1. Урок № 39. Практикум з розв’язування задач. Повт.Радіоактивний захист людини. (ВИВЧИТИ: Фізика-11., вид-во «Ранок», 2019р., 272ст., ред. Бар’яхтар В.Г., (в електронному варіанті), *41, ст.236, ЗРОБИТИ: Впр.41(1-3,4)

http://www.znanius.com/12024.html?&L=2

http://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=48202

До уроку «Елементарні частинки, їх класифікація» Очікувані результати навчально-пізнавальної діяльності учнів Знаннєвий компонент Діяльнісний компонент Ціннісний компонент оперує поняттями і термінами: елементарні частинки та їх властивості, частинки та античастинки, взаємні перетворення частинок і квантів електромагнітного випромінювання, поняття про антиречовину. вміє: визначати класи частинок, їх заряд, масу, спін, середній час життя та способи розпаду, користуватись таблицею «Елементарні частинки». усвідомлює: аналізує явища, що свідчать про складну структуру атомів і атомних ядер. На різних етапах розвитку науки різні частинки вважались неподільними (елементарними). У розвитку фізики виділяють три етапи: • 1897 – 1932 рр. «від електрона до позитрона»; • 1932 – 1964 рр. «від позитрона до гіпотези про кварки»; • 1964 р. ― до нашого часу. На початку 30-х років XX сторіччя встановили, що основними структурними елементами речовини є електрони, протони, нейтрони, фотони. На сьогодні відкрито понад 350 елементарних частинок і відкриття їх триває. Елементарним частинкам відповідають їх «двійники» – частинки, які мають ту ж масу і той самий, але протилежний за знаком заряд. Будь-яка частинка може виникати і щезати в результаті взаємодії з античастинкою, перетворюючись в інші частинки. У мікросвіті зникає різниця між частинками речовини і поля. Загальні зауваження до розв’язування задач теми «Елементарні частинки» Задачі цього розділу, як правило потребують застосування фізичних закономірностей, які вивчалися в інших розділах шкільного курсу фізики. Тому треба уважно аналізувати їх умови з метою виділення відомих закономірностей. Найпростішими для побудови математичного описання явищ є ті задачі, в яких використовуються закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Аналізуючи перетворення елементарних частинок, слід завжди попередньо оцінювати можливість застосування законів класичної механіки, тобто перевіряти значення швидкостей частинок після і до взаємодії (або перетворення), виконуючи проміжні обчислення. № Тип перетворення Схема перетворення Хто відкрив Рік відкриття
1 α – розпад X Y He A Z A Z 4 2 4  2    Е. Резерфорд 1899
2 β – – розпад e A Z A Z X Y e  ~  1     Е. Резерфорд 1899
3 β + – розпад e A Z A Z X Y e  ~  1     Жоліо – Кюрі 1934
4 К – – захват e A Z A Z X e Y  ~   1   Л. Альварес 1937
5 γ – випромінювання X  X   A Z A Z * П. Віллард 1900
6 Спонтанний поділ ядер X Y Y A A Z Z A Z A Z         К. Петржак та ін 1940
7 Протонний X Y H A Z A Z 1 1 1  1    Дж. Черні та ін. 1970
8 Двопротонний X Y H H A Z A Z 1 1 1 1 2  2     Дж. Черні та ін. 1983

2. Урок №40. Кварки. Космічне випромінювання. ВИВЧИТИ: Фізика-11., вид-во «Ранок», 2019р., 272ст., ред. Бар’яхтар В.Г., (в електронному варіанті), *42, 43 ст.236, ЗРОБИТИ: Впр.43 (5-6)

Космічне випромінювання і відкриття елементарних частинок
Ads by optAd360

Вивчення будови атомів, атомних ядер, процесів у космічному випромінюванні, реакцій на швидких заряджених частинках, які дістають у прискорювачах, дало змогу встановити існування великої кількості частинок, які названо елементарними. До них належать електрони і позитрони, протони і антипротони, нейтрони і антинейтрони, нейтрино і антинейтрино, мезони, гіперони, фотони та ін. Деякі з цих частинок стабільні, тобто самочинно не розпадаються, не перетворюються в інші частинки, тоді як більшість елементарних частинок через певний проміжок часу перетворюється в інші. Назва «елементарні частинки» в буквальному розумінні слова означає найпростіші частинки, які не можна розкласти на складові частини. Насправді це не так.
