Lezione di fisica fisica delle particelle. Particelle elementari e loro proprietà

Istituzione educativa di bilancio comunale –

media scuola comprensiva N. 7 Belgorod

Lezione pubblica nella fisica

Grado 11

« Particelle elementari»

Preparato e condotto:

Insegnante di fisica

Polshchikova A.N.

Belgorod 2015

Argomento: Particelle elementari.

Tipo di lezione: lezione di studio e consolidamento primario di nuove conoscenze

Metodo d'insegnamento: conferenza

Forma di attività degli studenti: frontale, collettivo, individuale

Lo scopo della lezione: espandere la comprensione degli studenti della struttura della materia; considerare le fasi principali dello sviluppo della fisica delle particelle elementari; dare il concetto di particelle elementari e le loro proprietà.

Obiettivi della lezione:

Educativo : introdurre gli studenti al concetto di particella elementare, alla tipologia delle particelle elementari, nonché ai metodi per studiare le proprietà delle particelle elementari;

Sviluppo: sviluppare interesse cognitivo studenti, garantendo il loro possibile coinvolgimento nell'attività cognitiva attiva;

Educativo: educazione alle qualità umane universali - consapevolezza della percezione conquiste scientifiche nel mondo; sviluppare curiosità e resistenza.

Attrezzatura per la lezione:

Materiali didattici: materiale da libri di testo, schede con prove e tabelle

Aiuti visuali: presentazione

Durante le lezioni

(Presentazione)

1. Organizzazione dell'inizio della lezione.

Attività dell'insegnante: Saluti reciproci tra insegnante e studenti, fissazione degli studenti, verifica della preparazione degli studenti per la lezione. Organizzazione dell'attenzione e inclusione degli studenti nel ritmo lavorativo del lavoro.

Attività prevista per gli studenti: organizzare l'attenzione e l'inclusione nel ritmo lavorativo del lavoro.

2. Preparazione per la fase principale della lezione.

Attività dell'insegnante: Oggi inizieremo a studiare una nuova sezione della "Fisica Quantistica" - "Particelle Elementari". In questo capitolo parleremo delle particelle primarie, indecomponibili, da cui è costruita tutta la materia, delle particelle elementari.

I fisici hanno scoperto l'esistenza delle particelle elementari studiando i processi nucleari, quindi fino alla metà del XX secolo la fisica delle particelle elementari era una branca della fisica nucleare. Attualmente, fisica delle particelle e fisica Nucleare sono rami della fisica vicini ma indipendenti, uniti dalla comunanza di molti problemi considerati e dai metodi di ricerca utilizzati.

Il compito principale della fisica delle particelle elementari è lo studio della natura, delle proprietà e delle mutue trasformazioni delle particelle elementari.

Sarà anche il nostro compito principale studiare la fisica delle particelle elementari.

3. Assimilazione di nuove conoscenze e metodi di azione.

Attività dell'insegnante: Argomento della lezione: "Fasi di sviluppo della fisica delle particelle elementari". In questa lezione esamineremo le seguenti domande:

La storia dello sviluppo dell'idea che il mondo è costituito da particelle elementari

Cosa sono le particelle elementari?

Come si può ottenere una particella elementare isolata ed è possibile?

Tipologia di particelle.

L'idea che il mondo sia costituito da particelle fondamentali ha lunga storia. Oggi esistono tre fasi nello sviluppo della fisica delle particelle elementari.

Apriamo il libro di testo. Facciamo conoscenza con i nomi delle fasi e dei tempi.

Fase 1. Dall'elettrone al positrone: 1897 - 1932.

Fase 2. Dal positrone ai quark: 1932 - 1964.

Fase 3. Dall'ipotesi dei quark (1964) ai giorni nostri.

Attività dell'insegnante:

Fase 1.

Elementare, cioè il più semplice, ulteriormente indivisibile, così immaginava l'atomo il famoso scienziato greco antico Democrito. Lascia che ti ricordi che la parola "atomo" nella traduzione significa "indivisibile". Per la prima volta, l'idea dell'esistenza di minuscole particelle invisibili che compongono tutti gli oggetti circostanti fu espressa da Democrito 400 anni a.C. La scienza ha iniziato a utilizzare il concetto di atomi solo in inizio XIX secolo, quando su questa base era possibile spiegare un'intera serie fenomeni chimici. E alla fine di questo secolo fu scoperto struttura complessa atomo. Nel 1911 fu scoperto il nucleo atomico (E. Rutherford) e fu finalmente dimostrato che gli atomi hanno una struttura complessa.

