Движение и взаимодействие элементарных частиц - ОБОБЩЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Задачи урока: ознакомить с типами фундаментальных взаимодействий, раскрывая их особенности и отличия друг от друга; дать представления о механизме и переносчиках взаимодействия; установить связь типов взаимодействий с классами элементарных частиц.

Ход урока

I. Учащиеся знают об основных (фундаментальных) силах природы: гравитационных и электромагнитных. При изучении ядра подчёркивалось, что ядерные силы, соединяющие нуклоны в прочное ядро, не сводятся к электромагнитным или гравитационным, а являются самостоятельным типом фундаментальных сил.

При знакомстве с элементарными частицами на предыдущем уроке учащиеся узнали о взаимодействиях между элементарными частицами, в результате которых происходят их взаимопревращения, были рассмотрены и классы элементарных частиц. Для объяснения нового материала потребуется наличие у учащихся представлений о нестабильности элементарной частицы и её самопроизвольном распаде с образованием других частиц, о реакциях с элементарными частицами в результате их взаимодействия. Эти вопросы надо повторить при опросе.

II. Изложение нового материала. Рассмотрим, в чём состоит взаимодействие элементарных частиц, как оно происходит, к каким результатам приводит.

1. Взаимодействие микрочастиц приводит к изменению их энергии и импульса, к превращению одних частиц в другие в реакциях с элементарными частицами. Взаимодействие ответственно и за образование сложных систем из более простых микрочастиц: атома из ядра и электронов, ядра из нуклонов, барионов и мезонов из кварков. Процессы самопроизвольного распада ядер и элементарных частиц — это тоже результат внутреннего взаимодействия между составными частями ядра или элементарными частицами.

2. Как же осуществляется взаимодействие между элементарными частицами? Как и чем оно передаётся между частицами на некотором расстоянии?

В классической физике предполагалось, что два тела мгновенно действуют друг на друга на расстоянии с некоторыми силами (закон всемирного тяготения, закон Кулона). В электродинамике передача взаимодействия уточнена: переносчиком взаимодействия является электромагнитное поле (для силы всемирного тяготения — гравитационное). Сила действует на тело со стороны поля в точке, где тело находится.

В микромире материальные объекты представлены только элементарными частицами. Как же осуществляется взаимодействие между двумя элементарными частицами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, например отталкивание одного электрона от другого, притяжение электронов к протону?

Так как, кроме элементарных частиц, на микроуровне строения материи нет никаких других материальных объектов, то две элементарные частицы, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, могут взаимодействовать только с помощью третьей, испускаемой одной и поглощаемой другой частицей. Эту третью частицу называют квантом поля данного взаимодействия.

Так, квантом известного нам электромагнитного поля является фотон. Он передаёт взаимодействие между электронами, позитронами, протонами и другими заряженными частицами. Квантом поля ядерных сил является π-мезон (см. таблицу элементарных частиц). При передаче π-мезонов между нуклонами осуществляется их притяжение на расстоянии 10^-15 м. На большие расстояния мезоны отойти от нуклонов не могут, поэтому макроскопического поля ядерных сил нет.

3. Один из важных вопросов физики элементарных частиц и вообще всей современной физики заключается в определении числа основных, или фундаментальных, взаимодействий. Несмотря на разнообразие объектов нашего мира, несмотря на разнообразие проявлений их взаимодействий между собой, существует лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. В таблице 51 приведены некоторые характеристики типов взаимодействий.

Таблица 51

Взаимодействие	Интенсивность (относительная)	Радиус действия, м	Характерное время реакций с элементарными частицами, с
Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное	1 10-2 ~ 10-10 ~ 10-38	~ 10-15 ∞ ~ 10-18 ∞	10-23 10-20 10-13 ?

Радиус действия — это диапазон расстояний, на которых взаимодействие проявляется. Знак бесконечности показывает, что существует макроскопическое поле, взаимодействие имеет место на макроскопических расстояниях.

Приведём примеры взаимодействий.

Мы уже знаем реакцию распада нейтрона

она вызвана слабым взаимодействием. Благодаря этой реакции осуществляется β-распад ядер, а благодаря обратному превращению протонов в нейтроны — процессы термоядерного слияния протонов в ядра атомов более тяжёлых элементов на Солнце, при этом выделяется энергия, “питающая” всю Солнечную систему.

