Fysik lektion partikelfysik. Elementarpartikler og deres egenskaber

Kommunal budgetuddannelsesinstitution –

gennemsnit gymnasiet nr. 7 Belgorod

Åben lektion i fysik

11. klasse

« Elementære partikler»

Forberedt og gennemført:

fysiklærer

Polshchikova A.N.

Belgorod 2015

Emne: Elementarpartikler.

Lektionstype: lektion om at studere og primær konsolidering af ny viden

Undervisningsmetode: foredrag

Form for elevaktivitet: frontal, kollektiv, individuel

Mål med lektionen: udvide elevernes forståelse af stoffets struktur; overveje de vigtigste stadier i udviklingen af ​​elementær partikelfysik; give begrebet elementarpartikler og deres egenskaber.

Lektionens mål:

Pædagogisk : at introducere eleverne til begrebet en elementarpartikel, elementarpartiklernes typologi samt metoder til at studere elementarpartiklers egenskaber;

Udviklingsmæssige: udvikle kognitiv interesse studerende, der sikrer deres gennemførlige involvering i aktiv kognitiv aktivitet;

Pædagogisk: uddannelse af universelle menneskelige kvaliteter - bevidsthed om perception videnskabelige resultater i verden; udvikle nysgerrighed og udholdenhed.

Udstyr til lektionen:

Didaktiske materialer: lærebogsmateriale, kort med prøver og tabeller

Visuelle hjælpemidler: præsentation

Lektionens fremskridt

(Præsentation)

1. Tilrettelæggelse af lektionens begyndelse.

Lærerens aktiviteter: Gensidige hilsner mellem lærer og elever, fiksering af elever, kontrol af elevernes parathed til timen. Organisering af opmærksomhed og inklusion af studerende i den forretningsmæssige arbejdsrytme.

Forudsagt elevaktivitet: organisering af opmærksomhed og inklusion i arbejdets forretningsrytme.

2. Forberedelse til lektionens hovedfase.

Lærerens aktiviteter: I dag vil vi begynde at studere en ny sektion af "Kvantefysik" - "Elementære partikler". I dette kapitel vil vi tale om de primære, uopløselige partikler, som alt stof er opbygget af, om elementarpartikler.

Fysikere opdagede eksistensen af ​​elementarpartikler, da de studerede kerneprocesser, så indtil midten af ​​det 20. århundrede var elementarpartikelfysik en gren af ​​kernefysikken. I øjeblikket er partikelfysik og kernefysik er tætte, men uafhængige grene af fysikken, forenet af fællesheden af ​​mange overvejede problemer og de anvendte forskningsmetoder.

Elementarpartikelfysikkens hovedopgave er studiet af elementarpartiklernes natur, egenskaber og gensidige transformationer.

Det vil også være vores hovedopgave at studere elementarpartiklernes fysik.

3. Assimilering af ny viden og handlemetoder.

Lærerens aktiviteter: Lektionens emne: "Udviklingsstadier af elementær partikelfysik." I denne lektion vil vi se på følgende spørgsmål:

Historien om udviklingen af ​​ideer, at verden består af elementære partikler

Hvad er elementarpartikler?

Hvordan kan man få en isoleret elementarpartikel, og er det muligt?

Typologi af partikler.

Ideen om, at verden består af fundamentale partikler har lang historie. I dag er der tre stadier i udviklingen af ​​elementærpartikelfysik.

Lad os åbne lærebogen. Lad os stifte bekendtskab med navnene på stadierne og tidsrammer.

Fase 1. Fra elektron til positron: 1897 - 1932.

Fase 2. Fra positron til kvarker: 1932 - 1964.

Fase 3. Fra kvarkhypotesen (1964) til i dag.

Lærerens aktiviteter:

Etape 1.

Elementært, dvs. den enkleste, yderligere udelelige, sådan forestillede den berømte oldgræske videnskabsmand Democritus atomet. Lad mig minde dig om, at ordet "atom" i oversættelse betyder "udeleligt". For første gang blev ideen om eksistensen af ​​små, usynlige partikler, der udgør alle omgivende objekter, udtrykt af Demokrit 400 år f.Kr. Videnskaben begyndte kun at bruge begrebet atomer i tidlig XIXårhundrede, hvor det på denne baggrund var muligt at forklare en hel serie kemiske fænomener. Og i slutningen af ​​dette århundrede blev det opdaget kompleks struktur atom. I 1911 blev atomkernen opdaget (E. Rutherford), og det blev endelig bevist, at atomer har en kompleks struktur.

Lad os huske gutter: hvilke partikler er en del af atomet og kort karakteriserer dem?

Forventet elevaktivitet:

Lærerens aktiviteter: gutter, måske nogle af jer husker: af hvem og i hvilke år blev elektronen, protonen og neutronen opdaget?

Forventet elevaktivitet:

Elektron. I 1898 beviste J. Thomson virkeligheden af ​​eksistensen af ​​elektroner. I 1909 målte R. Millikan første gang ladningen af ​​en elektron.

Proton. I 1919 opdagede E. Rutherford, mens han bombarderede nitrogen med partikler, en partikel, hvis ladning var lig med ladningen af ​​en elektron, og hvis masse var 1836 gange større end elektronens masse. Partiklen fik navnet proton.

Neutron. Rutherford foreslog også eksistensen af ​​en ladningsfri partikel, hvis masse er lig med massen af ​​en proton.

I 1932 opdagede D. Chadwick den partikel, som Rutherford havde foreslået, og kaldte den neutronen.

Lærerens aktiviteter: Efter opdagelsen af ​​protonen og neutronen blev det klart, at atomkernerne, ligesom atomerne selv, har en kompleks struktur. Proton-neutron teorien om strukturen af ​​kerner opstod (D. D. Ivanenko og V. Heisenberg).

I 30'erne af det 19. århundrede, i teorien om elektrolyse udviklet af M. Faraday, dukkede begrebet -ion op, og den elementære ladning blev målt. Slutningen af ​​det 19. århundrede - udover opdagelsen af ​​elektronen, var præget af opdagelsen af ​​fænomenet radioaktivitet (A. Becquerel, 1896). I 1905 opstod ideen om elektromagnetiske feltkvanter - fotoner (A. Einstein) i fysikken.

Lad os huske: hvad er en foton?

Forventet elevaktivitet: Foton (eller kvante elektromagnetisk stråling) er en elementær lyspartikel, elektrisk neutral, blottet for hvilemasse, men med energi og momentum.

Lærerens aktiviteter: åbne partikler blev betragtet som udelelige og uforanderlige primære essenser, universets grundlæggende byggesten. Denne udtalelse holdt dog ikke længe.

Etape 2.

I 1930'erne blev de gensidige transformationer af protoner og neutroner opdaget og undersøgt, og det blev klart, at disse partikler heller ikke er naturens uforanderlige elementære "byggesten".