Ricordiamo ragazzi: quali particelle fanno parte dell'atomo e le caratterizzano brevemente?

Attività prevista per gli studenti:

Attività dell'insegnante: ragazzi, forse qualcuno di voi si ricorda: da chi e in quali anni furono scoperti l'elettrone, il protone e il neutrone?

Attività prevista per gli studenti:

Elettrone. Nel 1898 J. Thomson dimostrò la realtà dell'esistenza degli elettroni. Nel 1909, R. Millikan misurò per primo la carica di un elettrone.

Protone. Nel 1919, E. Rutherford, bombardando l'azoto con particelle, scoprì una particella la cui carica era uguale alla carica di un elettrone e la cui massa era 1836 volte maggiore della massa dell'elettrone. La particella venne chiamata protone.

Neutrone. Rutherford suggerì anche l'esistenza di una particella priva di carica la cui massa è uguale alla massa di un protone.

Nel 1932, D. Chadwick scoprì la particella suggerita da Rutherford e la chiamò neutrone.

Attività dell'insegnante: Dopo la scoperta del protone e del neutrone, divenne chiaro che i nuclei degli atomi, come gli atomi stessi, hanno una struttura complessa. Sorse la teoria protone-neutrone della struttura dei nuclei (D. D. Ivanenko e V. Heisenberg).

Negli anni '30 del XIX secolo, nella teoria dell'elettrolisi sviluppata da M. Faraday, apparve il concetto di -ione e fu misurata la carica elementare. La fine del XIX secolo - oltre alla scoperta dell'elettrone, fu segnata dalla scoperta del fenomeno della radioattività (A. Becquerel, 1896). Nel 1905, in fisica nacque l'idea dei quanti del campo elettromagnetico: i fotoni (A. Einstein).

Ricordiamo: cos'è un fotone?

Attività prevista per gli studenti: Fotone (o quantistico radiazioni elettromagnetiche) è una particella elementare di luce, elettricamente neutra, priva di massa a riposo, ma dotata di energia e quantità di moto.

Attività dell'insegnante: le particelle aperte erano considerate essenze primarie indivisibili e immutabili, gli elementi costitutivi fondamentali dell'universo. Tuttavia, questa opinione non durò a lungo.

Fase 2.

Negli anni '30 furono scoperte e studiate le trasformazioni reciproche di protoni e neutroni e divenne chiaro che anche queste particelle non sono gli immutabili "mattoni" elementari della natura.

Attualmente si conoscono circa 400 particelle subnucleari (le particelle che compongono gli atomi, che solitamente vengono chiamate elementari). La stragrande maggioranza di queste particelle sono instabili (le particelle elementari si trasformano le une nelle altre).

Le uniche eccezioni sono il fotone, l'elettrone, il protone e il neutrino.

Fotone, elettrone, protone e neutrino sono particelle stabili (particelle che possono esistere in stato libero tempo illimitato), ma ognuno di essi, interagendo con altre particelle, può trasformarsi in altre particelle.

Tutte le altre particelle subiscono trasformazioni spontanee in altre particelle a determinati intervalli, e questo fatto principale la loro esistenza.

Ho menzionato un'altra particella: il neutrino. Quali sono le principali caratteristiche di questa particella? Da chi e quando è stato scoperto?

Attività prevista dallo studente: Il neutrino è una particella priva di carica elettrica e la sua massa a riposo è 0. L'esistenza di questa particella fu prevista nel 1931 da W. Pauli e nel 1955 la particella fu registrata sperimentalmente. Si manifesta come risultato del decadimento dei neutroni:

Attività dell'insegnante: Le particelle elementari instabili differiscono notevolmente nella loro vita.

La particella con la vita più lunga è il neutrone. La vita media dei neutroni è di circa 15 minuti.

Altre particelle “vivono” per un tempo molto più breve.

Esistono diverse dozzine di particelle con una vita superiore a 10 -17 Con. Su scala microscopica, si tratta di una quantità di tempo significativa. Tali particelle sono chiamaterelativamente stabile .