Поки що можемо дуже мало сказати про будову елементарних частинок, але інтенсивні дослідження в цьому напрямі проводяться в багатьох лабораторіях світу. Добре вивчено явища перетворення одних елементарних частинок в інші і встановлено закономірності цих перетворень. Тому всі частинки, які називають «елементарними», насправді не є елементарними, так само як і атомні ядра, атоми й молекули.
Часто фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій, оскільки для проведення більшості експериментів у цій сфері потрібні частинки високих енергій. Так, якщо при вивченні ядерних реакцій було достатньо енергій бомбардувальних частинок порядку енергії зв’язку нуклонів у ядрі, то для дослідів, пов’язаних з народженням піонів, необхідні протони, прискорені до енергій 300 МеВ, а для експериментів, пов’язаних із народженням протон-антипротонних пар, потрібні частинки з енергією 6 ГеВ.
До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.
Ads by optAd360
Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному протонів), що попадає на Землю із світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявлено багато елементарних частинок. Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок досягала 1010 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 ∙ 102…104 частинок на квадратний метр за секунду і збільшується в кілька разів із наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 ∙ 102 частинок на квадратний метр за секунду і мало змінюється із сонячною активністю.
Вчені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 мільйонів. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзіркового газу.
У 1958 р. під час перших польотів штучних супутників Землі і космічних ракет було виявлено навколоземні радіаційні пояси. Вони становлять дві просторово розділені зони навколо Землі з різко підвищеною концентрацією iонізуючого випромінювання. Існування поясів радіації зумовлене захопленням і утриманням заряджених космічних частинок магнітним полем Землі. Тому утворення поясів радіації має бути характерним для всіх небесних тіл, які мають магнітне поле. При дослідженні космічного випромінювання було зроблено багато принципово важливих відкриттів. Так, 1932 р. К. Андерсон відкрив у космічному випромінюванні позитрон, а 1937 р. К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили
Ads by optAd360
μ-мезони і визначили тип їхнього розпаду. В 1947 р. С. Пауелл відкрив μ-мезони. У 1955 р. в космічному випромінюванні було виявлено K-мезони, а також важкі нейтральні частинки з масою, що перевищує масу протона, — гіперони. Дослідження космічного випромінювання привело до необхідності введення квантової характеристики, названої дивністю.
Докладно вивчати властивості частинок, особливості їхньої взаємодії і перетворення можна лише на прискорювачах. Прискорювачі використовуються для різних досліджень, але головне їхнє призначення — дослідження фундаментальних властивостей речовини, елементарних частинок. Для цього проектувались і будувались все крупніші прискорювачі заряджених частинок (див. підрозділ 17.3). Вже на перших прискорювачах, споруджених для вивчення нуклонів, дістали важливі результати. В багатьох зіткненнях при високих енергіях виникали нові частинки, часто у великих кількостях, але, що найважливіше, зовсім не обов’язково менші або легші, ніж початкові. Більше того, виникали одні й ті самі частинки для різних партнерів по зіткненню. Це не вписувалось у межі простих звичних уявлень про структуру частинок. Експеримент показує, що всі вторинні частинки не «вибиваються» з первинних, а «народжуються», строго дотримуючись релятивістських законів збереження енергії й імпульсу в акті розсіяння.
Успіхи фізики елементарних частинок зумовлені, поряд з високим рівнем техніки наукового експерименту, розвитком новітніх фізичних теорій, які привели до багатьох відкриттів у фізиці ядра і елементарних частинок. Так, при поясненні суцільного спектра β-розпаду В. Паулі передбачив існування нейтрино. П. Дірак, виходячи з виведеного ним релятивістського рівняння, передбачив існування позитрона (античастинки). X. Юкава передбачив існування піонів, була також висловлена гіпотеза про існування анти-сигмагіперона та ін.
Багато теоретичних висновків підтверджено експериментально. Нині здійснюється експериментальний пошук кварків, передбачених теорією елементарних частинок.
