластеров можно в систематизированном виде представить большие объёмы информации.

Кластер содержит ключевые слова, ключевые идеи с указанием логических связей между текстовыми субъектами. Связи придают картине целостность и наглядность.

Кластер (как и все графические схемы) является моделью изучаемой темы, позволяет увидеть тему целиком, «с высоты птичьего полёта». Повышается мотивация, т.к. легче воспринимаются идеи темы. Человеку всегда нужны графические образы. Мозг запоминает модели. Представление информации учащимися в виде кластера способствует её творческой переработке, поэтому обеспечивает усвоение информации на уровне понимания. Кластеры (как и другие схемы) позволяют «пораскачивать» своё мышление, сделать его более гибким, избавиться от стереотипов, догматическое мышление превратить в критическое.

Важно и то, что построение кластеров позволяет выявить систему ключевых слов, которые могут быть использованы для поиска в Интернете, а также для определения основных направлений исследований учащихся, выбора тем учебных проектов.

Домашнее задание (внеклассная работа) :

1. § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)

2. Кластеры, выполненные с помощью ИКТ

(2 и 3 по желанию)

Сценарий урока.

Вызов.

Цели этапа:

Побуждение к работе с новой информацией, пробуждение интереса к теме

- вызов «на поверхность» имеющихся знаний по теме

- бесконфликтный обмен мнениями

«Наводящие вопросы»

«Кластер»

2. Учащимся предлагаются вопросы для обдумывания и обсуждения:

Выход на логическую цепочку: природа-тело-вещество-молекула-атом-ядро-нуклоны (протон, нейтрон)-электрон.

Вспомните, какие элементарные частицы вам известны? Представьте в виде кластера.

(Протон, нейтрон, электрон, фотон, π-мезон)

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

Может ли такое их количество претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?

Осмысление

Цели этапа:

Получение новых знаний

Освоение разных типов чтения: ознакомительного, изучающего, усваивающего, поискового, приёмов осмысления информационного текста

Развитие аналитических, дискуссионных, коммуникативных навыков

«Система И.Н.С.Е.Р.Т.»

«Кластер»

«Думай самостоятельно/в паре/ в группе»

Самостоятельная работа с текстом

Восприятие информации. На этом этапе ученик работает индивидуально («Думай самостоятельно»). Ознакомительное чтение, получение общего представления по теме текста.

Изучающее чтение. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Операции смыслового восприятия элементов текста, понимание слов, предложений, абзацев, вычленение текстовых субъектов (основных понятий, ключевых слов, идей), выявление связей (логических, причинно-следственных, пространственных, временных и т.д.) текстовых субъектов. Понимание связи содержания данного текста с содержанием других изученных текстов, интерпретация данного текста на основе этой связи. Помогает осмыслить содержание применение маркировки текста И.Н.С.Е.Р.Т.: (I .N .S .E .R .T . - "Interactive Notation System for Enhanced Reading and Thinking ")

- «известно»

- - «противоречит представлениям»

+ - «интересное и неожиданное»

? - «узнать поподробнее»

! - «важно»

Усваивающее чтение. Проверка понимания текста. Ученики в парах («Думай в паре») проговаривают своими словами друг другу ответы на вопросы к тексту.

Переработка информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Разбиение информации на связанные части. Выделение оснований для систематизации и классификации полученной информации.

Синтез переработанной информации. Индивидуальная работа («Думай самостоятельно»). Группировка, комбинирование информации, составление кластера. Перевод полученной информации «на другой язык»: с языка слов на язык схем, с вербального языка на графический.

Представление и защита индивидуальных кластеров в парах («Думай в паре»), затем в группах («Думай вместе»).

«Обратный перевод» информации: с языка схем на язык слов, с графического языка на вербальный, причём информация сообщается своими словами. Обмен идеями в дискуссии или полемике. Аргументация, конструктивная критика, уточнение, совместная доработка кластера.

Рефлексия

Обдумать смысл пройденного;

Взглянуть на содержание урока в свете собственного жизненного опыта

«Возвращение к кластеру»

«Выходная карта»

Представление и защита нескольких вариантов групповых кластеров перед классом, коллективное обсуждение.

Предполагаемый вариант итогового кластера:

2. Задание: Сравните данный кластер с кластером, предложенным в начале урока. (!!!)

Найдите место на нём для электрона, протона, нейтрона, фотона, π-мезона.

Сделайте вывод. (Значительное приращение знаний об элементарных частицах!)

