Курс лекций. Курс лекций ОЭФ(Кв) 14 (копия). Курс лекций по дисциплине Общая и экспериментальная физика для студентов ВлГУ
 Скачать 7.12 Mb.
|
|
Лекция 18. Общие сведения об элементарных частицах. Фундаментальные взаимодействия. Понятие о теории великого объединения взаимодействий. План лекции. Рассмотреть виды классификации элементарных частиц. Кварковый состав адронов. Стандартная модель теории объединения взаимодействий. Будем понимать под элементарной частицей – неделимую, простейшую частица. До конца 19 века неделимой частицей считали атом. С начала 20 века до 1932 года элементарными частицами считались составные части атома: электрон, протон, фотон. В 1932 Чедвик открывает новую частицу нейтрон. Вскоре открыли позитрон  . В 1936 г среди продуктов взаимодействия в космических лучах был открыт мезон, в 1947 – мезоны двух типов и ряд других частиц. Но в космическом излучении частицы рождаются редко, изучать их практически нельзя, время жизни коротко. Большое количество элементарных частиц было открыто при помощи ускорителя. В настоящее время таких частиц (вместе с античастицами) насчитывается более 400. Поэтому элементарнми частицами они не являются, для них используется термин «микрочастицы».Все они резко отличаются по своим свойствам: массой частиц, временем жизни, которое меняется от микросекунд до миллиардов лет. Наличие энергии связи между нуклонами в ядре, которая определяется по дефекту масс, не раскрывает механизма взаимодействия нуклонов, характера ядерных сил. В основу единого подхода к описанию фундаментальных сил в природе положены представления о взаимодействии частиц и полей. Для сильного взаимодействия вводится поле ядерных сил с квантами этого поля-глюонами. Аналогично тому, как фотоны осуществляют взаимодействие заряженных частиц, глюоны связывают друг с другом элементарные частицы - кварки, которые, в свою очередь, составляют нуклоны. Уже в электродинамике и атомной физике при описании ковалентных химических связей была использована модель взаимодействия атомов на основе объединения (обобществления) электронов. Так в молекуле водорода, состоящей из двух атомов, осуществляется непрерывный обмен электронами, что приводит к их связыванию в единую молекулу. Аналогично, обмен пионами приводит к ядерному взаимодействию между нуклонами в ядре. Сами же нуклоны состоят из троек кварков. Наглядной моделью обменного взаимодействия может служить игра в ручной мяч (пион), когда двое играющих (нуклоны), пытаются отобрать мяч друг у друга и это их на время связывает. Нестабильность нейтрона приводит к β -распаду, т.е. к вылету электронов из ядра:  ; переход нуклонов из одного состояния в другое может привести к γ -излучению ядер, а вылет из неустойчивого радиоактивного ядра стабильной α-частицы характеризует α -распад ядер. Так объясняются различные типы радиоактивного распада.В настоящее время к классификации элементарных частиц есть несколько подходов. Все микрочастицы делятся на две большие группы: частицы и античастицы. Античастицы имеют свойства аналогичные свойствам частицы, только знак электрического заряда противоположен знаку частицы.  . Есть частицы, у которых заряд равен 0, тогда античастица совпадает с частицей. Квантовая механика делит на два класса: фермионы, спин равен  (статистика Ферми - Дирака), бозоны, S=0; S=1 (статистика Бозе – Эйнштейна). Классификация частиц по массе представлена на схеме.  На сегодняшний день открыто 4 типа взаимодействий , каждому из которых присущ свой вид сил, свое поле и взаимодействующие заряды (таблица).