У 1952 р. в Брукхейвені (США) введено в дію перший синхрофазотрон, на якому можна одержувати протони набагато більшої енергії (до 3 ГеВ), ніж давали прискорювачі, що існували до цього часу. Енергія в 3 ГеВ — це вже енергія первинного космічного випромінювання. Тому брукхейвенський синхрофазотрон дістав назву космо- трона. З появою прискорювачів космічне випромінювання втратило своє виняткове значення при вивченні елементарних частинок. Проте воно залишається єдиним джерелом частинок надвисоких енергій.
Нині відомо близько 400 елементарних частинок, головна особливість яких полягає у їхній здатності до взаємоперетворення.
Характерною особливістю елементарних частинок є те, що вони існують у вигляді частинок і античастинок. Це виражається, зокрема, в тому, що поряд з позитивно зарядженими частинками певного виду існують негативно заряджені частинки такого самого виду. Для нейтральних частинок відмінність полягає в протилежній орієнтації механічних і магнітних моментів. У цьому фундаментальному факті яскраво проявляє себе основний закон матеріалістичної діалектики, який розглядає рухому матерію як єдність протилежностей, між якими постійно точиться боротьба, що є основою саморуху матерії. Елементарні частинки характеризуються основними фізичними властивостями, які визначають їхні характерні особливості. Всі елементарні частинки мають ту чи іншу масу, енергію, момент кількості руху, спін. Деякі частинки мають магнітний момент, електричний, баріонний, лептонний заряди тощо. Всі перетворення елементарних частинок строго підлягають законам збереження цих величин. Щоб описати процеси, пов’язані з перетворенням елементарних частинок, потрібно враховувати співвідношення між масою й енергією.
Термін «елементарна» швидше належить до рівня наших знань, оскільки на кожному етапі розвитку науки елементарними називають частинки, будову яких не знають і які розглядають як точкові.
Експерименти на прискорювачах елементарних частинок поки не дали доказів існування яких-небудь субчастинок. Можна припустити, що досягнута на прискорювачах енергія не перевищує енергії зв’язку субчастинок усередині елементарної частинки, і тому їх не можна виділити. Внаслідок цього після кожної нової серії експериментів субчастинкам вимушені приписувати все більшу масу. Отже, теоретичні міркування обмежують масу можливих субчастинок, а експеримент потребує збільшення її. Якщо відносно атомів і молекул справедливе твердження, що молекула «складається» з атомів, а атом — з ядра і електронів, то було б неадекватним уявлення, що ядро «складається» з протонів і нейтронів у тому розумінні, в якому молекула «складається» з атомів. Якісна специфіка будови мікрочастинок ще сильніше проявляється для елементарних частинок у сучасній фізиці.

Класифікація елементарних частинок. Елементарні частинки – фундаментальні складові матеріальних об’єктів. Першою відкритою елементарною частинкою був електрон – носій елементарного електричного заряду. Електрон (е – ) має масу me=9,11·10-28 г і розмір ≤10-16см. Заряд електрона негативний, рівний за абсолютною величиною e= 1,6 . 10-19 Кл. Елементарна частинка протон – це ядро атома гідрогену. Протон (p) має позитивний заряд e, і масу mp рівну 1,67 10-24 г (~1840 мас електрону). Частинка приблизно такої ж маси, але з нульовим зарядом називається нейтрон (n). Мюони (μ + , μ – ), піони (π + , π – ), нейтрино (ν ), резонанси, античастинки: позитрон (e + ), антипротон та ін. Античастинки існують для всіх частинок крім фотона: n → p + e – +e Можливість народження і знищення частинок в процесах їх зіткнень та самовільного розпаду є однією із головних властивостей елементарних частинок. Існують чотири види взаємодії елементарних частинок: сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна. Сильні взаємодії здійснюються між частинками, які називаються адронами. Переносять взаємодію – глюони. Частинки, що не вступають в сильні взаємодії називаються лептонами. Кажному зарядженому лептону (електрон, мюон і тау-частинка) відповідає нейтральна частинка нейтрино- електронне, мюонне