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»

1. Оргмомент

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:

1. Учитель: Начиная с 1932 года открыто более 400(!) элементарных частиц .

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

1. «Думай самостоятельно/в паре/группе». Коллективное обсуждение ответов. Осмысление и формулировка цели урока . Планирование деятельности. («Изучить элементарные частицы через их классификацию и систематизацию по выделенным характеристикам, результат представить в виде кластера».

   Предлагается самостоятельно изучить текст §64 «Физика-10-11» Мансуров А.Н., Мансуров Н.А), информацию представить в виде кластера.

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»:

Класс: 11

Класс : 11

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

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.

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.

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

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

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

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.

Прогнозируемая деятельность ученика:

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 .

Прогнозируемая деятельность ученика : 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 элементарно
• 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. пр. 115, стр. 347

2. конспект параграфа по плану, записанному на уроке.

Примеры явлений, поставивших под сомнение неизменность атомов Электризация тел Линейчатые спектры испускания и поглощения атомов Радиоактивность ЭлектролизФотоэффект Термоэлектронная эмиссия Электрический разряд в газах Вывод: атомы обладают сложным внутренним строением и не являются простейшими неразрушимыми и неизменными частицами

Элементарные частицы (от лат. elementarius – первоначальный, простейший, основной) Частицы, из которых построены атомы считались неспособными ни к каким превращения Элементарными стали считать электроны, протоны и нейтроны Позже фотоны включили в число элементарных частиц Было обнаружено, что свободный нейтрон нестабилен и живет в среднем 15 минут Но нельзя сказать, что нейтрон состоит из этих частиц, они рождаются в момент распада

Элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти их взаимные превращения – главный факт их существования Неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура

АНТИЧАСТИЦЫ В 1928 году Поль Дирак разработал теорию движения электрона в атоме, учитывающую релятивистские эффекты. Из уравнения получалось, что у электрона должен быть «двойник» - частица такой же массы, но с положительным элементарным зарядом В 1932 году К. Андерсон экспериментально обнаружил в космическом излучении позитроны

АНТИЧАСТИЦЫ У всех элементарных частиц есть античастицы Заряженные частицы существуют парами В 1955 году обнаружен антипротон В 1956 году – антинейтрон Существуют истинно нейтральные частицы – фотон, пи-нуль-мезон, эта- мезон. Они полностью совпадают со своими античастицами

АННИГИЛЯЦИЯ Античастицы оказались способными к особому виду взаимодействия (доказано на опыте Ф. Жолио-Кюри в 1933 г.) Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона Две античастицы при встрече аннигилируют (от лат nihil – ничто), превращаясь в два, редко в три фотона

Элементарные частицы разделяются на группы по их способностям к различным видам фундаментальных взаимодействий 1. Гравитационное взаимодействие - - описывается законом всемирного тяготения - - действует между любыми телами Вселенной - - играет основную роль только для макроскопических тел больших масс - - носители – гравитоны?

2. Электромагнитное взаимодействие - действует между любыми электрически заряженными частицами и телами, а также фотонами – квантами электромагнитного поля - обеспечивает возможность существования атомов, молекул; определяет свойства твердых тел, жидкостей, газов и плазмы - вызывает деление тяжелых ядер; излучение и поглощение фотонов веществом - носители - фотоны

3. Сильное взаимодействие - это взаимодействие между нуклонами и другими тяжелыми частицами - проявляется на очень коротких расстояниях ~ м - примером является взаимодействие нуклонов ядерными силами - частицы, способные к этому взаимодействию называются адроны - носители – глюоны и мезоны

4. Слабое взаимодействие - в нем участвуют любые элементарные частицы, кроме фотонов - проявляется лишь на очень малых расстояниях ~ м - примером слабого взаимодействия может служить процесс бета- распада нейтрона, распад заряженного пиона - носители – промежуточные бозоны

КВАРКИ Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Кроме лептонов, фотонов и промежуточных бозонов, все уже открытые частицы являются составными. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.

Кварковый состав элементарных частиц Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки. В настоящее время на роль истинно элементарных частиц претендуют 6 лептонов и 6 кварков

Резюме При исследовании атомов и элементарных частиц были обнаружены явления, совершенно не подчиняющиеся законам классической физики, и это привело к созданию квантовой физики как физики явлений микромира. Каково же соотношение между классической и квантовой физикой? Существуют ли они как две независимые теории или квантовая физика опровергла и отменила классическую?

Резюме Не произошло ни первого, ни второго. Законы квантовой физики оказались универсальными законами, применимыми не только к системам из элементарных частиц, но и к любым телам макромира. В согласии с принципом соответствия классическая физика оказалась частным случаем квантовой физики, применимым лишь в ограниченной области расстояний и размеров тел макромира.

>> Три этапа в развитии физики элементарных частиц

Глава 14. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

В этой главе речь пойдет о частицах, которые нельзя разделить и из которых построена вся материя.

§ 114. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Вы уже более или менее знакомы с электроном, фотоном , протоном и нейтроном. Но что же такое элементарная частица?

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

Когда греческий физик Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, - это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX в. было открыто сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX в., были открыты протон и нейтрон - частицы, входяпцие в состав атомного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точно так, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.) Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элементарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный - это само собой разумеющийся, прос:тейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто фуидаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна. Большинствo частиц, называемых сейчас элементарными, не может прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья - позитроны и антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10 -8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертны, так как они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

Итак, в вечном стремлении к отысканию неизменного в нашем изменчивом мире ученые оказались не на «гранитном основании», а на «зыбком песке».

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

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать.

Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон ? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, - сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.

Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, -это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.

На рисунке 14.1 вы видите результат столкновения ядра углерода , имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающ,иеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц - пионов. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.

Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц-«родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы , породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.

Итак, по современным представлениям, элементарные частицы - это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.

Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10 -22 -10 -23 с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, - адроны - построены из более фундаментальных (или первичных) частиц - кварков.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Цель: Рассказать учащимся об элементарных частицах, их основных свойствах и классификациях

Ход урока

Новый материал (дается лекционно)

Исследования строения атома и атомного ядра показали, что в состав атома входят электроны, протоны, нейтроны. Было принято называть эти частицы элементарными. Фотон(), позитрон (е +)и нейтрино (v), имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру, также стали называть элементарными частицами.

По первоначальному замыслу Элементарные частицы являются наипростейшими частицами, из которых построено вещество (атомы) существующего мира.

Элементарные частицы первоначально представлялось как нечто вечное, неизменное, нерушимое, и образ элементарной частицы связывался с образом песчинки или бесструктурного маленького шарика.

В наши дни не существует четкого критерия элементарности. Понятие "элементарная частица" в наши дни является весьма сложным.

Кратко перечислим известные элементарные частицы в порядке их исторического открытия.

Методические замечания: Учащимся в момент дальнейшего объяснения предлагается заполнять следующую таблицу (Приложение 1)

К какому виду относится	Название частицы	Обозначение	Год открытия	Заряд q	Масса частицы

Электрон был открыт Дж.Дж.Томсаном в 1897г..Через массу электрона обычно выражаются массы других элементарных частиц.

В 1900г. М.Планком и особенно, в 19005г. А.Эйнштейном было показано, что свет состоит из отдельных порций - фотонов. Фотон не обладает зарядом, и его масса покоя =0.Фотон может существовать только в процессе движения со скоростью света.

Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц в 1911г. Привели к открытию протона. Масса протона=1836m е

Большинство физиков были уверены в том, что им удалось наконец-то все многообразие химических элементов и веществ природы свести к двум простейшим сущностям: к электронам и протонам. Картина, нарисованная физиками тех лет по вопросам строения вещества, вселяло чувство научной красоты и изящества. В период с 1911г. По 1932г. Многие ученые были преисполнены чувством удовлетворения, что им удалось осуществить многовековую мечту научного поиска.

Однако в 1928г. П. Дирак, а в последствии в 1932г. К.Андерсон были обнаружены такие частицы, получившие название позитроны(е +)

Позитрон - это первая элементарная частица, предсказанная теоретически.

В 1932г. Д.Чедвигом был открыт нейтрон с массой = 1838 m е

Нейтрон в свободном состоянии, в отличии от протона, является нестабильным и распадается на протон и электрон с периодом полураспада Т=1,01 10 3 с. В нутрии ядра нейтрон может существовать неопределенно долго.

В 1931-1933гг. В.Паули анализируя -распад предположил, что при распаде, кроме протона и электрона, испускается еще одна нейтральная частица с массой покоя =0. Эту частицу назвали нейтрино ()

Только в 1956г. К.Коуэн с сотрудниками обнаружил антинейтрино(), образующееся в ядерном реакторе. Оно было "поймано" при исследовании реакции: р+ v n+е + , нейтрино вызывает реакцию n+р+е - .

В 1937г. К.Андерсон и С.Неддерман обнаружили заряженные частицы с массой 206,7m е, эти частицы были названы -мезонами( + и -), обладающие зарядом +е и -е. В настоящее время эти частицы называют -частицами или -мюонами.

В 1947г. Английский ученые С.Поуэль, Г.Оккиалини и др. открыли -мезоны (-мезон - первичный мезон, который, распадаясь, дает мюоны)

Мезон имеют заряд +е и -е, а массы 273,2 m е. Несколько позднее 1950 г. Был открыт нейтральный -мезон( о), с массой 264,2 m е. В настоящее время известно три сорта -мезон: - , о, + , они интенсивно взаимодействуют с нуклонами, легко рождаются при столкновении нуклонов с ядрами, т.е. являются ядерно-активными. В настоящее время считается, что -мезоны являются квантами ядерного поля, ответственными за основную часть ядерных сил.

С 1949-1950гг. началось буквально "нашествие" элементарных частиц, их число стремительно возрастало.

Вновь появившиеся частицы можно разделить на две группы:

Первая группа включает в себя частицы с массами около 966 m е и 974 m е, в настоящее время их называют К-мезонами. Известны К + и К - мезоны с массами приблизительно 966,3 m е и электрическими зарядами +е и -е. Известны нейтральные К-мезоны (К о и К о) с массами 974,5 m е.

Вторая группа частиц получила название гиперонов. В настоящее время известны следующие гипероны:

В 1955г. Открыт антипротон, а в 1956г.- антинейтрон.

За последние годы были открыты новые квазичастицы (резонансных состояний) с необычайно малым временем жизнм, порядка 10 -22 - 10 -23 сек.. В этом случае даже не удается зафиксировать следы частиц и об их существовании можно судить лишь из косвенных соображений, из анализа поведения продуктов их распада.

В последние годы открыт второй сорт нейтрино, так называемое нейтрино(антинейтрино) мюонное и , которое испускается например, при распаде -мезонов;

III группа - тяжелые частицы, или барионы

В эту группу входят:

• Нуклоны и их античастицы
• Гипероны и их античастицы

Применение термоядерной энергии на примере установки Токамак

Учащимся предлагается ответить на вопросы:

• Какую ядерную реакцию называют термоядерной?(устно)
• Как можно осуществить термоядерную реакцию?
• Объясните принцип действия установки "Токамак".(письменно используя доп. Литературу)
• Объясните принцип действия лазерной установки для термоядерного синтеза"(письменно используя доп. литературу)