Всякое взаимодействие характеризуется переносчиками взаимодействия: гравитационного взаимодействия - гравитоны (не открыты), электромагнитного взаимодействия – фотоны, ядерного – пи-мезоны (глюоны), слабого – промежуточные W+, W-, Z0- бозоны. Истинно элементарными частицами, участвующими в сильном взаимодействии являются кварки. Существует три вида основных кварков: s, u, d и их античастицы. Свойства их необычны, по сравнению с микрочастицами. Они имеют дробные заряды. Различные комбинации кварков воспроизводят все известные адроны и мезоны. В таблице представлены группы адронов, их кварковый состав и основные характеристики.  В настоящее время все типы взаимодействия теоретически объединены в одно единое взаимодействие. Соответствующее единое поле называется калибровочным. Экспериментально проверено существование единого переносчика электромагнитных, ядерных и слабых взаимодействий – бозона Хиггса, который обнаружен в реакциях столкновения протоном в ускорителе нового типа – Большом Адронном Коллайдере (БАК). 4 июля2012 года, в результате исследований на БАК, был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125—126 ГэВ/c². Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса. Современное состояние природы на микроуровне представлено на следующей схеме. Из представленной ниже схемы видно, что все типы взаимодействия (кроме гравитационного) объединены в единое взаимодействие (ТВО). Следовательно, существует единое поле и одна частица – квант этого поля Она названа бозоном Хиггса и в 2012 году была открыта экспериментально на ускорителе, называемом «Большой Адронный Коллайдер».  Тестовые задания к курсу лекций. 1.   2. На рисунке представлены две вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента. Если Е – освещенность фотокатода, а  - длина волны падающего на него света, то справедливо следующее утверждение… 1) 2)  3)  4) 3. Де Бройль обобщил соотношение  для фотона на любые волновые процессы, связанные с частицами, импульс которых равен p. Тогда, если скорость частиц одинакова, то наибольшей длиной волны обладают…1) нейтроны 2)  -частицы 3) позитроны 4) протоны 4. На рисунке представлены графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны при различных температурах. Наименьшей температуре соответствует график… 1) 3 2) 1 3) 2 5. Неизвестный радиоактивный химический элемент самопроизвольно распадается по схеме:  Ядро этого элемента содержит…1) 4 протона и 5 нейтронов 3) 5 протонов и 5 нейтронов 2) 4 протона и 4 нейтрона 4) 5 протонов и 4 нейтрона 6.  - излучение представляет собой поток…1) квантов электромагнитного излучения, испускаемых атомными ядрами при переходе из возбужденного состояния в основное 2) ядер атомов гелия; 3) протонов; 4) электронов 7  . На рисунке представлены две вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента, Если Е – освещенность фотокатода, а  - частота падающего на него света, то справедливо следующее утверждение…1)  2)  3)  4)  8. Одним из видов радиоактивных излучений является поток быстро движущихся электронов. Это - … 1)  - излучение 2)  - излучение 3) - излучение 4) - излучение9  . При переходах электрона в атоме с одного уровня на другой закон сохранения момента импульса накладывает определенные ограничения (правило отбора). Если система энергетических уровней атома водорода имеет вид, представленный на рисунке, то запрещенными переходами являются...1) 4s – 3p 2) 2s – 1s 3) 4s – 3d 4) 2p – 1s 10.В сильном взаимодействии не принимают участие … 1) нейтроны 2) фотоны 3) протоны 4) электроны  11. Вероятность обнаружить электрон на участке (a,b) одномерного потенциального ящика с бесконечно высокими стенками вычисляется по формуле  , где  - плотность вероятности, определяемая  - функцией. Если - функция имеет вид, указанный на рисунке, то вероятность обнаружить электрон на участке  равна…1)  2)  3) 4)  12. Нестационарным уравнением Шредингера является уравнение… 1)  3)  2)  4)  13. Время жизни атома в возбужденном состоянии  =10 нс. Учитывая, что постоянная Планка  эВ с, ширина энергетического уровня ( в эВ) составляет не менее…1)  2)  3)  4)  1  4. На рисунке показана кварковая диаграмма распада  - мезона. Эта диаграмма соответствует реакции…1)  2)  3)  4)  15. Пи-ноль-мезон, двигавшийся со скоростью 0,8 с (с-скорость света в вакууме) в лабораторной системе отсчета, распадается на два фотона  и  . В собственной системе отсчета мезона фотон был испущен вперед, а фотон - назад относительно направления полета мезона. Скорость фотона в лабораторной системе отсчета равна…1) 1,8с 2) 1с 3) 1,64с 4) 0,8с 1  6. В опытах по внешнему фотоэффекту изучаласьзависимость энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Для некоторого материала фотокатода на рисунке исследованная зависимость представлена линией b. При замене материала фотокатода на материал с меньшей работой выхода зависимость будет соответствовать прямой... 