або тау-нейтрино. Загальне число лептонів рівне 12. Адрони діляться на: баріони і мезони. Баріони в свою чергу на: протони, нейтрони та група частинок, що називаються гіперонами. Вони мають напівцілий спін. На відміну від баріонів, мезони мають нульовий спін. Всі мезони нестабільні. Адрони складаються із фундаментальніших частинок – кварків, що мають дробний електричний заряд, кратний e/3, і розміри менше 0,5×10−19 м. Кварки існують тільки всередині адронів і не спостерігаються як ізольовані частинки. Розрізняють 6 типів кварків. Стандартная модель: вся речовина складається із 12 фундаментальних частинок – 6 лептонів і 6 кварків. Кварки беруть участь у сильних, слабких і електро-магнітних взаємодіях; заряджені лептони – в слабких і електромагнітних; нейтрино – тільки в слабких взаємодіях. 1. Квантова електродинаміка. Квантова механіка дозволяє описувати рух елементарних частинок, але не їх виникнення або знищення, тобто застосовується лише для описування систем з незмінною кількістю частинок. Узагальненням квантової механіки є квантова теорія поля — це квантова теорія систем з нескінченною кількістю ступенів свободи (фізичних полів), яка враховує вимоги і квантової механіки, і теорії відносності. Потреба в такій теорії пояснюється квантово-хвильовим дуалізмом, існуванням хвильових властивостей усіх частинок. У квантовій теорії поля взаємодію трактують як результат обміну квантами поля, а польові величини оголошуються операторами, які пов’язують з актами народження й знищення квантів поля, тобто частинок. У середині XX ст. було створено теорію електромагнітної взаємодії — квантову електродинаміку (КЕД). Це продумана до найдрібніших деталей і оснащена досконалим математичним апаратом теорія взаємодії заряджених елементарних частинок (насамперед, електронів або позитронів) шляхом обміну фотонами. У КЕД для опису електромагнітної взаємодії використовується поняття віртуального фотона. Ця теорія задовольняє основні принципи як квантової теорії, так і теорії відносності. У центрі теорії — аналіз актів випромінювання або поглинання одного фотона однією зарядженою частинкою, а також анігіляції електрон-позитронної пари у фотон або породження фотонами такої пари. Якщо в класичному описі електрони уявляють у вигляді твердої точкової кульки, то в КЕД електромагнітне поле, яке оточує електрон, розглядається як хмара віртуальних фотонів, що невідступно рухається разом з електроном, оточуючи його квантами енергії. Фотони виникають і зникають дуже швидко, а електрони рухаються в просторі не по цілком визначених траєкторіях. Ще можна тим чи іншим способом визначити початкову й кінцеву точки шляху — до і після розсіювання, але сам шлях у проміжку між початком і кінцем руху залишається невизначеним. Розглянемо, наприклад, акт випромінювання (віртуального) фотона електроном. Після того, як електрон випромінює фотон, той породжує (віртуальну) електрон-позитронну пару, що може анігілювати з утворенням нового фотона. Останній може бути поглинутим вихідним електроном, але може породити нову пару і т.д. Таким чином, електрон вкривається хмарою віртуальних фотонів, електронів і позитронів, які перебувають у стані динамічної рівноваги. При цьому відомі тільки початкове й кінцеве положення електронів, а визначити момент, коли відбувається обмін фотоном і яка з частинок випромінює фотон, а яка поглинає, неможливо. Ці характеристики сховані за завісою квантової невизначеності. Опис взаємодії за допомогою частинки-носія в КЕД призвів до розширення поняття фотона. Вводяться поняття реального (кванта видимого нами світла) і віртуального (швидкоплинного, примарного) фотона, який “бачать” тільки заряджені частинки, котрі зазнають розсіювання. Щоб перевірити, як узгоджується теорія з реальністю, фізики зосередили увагу на двох ефектах, які викликали особливий інтерес. Перший стосувався енергетичних рівнів атома гідрогену — найпростішого атома. Згідно з КЕД, рівні повинні бути злегка зміщеними щодо положення, яке б вони займали за умови відсутності віртуальних фотонів. Друга вирішальна перевірка КЕД стосувалася надзвичайно малої поправки щодо власного магнітного моменту електрона. Теоретичні й експериментальні результати перевірки КЕД збігаються надзвичайно точно — більш як дев’ять знаків після коми. Настільки вражаюча відповідність дає право вважати КЕД найбільш досконалою з усіх наявних природничо-наукових теорій. Після визнання, КЕД було прийнято як модель для квантового опису трьох інших фундаментальних взаємодій. 