I øjeblikket kendes omkring 400 subnukleare partikler (de partikler, der udgør atomer, som normalt kaldes elementære). Langt de fleste af disse partikler er ustabile (elementarpartikler omdannes til hinanden).

De eneste undtagelser er foton, elektron, proton og neutrino.

Foton, elektron, proton og neutrino er stabile partikler (partikler, der kan eksistere i fri stat ubegrænset tid), men hver af dem kan, når de interagerer med andre partikler, blive til andre partikler.

Alle andre partikler undergår spontane transformationer til andre partikler med bestemte intervaller, og dette hovedkendsgerning deres eksistens.

Jeg nævnte en partikel mere - neutrinoen. Hvad er de vigtigste egenskaber ved denne partikel? Af hvem og hvornår blev det opdaget?

Forudsagt aktivitet af eleven: Neutrino er en partikel blottet for elektrisk ladning, og dens hvilemasse er 0. Eksistensen af ​​denne partikel blev forudsagt i 1931 af W. Pauli, og i 1955 blev partiklen eksperimentelt registreret. Manifesterer sig som et resultat af neutronhenfald:

Lærerens aktiviteter: Ustabile elementarpartikler adskiller sig meget i deres levetid.

Den længstlevende partikel er neutronen. Neutronens levetid er omkring 15 minutter.

Andre partikler "lever" i meget kortere tid.

Der er flere dusin partikler med en levetid på mere end 10 -17 Med. På mikrokosmos skala er dette en betydelig tid. Sådanne partikler kaldesrelativt stabil .

Flertal kortvarig elementarpartikler har levetider i størrelsesordenen 10-22 -10 -23 s.

Evnen til gensidige transformationer er den vigtigste egenskab ved alle elementarpartikler.

Elementære partikler er i stand til at blive født og ødelagt (udsendes og absorberes). Dette gælder også for stabile partikler, med den eneste forskel, at omdannelser af stabile partikler ikke sker spontant, men gennem interaktion med andre partikler.

Et eksempel ville væretilintetgørelse (dvs. forsvinden ) elektron og positron, ledsaget af fødslen af ​​højenergifotoner.

En positron er (en antipartikel af en elektron) en positivt ladet partikel, der har samme masse og samme (modulo) ladning som en elektron. Vi vil tale om dets egenskaber mere detaljeret i næste lektion. Lad os bare sige, at eksistensen af ​​positronen blev forudsagt af P. Dirac i 1928 og opdaget i 1932 i kosmiske stråler K. Anderson.

I 1937 blev partikler med en masse på 207 elektronmasser opdaget i kosmiske stråler, kaldetmuoner ( -mesoner ). Gennemsnitlig levetid-meson er lig med 2,2 * 10-6 sek.

Så i 1947-1950 åbnede depæoner (dvs. -mesoner). Gennemsnitlig levetid for neutral-meson - 0,87·10 -16 s.

I de efterfølgende år begyndte antallet af nyopdagede partikler at vokse hurtigt. Dette blev lettet af forskning i kosmiske stråler, udvikling af acceleratorteknologi og studiet af nukleare reaktioner.

Moderne acceleratorer er nødvendige for at udføre processen med at skabe nye partikler og studere egenskaberne af elementære partikler. De indledende partikler accelereres i acceleratoren til høje energier "på kollisionskurser" og ind bestemt sted kolliderer med hinanden. Hvis partikelenergien er høj, bliver der under kollisionsprocessen født mange nye partikler, normalt ustabile. Disse partikler, der spredes fra kollisionspunktet, opløses til mere stabile partikler, som registreres af detektorer. For hver sådan kollisionshandling (fysikere siger: for hver begivenhed) - og de registreres i tusindvis i sekundet! -eksperimentører bestemmer som et resultat kinematiske variabler: værdierne af impulserne og energierne af de "fangede" partikler såvel som deres baner (se figuren i lærebogen). Ved at indsamle mange begivenheder af samme type og studere fordelingen af ​​disse kinematiske størrelser, rekonstruerer fysikere, hvordan interaktionen fandt sted, og hvilken type partikler de resulterende partikler kan tilskrives.

Etape 3.

Elementære partikler kombineres i tre grupper: fotoner , leptoner Og hadroner (Bilag 2).

Gutter, skriv mig de partikler, der hører til gruppen af ​​fotoner.

Forventet elevaktivitet: Til gruppen fotoner refererer til en enkelt partikel - en foton

Lærerens aktiviteter: den næste gruppe består af lette partiklerleptoner .

: denne gruppe omfatter to typer neutrinoer (elektron og myon), elektron og?-meson

Lærerens aktiviteter: Leptoner omfatter også et antal partikler, der ikke er anført i tabellen.

tredje stor gruppe består af tunge partikler kaldet hadroner. Denne gruppe er opdelt i to undergrupper. Lettere partikler danner en undergruppe mesoner .

Forudsagt elevaktivitet: de letteste af dem er positivt og negativt ladede, såvel som neutrale -mesoner. Pioner er kvanta af det nukleare felt.

Lærerens aktiviteter: anden undergruppe -baryoner - omfatter tungere partikler. Det er den mest omfattende.

Forventet elevaktivitet: De letteste baryoner er nukleoner - protoner og neutroner.

Lærerens aktiviteter: de efterfølges af de såkaldte hyperoner. Omega-minus-hyperon, opdaget i 1964, lukker bordet.

Overfloden af ​​opdagede og nyopdagede hadroner fik videnskabsmænd til at tro, at de alle var bygget af nogle andre mere fundamentale partikler.

I 1964 fremsatte den amerikanske fysiker M. Gell-Man en hypotese, bekræftet af efterfølgende forskning, at alle tunge fundamentale partikler - hadroner - er bygget af mere fundamentale partikler kaldetkvarker.

Fra et strukturelt synspunkt består de elementarpartikler, der udgør atomkerner (nukleoner), og generelt alle tunge partikler - hadroner (baryoner og mesoner) - af endnu enklere partikler, som normalt kaldes fundamentale. Denne rolle som virkelig fundamentale primære elementer af stof spilles af kvarker, hvis elektriske ladning er lig med +2/3 eller -1/3 af enhedens positive ladning af en proton.

De mest almindelige og lette kvarker kaldes op og ned og betegnes henholdsvis u (fra engelsk op) og d (ned). Nogle gange kaldes de også proton- og neutronkvarker på grund af, at protonen består af en kombination af uud, og neutronen - udd. Topkvarken har en ladning på +2/3; bund - negativ ladning -1/3. Da en proton består af to op og en ned, og en neutron består af en op og to ned kvarker, kan du uafhængigt verificere, at den samlede ladning af protonen og neutronen er strengt taget lig med 1 og 0.