Maggioranza di breve durata le particelle elementari hanno una durata di vita dell'ordine di 10-22 -10 -23 secondi.

La capacità di trasformazioni reciproche è la proprietà più importante di tutte le particelle elementari.

Le particelle elementari sono capaci di nascere e distruggersi (emesse e assorbite). Ciò vale anche per le particelle stabili, con l'unica differenza che le trasformazioni delle particelle stabili non avvengono spontaneamente, ma attraverso l'interazione con altre particelle.

Un esempio potrebbe essereannientamento (cioè. scomparsa ) elettrone e positrone, accompagnato dalla nascita di fotoni ad alta energia.

Un positrone è (un'antiparticella di un elettrone) una particella carica positivamente che ha la stessa massa e la stessa carica (modulo) di un elettrone. Parleremo più in dettaglio delle sue caratteristiche nella prossima lezione. Diciamo solo che l'esistenza del positrone fu predetta da P. Dirac nel 1928, e scoperta nel 1932 in Raggi cosmici K. Anderson.

Nel 1937, nei raggi cosmici furono scoperte particelle con una massa di 207 masse elettroniche, chiamatemuoni ( -mesoni ). Durata media della vita-mesone è uguale a 2,2 * 10-6 secondi.

Poi nel 1947-1950 aprironopeonie (cioè. -mesoni). Durata media del neutro-mesone - 0,87·10 -16 s.

Negli anni successivi, il numero delle particelle appena scoperte cominciò a crescere rapidamente. Ciò è stato facilitato dalla ricerca sui raggi cosmici, dallo sviluppo della tecnologia degli acceleratori e dallo studio delle reazioni nucleari.

I moderni acceleratori sono necessari per eseguire il processo di creazione di nuove particelle e studiare le proprietà delle particelle elementari. Le particelle iniziali vengono accelerate nell'acceleratore ad alte energie "in rotta di collisione" e in certo posto scontrarsi tra loro. Se l'energia delle particelle è elevata, durante il processo di collisione nascono molte nuove particelle, solitamente instabili. Queste particelle, disperdendosi dal punto di collisione, si disintegrano in particelle più stabili, che vengono registrate dai rilevatori. Per ciascuno di questi atti di collisione (dicono i fisici: per ciascun evento) - e vengono registrati in migliaia al secondo! -gli sperimentatori determinano di conseguenza le variabili cinematiche: i valori degli impulsi e delle energie delle particelle “catturate”, nonché le loro traiettorie (vedi figura nel libro di testo). Raccogliendo molti eventi dello stesso tipo e studiando le distribuzioni di queste quantità cinematiche, i fisici ricostruiscono come è avvenuta l'interazione e a che tipo di particelle possono essere attribuite le particelle risultanti.

Fase 3.

Le particelle elementari sono raggruppate in tre gruppi: fotoni , leptoni E adroni (Appendice 2).

Ragazzi, elencatemi le particelle appartenenti al gruppo dei fotoni.

Attività prevista per gli studenti: Al gruppo fotoni si riferisce a una singola particella: un fotone

Attività dell'insegnante: il gruppo successivo è costituito da particelle leggereleptoni .

: questo gruppo comprende due tipi di neutrini (elettrone e muone), elettrone e mesone?

Attività dell'insegnante: I leptoni comprendono anche un numero di particelle non elencate nella tabella.

Terzo grande gruppo costituito da particelle pesanti chiamate adroni. Questo gruppo è diviso in due sottogruppi. Le particelle più leggere formano un sottogruppo mesoni .

Attività prevista per gli studenti: i più leggeri hanno carica positiva e negativa, così come i mesoni neutri. I pioni sono quanti del campo nucleare.

Attività dell'insegnante: secondo sottogruppo -barioni - include particelle più pesanti. È il più esteso.

Attività prevista per gli studenti: I barioni più leggeri sono i nucleoni: protoni e neutroni.

Attività dell'insegnante: sono seguiti dai cosiddetti iperoni. Chiude la classifica l’omega meno iperone, scoperto nel 1964.

L'abbondanza di adroni scoperti e di nuova scoperta ha portato gli scienziati a credere che fossero tutti costituiti da altre particelle più fondamentali.