За счёт слабого взаимодействия распадаются многие относительно стабильные частицы: µ^±, π^±, K^± и др. Характерная особенность слабых процессов — участие в них нейтрино.

В настоящее время экспериментально открыты переносчики слабого взаимодействия. Ими оказались очень массивные частицы (до 100 масс протона), носящие название промежуточных бозонов W⁺, W^-, Z⁰.

Такие массивные частицы не могут удаляться от участвующей в слабом взаимодействии элементарной частицы на расстояние, большее 10^-18 м, поэтому в макромире соответствующих слабым взаимодействиям полей нет. (Сейчас установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют на микроуровне общую природу, и в настоящее время они объединены в одно электрослабое взаимодействие.)

Гравитационное взаимодействие распространяется на все макротела и микрочастицы, но ввиду малости по сравнению с другими оно при взаимодействии элементарных частиц незаметно. Реакций, происходящих за счёт гравитационного взаимодействия, мы не знаем.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все классы частиц — лептоны, мезоны, барионы, если частицы несут электрический заряд. Мы знаем множество проявлений электромагнитного взаимодействия в макромире и микромире. Так, в микромире электромагнитное взаимодействие приводит к образованию атомов и молекул, к излучению и поглощению света атомами и молекулами. К нему же относится реакция аннигиляции

рассеяние фотонов на электронах (эффект Комптона):

В сильном взаимодействии участвуют мезоны и барионы (общее название — адроны). Лептоны в сильном взаимодействии не участвуют. Ядерные силы — это одно из очень важных проявлений сильного взаимодействия. Нуклоны соединяются в ядрах благодаря сильному взаимодействию.

Происхождение ядерного взаимодействия объясняется процессами обмена π-мезоном — пионом — между нуклонами, причём возможны четыре типа обмена:

Слабое взаимодействие универсально, т. е. в нём участвуют все элементарные частицы (кроме фотонов). Однако оно мало и незаметно там, где есть электромагнитное и сильное. Существуют процессы с элементарными частицами, в которых не участвует ни сильное, ни электромагнитное взаимодействие: они вызваны только слабым взаимодействием. Это прежде всего процессы самопроизвольного распада некоторых микрочастиц относительно долгоживущих (с временем жизни τ от 10^-16 до 10^-10 с).

4. Во всех взаимодействиях строго выполняются известные нам законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда. Их применяют при расчётах реакций с элементарными частицами. Кроме названных, выполняются и другие законы сохранения. Рассмотрим два новых.

Всем барионам присваивается новая характеристика — барионное число (или барионный заряд) +1, антибарионам — -1. Сумма барионных чисел замкнутой системы элементарных частиц сохраняется при всех взаимодействиях. Барионный заряд лептонов и фотонов равен нулю.

Всем лептонам приписывается лептонное число (или лептонный заряд) +1, антилептонам — -1. Остальные частицы имеют нулевой лептонный заряд. Сумма лептонных чисел замкнутой системы элементарных частиц сохраняется при всех взаимодействиях. Это значит, что барион не может превратиться в лептон, и наоборот.

5. Законы сохранения можно рассмотреть на конкретных примерах при выполнении заданий.

1. Какие из приведённых реакций возможны с точки зрения известных нам законов сохранения?

2. Нейтральный пион распадается в результате электромагнитного взаимодействия на два фотона:

Какой закон сохранения запрещает образование только одного фотона?

3. Почему при аннигиляции электронно-позитронной пары образуются два γ-кванта?

4. Могут ли в реакции с лептонами образоваться только барионы (без антибарионов)?

5. Почему при реакциях β-распада, кроме электронов, образуется антинейтрино, а с позитронами — нейтрино?

6. При изучении элементарных частиц желательно познакомить школьников с важнейшими экспериментами. Советуем изобразить схемы соответствующих опытов или установок.

В заключение урока важно обратить внимание школьников на проблему “элементарности” элементарных частиц, порекомендовать дополнительный материал, подвести итоги изученного с помощью таблицы 50. Вопросы для повторения: почему лептоны называют истинно элементарными частицами? Какие законы сохранения применимы к взаимодействию элементарных частиц? Взаимодействуют ли кварки?

Домашнее задание: § 97*, 98*.