De to andre par kvarker er en del af mere eksotiske partikler. Quarks fra det andet par kaldes charmed - c (fra charmed) og strange - s (fra strange).

Det tredje par består af sande - t (fra sandhed, eller i den engelske tradition øverst) og smukke - b (fra skønhed, eller i den engelske tradition nederst) kvarker.

Næsten alle partikler, der består af forskellige kombinationer af kvarker, er allerede blevet opdaget eksperimentelt.

Med accepten af ​​kvarkhypotesen var det muligt at skabe et harmonisk system af elementarpartikler. Talrige søgninger efter kvarker i den frie stat, udført ved højenergiacceleratorer og i kosmiske stråler, har været uden succes. Forskere mener, at en af ​​årsagerne til, at frikvarker ikke kan observeres, måske er deres meget store masser. Dette forhindrer fødslen af ​​kvarker ved de energier, der opnås i moderne acceleratorer.

Men i december 2006 blev en mærkelig besked om opdagelsen af ​​"frie topkvarker" udsendt på tværs af videnskabelige nyhedsbureauer og medier.

4. Indledende kontrol af forståelse.

Lærerens aktiviteter: så gutter, vi har dækket:

hovedstadier i udviklingen af ​​partikelfysik

fundet ud af, hvilken partikel der kaldes elementær

stiftede bekendtskab med partiklernes typologi.

I den næste lektion vil vi se på:

mere detaljeret klassificering af elementarpartikler

typer af vekselvirkninger mellem elementarpartikler

antipartikler.

Og nu foreslår jeg, at du tager en test for at genoplive hovedpunkterne i det materiale, vi har studeret, i din hukommelse (Bilag 3).

5. Opsummering af lektionen.

Lærerens aktiviteter: At give karakterer til de mest aktive elever.

6. Lektier

Lærerens aktiviteter:

1. § 114 - 115

2. abstrakt.

Lektion nr. 67.

Lektionens emne: Problemer med elementarpartikler

Lektionens mål:

Uddannelsesmæssigt: introducere eleverne til begrebet en elementarpartikel, med klassificering af elementarpartikler, generalisere og konsolidere viden om grundlæggende typer af interaktioner, form videnskabeligt verdensbillede.

Uddannelsesmæssigt: at danne en kognitiv interesse for fysik, indgyde kærlighed og respekt for videnskabens resultater.

Uddannelsesmæssigt: udvikling af nysgerrighed, evne til at analysere, selvstændigt formulere konklusioner, udvikling af tale og tænkning.

Udstyr: interaktiv tavle(eller en projektor med lærred).

Lektionstype: lære nyt stof.

Lektionstype: foredrag

Lektionens fremskridt:

Organisationsstadie

Studerer et nyt emne.

I naturen er der 4 typer af grundlæggende (grundlæggende) interaktioner: gravitationel, elektromagnetisk, stærk og svag. Ifølge moderne koncepter udføres interaktion mellem kroppe gennem felterne omkring disse kroppe. Selve feltet i kvanteteorien forstås som en samling af kvanter. Hver type interaktion har sine egne interaktionsbærere og kommer ned til absorption og emission af tilsvarende lyskvanter af partikler.

Interaktioner kan være lang rækkevidde (manifest på meget lange afstande) og kort rækkevidde (manifest på meget korte afstande).

Gravitationsinteraktion sker gennem udveksling af gravitoner. De er ikke blevet opdaget eksperimentelt. Ifølge loven opdaget i 1687 af den store engelske videnskabsmand Isaac Newton, tiltrækker alle legemer, uanset form og størrelse, hinanden med en kraft, der er direkte proportional med deres masse og omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem. Gravitationsinteraktion fører altid til tiltrækning af kroppe.

Elektromagnetisk interaktion er langtrækkende. I modsætning til gravitationsinteraktion kan elektromagnetisk interaktion resultere i både tiltrækning og frastødning. Bærerne af elektromagnetisk interaktion er kvanter af det elektromagnetiske felt - fotoner. Som et resultat af udvekslingen af ​​disse partikler opstår der elektromagnetisk interaktion mellem ladede legemer.

Stærk interaktion er den mest kraftfulde af alle interaktioner. Det er kortrækkende, de tilsvarende kræfter aftager meget hurtigt, når afstanden mellem dem øges. Nukleare kræfters aktionsradius er 10 -13 cm

Den svage interaktion sker på meget korte afstande. Handlingsområdet er cirka 1000 gange mindre end atomkræfternes.

Opdagelsen af ​​radioaktivitet og resultaterne af Rutherfords eksperimenter viste overbevisende, at atomer er sammensat af partikler. De har vist sig at bestå af elektroner, protoner og neutroner. Først blev de partikler, som atomer er bygget af, anset for at være udelelige. Derfor blev de kaldt elementarpartikler. Ideen om en "simpel" struktur af verden blev ødelagt, da elektronens antipartikel blev opdaget i 1932 - en partikel, der havde samme masse som elektronen, men adskilte sig fra den i tegnet på den elektriske ladning. Denne positivt ladede partikel blev kaldt en positron... ifølge moderne koncepter har hver partikel en antipartikel. Partiklen og antipartiklen har samme masse, men modsatte tegn alle afgifter. Hvis antipartiklen falder sammen med selve partiklen, så kaldes sådanne partikler virkelig neutrale, deres ladning er 0. For eksempel en foton. Når en partikel og antipartikel kolliderer, udsletter de, det vil sige, de forsvinder og bliver til andre partikler (ofte er disse partikler en foton).

Alle elementarpartikler (som ikke kan opdeles i komponenter) er opdelt i 2 grupper: fundamentale (strukturløse partikler, alle fundamentale partikler på dette stadium af fysikkens udvikling betragtes som strukturløse, det vil sige, de består ikke af andre partikler) og hadroner ( partikler med en kompleks struktur).

Fundamentale partikler er til gengæld opdelt i leptoner, kvarker og bærere af interaktioner. Hadroner er opdelt i baryoner og mesoner. Leptoner omfatter elektron, positron, muon, taon og tre typer neutrinoer.

Kvarker er de partikler, der udgør alle hadroner. Deltag i stærke interaktioner.

Ifølge moderne koncepter opstår hver af vekselvirkningerne som et resultat af udvekslingen af ​​partikler, kaldet bærere af denne vekselvirkning: en foton (en partikel, der bærer den elektromagnetiske vekselvirkning), otte gluoner (partikler, der bærer den stærke vekselvirkning), tre mellemliggende vektor bosoner W + , W- og Z 0, der bærer den svage interaktion, graviton (bærer af gravitationel interaktion). Eksistensen af ​​gravitoner er endnu ikke blevet bevist eksperimentelt.

Hadroner deltager i alle typer grundlæggende interaktioner. De består af kvarker og er til gengæld opdelt i: baryoner, bestående af tre kvarker, og mesoner, der består af to kvarker, hvoraf den ene er en antikvark.