Nel 1964, il fisico americano M. Gell-Man avanzò un'ipotesi, confermata da ricerche successive, secondo cui tutte le particelle fondamentali pesanti - gli adroni - sono costruite da particelle più fondamentali chiamatequark.

Da un punto di vista strutturale, le particelle elementari che compongono i nuclei atomici (nucleoni), e in generale tutte le particelle pesanti - gli adroni (barioni e mesoni) - sono costituiti da particelle ancora più semplici, che solitamente vengono chiamate fondamentali. Questo ruolo di elementi primari veramente fondamentali della materia è svolto dai quark, la cui carica elettrica è pari a +2/3 o -1/3 della carica positiva unitaria di un protone.

I quark più comuni e leggeri si chiamano up e down e vengono designati, rispettivamente, u (dall'inglese up) e d (down). A volte sono anche chiamati quark protoni e neutroni perché il protone è costituito da una combinazione di uud e il neutrone - udd. Il quark top ha carica +2/3; in basso - carica negativa -1/3. Poiché un protone è costituito da due quark up e uno down, e un neutrone è costituito da un quark up e due down, puoi verificare indipendentemente che la carica totale del protone e del neutrone è strettamente uguale a 1 e 0.

Altre due coppie di quark fanno parte di particelle più esotiche. I quark della seconda coppia sono chiamati charmed - c (da charmed) e strange - s (da strange).

La terza coppia è composta da quark true - t (da Truth, o nella tradizione inglese top) e beautiful - b (da beauty, o nella tradizione inglese bottom).

Quasi tutte le particelle costituite da varie combinazioni di quark sono già state scoperte sperimentalmente.

Con l'accettazione dell'ipotesi dei quark è stato possibile creare un sistema armonico di particelle elementari. Numerose ricerche di quark allo stato libero, effettuate presso acceleratori ad alta energia e nei raggi cosmici, non hanno avuto successo. Gli scienziati ritengono che una delle ragioni dell'inosservabilità dei quark liberi sia forse la loro massa molto grande. Ciò impedisce la nascita di quark alle energie raggiunte nei moderni acceleratori.

Tuttavia, nel dicembre 2006, uno strano messaggio sulla scoperta dei “quark top liberi” è stato trasmesso attraverso le agenzie di stampa scientifiche e i media.

4. Verifica iniziale della comprensione.

Attività dell'insegnante: quindi ragazzi, abbiamo trattato:

tappe principali dello sviluppo della fisica delle particelle

scoperto quale particella si chiama elementare

ho conosciuto la tipologia delle particelle.

Nella prossima lezione vedremo:

classificazione più dettagliata delle particelle elementari

tipi di interazioni delle particelle elementari

antiparticelle.

E ora ti suggerisco di fare un test per far rivivere nella tua memoria i punti principali della materia che abbiamo studiato (Appendice 3).

5. Riassumendo la lezione.

Attività dell'insegnante: Assegnare voti agli studenti più attivi.

6. Compiti a casa

Attività dell'insegnante:

1. § 114 - 115

2. astratto.

Lezione n. 67.

Argomento della lezione: Problemi delle particelle elementari

Obiettivi della lezione:

Educativo: introdurre gli studenti al concetto di particella elementare, con la classificazione delle particelle elementari, generalizzare e consolidare la conoscenza sui tipi fondamentali di interazioni, formare visione del mondo scientifica.

Educativo: formare un interesse cognitivo per la fisica, instillando amore e rispetto per i risultati della scienza.

Educativo: sviluppo della curiosità, capacità di analizzare, formulare conclusioni in modo indipendente, sviluppo della parola e del pensiero.

Attrezzatura: lavagna interattiva(o un proiettore con uno schermo).

Tipo di lezione: imparare nuovo materiale.

Tipo di lezione: conferenza

Durante le lezioni:

Fase organizzativa

Studiare un nuovo argomento.

In natura esistono 4 tipi di interazioni fondamentali (di base): gravitazionale, elettromagnetica, forte e debole. Secondo le idee moderne, l'interazione tra i corpi viene effettuata attraverso i campi che circondano questi corpi. Il campo stesso nella teoria quantistica è inteso come una raccolta di quanti. Ogni tipo di interazione ha i propri portatori di interazione e si riduce all'assorbimento e all'emissione dei corrispondenti quanti di luce da parte delle particelle.