3. (Подведение итогов и мотивация на дальнейшую познавательную деятельность). Вернёмся к вопросам, с которых начали урок. Нашли ли на них ответы? Какие вопросы остались без ответа? Какие возникли новые? Где искать ответы?

Из чего состоит окружающий мир?

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

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

Существует ли в природе такой уровень организации материи, глубже которого ничего нет?

Может ли такое количество (более 400) претендовать на роль «первокирпичиков Вселенной», истинно элементарных частиц?

Как ориентироваться в таком изобилии элементарных частиц?

Какие частицы являются истинно «элементарными»?

(Думай самостоятельно/в паре/ группе). Обсуждение.

Индивидуальная письменная работа (10 мин) «Выходная карта» - 1) самая важная мысль урока; 2) один вопрос по теме урока 3) общий комментарий по материалу урока

Сделайте самооценку своей работы на уроке (доволен собой, не очень, не доволен, почему?).

IV . Домашнее задание (внеклассная работа)

Дать возможность учащимся вести самостоятельную работу по углублению знаний, полученных во время урока;

Отрабатывать навык самостоятельной учебной деятельности;

Развивать творческие способности школьников

1.Изучить § 65 (самостоятельно по технологии РКМЧП)

2. Кластеры к § 65, выполненные с помощью ИКТ

3. Творческая работа по заинтересовавшей теме.

(2 и 3 по желанию)

Наблюдения за учащимися показывают, что построение кластеров воспринимается ими как творческая работа , где возможна реализация собственного видения проблемы, собственного подхода, вариативности, как средство самореализации, самоутверждения.

Возможность индивидуальной, парной, групповой и коллективной работы создаёт психологический комфорт учебного процесса. Включение каждого ученика в три вида

деятельности (думаю, пишу, проговариваю) обеспечивает «внутреннюю обработку информации». Эти факторы способствуют усвоению учащимися нового материала на уровне понимания, осмысления и развитию у них учебно-познавательной мотивации и активности (особенно у тех школьников, которые плохо вписываются в систему традиционного, иллюстративно-объяснительного обучения). И самое главное - они практически осваивают способ самостоятельного приобретения нового знания , у них формируется функциональная грамотность.

Вышеописанная технология обучения на основе творческой переработки текста позволяет учить интересно, быстро, качественно и даёт учащимся чувство удовлетворения.

Примеры выполнения кластеров по темам « Фундаментальные взаимодействия» и «Фундаментальные частицы»:

Развивающие:

Воспитательные:

Тип урока

Оборудование урока

«Bakotin»

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Хлебородненская средняя общеобразовательная школа

Бакотин Роман Владимирович

с. Хлебородное, 2015

Цели урока:

Образовательные : систематизировать знания о строении атома, ввести понятия о новых элементарных частицах, обосновать взаимосвязь этапов развития физики элементарных частиц.

Развивающие: проверить уровень самостоятельного мышления школьника при работе с учебником, справочником; сформировать элементы творческого поиска.

Воспитательные: показать значение работ Э. Резерфорда, А.Ф. Иоффе для современной науки, воспитывать культуру логического мышления, формировать коммуникативные навыки работы в группах.

Тип урока : комбинированный (с использованием ИКТ)

Оборудование урока : компьютер, мультимедийный проектор, экран, мультимедийная презентация, портреты физиков (либо их фотографии в презентации).

Ход урока

Введение в тему урока.

Слайд 1 (Приложение 1)

В.Я.Брюсов. Мир электрона

Быть может, эти электроны –

Миры, где пять материков,

И память сорока веков!

Вселенная, где сто планет;

Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Там та же мировая спесь…

Учитель: Давайте проанализируем стихотворение В. Я. Брюсова и ответим на вопросы

О чем сегодня мы будем говорить?

Как представляет поэт строение электрона?

Как это согласуется с современными представлениями об электроне?

Учитель: Да, мы сегодня повторим наши знания о строении вещества, а также проведем сравнительный анализ этапов развития физики элементарных частиц.

Проверка домашнего задания

1. 1. Устный опрос

Слайд 2 (Приложение 1)

Из каких частиц состоит атом?

Каков размер атома?

1.2 Работа с кроссвордом

Кроссворд (Приложение 2)

1.3 Работа с карточками

Каждая группа выбирает карточку с биографией ученых (сообщения о Резерфорде, Томсоне, Иоффе – Приложение 3, 4, 5 ). Необходимо сообщить, чем прославились данные ученые в области атомной физики.

Изучение нового материала.

Учитель: Как нам уже известно, термин «АТОМ» был предложен Демокритом еще в глубокой древности. Современные исследования не только подтвердили его предположение, но и значительно расширили сведения о строении вещества.