Den stærkeste interaktion er interaktionen mellem kvarker. En proton består af 2 u-kvarker, en d-kvark, en neutron består af en u-kvark og 2 d-kvarker. Det viste sig, at på meget korte afstande bemærker ingen af ​​kvarkerne deres naboer, og de opfører sig som frie partikler, der ikke interagerer med hinanden. Når kvarker bevæger sig væk fra hinanden, opstår der en tiltrækning mellem dem, som øges med stigende afstand. At opdele hadroner i individuelle isolerede kvarker ville kræve meget energi. Da der ikke er en sådan energi, viser kvarkerne sig at være evige fanger og forbliver for altid låst inde i hadronen. Kvarker holdes inde i hadronen af ​​gluonfeltet.

III. Konsolidering

Mulighed 1.

Mulighed 2.

3.. Hvor længe lever en neutron uden for en atomkerne? A. 12 min B. 15 min

Lektionsopsummering. I løbet af lektionen stiftede vi bekendtskab med mikroverdenens partikler og fandt ud af, hvilke partikler der kaldes elementære.

D/z§ 9.3

Partikelnavn Masse (i elektroniske masser) Elektrisk ladning Livstid (r) Antipartikel Stabil Neutrino elektron Stabil Neutrino myon Stabil Elektron Stabil Pi mesoner ≈ 10 –10 –10 –8 Eta-null-meson Stabil Lambda hyperon Sigma hyperoner Xi-hyperoner Omega-minus-hyperon

III. Konsolidering

Nævn de vigtigste interaktioner, der findes i naturen

Hvad er forskellen mellem en partikel og en antipartikel? Hvad har de til fælles?

Hvilke partikler deltager i gravitationelle, elektromagnetiske, stærke og svage interaktioner?

Mulighed 1.

1. En af egenskaberne ved elementarpartikler er evnen……… A. til at forvandle sig til hinanden B. til spontant at ændre sig

2. Partikler der kan eksistere i fri tilstand i ubegrænset tid kaldes..... A. ustabil B. stabil.

3. Hvilken partikel er stabil? A. proton B. meson

4. En langlivet partikel. A. neutrino B. neutron

5. Neutrinoer dannes som et resultat af henfaldet af..... A. elektron B. neutron

Mulighed 2.

Hvad er hovedfaktoren i eksistensen af ​​elementarpartikler?

A. deres gensidige penetration B. deres gensidige transformation.

2. Hvilken af ​​elementarpartiklerne er ikke isoleret til en fri partikel. A. pion B. kvarker

3. Hvor længe lever en neutron uden for en atomkerne? A. 12 min B. 15 min

Hvilken partikel er ikke stabil? A. foton B. lepton

Er der uforanderlige partikler i naturen? A. ja B. nej

Molyanova Nadezhda Mikhailovna ID 011

Emne: Oprindelsen af ​​partikelfysikken. Klassificering af elementarpartikler.

Hovedindholdet i undervisningsmaterialet:
- Historiske udviklingsstadier af elementarpartikler.
- Begrebet elementarpartikler og deres klassificering, gensidige transformationer.
- Typer af vekselvirkninger mellem elementarpartikler.
- Elementære partikler i vores liv.

Lektionstype: generalisering og systematisering.

Lektionens format: Foredrag med indslag af samtale og selvstændigt arbejde elever med en lærebog og tabeller (Bordene er på elevernes borde og projiceret på skærmen under lektionen)

Mål med lektionen:
- Udvid elevernes forståelse af stoffets struktur, giv en klassifikation af elementarpartikler, deres generelle egenskaber, introducere de vigtigste udviklingsstadier.
- Udvikle elevernes videnskabelige tænkning baseret på ideer om elementarpartikler og deres interaktioner

Lektionens fremskridt:
1. Organisatorisk øjeblik(1 min.)
2. At lære nyt materiale (30 min.)
3. Konsolidering af indlært viden (6 min.)
4. Opsummering (2 min.)
5. D/Z (1 min.)

1. I dag i lektionen vil vi tale om de primære, uopløselige partikler, der udgør alt stof. Du er allerede mere eller mindre bekendt med elektronen, fotonen, protonen og neutronen. Men hvad er en elementarpartikel?

2. De historiske udviklingsstadier af elementarpartikler kan præsenteres i form af en tabel.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede opdagede man, at alle atomer er bygget af neutroner, protoner og elektroner. Positroner, neutrinoer, fotoner (gammakvante) blev opdaget.
Grundlæggende karakteristika for de mest almindelige elementarpartikler.

Elementarpartikler, i ordets præcise betydning, er de primære, yderligere uopløselige partikler, som alle stoffer er sammensat af.
I øjeblikket bruges dette udtryk til stor gruppe mikropartikler, der IKKE er atomer eller kerner, med undtagelse af protonen, som både er en elementær partikel og kernen i et let brintatom.
Elementærpartikler er karakteriseret ved følgende parametre: " partiklens hvilemasse, spinværdi, elektrisk ladningsværdi, levetid."
En elementarpartikels spin er lig med forholdet mellem Plancks konstant og 2 n

Partikler med spin osv. kaldes bosoner ; med halvt heltals spin - fermioner , dvs. alle elementarpartikler er opdelt i partikler og antipartikler. De har de samme masser, spins, levetider og elektriske ladninger af samme størrelse.

Positronet blev opdaget i et skykammer i 1928. Denne partikel er en elektron, men med en positiv ladning blev positronen opdaget i kosmiske stråler. Senere, under interaktionen af ​​gammakvanter med stof og i reaktionen med at omdanne en proton til en neutron.

Processen med interaktion af en elementær partikel med en antipartikel, som et resultat af hvilken de bliver til andre partikler eller kvanter af et elektromagnetisk felt, kaldes tilintetgørelse (forsvinden). Tilintetgørelsesreaktion:

Den omvendte udslettelsesproces kaldes et pars fødsel .

Spørgsmål: Tænk på hvilken struktur antideuterium vil have?
Svar: består af en elektron og en kerne (proton og neutron). Et antideuteriumatom vil bestå af en antinucleus (en antiproton og en antineutron) og en positron, der bevæger sig rundt om antinucleus.

Elementærpartikler deltager i fire kendte grundlæggende typer af interaktion: stærk, elektromagnetisk, svag og gravitationel. (se tabel 3)


Energierne af grundlæggende interaktioner er omtrent som følger:

Lad os se på tabel 4
Spørgsmål: Nævn hovedklasserne af elementarpartikler.

Svar: fotoner, leptoner, mesoner, baryoner.

Spørgsmål: Nævn de vigtigste egenskaber ved elementarpartikler.
Svar: Masse, ladning, spin, levetid.

Spørgsmål: Hvordan er partikler og antipartikler forskellige?
Svar: Tegnene på de elektriske ladninger af partiklen og antipartiklen er modsatte.