Le interazioni possono essere a lungo raggio (manifestarsi a distanze molto lunghe) e a corto raggio (manifestarsi a distanze molto brevi).

L'interazione gravitazionale avviene attraverso lo scambio di gravitoni. Non sono stati rilevati sperimentalmente. Secondo la legge scoperta nel 1687 dal grande scienziato inglese Isaac Newton, tutti i corpi, indipendentemente dalla forma e dalle dimensioni, si attraggono con una forza direttamente proporzionale alla loro massa e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. L'interazione gravitazionale porta sempre all'attrazione dei corpi.

L'interazione elettromagnetica è a lungo raggio. A differenza dell’interazione gravitazionale, l’interazione elettromagnetica può provocare sia attrazione che repulsione. I portatori dell'interazione elettromagnetica sono i quanti del campo elettromagnetico: i fotoni. Come risultato dello scambio di queste particelle, nasce l'interazione elettromagnetica tra corpi carichi.

L’interazione forte è la più potente di tutte le interazioni. È a corto raggio, le forze corrispondenti diminuiscono molto rapidamente all'aumentare della distanza tra loro. Il raggio d'azione delle forze nucleari è 10 -13 cm

L'interazione debole avviene a distanze molto brevi. Il raggio d’azione è circa 1000 volte inferiore a quello delle forze nucleari.

La scoperta della radioattività e i risultati degli esperimenti di Rutherford hanno dimostrato in modo convincente che gli atomi sono composti da particelle. Si è scoperto che sono costituiti da elettroni, protoni e neutroni. Inizialmente le particelle da cui sono costituiti gli atomi erano considerate indivisibili. Ecco perché venivano chiamate particelle elementari. L'idea di una struttura "semplice" del mondo fu distrutta quando nel 1932 fu scoperta l'antiparticella dell'elettrone, una particella che aveva la stessa massa dell'elettrone, ma differiva da esso nel segno della carica elettrica. Questa particella caricata positivamente era chiamata positrone... secondo i concetti moderni, ogni particella ha un'antiparticella. La particella e l'antiparticella hanno la stessa massa, ma segni opposti tutte le accuse. Se l'antiparticella coincide con la particella stessa, allora tali particelle sono chiamate veramente neutre, la loro carica è 0. Ad esempio, un fotone. Quando una particella e un'antiparticella si scontrano, si annichilano, cioè scompaiono, trasformandosi in altre particelle (spesso queste particelle sono un fotone).

Tutte le particelle elementari (che non possono essere divise in componenti) sono divise in 2 gruppi: fondamentali (particelle prive di struttura, tutte le particelle fondamentali in questa fase di sviluppo della fisica sono considerate prive di struttura, cioè non sono costituite da altre particelle) e adroni ( particelle con una struttura complessa).

Le particelle fondamentali, a loro volta, si dividono in leptoni, quark e portatori di interazioni. Gli adroni si dividono in barioni e mesoni. I leptoni includono l'elettrone, il positrone, il muone, il taone e tre tipi di neutrini.

I quark sono le particelle che compongono tutti gli adroni. Partecipare a interazioni forti.

Secondo i concetti moderni, ciascuna delle interazioni nasce come risultato dello scambio di particelle, chiamate portatrici di questa interazione: un fotone (una particella che trasporta l'interazione elettromagnetica), otto gluoni (particelle che trasportano l'interazione forte), tre intermedi bosoni vettori W + , W− e Z 0, che trasporta l'interazione debole, il gravitone (portatore dell'interazione gravitazionale). L'esistenza dei gravitoni non è stata ancora dimostrata sperimentalmente.

Gli adroni partecipano a tutti i tipi di interazioni fondamentali. Sono costituiti da quark e si dividono, a loro volta, in: barioni, costituiti da tre quark, e mesoni, costituiti da due quark, di cui uno è un antiquark.

L'interazione più forte è l'interazione tra i quark. Un protone è costituito da 2 quark u, un quark d, un neutrone è costituito da un quark u e 2 quark d. Si è scoperto che a distanze molto brevi nessuno dei quark nota i propri vicini e si comportano come particelle libere che non interagiscono tra loro. Quando i quark si allontanano gli uni dagli altri, tra loro nasce un'attrazione che aumenta con l'aumentare della distanza. Dividere gli adroni in singoli quark isolati richiederebbe molta energia. Poiché non esiste tale energia, i quark risultano essere eterni prigionieri e rimangono per sempre rinchiusi all'interno dell'adrone. I quark sono trattenuti all'interno dell'adrone dal campo dei gluoni.