Данные исследования в этой области можно разделить на три этапа. Каждый из них нес собой свою особенность и принципиальное значение.

Работа с учебником

Каждая группа берет по одному этапу, знакомится с ним и маркером на большом листе бумаги составляют таблицу.

Примерная таблица может содержать следующие графы (на выбор учащихся)

Работа с физическим словарем

Отдельно выписываем в словарь неизвестные термины, которые нужно будет объяснить для других групп (примерные термины СТРАННОСТЬ, АДРОНЫ, КВАРКИ, ЛЕПТОНЫ).

Сообщения по изученному материалу (проводиться в порядке следования этапов)

На доске представляют три плаката с таблицами, о каждом из которых необходимо дать сообщение.

Работа с тетрадью

Необходимо рассмотреть предлагаемые таблицы.

Скорректировать их.

Записать в тетрадь.

Обобщенная (скорректированная) таблица может быть представлена на слайде.

Слайд 3 (Приложение 1)

ПРИМЕР таблицы.

Продолжительность этапа	Название этапа	Основное содержание
	От электрона до позитрона
	От позитрона до кварков
1964-….. до наших дней

Рефлексия.

Слайд 4 (Приложение 1)

Вопросы для закрепления:

Домашнее задание.

Параграф 93. Стр 224-227 Составить вопросы к параграфу

Просмотр содержимого документа
«Приложение 2»

1.Вещество, не проводящее электричество. 2 и 6. Ученые, опыты которых доказали существование и позволили измерить заряд электрона. 3. Сообщение телу электрического заряда. 4 и 5. Частицы, из которых состоит ядро атома. 7. Атом, потерявший или присоединивший один или несколько электронов. 8. Прибор, служащий для обнаружения заряда. 9. Одно из веществ, испускающих α-частицы.

По вертикали в выделенных клетках: ученый, опыт которого лежит в основе ядерной модели строения атома.

Ответы на кроссворд. По горизонтали: 1. Диэлектрик. 2.Милликен. 3. Электризация. 4.Нейрон. 5. Протон. 6. Иоффе. 7. Ион. 8. Электроскоп. 9.Радий. По вертикали: Резерфорд.

Просмотр содержимого документа
«Приложение 3»

Биография Эрнеста Резерфорда

Резерфорд Эрнест (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы.

Родился 30 августа 1871 г. в городе Спринг – Броув (Новая Зеландия) в семье шотландских эмигрантов. Отец работал механиком и фермером-льноводом, мать - учительницей. Эрнест был четвёртым из 12 детей Резерфордов и самым талантливым.

Уже при окончании начальной школы, как первый ученик, он получил премию в 50 фунтов стерлингов для продолжения образования. Благодаря этому Резерфорд поступил в колледж в Нельсоне (Новая Зеландия). После окончания колледжа юноша сдал экзамены в Кентерберийский университет и здесь серьёзно занялся физикой и химией.

Он участвовал в создании научного студенческого общества и сделал в 1891 г. доклад на тему «Эволюция элементов», где впервые прозвучала идея о том, что атомы - сложные системы, построенные из одних и тех же составных частей.

В период, когда в физике господствовала идея Дж. Дальтона о неделимости атома, эта мысль показалась абсурдной, и молодому учёному даже пришлось извиняться перед коллегами за «явную чепуху».

Правда, через 12 лет Резерфорд доказал свою правоту. После окончания университета Эрнест стал учителем средней школы, но это занятие было ему явно не по душе. К счастью, Резерфорду - лучшему выпускнику года - присудили стипендию, и он отправился в Кембридж - научный центр Англии - для продолжения занятий.

В Кавендишской лаборатории Резерфорд создал передатчик для радиосвязи в радиусе 3 км, но отдал приоритет на его изобретение итальянскому инженеру Г. Маркони, а сам приступил к изучению ионизации газов и воздуха. Учёный заметил, что урановое излучение имеет две составляющие - альфа- и бета-лучи. Это было открытием.

В Монреале при изучении активности тория Резерфорд открыл новый газ - радон. В 1902 г. в работе «Причина и природа радиоактивности» учёный впервые высказал мысль о том, что причиной радиоактивности является самопроизвольный переход одних элементов в другие. Он установил, что альфа-частицы заряжены положительно, их масса больше массы атома водорода, а заряд приблизительно равен заряду двух электронов, и это напоминает атомы гелия.

В 1903 г. Резерфорд стал членом Лондонского королевского общества, а с 1925 по 1930 г. занимал пост его президента.