Fotoner– partikler, der deltager i elektromagnetiske og gravitationsinteraktioner.
Leptoner– partikler, der ikke deltager i stærke interaktioner, men er i stand til de tre andre.
Hadroner– partikler, der deltager i alle typer grundlæggende interaktioner. Denne klasse inkluderer baryoner og mesoner. Baryoner har halvt heltals spin, og mesoner har heltals spins. At tilhøre en baryon markeres ved at tildele en baryonladning - et tal lig med +1 for en partikel og -1 for en antipartikel. Hadroner omfatter kun en del af mesonerne (P-meson). Nukleoner er klassificeret som baryoner. Baryoner, hvis masse er større end massen af ​​en nukleon, kaldes hyperoner.
Tilhørsforhold til leptoner markeres ved at tildele en leptonisk ladning til hver partikel: +1 for partikler, -1 for antipartikler.
Det er fastslået, at hadroner består af kvarker– seks partikler med en brøkdel af elementær elektrisk ladning. Kvarker er ikke blevet observeret i en fri tilstand kun i selve centrum af nukleonen, de findes som selvstændige partikler.
For at trænge dybere ind i mikroverdenen er det nødvendigt at bruge partikler af stadig højere energier.
Det viser sig, at med den enorme energi, der findes ved temperatur, kombineres de svage og elektromagnetiske vekselvirkninger til den elektrosvage vekselvirkning. Når alle fire interaktioner kombineres, bliver det muligt at transformere partikler af fysisk stof (fermioner) til partikler, der er bærere af interaktion (bosoner).
Hvorfor er information om elementarpartikler så nødvendig?
Det vigtigste for partikelfysikken er konklusionen om forholdet mellem masse og energi. Energien af ​​en krop eller et system af emner er lig med massen ganget med kvadratet af hastigheden.
Noget at tænke på!
En neutrino er en partikel, der dukkede op i det øjeblik, universet blev født, og som bærer en masse information, så neutrinoteleskoper "fanger" partikler, og videnskabsmænd studerer dem. Der er en positron tomograf enhed. Et radioaktivt grundstof indføres i en levende organismes blod og udsender positroner, som reagerer med kroppens elektroner, tilintetgør og udsender gammastråler, som detekteres af en detektor.
I små doser har gammastråler en vis fordel for levende organismer. Anvendelsesområde - medicin, videnskab, teknologi.

3. Bruger understøttende noter, lærebog, tabeller, give svar på spørgsmål.

4. Alle elementarpartikler omdannes til hinanden, dvs. disse gensidige transformationer er hovedfaktoren i deres eksistens. Blandt egenskaberne af elementære partikler kan følgende skelnes: ustabilitet, interkonvertibilitet og interaktion, tilstedeværelsen af ​​en antipartikel i hver partikel, kompleks struktur, klassificering.

Verden består af fundamentale partikler. Enhver materiel krop har masse. Hvad er masse? LHC er en partikelaccelerator, der gør det muligt for fysikere at trænge dybere ind i stoffet end nogensinde før.
Oprettelsen af ​​LHC markerer begyndelsen på fremtidig avanceret forskning. Forskere håber på nyt fysiske fænomener, såsom de undvigende Higgs-partikler, eller dem der dannes mørkt stof, der udgør det meste af sagen i universet. Det er umuligt nøjagtigt at forudsige resultaterne af de kommende eksperimenter, men de vil helt sikkert have en stor indflydelse og ikke kun på partikelfysikken! Men oprettelsen af ​​LHC afslutter ikke en side i fysikkens historie, men markerer snarere begyndelsen på fremtidig lovende forskning.

5. Hjemmearbejde (på tavlen)
Afsnit 115, 116; referenceoversigt
udarbejde en statusrapport forskningsarbejde på BAK.

Anvendt litteratur:
Fysik 11 G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Bustard.
Fysik kursus. Bind 3 K.A. Putilov, V.A.
Atom- og kernefysik. OK. Costco.
Lektionens udvikling i fysik. 11. klasse. V.A.Volkov.
Uroki. Net

Mål: At fortælle eleverne om elementarpartikler, deres grundlæggende egenskaber og klassifikationer

Lektionens fremskridt

Nyt materiale (givet i foredrag)

Undersøgelser af atomets og atomkernens struktur har vist, at sammensætningen af ​​atomet omfatter elektroner, protoner og neutroner. Det var sædvanligt at kalde disse partikler elementære. Foton(), positron (e +) og neutrino (v), som er direkte relateret til atomet og kernen, begyndte også at blive kaldt elementarpartikler.

Ifølge den oprindelige plan er elementarpartikler de simpleste partikler, hvorfra den eksisterende verdens substans (atomer) er bygget.

Elementarpartikler blev oprindeligt forestillet som noget evigt, uforanderligt, uforgængeligt, og billedet af en elementarpartikel var forbundet med billedet af et sandkorn eller en strukturløs lille kugle.

I dag er der ikke noget klart kriterium for elementaritet. Begrebet "elementær partikel" er meget komplekst i disse dage.

Lad os kort liste de kendte elementarpartikler i rækkefølgen af ​​deres historiske opdagelse.

Metodiske noter: Studerende bliver bedt om at udfylde følgende tabel på tidspunktet for yderligere forklaring (Bilag 1)

Hvilken type tilhører den?	Partikelnavn	Betegnelse	Åbningsår	Opladning q	Partikelmasse

Elektronen blev opdaget af J.J Thomsan i 1897. Masserne af andre elementarpartikler udtrykkes normalt gennem elektronens masse.

I 1900 M. Planck og især i 19005. A. Einstein viste, at lys består af separate dele - fotoner. En foton har ingen ladning, og dens hvilemasse = 0. En foton kan kun eksistere i færd med at bevæge sig med lysets hastighed.

Rutherfords eksperimenter med partikelspredning i 1911. Førte til opdagelsen af ​​protonen. Protonmasse=1836m e

De fleste fysikere var sikre på, at de endelig havde formået at reducere al mangfoldigheden af ​​kemiske grundstoffer og stoffer i naturen til to simple enheder: elektroner og protoner. Billedet tegnet af fysikerne fra disse år på stoffets struktur indgydte en følelse af videnskabelig skønhed og ynde. I perioden fra 1911 I 1932 Mange videnskabsmænd var fyldt med en følelse af tilfredshed med, at de var i stand til at opfylde den århundredgamle drøm om videnskabelig forskning.

Men i 1928 P. Dirac, og efterfølgende i 1932 K. Anderson opdagede sådanne partikler, kaldet positroner (e+)

Positronen er den første elementarpartikel, der er forudsagt teoretisk.