III. Consolidamento

Opzione 1.

Opzione 2.

3.. Quanto tempo vive un neutrone al di fuori del nucleo di un atomo? A. 12 minuti B. 15 minuti

Riepilogo della lezione. Durante la lezione abbiamo conosciuto le particelle del micromondo e scoperto quali particelle sono chiamate elementari.

D/z§ 9.3

Nome della particella Messa (nelle masse elettroniche) Carica elettrica Durata/i di vita Antiparticella Stabile Elettrone neutrino Stabile Muone neutrino Stabile Elettrone Stabile Mesoni Pi ≈ 10 –10 –10 –8 Mesone Eta-nullo Stabile Iperone Lambda Iperoni Sigma Xi-iperoni Omega-meno-iperone

III. Consolidamento

Nomina le principali interazioni che esistono in natura

Qual è la differenza tra una particella e un'antiparticella? Cosa hanno in comune?

Quali particelle partecipano alle interazioni gravitazionali, elettromagnetiche, forti e deboli?

Opzione 1.

1. Una delle proprietà delle particelle elementari è la capacità……… A. di trasformarsi l'una nell'altra B. di cambiare spontaneamente

2. Le particelle che possono esistere allo stato libero per un tempo illimitato si chiamano..... A. instabili B. stabili.

3. Quale particella è stabile? A. protone B. mesone

4. Una particella longeva. A. neutrino B. neutrone

5. I neutrini vengono prodotti come risultato del decadimento di..... A. elettrone B. neutrone

Opzione 2.

Qual è il fattore principale nell'esistenza delle particelle elementari?

A. la loro reciproca penetrazione B. la loro reciproca trasformazione.

2. Quale delle particelle elementari non è isolata in una particella libera. A. pioni B. quark

3. Quanto tempo vive un neutrone al di fuori del nucleo di un atomo? A. 12 minuti B. 15 minuti

Quale particella non è stabile? A. fotone B. leptone

Esistono particelle immutabili in natura? A. sì B. no

Molyanova Nadezhda Mikhailovna ID 011

Argomento: Le origini della fisica delle particelle. Classificazione delle particelle elementari.

Il contenuto principale del materiale didattico:
- Stadi storici dello sviluppo delle particelle elementari.
- Il concetto di particelle elementari e loro classificazione, trasformazioni reciproche.
- Tipi di interazioni delle particelle elementari.
- Particelle elementari nella nostra vita.

Tipo di lezione: generalizzazione e sistematizzazione.

Formato della lezione: Lezione con elementi di conversazione e lavoro indipendente studenti con libro di testo e tabelle (Le tabelle sono sui tavoli degli studenti e proiettate sullo schermo durante la lezione)

Lo scopo della lezione:
- Ampliare la comprensione degli studenti della struttura della materia, fornire una classificazione delle particelle elementari, la loro proprietà generali, introdurre le principali fasi di sviluppo.
- Sviluppare il pensiero scientifico degli studenti basato su idee sulle particelle elementari e sulle loro interazioni

Durante le lezioni:
1. Organizzare il tempo(1 minuto.)
2. Apprendimento di nuovo materiale (30 min.)
3. Consolidamento delle conoscenze apprese (6 min.)
4. Riassumendo (2 min.)
5. D/Z (1 minuto)

1. Oggi nella lezione parleremo delle particelle primarie e indecomponibili che compongono tutta la materia. Hai già più o meno familiarità con l'elettrone, il fotone, il protone e il neutrone. Ma cos’è una particella elementare?

2. Le fasi storiche dello sviluppo delle particelle elementari possono essere presentate sotto forma di tabella.

All'inizio del XX secolo si scoprì che tutti gli atomi sono costituiti da neutroni, protoni ed elettroni. Furono scoperti positroni, neutrini, fotoni (gamma quantistici).
Caratteristiche fondamentali delle più comuni particelle elementari.