В 1904 г. вышел фундаментальный труд учёного «Радиоактивные вещества и их излучения», который стал энциклопедией для физиков-ядерщиков. В 1908 г. Резерфорд стал нобелевским лауреатом за исследования радиоактивных элементов. Руководитель физической лаборатории в Манчестерском университете, Резерфорд создал школу физиков-ядерщиков, своих учеников.

Вместе с ними он занимался исследованием атома ив 1911 г. окончательно пришёл к планетарной модели атома, о чём написал в статье, вышедшей в майском номере «Философского журнала». Модель приняли не сразу, она утвердилась только после её доработки учениками Резерфорда, в частности Н. Бором.

Умер учёный 19 октября 1937 г. в Кембридже. Как и многие великие люди Англии, Эрнест Резерфорд покоится в соборе Святого Павла, в «Уголке науки», рядом с Ньютоном, Фарадеем, Дарённом, Гершелем.

Просмотр содержимого документа
«Приложение 4»

Биография Джорджа Томсона

Английский физик Джордж Паджет Томсон родился в Кембридже 3 мая 1892 г. в семье ученого-физика. Вступил в Тринити-Колледж 1910 г., он уже в следующем году стал старшекурсником и 1914 г. получил первые награды по математике и естественным наукам. Закончив тогда же университет со степенью бакалавра, он стал стипендиатом-исследователем и преподавателем математики в Корпус-кристи-колледже Кембриджа, работая здесь вплоть до 1922 г.

Во время войны Джордж Томсон служил во Франции лейтенантом, а потом вернулся в Англию, где на протяжении четырех лет работал над усовершенствованием самолетостроения. Научившись летать, Томсон написал свой первый учебник «Прикладная аэродинамика» (1919).

1922 г. Джордж Томсон стал профессором натурфилософии Абердинского университета Шотландии и пребывал в этой должности до 1930 г., когда его назначили профессором физики Империал колледжа Лондона. 1952 г. он возвращается в Кембридж как руководитель Корпус-кристи-колледжа, где и остается вплоть до выхода в отставку 1962 г. Именно в Абердине он сделал свой наиболее значительный взнос в теоретическую физику.

Основные работы Джорджа Томсона касаются атомной и ядерной физики, квантовой механики, аэродинамики, электрических разрядов в газах. Независимо от К.Девиссона он открыл явление дифракции электронов, чем экспериментально доказал волновую природу электрона. Джордж Томсон также исследовал геометрию электрономограм, теорию рассеяния.

Джордж Томсон и Девиссон поделили 1937 г. Нобелевскую премию по физике «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах».

После 1937 г. Джордж Томсон неоднократно был научным советником британского Министерства авиации. 1941 г. возглавляемый им комитет передал британскому правительству вывод, в котором производство атомной бомбы признавалось осуществимым. Эта рекомендация повлияла на решение Великобритании принять участие в Манхеттенском проекте. После Второй мировой войны Джордж Томсон принимал активное участие в роботах по управляемому термоядерному синтезу. Он активно поддерживал международное сотрудничество по развитию атомной энергии в мирных целях. Свой последний взнос в физику он сделал 1951 г., когда исследовал космические частички в космических лучах.

Джорджу Томсону было 1943 г. предоставлено дворянство. Среди его многочисленных наград - медаль Хъюза (1939) и Королевская медаль (1949) Лондонского королевского общества, медаль Франклина (1960) и Фарадея (1960) Института инженеров электротехники и электроники. Он был иностранным членом Американской академии наук и искусств, Лиссабонской академии наук, а также членом-корреспондентом Австрийской академии наук.

Просмотр содержимого документа
«Приложение 5»

Биография Абрам Фёдорович Иоффе

А.Ф. Иоффе родился 29 октября 1980 г. в небольшом городке Ромны Полтавской губернии. В Ромнах не было гимназии - имелось лишь мужское реальное училище., в которое он и поступил. Примечательно, что его одноклассником оказался С.П. Тимошенко - впоследствии крупный механик, иностранный член АН СССР. Физикой Иоффе заинтересовался еще в училище. Он часто подчеркивал, что произошло это не благодаря влиянию учителей, а, скорее, ему вопреки: уровень преподавания в училище был очень низким, учителя были прежде всего вероподдаными чиновниками.