I 1932 D. Chadwig opdagede en neutron med masse = 1838 m e

En neutron i fri tilstand, i modsætning til en proton, er ustabil og henfalder til en proton og en elektron med en halveringstid T = 1,01 10 3 s. Inde i kernen kan en neutron eksistere i det uendelige.

I 1931-1933. W. Pauli, der analyserede -henfald, foreslog, at der ud over protonen og elektronen under henfald udsendes en anden neutral partikel med hvilemasse = 0. Denne partikel blev kaldt neutrino()

Først i 1956 K. Cowan og hans kolleger opdagede en antineutrino() produceret i atomreaktor. Det blev "fanget", når man studerede reaktionen: p+ v n+e + , neutrinoen forårsager reaktionen n+p+e - .

I 1937 K. Anderson og S. Nedderman opdagede ladede partikler med en masse på 206,7 m e, disse partikler blev kaldt -mesoner (+ og -), med en ladning på +e og -e. I øjeblikket kaldes disse partikler -partikler eller -myoner.

I 1947 Engelske videnskabsmænd S. Powell, G. Occhialini og andre opdagede -mesoner (-meson er den primære meson, som, når den henfalder, giver muoner)

Mesonen har en ladning på +e og -e, og en masse på 273,2 m e. Noget senere end 1950 blev der opdaget en neutral -meson (o), med en masse på 264,2 m e. I øjeblikket er der tre typer -meson er kendt: -, o, + , de interagerer intensivt med nukleoner og skabes let, når nukleoner kolliderer med kerner, dvs. er nuklear aktive. Det menes i øjeblikket, at -mesoner er kernefeltkvanter, der er ansvarlige for hovedparten af ​​atomstyrker.

Fra 1949-1950 En bogstavelig "invasion" af elementarpartikler begyndte, deres antal steg hurtigt.

De nyligt dukkede partikler kan opdeles i to grupper:

Den første gruppe omfatter partikler med masser på omkring 966 m e og 974 m e, i øjeblikket kaldet K-mesons. K + og K - mesoner kendes med masser på ca. 966,3 m e og elektriske ladninger +e og -e. Der kendes neutrale K-mesoner (K ​​o og K o) med masser på 974,5 m e.

Den anden gruppe af partikler kaldes hyperoner. Følgende hyperoner er i øjeblikket kendt:

I 1955 Antiprotonen blev opdaget, og i 1956 blev antineutronen opdaget.

For de seneste år nye kvasipartikler (resonanstilstande) med en usædvanlig kort levetid blev opdaget, i størrelsesordenen 10 -22 - 10 -23 sek. I dette tilfælde er det ikke engang muligt at påvise spor af partikler, og deres eksistens kan kun bedømmes ud fra indirekte. overvejelser, fra en analyse af adfærden af ​​deres produkter henfalder.

I de senere år er en anden type neutrino blevet opdaget, den såkaldte myon-neutrino (antineutrino) og, som udsendes f.eks. under henfaldet af -mesoner;

III gruppe- tunge partikler eller baryoner

Denne gruppe omfatter:

• Nukleoner og deres antipartikler
• Hyperoner og deres antipartikler

Anvendelse af termonuklear energi ved hjælp af eksemplet med Tokamak-installationen

Eleverne bliver bedt om at besvare spørgsmålene:

• Hvilke nuklear reaktion kaldet termonuklear (mundtligt)
• Hvordan kan en termonuklear reaktion udføres?
• Forklar Tokamak-installationens funktionsprincip (skriftligt ved hjælp af yderligere litteratur).
• Forklar princippet om drift af en laserinstallation til termonuklear fusion" (skriftligt ved hjælp af yderligere litteratur)

Fysikere opdagede eksistensen af ​​elementarpartikler, da de studerede kerneprocesser, så indtil midten af ​​det 20. århundrede var elementarpartikelfysik en gren af ​​kernefysikken. I øjeblikket er elementær partikelfysik og kernefysik tætte, men uafhængige grene af fysikken, forenet af fællesheden af ​​mange overvejede problemer og de anvendte forskningsmetoder. Elementarpartikelfysikkens hovedopgave er studiet af elementarpartiklernes natur, egenskaber og gensidige transformationer.
Ideen om, at verden er lavet af fundamentale partikler, har en lang historie. For første gang blev ideen om eksistensen af ​​de mindste usynlige partikler, der udgør alle omgivende objekter, udtrykt 400 år f.Kr. af den græske filosof Demokrit. Han kaldte disse partikler atomer, det vil sige udelelige partikler. Videnskaben begyndte først at bruge ideen om atomer i begyndelsen af ​​det 19. århundrede, da det på dette grundlag var muligt at forklare en række kemiske fænomener. I 30'erne af det 19. århundrede, i teorien om elektrolyse udviklet af M. Faraday, dukkede begrebet en ion op, og den elementære ladning blev målt. Slutningen af ​​det 19. århundrede var præget af opdagelsen af ​​fænomenet radioaktivitet (A. Becquerel, 1896), samt opdagelserne af elektroner (J. Thomson, 1897) og alfapartikler (E. Rutherford, 1899). I 1905 opstod ideen om elektromagnetiske feltkvanter - fotoner (A. Einstein) i fysikken.
I 1911 blev atomkernen opdaget (E. Rutherford), og det blev endelig bevist, at atomer har en kompleks struktur. I 1919 opdagede Rutherford protoner i fissionsprodukterne af atomkerner af en række grundstoffer. I 1932 opdagede J. Chadwick neutronen. Det blev klart, at atomkerner, ligesom atomerne selv, har en kompleks struktur. Proton-neutron teorien om strukturen af ​​kerner opstod (D. D. Ivanenko og V. Heisenberg). I samme 1932 blev en positron opdaget i kosmiske stråler (K. Anderson). En positron er en positivt ladet partikel, der har samme masse og samme (modulo) ladning som en elektron. Eksistensen af ​​positronen blev forudsagt af P. Dirac i 1928. I løbet af disse år blev de gensidige transformationer af protoner og neutroner opdaget og undersøgt, og det blev klart, at disse partikler heller ikke er naturens uforanderlige elementære "byggesten". I 1937 blev partikler med en masse på 207 elektronmasser, kaldet muoner (μ-mesons), opdaget i kosmiske stråler. Derefter blev der i 1947-1950 opdaget pioner (dvs. π mesoner), som ifølge moderne koncepter udfører interaktionen mellem nukleoner i kernen. I de efterfølgende år begyndte antallet af nyopdagede partikler at vokse hurtigt. Dette blev lettet af forskning i kosmiske stråler, udvikling af acceleratorteknologi og studiet af nukleare reaktioner.
I øjeblikket kendes omkring 400 subnukleare partikler, som almindeligvis kaldes elementære. Langt de fleste af disse partikler er ustabile. De eneste undtagelser er foton, elektron, proton og neutrino. Alle andre partikler undergår spontane transformationer til andre partikler med bestemte intervaller. Ustabile elementarpartikler adskiller sig meget i deres levetid. Den længstlevende partikel er neutronen. Neutronens levetid er omkring 15 minutter. Andre partikler "lever" i meget kortere tid. For eksempel er den gennemsnitlige levetid for en μ-meson 2,2·10-6 s, og den for en neutral π-meson er 0,87·10-16 s. Mange massive partikler - hyperoner - har en gennemsnitlig levetid i størrelsesordenen 10-10 s.
Der er flere dusin partikler med en levetid på over 10-17 s. På mikrokosmos skala er dette en betydelig tid. Sådanne partikler kaldes relativt stabile. De fleste kortlivede elementarpartikler har levetider i størrelsesordenen 10-22-10-23 sek.
Evnen til at gennemgå gensidige transformationer er den vigtigste egenskab ved alle elementarpartikler. Elementære partikler er i stand til at blive født og ødelagt (udsendes og absorberes). Dette gælder også for stabile partikler, med den eneste forskel, at omdannelser af stabile partikler ikke sker spontant, men gennem interaktion med andre partikler. Et eksempel er udslettelse (dvs. forsvinden) af en elektron og en positron, ledsaget af fødslen af ​​højenergifotoner. Den omvendte proces kan også forekomme - fødslen af ​​et elektron-positron-par, for eksempel, når en foton med en tilstrækkelig høj energi kolliderer med en kerne. Sådan farlig dobbelt Hvad en positron er for en elektron, er også for en proton. Det kaldes en antiproton. Antiprotonens elektriske ladning er negativ. I øjeblikket er der fundet antipartikler i alle partikler. Antipartikler er imod partikler, fordi når enhver partikel møder sin antipartikel, sker deres udslettelse, dvs. begge partikler forsvinder og bliver til strålingskvanter eller andre partikler.
Antipartiklen er endda blevet fundet i neutronen. Neutronen og antineutronen adskiller sig kun i tegnene på det magnetiske moment og den såkaldte baryonladning. Eksistensen af ​​antistofatomer er mulig, hvis kerner består af antinukleoner og skallen af ​​positroner. Når antistof tilintetgøres med stof, omdannes restens energi til energien af ​​strålingskvanter. Dette er enorm energi, der væsentligt overstiger den, der frigives under nukleare og termonukleare reaktioner.
I den mangfoldighed af elementarpartikler, der hidtil er kendt, afsløres et mere eller mindre harmonisk klassifikationssystem. I tabel 9.9.1 giver nogle oplysninger om egenskaberne af elementarpartikler med en levetid på mere end 10-20 s. Af de mange egenskaber, der kendetegner en elementarpartikel, viser tabellen kun partiklens masse (i elektronmasser), elektrisk ladning (i enheder af elementær ladning) og vinkelmomentum (det såkaldte spin) i enheder af Plancks konstant ħ = h / 2π. Tabellen viser også den gennemsnitlige partikellevetid.
Gruppe
Partikelnavn
Symbol
Masse (i elektroniske masser)
Elektrisk ladning
Spin
Livstid (r)
Partikel
Antipartikel
Fotoner
Foton
γ