Le particelle elementari, nel vero senso della parola, sono le particelle primarie, ulteriori e indecomponibili, di cui sono composte tutte le sostanze.
Attualmente viene utilizzato questo termine grande gruppo microparticelle che NON sono atomi o nuclei, ad eccezione del protone, che è sia una particella elementare che il nucleo di un atomo leggero di idrogeno.
Le particelle elementari sono caratterizzate dai seguenti parametri: " massa a riposo delle particelle, valore di spin, valore di carica elettrica, durata."
Lo spin di una particella elementare è uguale al rapporto tra la costante di Planck e 2 n

Vengono chiamate le particelle aventi spin, ecc bosoni ; con spin semiintero - fermioni , cioè tutte le particelle elementari si dividono in particelle e antiparticelle. Hanno le stesse masse, gli stessi giri, la durata di vita e le stesse cariche elettriche di uguale grandezza.

Il positrone fu scoperto in una camera a nebbia nel 1928. Questa particella è un elettrone, ma con carica positiva il positrone fu scoperto nei raggi cosmici. Successivamente, durante l'interazione dei quanti gamma con la materia e nella reazione di conversione di un protone in un neutrone.

Viene chiamato il processo di interazione di una particella elementare con un'antiparticella, a seguito della quale si trasformano in altre particelle o quanti di un campo elettromagnetico annientamento (scomparsa). Reazione di annientamento:

Viene chiamato il processo inverso di annientamento nascita di una coppia .

Domanda: Pensa a quale struttura avrà l'antideuterio?
Risposta:è costituito da un elettrone e un nucleo (protone e neutrone). Un atomo di antideuterio sarà costituito da un antinucleo (un antiprotone e un antineutrone) e un positrone che si muove attorno all'antinucleo.

Le particelle elementari partecipano a quattro tipi fondamentali di interazione conosciuti: forte, elettromagnetico, debole e gravitazionale. (vedi tabella 3)


Le energie delle interazioni fondamentali sono approssimativamente le seguenti:

Diamo un'occhiata alla tabella 4
Domanda: Nomina le principali classi di particelle elementari.

Risposta: fotoni, leptoni, mesoni, barioni.

Domanda: Nomina le principali caratteristiche delle particelle elementari.
Risposta: Massa, carica, rotazione, durata.

Domanda: In cosa differiscono le particelle e le antiparticelle?
Risposta: I segni delle cariche elettriche della particella e dell'antiparticella sono opposti.

Fotoni– particelle che partecipano alle interazioni elettromagnetiche e gravitazionali.
Leptoni– particelle che non partecipano alle interazioni forti, ma sono capaci delle altre tre.
Adroni– particelle che partecipano a tutti i tipi di interazioni fondamentali. Questa classe include barioni e mesoni. I barioni hanno spin semi-interi, mentre i mesoni hanno spin interi. L'appartenenza a un barione è contrassegnata dall'assegnazione di una carica barionica, un numero pari a +1 per una particella e -1 per un'antiparticella. Gli adroni includono solo una parte dei mesoni (mesone P). I nucleoni sono classificati come barioni. Vengono chiamati barioni la cui massa è maggiore della massa di un nucleone iperoni.
L'appartenenza ai leptoni si segnala assegnando ad ogni particella una carica leptonica: +1 per le particelle, -1 per le antiparticelle.
È stato stabilito che gli adroni sono costituiti da quark– sei particelle aventi carica elettrica elementare frazionaria. I quark non sono stati osservati allo stato libero; solo nel centro del nucleone si trovano come particelle indipendenti.
Per penetrare più in profondità nel micromondo, è necessario utilizzare particelle di energie sempre più elevate.
Si scopre che con l'enorme energia esistente alla temperatura, le interazioni deboli ed elettromagnetiche si combinano nell'interazione elettrodebole. Quando tutte e quattro le interazioni vengono combinate, diventa possibile trasformare particelle di materia fisica (fermioni) in particelle portatrici di interazione (bosoni).
Perché le informazioni sulle particelle elementari sono così necessarie?
La cosa più importante per la fisica delle particelle è la conclusione sulla relazione tra massa ed energia. L'energia di un corpo o sistema di argomenti è uguale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità.
Qualcosa a cui pensare!
Un neutrino è una particella apparsa al momento della nascita dell'Universo e trasporta molte informazioni, quindi i telescopi per neutrini “catturano” le particelle e gli scienziati le studiano. C'è un dispositivo tomografico a positroni. Un elemento radioattivo viene introdotto nel sangue di un organismo vivente, emettendo positroni, che reagiscono con gli elettroni del corpo, si annichilano ed emettono raggi gamma, che vengono rilevati da un rilevatore.
A piccole dosi, i raggi gamma hanno un certo beneficio sugli organismi viventi. Campo di applicazione: medicina, scienza, tecnologia.