1) с, имеющей меньший угол наклона, чем линия b 3) а, параллельной линии b 2) b, т.е. останется той же самой 4) d, параллельной линии b 17. Реакция распада нейтрона происходит по схеме  Присутствие в этой реакции антинейтрино обусловлено требованиями закона сохранения…1) электрического заряда 2) лептонного заряда 3) энергии 18. Электрон локализован в пространстве в пределах  =1,0 мкм. Учитывая, что постоянная Планка  =1,05 10 Дж с, а масса электрона m=9,1 10 кг, неопределенность скорости  (в м/с) составляет не менее…1) 0,115 2) 87 10 3) 8,7 4) 1151  9. На рисунке показана кварковая диаграмма распада  - гиперона. Эта диаграмма соответствует реакции…1)  3) 2)  4) 20. Распад нейтрона объясняется существованием… 1) электромагнитного взаимодействия 2) сильного взаимодействия 3) слабого взаимодействия 21. Протон локализован в пространстве в пределах =1,0 мкм. Учитывая, что постоянная Планка =1,05 10 Дж с, а масса протона m=1,67 10 кг, неопределенность скорости (в м/с) составляет не менее…1) 1,59 10 2) 6,29 10 3) 6,29 10 4) 1,59 10 22. Если зачерненную пластинку, на которую падает свет, заменить на зеркальную той же площади, то световое давление… 1) увеличится в 2 раза 2) уменьшиться в 2 раза 3) останется неизменным 23. В процессе электромагнитного взаимодействия принимают участие… 1) нейтрино 2) электроны 3) нейтроны 24. Реакция распада электрона по схеме  невозможна вследствие невыполнения закона сохранения…1) электрического заряда 2) лептонного заряда 3) энергии 25. Реакция распада протона по схеме  невозможна. Это является следствием невыполнения закона сохранения…1) электрического заряда 2) спинового момента импульса 3) лептонного заряда 26. В процессе гравитационного взаимодействия принимают участие… 1) только нуклоны 2) только частицы, имеющие нулевую массу покоя 3) все элементарные частицы ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Материал, представленный в курсе лекций по физике рассматривает актуальные в наши дни вопросы современной физики. Рассматриваются вопросы: Элементы квантовой физики; Физика атома; Физика атомного ядра. Элементарные частицы. Типы взаимодействий. Знание современной физики является необходимым для студентов, будущих учителей физики в школе, заканчивающих вуз по специальности «Физика и математика». Современные разделы физики еще слабо представлены в учебном процессе школы. В курсе лекций содержатся материалы, которые еще не нашли отражения в учебниках, ,используемых в учебном процессе Вуза и школы. Лекционный курс восполняет этот пробел и является необходимым для формирования современного учителя школы. В помощь студентам, автором данного курса лекций написаны и изданы учебно-методические пособия. Рау Т.Ф. Квантовая физика в курсе «Общая физика». Владимир, ВГПУ, 2006г. Лабораторный практикум по общей физике. Квантовая физика, Часть I,II. /составители: Рау Т.Ф., Куркутова Е.Н./ . Владимир ВГПУ, 2001г. Программированные коллоквиумы по общей физике, Часть 2. /составители: Повалишникова А.С., Рау Т.Ф., Куркутова Е.Н./ . Владимир ВГПУ, 2004г. Рау Т.Ф. Лабораторный спецпрактикум по рентгеноструктурному анализу. – Владимир: ВГПУ, 2003. – 61 с. Рау Т.Ф. Лабораторный спецпрактикум по спектральному анализу. – Владимир: ВГПУ, 2003. – 56 с. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ* I. Основная литература Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002. Савельев И.В. Курс общей физики, том.3., -М.:Кнорус -2012 Рау Т.Ф. Квантовая физика в курсе «Общая физика». Владимир, ВГПУ, 2006г. Лабораторный практикум по общей физике, Квантовая физика. Сост. Куркутова Е.Н., Рау Т.Ф. В 2-х ч. Владимир, ВГПУ, 2001. II. Дополнительная литература Рау В.Г. Основы теоретической физики. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Высшая школа, 2005. Рау В.Г. Общее естествознание и его концепции. – М.: Высшая школа, 2003. Шпольский Э.В. Атомная физика. – М.: Наука, 1974. т.1. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – СП.: 2002. *) Необходимая литература имеется в библиотеке ВлГУ и на кафедре в достаточном количестве экземпляров. |