Stabil
Leptoner
Neutrino elektron
νe

1 / 2
Stabil
Neutrino myon
νμ

1 / 2
Stabil
Elektron
e-
e+

–1 1
1 / 2
Stabil
Mu meson
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Hadroner
Mesoner
Pi mesoner
π0
264,1

0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1

2,6∙10–8
K-mesoner
K+
K –
966,4
1 –1

1,24∙10–8
K 0

≈ 10–10–10–8
Eta-null-meson
η0

≈ 10–18
Baryoner
Proton
s

1836,1
1 –1
1 / 2
Stabil
Neutron
n

Lambda hyperon
Λ0

1 / 2
2,63∙10–10
Sigma hyperoner
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
Xi-hyperoner
Ξ 0

1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –

2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Omega-minus-hyperon
Ω–

–1 1
1 / 2
0,82∙10–11

Tabel 9.9.1.
Elementære partikler er kombineret i tre grupper: fotoner, leptoner og hadroner.
Gruppen af ​​fotoner omfatter en enkelt partikel - en foton, som er bæreren for elektromagnetisk interaktion.
Den næste gruppe består af lette leptoniske partikler. Denne gruppe omfatter to typer neutrinoer (elektron og myon), elektron og μ-meson. Leptoner omfatter også et antal partikler, der ikke er anført i tabellen. Alle leptoner har spin
Den tredje store gruppe består af tunge partikler kaldet hadroner. Denne gruppe er opdelt i to undergrupper. Lettere partikler udgør en undergruppe af mesoner. De letteste af dem er positivt og negativt ladede, samt neutrale π-mesoner med masser af størrelsesordenen 250 elektronmasser (tabel 9.9.1). Pioner er kvanter af det nukleare felt, ligesom fotoner er kvanter af det elektromagnetiske felt. Denne undergruppe inkluderer også fire K mesoner og en η0 meson. Alle mesoner har et spin lig med nul.
Den anden undergruppe - baryoner - omfatter tungere partikler. Det er den mest omfattende. De letteste baryoner er nukleoner - protoner og neutroner. De efterfølges af de såkaldte hyperoner. Omega-minus hyperonet, opdaget i 1964, lukker bordet Det er en tung partikel med en masse på 3273 elektronmasser. Alle baryoner har spin
Overfloden af ​​opdagede og nyopdagede hadroner fik videnskabsmænd til at tro, at de alle var bygget af nogle andre mere fundamentale partikler. I 1964 fremsatte den amerikanske fysiker M. Gell-Man en hypotese, bekræftet af efterfølgende forskning, at alle tunge fundamentale partikler - hadroner - er bygget af mere fundamentale partikler kaldet kvarker. Baseret på kvarkhypotesen blev ikke kun strukturen af ​​allerede kendte hadroner forstået, men eksistensen af ​​nye blev også forudsagt. Gell-Manns teori antog eksistensen af ​​tre kvarker og tre antikvarker, der forbinder med hinanden i forskellige kombinationer. Hver baryon består således af tre kvarker, og hver antibaryon består af tre antikvarker. Mesoner består af kvark-antikvark-par.
Med accepten af ​​kvarkhypotesen var det muligt at skabe et harmonisk system af elementarpartikler. Imidlertid viste de forudsagte egenskaber af disse hypotetiske partikler sig at være ret uventede. Den elektriske ladning af kvarker skal udtrykkes i brøktal svarende til den elementære ladning.
Talrige søgninger efter kvarker i den frie stat, udført ved højenergiacceleratorer og i kosmiske stråler, har været uden succes. Forskere mener, at en af ​​årsagerne til, at frikvarker ikke kan observeres, måske er deres meget store masser. Dette forhindrer fødslen af ​​kvarker ved de energier, der opnås i moderne acceleratorer. Men de fleste eksperter er nu sikre på, at kvarker findes inde i tunge partikler - hadroner.
Grundlæggende interaktioner. De processer, som forskellige elementarpartikler deltager i, er meget forskellige i deres karakteristiske tider og energier. Ifølge moderne begreber er der fire typer af interaktioner i naturen, som ikke kan reduceres til andre, mere simple typer interaktioner: stærk, elektromagnetisk, svag og gravitation. Disse typer af interaktioner kaldes fundamentale.
Den stærke (eller nukleare) interaktion er den mest intense af alle typer interaktioner. De forårsager en usædvanlig stærk binding mellem protoner og neutroner i atomkernerne. Kun tunge partikler - hadroner (mesoner og baryoner) - kan deltage i stærke interaktioner. Stærk interaktion manifesterer sig ved afstande i størrelsesordenen mindre end 10-15 m. Derfor kaldes det kortdistance.
Elektromagnetisk interaktion. Alle elektrisk ladede partikler, såvel som fotoner - kvanta af det elektromagnetiske felt, kan deltage i denne type interaktion. Elektromagnetisk interaktion er især ansvarlig for eksistensen af ​​atomer og molekyler. Det bestemmer mange egenskaber ved stoffer i fast, flydende og gasformige tilstande. Coulomb frastødning af protoner fører til ustabilitet af kerner med store massetal. Elektromagnetisk interaktion bestemmer processerne for absorption og emission af fotoner af atomer og stofmolekyler og mange andre processer i mikro- og makroverdenens fysik.
Svag interaktion er den langsomste af alle interaktioner, der forekommer i mikrokosmos. Alle elementære partikler undtagen fotoner kan deltage i det. Svag interaktion er ansvarlig for processer, der involverer neutrinoer eller antineutrinoer, for eksempel neutron beta-henfald