Как известно, до революции для поступления в университеты необходимо было знание древних языков, которые преподавались только в гимназиях. Поэтому по окончании реального училища А.Ф. Иоффе остановил свой выбор на Петербургском технологическом институте, в котором, по его мнению, в наибольшей степени можно было научиться физике. В этом институте преподавали выдающиеся ученые, в частности И.И. Боргман, Н.А. Гезехус, Б. Л. Розинг и др. Наряду с физикой, Иоффе много работал в области ее биологических приложений, что в конце ХІХ - начале ХХ в. Было более чем необычно. Хотя в научном плане эти исследования и не дали какого-либо существенного выхода, они укрепили его в убеждении о плодотворности приложения физики к проблемам биологии.

В Технологическом институте Иоффе занимался еще и чисто инженерными работами, в основном во время летней практики.

По окончании Технологического института (1902 г.) А.Ф. Иоффе, заручившись рекомендациями Н.А. Гезехуса и директора Палаты мер и весов профессора Н.Е. Егорова, направился в Мюнхен, где в те годы работал В.К. Рентген.

В годы работы в лаборатории Рентгена (1903-1906) А.Ф. Иоффе выполнил ряд крупных исследований. К их числу нужно отнести прецизионный эксперимент по определению «энергетической мощности» радия.

Работы А.Ф. Иоффе по механическим и электрическим свойствам кристаллов, выполненные в мюнхенские годы, носили систематический характер. В процессе их проведения на примере кристаллического кварца им был изучен и правильно объяснен эффект упругого последействия.

Изучение электрических свойств кварца, влияния на проводимость кристаллов рентгеновских лучей, ультрафиолетового и естественного света привели А.Ф. Иоффе к открытию внутреннего фотоэффекта, выяснению пределов применимости закона Ома для описания прохождения тока через кристалл и исследованию своеобразных явлений, разыгрывающихся в приэлектродных областях.

Все эти работы Иоффе закрепили за ним репутацию физика, глубоко вдумывающегося в механизмы изучаемых им процессов и с исключительной точностью проводящего опыты, расширяющие представления об атомно- электронных явлениях в твердых телах.

А.Ф. Иоффе, отказавшись от лестного предложения Рентгена остаться в Мюнхене - для продолжения исследований и преподавательской работе в Мюнхенском университете, после блестящей защиты там в 1905 г. Докторской диссертации.

С 1906 г. А.Ф. Иоффе начал работу в должности старшего лаборанта в Петербургском политехническом институте. В физической лаборатории института, которую возглавлял В.В. Скобельцын, Иоффе в 1906-1917 гг. Были выполнены блестящие работы по подтверждению эйнштейновской квантовой теории внешнего фотоэффекта, доказательству зернистой природы электронного заряда, определению магнитного поля катодных лучей (магистерская диссертация Петербургский университет, 1913 г.). Наряду с этим А.Ф. Иоффе продолжил и обобщал в докторской диссертации (Петроградский университет, 1915 г.) начатые еще в Мюнхене исследования по упругим и электрическим свойствам кварца и некоторых других кристаллов. Академия наук, в 1914 г. Наградила А.Ф. Иоффе премией им. С.А. Иванова.

К этим важнейшим циклам исследований А.Ф. Иоффе, добавим еще два: Одно из них - теоретическая работа ученого, посвященная тепловому излучению, в которой получили дальнейшее развитие классические исследования М. Планка.

Другая работа, также была выполнена им в физической лаборатории Политехнического института в соавторстве с преподавателем этого института М. В. Миловидовой-Кирпичевой. В работе исследовалась электропроводность ионных кристаллов. Результаты исследований по электропроводности ионных кристаллов были впоследствии, уже после окончания первой мировой войны, с блеском доложены А.Ф. Иоффе на сольвеевском конгрессе 1924 г., вызвали

оживленную дискуссию у его знаменитых участников, и получили их полное признание.

В 1926 г. Я.И. Френкель, основываясь на экспериментах А.Ф. Иоффе и М. В. Миловидовой-Кирпичевой о тепловой диссоциации решетки, развил кинетическую теорию явлений переноса в твердых телах и разработал в 1933 г. дырочную теорию электропроводности полупроводников.

Наряду с интенсивной исследовательской работой, А.Ф. Иоффе много сил и времени уделял преподаванию. Он читал лекции не только в Политехническом институте, профессором которого стал в 1915 г., но также на известных в городе курсах П.Ф. Лесгафта, в Горном институте и в университете. Однако самым главным в этой деятельности Иоффе била

организация в 1916 г. семинара по новой физике при Политехническом институте. Именно в эти годы А.Ф. Иоффе -сначала участник, а потом и руководитель семинара - выработал тот замечательный стиль ведения такого рода собраний, который создал ему заслуженную известность и характеризовал его как главу школы. Семинар Иоффе в Политехническом институте по праву считается важнейшим центром кристаллической физики.