2. Теорія кварків. Теорія кварків — це теорія будови адронів. Основна ідея цієї теорії дуже проста: всі адрони побудовані з більш дрібних частинок — кварків. Кварки несуть дробовий електричний заряд, що становить або -1/3, або +2/3 заряду електрона. Комбінація з двох і трьох кварків може мато сумарний заряд, який дорівнює нулю або одиниці. Усі кварки мають спін 1/2, отже, є ферміонами. Основоположники теорії кварків Гелл-Манн і Цвейг, щоб врахувати усі відомі в 60-і pp. адрони, ввели три сорти (аромати) кварків: u (від up — верхній), d (від down — нижній) і s (від strange — дивний). Кварки можуть поєднуватися між собою одним із двох можливих способів: або трійками, або парами кварк — антикварк. Із трьох кварків складаються порівняно важкі частинки — баріони; найбільш відомі баріони — нейтрон і протон. Більш легкі пари кварк — антикварк утворюють частинки, які одержали назву мезонів. Наприклад, протон складається з двох u – та одного d кварка (uud), а нейтрон — із двох d- кварків і одного u-кварка (udd). Щоб це “тріо” кварків не розпадалося, необхідна сила, яка б їх утримувала, якийсь “клей”. Виявилося, що підсумкова взаємодія між нейтронами й протонами в ядрі – це просто залишковий ефект більш сильної взаємодії між самими кварками. Це пояснює, чому сильна взаємодія здається настільки складною. Коли протон “прилипає” до нейтрона чи іншого протона, у взаємодії беруть участь шість кварків, кожний з яких взаємодіє з усіма іншими. Значна частина енергії витрачається на міцне “склеювання” тріо кварків, а невелика — на скріплення двох тріо кварків один з одним. Та обставина, що з різних комбінацій трьох основних частинок можна одержати усі відомі адрони, стала тріумфом теорії кварків. У 1969 р. вдалося одержати прямі фізичні докази існування кварків у серії експериментів по розсіюванню на протонах електронів, розігнаних до високих енергій. Експеримент показав, що розсіювання електронів відбувалося так, ніби електрони налітали на крихітні тверді вкраплення і відбивалися від них під найнеймовірнішими кутами. Цими твердими вкрапленнями всередині протонів є кварки. Але в 70-их pp. були відкриті нові адрони (псі-частинки, епсилон-мезон та ін.). Цим було завдано відчутний удар першому варіанту теорії кварків, оскільки у тому варіанті теорії вже не було місця для жодної нової частинки. Усі можливі комбінації з кварків та їхніх антикварків було вже вичерпано. Проблему вдалося вирішити шляхом введення трьох нових ароматів. Вони одержали назву — charm (зачарований) чи с; b – кварк (від beauty — гарний); згодом було уведено ще один аромат — t (від truth – справжній). Кварки з’єднюються між собою сильною взаємодією. Переносять сильну взаємодію глюони (колірні заряди). Розділ фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, називається квантовою хромодинамікою. Як квантова електродинаміка є теорією електромагнітної взаємодії, так квантова хромодинаміка є теорією, сильної взаємодії. У даний час більшість фізиків вважає кварки справді елементарними частинками — точковими, неподільними і такими, що не мають внутрішньої структури. У цьому відношенні вони нагадують лептони, і вже давно є гіпотеза, що між цими двома різними, але подібними за своєю структурою сімействами повинен існувати глибокий взаємозв’язок. Таким чином, найбільш ймовірне число насправді елементарних частинок (не враховуючи частинки, що переносять фундаментальні взаємодії) на кінець XX ст. дорівнює 48. Із них: лептонів (6×2) = 12 плюс кварків (6хЗ)х2 = 36.

Орієнтовні теми для навчальних проектів – презентацій
1. РАДІОАКТИВНІСТЬ.
2. ВИДИ РАДІОАКТИВНОГО ВІПРОМІНЮВАННЯ.