Samt neutrinofrie partikelhenfaldsprocesser med lang levetid (τ ≥ 10–10 s).
Gravitationsinteraktion er iboende i alle partikler uden undtagelse, men på grund af de små masser af elementarpartikler er tyngdekraftens vekselvirkning mellem dem ubetydelige, og deres rolle i mikroverdenens processer er ubetydelig. Gravitationskræfter spiller en afgørende rolle i samspillet mellem rumobjekter (stjerner, planeter osv.) med deres enorme masser.
I 30'erne af det 20. århundrede opstod en hypotese om, at i elementarpartiklernes verden udføres interaktioner gennem udveksling af kvanter i et eller andet felt. Denne hypotese blev oprindeligt fremsat af vores landsmænd I. E. Tamm og D. D. Ivanenko. De foreslog, at fundamentale interaktioner opstår fra udveksling af partikler, svarende til kovalente kemisk binding atomer opstår ved udveksling af valenselektroner, som kombineres på ufyldte elektronskaller.
Den interaktion, der udføres ved udveksling af partikler, kaldes udvekslingsinteraktion i fysik. For eksempel opstår elektromagnetisk interaktion mellem ladede partikler på grund af udvekslingen af ​​fotoner - kvanta af det elektromagnetiske felt.
Teorien om udvekslingsinteraktion vandt anerkendelse, efter at den japanske fysiker H. Yukawa teoretisk viste i 1935, at den stærke interaktion mellem nukleoner i atomkernerne kan forklares, hvis vi antager, at nukleoner udveksler hypotetiske partikler kaldet mesoner. Yukawa beregnede massen af ​​disse partikler, som viste sig at være omtrent lig med 300 elektronmasser. Partikler med en sådan masse blev efterfølgende faktisk opdaget. Disse partikler kaldes π-mesoner (pioner). I øjeblikket kendes tre typer pioner: π+, π– og π0 (se tabel 9.9.1).
I 1957 blev eksistensen af ​​tunge partikler, de såkaldte vektorbosoner W+, W– og Z0, teoretisk forudsagt, hvilket forårsagede udvekslingsmekanismen for den svage interaktion. Disse partikler blev opdaget i 1983 i acceleratoreksperimenter med kolliderende stråler af højenergiprotoner og antiprotoner. Opdagelsen af ​​vektorbosoner var en meget vigtig bedrift inden for partikelfysik. Denne opdagelse markerede succesen for teorien, som kombinerede de elektromagnetiske og svage kræfter til en enkelt såkaldt elektrosvag kraft. Denne ny teori betragter det elektromagnetiske felt og det svage interaktionsfelt som forskellige komponenter i et felt, hvori vektorbosoner deltager sammen med det elektromagnetiske feltkvante.
Efter denne opdagelse i moderne fysik er tilliden til, at alle typer interaktion er tæt forbundet med hinanden og i det væsentlige er forskellige manifestationer af et enkelt felt, steget betydeligt. Imidlertid forbliver foreningen af ​​alle interaktioner kun en attraktiv videnskabelig hypotese.
Teoretiske fysikere gør en betydelig indsats i forsøg på at overveje på et samlet grundlag ikke kun det elektromagnetiske og svage, men også det stærke samspil. Denne teori blev kaldt den store forening. Forskere foreslår, at gravitationsinteraktion også bør have sin egen bærer - en hypotetisk partikel kaldet en graviton. Denne partikel er dog endnu ikke blevet opdaget.
Det anses nu for bevist, at et enkelt felt, der forener alle typer interaktion, kun kan eksistere ved ekstremt høje partikelenergier, uopnåelige med moderne acceleratorer. Partikler kunne kun have så høje energier i de meget tidlige stadier af Universets eksistens, som opstod som følge af den såkaldte big bang(Big Bang). Kosmologi, studiet af universets udvikling, antyder, at Big Bang fandt sted for 18 milliarder år siden. I standardmodellen for universets udvikling antages det, at temperaturen i den første periode efter eksplosionen kunne nå 1032 K, og partikelenergien E = kT kunne nå 1019 GeV. I denne periode eksisterede stof i form af kvarker og neutrinoer, og alle typer vekselvirkninger blev kombineret til et enkelt kraftfelt. Gradvist, efterhånden som universet udvidede sig, faldt partikelenergien, og fra det forenede interaktionsfelt opstod gravitationsinteraktionen først (ved partikelenergier ≤ 1019 GeV), og derefter blev den stærke interaktion adskilt fra den elektrosvage interaktion (ved energier af ordenen på 1014 GeV). Ved energier af størrelsesordenen 103 GeV viste alle fire typer fundamentale interaktioner sig at være adskilt. Samtidig med disse processer fandt dannelsen af ​​mere komplekse former for stof sted - nukleoner, lette kerner, ioner, atomer osv. Kosmologien forsøger i sin model at spore universets udvikling på forskellige stadier dets udvikling fra Big Bang til i dag, baseret på lovene for elementær partikelfysik, såvel som kerne- og atomfysik.