Разработку планов физико-технического отдела будущего Государственного рентгенологического и радиологического института взял на себя А.Ф. Иоффе. Этот институт был создан 23 сентября 1918 г., а в 1921 г., его физико-технический отдел выделился в самостоятельный Государственный физико-технический рентгенологический институт (ФТИ), который более трех десятилетий и возглавлял А.Ф. Иоффе.

Наряду с созданием ФТИ, А.Ф. Иоффе принадлежит заслуга организации в 1919 г. при Политехническом институте факультета нового типа: физико-механического, деканом которого он также был более 30 лет.

Научная работа А.Ф. Иоффе была сосредоточена в стенах ФТИ, одной из лабораторий которого он неизменно заведовал, хотя тематика ее исследований, как и название, претерпели изменения. В 20-е годы основным направлением работы было изучение механических и электронных свойств твердого тела.

Начало 30-х годов ознаменовалось переходом ФТИ на новую тематику. Одним из основных направлений стала ядерная физика. А.Ф. Иоффе непосредственно ею и занимался, но наблюдая стремительный подъем этой области физики, быстро оценил ее грядущую роль в дальнейшем прогрессе науки и техники. Поэтому с конца 1932 г. физика ядра прочно вошла в тематику работ ФТИ.

С начала 30-х годов собственная научная работа А.Ф. Иоффе сосредоточилась на другой проблеме - проблеме физики полупроводников, и его лаборатория в ФТИ стала лабораторией полупроводников.

В 1950 г. А.Ф. Иоффе разработал теорию, на основе которой были сформулированы требования к полупроводниковым материалам, используемым в термобатареях и обеспечивающим получение максимального значения их КПД. Вслед за этим в 1951 г. Л.С. Стильбансом под руководством А.Ф. Иоффе и Ю.П. Маслаковца был разработан первый в мире холодильник. Это послужило началом развития новой области техники - термоэлектрического охлаждения. Соответствующие холодильники и термостаты широко применяются ныне во всем мире для решения ряда задач в радиоэлектронике, приборостроении, медицине, космической биологии и других областях науки и техники.

Последние годы жизни А.Ф. Иоффе прошли под знаком радостного творчества в стенах вновь созданного им Института полупроводников. Начиная с 1954 г. число публикаций маститого ученого в научных журналах, отражавшего его научную активность, резко возросло. Его работоспособность не могла не вызывать удивление и восхищение. Недаром одну из книг А.Ф. Иоффе на тему по термоэлектричеству назвали «библией по

термоэлектричеству».

Абрам Федорович скончался 14 октября 1960 г. , две недели не дожив до своего 80-летия. Но благодаря своим выдающимся способностям физика и организатора науки, благодаря высоким личным качествам Абрам Федорович Иоффе сумел создать в стенах ФТИ исключительно благоприятную почву для быстрого созревания талантов. В этом его непреходящая заслуга перед Родиной и наукой.

Просмотр содержимого презентации
«Приложение 1»

"Три этапа в развитии

физики

элементарных частиц"

Бакотин Роман Владимирович

с. Хлебородное, 2015

В.Я.Брюсов. Мир электрона

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 все, 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 …

Какие частицы мы называем элементарными?
Назовите элементарные частицы?
Из каких частиц состоит атом?
Какие ученые давали свои прогнозы на строение атома?
Суть теории Томсона и Резерфорда?
Каков размер атома?

Продолжительность этапа

Название этапа

Основное содержание

От электрона до позитрона

Превращения в мире – это простая перестановка атомов. Все в мире изменяется кроме самих атомов, которые остаются неизменными. Открыто строение атомов, был выделен электрон, как составная часть атома.

От позитрона до кварков

1964-….. до наших дней

Все элементарные частицы превращаются друг в друга. Эти превращения главный факт их существования. Элементарные частицы- это первичные неделимые далее частицы, из которых построена вся материя. Но неделимость не означает отсутствие у них внутренней структуры.

От гипотезы о кварках до современности

Открытие группы «странных», «очарованных» частиц, резонансов. Открытие «кварков» их количества и дробности заряда.

Какие новые частицы вы сегодня узнали?

Сколько этапов в физике элементарных частиц можно выделить?

Существуют ли предпосылки к появлению четвертого этапа?

\ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Материалы прислал: Хасан Алиев МОУ СОШ с.Карасу, Черекского р-а,КБР С.Карасу

Основные исторические этапы развития физики элементарных частиц : первый - от электрона до позитрона, второй - от позитрона до кварков, третий - от гипотезы о кварках до наших дней. Понятие об элементарных частицах. Их взаимные превращения.

Цели:

" Обобщить и систематизировать материал данной темы.
" Развивать абстрактное, экологическое и научное мышления учащихся на основе представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях.

Тип урока:, систематизация и обобщение.

Форма урока : лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.

Метод обучения : диалогический, побуждающий.

ХОД УРОКА

I. Оргмомент.
План работы на урок:
1) Исторический экскурс.
2) Самостоятельная работа учащихся по выделению 3-х этапов развития взглядов на элементарные частицы
3) Роль элементарных частиц в нашей жизни
II. Лекция.

Я вам сейчас задам вопрос. Сколько букв в русском алфавите? Правильно -33 буквы, но мы можем из них составлять слова, из слов - предложения, из предложений - рассказы. Т.е. Слово - это основа нашего общения, поэтому нашу встречу я начала с песни. Но я сейчас о другом, ведь мы с вами на уроке физики, а не литературы и именно физики элементарных частиц. Вы спросите, как это связано? А очень просто! Посмотрим на таблицу Менделеева. Сколько там элементов?

Да. Всего лишь 92. Как? Там больше? Верно, но все остальные - искусственно полученные, они в природе не встречаются. Кто бы мог сейчас их перечислить? А жаль. В одной из передач "Золотая лихорадка" игрок за эти знания получил 1 кг золота!

Итак - 92 атома. Из них тоже можно составить слова: молекулы, т.е. вещества! Как слова! Пример - 2 атома водорода, 1 атом кислорода! Что это? Вода. Но то, что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение"

Итак: АТОМ - ДЕМОКРИТ (кирпичик мироздания).

Не прошло и 2000 лет, эстафету принимает Томсон.

ТОМСОН - ЭЛЕКТРОН . Начало XX века.

РЕЗЕРФОРД - ПРОТОН

ЧЕДВИК - НЕЙТРОН

История физики элементарных частиц условно отсчитывается от открытия электрона. Затем была выяснена структура атомного ядра - открыт протон (Э. Резерфорд, 1910 г.) и нейтрон (Дж. Чадвик, 1932 г.). Первый этап развития физики частиц условно завершился к середине 1930-х гг. К этому времени список элементарных частиц был невелик: три частицы - электрон e-, протон p и нейтрон n - входят в состав всех атомов; фотон g (квант электромагнитного поля) участвует во

взаимодействии заряженных частиц и процессах излучения и поглощения света. Важнейшим теоретическим открытием стало предсказание в 1929 г. П. Дираком существования античастиц (частиц, имеющих ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов; см. об этом ниже). В 1932 г. была открыта первая античастица - позитрон е+. Наконец, изучая свойства b-распада ядер, В. Паули предсказал в 1930 г. существование еще одной частицы - нейтрино n. Аргументы Паули были настолько убедительными, что, хотя регистрация нейтрино реально оказалась возможной только в 1956 г., в существовании этой частицы никто не сомневался сразу после того, как Паули высказал свою гипотезу.

У вас на столах есть таблица элементарных частиц. Давайте найдем эти частицы и охарактеризуем их.

1928 год - Дирак и Андерсон открывают позитрон - античастицу электрона. А тут еще великий Эйнштейн решил помочь и предлагает "свой" фотон.

1931 год - Паули открывает нейтрино и антинейтрино. К 1935 году сформировалась более или менее стройная система. Наступило затишье в открытии элементарных частиц. Но не тут то было!

1935 год - Юкава открывает первый мезон.

" … думал, что достиг дна…, но снизу постучали…" С. Лемм

Второй этап развития физики частиц начался после Второй мировой войны с открытия в 1947 г. пи-мезона p в космических лучах. Начиная с этого года была открыта не одна сотня элементарных частиц.

В течение примерно пятнадцати лет (до начала 1960-х гг.), благодаря прогрессу в создании ускорителей и приборов для регистрации частиц, было открыто несколько сотен новых элементарных частиц, имеющих массы в диапазоне от 140 МэВ до 2 ГэВ.

Все эти частицы были нестабильными, т.е. распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Все они казались в равной степени элементарными, так как в разных экспериментах можно было порождать любые из открытых частиц в

процессе соударения других частиц. Перед физиками-теоретиками встала труднейшая задача упорядочить весь обнаруженный "зоопарк" частиц и попытаться свести число фундаментальных частиц к минимуму, доказав, что другие частицы состоят из фундаментальных частиц.

Третий этап развития физики частиц начался в 1962 г., когда М. Гелл-Манн и независимо Дж. Цвейг предложили модель строения сильновзаимодействующих частиц из фундаментальных частиц - кварков. Эта модель к настоящему времени превратилась в стройную теорию всех известных типов взаимодействий частиц.

Можно считать, что третий этап завершился в 1995 г. открытием последнего из ожидавшихся, шестого кварка. В настоящее время не известно ни одного эксперимента, который бы противоречил существующей теории элементарных частиц, получившей название стандартной модели, и не находил бы количественного объяснения в рамках этой теории.

Обратимся к таблице. Таблица проецируется на экран проектором

Назовите 4 основные класса частиц:

1. Фотоны
2. Лептоны
3. Мезоны
4. Барионы

Что такое элементарная частица?(Элементарные частицы -это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя)

Теперь перейдем к следующей части урока. Вы используя учебник и опорный конспект, четко разграничьте 3 этапа развития теории элементарных частиц. Смотрите Ваши записи и учебник.

У доски работает Ася.

III. Экопауза.

Зачем нам нужны элементарные частицы?

А) Обратимся к опорному конспекту. Назовите 4 типа взаимодействий, которые существуют между частицами.(Гравитационное (ГВ), присущее всем без исключения частицам (даже тем, у которых масса равна нулю, поскольку, вообще говоря, тяготеет энергия, а не масса!). Сильное (СВ), объединяющее кварки в адроны - сильновзаимодействующие частицы, которые делятся на две группы: барионы - частицы с полуцелым спином, составленные из трех кварков (B ~ qqq), и мезоны - частицы с целым спином, составленные из кварка и нтикварка(M ~ `qq).Электромагнитное(ЭМВ),ответственное за все процессы с участием фотонов (структура атомов, излучение и поглощение света атомами, атомная структура и свойства вещества и т. п., вплоть до таких макроскопических проявлений, как сила трения). Слабое (СлВ), проявляющееся в процессах с участием нейтрино и в процессах распада некоторых адронов.)

Самая красивая формула в физике!!!

Е = mc2

Масса есть энергия! Что получается? Можно разогнать фотон и получить вещество!

Можно из энергии получить материю! Покажите это - приложите усилие.

(Рассказать один из интересных случаев из жизни Эйнштейна).

Б) Мы с вами живем в таком месте, где находится 1 нейтринный телескоп, из 2-х существующих на Земном шаре. Нейтрино - частица, которая не вступает во взаимодействия или вступает очень слабо с другими частицами. Она появилась в момент рождения Вселенной и носит много информации. Их ловят телескопами. 1 с.к. = 5 нейтрино.

В) Существует такой прибор - позитронный томограф. Человек вдыхает или вводят в кровь радиоактивный элемент, который излучает позитроны, они вступают в реакцию с электронами организма. Аннигилируют, излучают гамма-лучи, которые улавливаются детекторами.

Скажите, используя учебник что такое аннигиляция?

Г) А сейчас об опасностях, которые таят в себе элементарные частицы. Очень быстрые электроны или гамма - кванты (которые появляются при аннигиляции) могут образовывать в организме до 5 млрд. ионов. Эти заряженные ионы плохо действуют на нашу нервную систему. Если бы мы могли "послушать" нашу нервную системы, мы бы услышали точно такой же треск, который слышится, когда в радиоприемник приходят помехи. Но в малых, разумных дозах, воздействие элементарных частиц - полезно.

Д) Посмотрим на 2-й пункт в опорном конспекте. Этот пункт об античастицах. Есть вещество - есть антивещество. Вот бы найти способ их соединить! Мы могли бы тогда уничтожить любую грязь с Земли да еще получить чистейшую энергию в виде гамма-квантов. Вот вам еще одна область применения своих знаний. Белое пятно науки - дерзайте!

IV. Итог урока.

Используемая литература: Физика11 Мякишев, Буховцев - Дрофа., СД- диск открытая физика, Физика в картинках., Курс истории физики

Урок физики на тему: Этапы развития физики элементарных частиц. Физика элементарных частиц.

Понравилось? Отблагодарите, пожалуйста, нас! Для Вас это бесплатно, а нам - большая помощь! Добавьте наш сайт в свою социальную сеть:

«Bakotin»

Просмотр содержимого документа «Приложение 2»

Просмотр содержимого документа «Приложение 3»

Просмотр содержимого документа «Приложение 4»