3. Utilizzando note di supporto, libro di testo, tabelle, dare risposte alle domande.

4. Tutte le particelle elementari si trasformano l'una nell'altra, cioè queste trasformazioni reciproche sono il fattore principale della loro esistenza. Tra le proprietà delle particelle elementari si possono distinguere: instabilità, interconvertibilità e interazione, presenza di un'antiparticella in ciascuna particella, struttura complessa, classificazione.

Il mondo è costituito da particelle fondamentali. Qualunque corpo materiale ha massa. Cos'è la massa? L'LHC è un acceleratore di particelle che consente ai fisici di penetrare nella materia più profondamente che mai.
La creazione dell'LHC segna l'inizio della futura ricerca avanzata. I ricercatori sperano in qualcosa di nuovo fenomeni fisici, come le sfuggenti particelle di Higgs, o quelle che si formano materia oscura, che costituisce la maggior parte della materia nell'Universo. È impossibile prevedere con precisione i risultati dei prossimi esperimenti, ma avranno sicuramente un grande impatto e non solo sulla fisica delle particelle! Ma la creazione dell'LHC non chiude una pagina nella storia della fisica, ma segna piuttosto l'inizio di future promettenti ricerche.

5. Compiti a casa (alla lavagna)
Paragrafi 115, 116; riepilogo di riferimento
preparare una relazione sullo stato di avanzamento lavoro di ricerca su BAK.

Libri usati:
Fisica 11 G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Otarda.
Corso di fisica. Volume 3 K.A. Putilov, V.A.
Fisica atomica e nucleare. OK. Costco.
Sviluppi delle lezioni in fisica. Grado 11. V.A.Volkov.
Uroki. Netto

Obiettivo: Parlare agli studenti delle particelle elementari, delle loro proprietà di base e delle loro classificazioni

Durante le lezioni

Nuovo materiale (fornito a lezione)

Gli studi sulla struttura dell'atomo e del nucleo atomico hanno dimostrato che la composizione dell'atomo comprende elettroni, protoni e neutroni. Era consuetudine chiamare queste particelle elementari. Anche il fotone(), il positrone (e +) e il neutrino (v), che sono direttamente correlati all'atomo e al nucleo, iniziarono a essere chiamati particelle elementari.

Secondo il piano originale, le particelle elementari lo sono le particelle più semplici, da cui è costruita la sostanza (atomi) del mondo esistente.

Le particelle elementari erano inizialmente immaginate come qualcosa di eterno, immutabile, indistruttibile, e l'immagine di una particella elementare era associata all'immagine di un granello di sabbia o di una pallina senza struttura.

Al giorno d'oggi non esiste un criterio chiaro per l'elementarità. Il concetto di "particella elementare" è molto complesso al giorno d'oggi.

Elenchiamo brevemente le particelle elementari conosciute nell'ordine della loro scoperta storica.

Note metodologiche: Gli studenti sono invitati a compilare la seguente tabella al momento degli approfondimenti (Allegato 1)

A che tipologia appartiene?	Nome della particella	Designazione	Anno di apertura	Carica q	Massa delle particelle

L'elettrone fu scoperto da J.J. Thomsan nel 1897. Le masse delle altre particelle elementari sono solitamente espresse attraverso la massa dell'elettrone.

Nel 1900 M. Planck e soprattutto, nel 19005. A. Einstein ha dimostrato che la luce è costituita da porzioni separate: i fotoni. Un fotone non ha carica e la sua massa a riposo = 0. Un fotone può esistere solo nel processo di movimento alla velocità della luce.

Esperimenti di Rutherford sulla diffusione delle particelle nel 1911. Ha portato alla scoperta del protone. Massa del protone=1836m e

La maggior parte dei fisici era fiduciosa di essere finalmente riuscita a ridurre tutta la diversità degli elementi chimici e delle sostanze naturali a due entità semplici: elettroni e protoni. Il quadro tracciato dai fisici di quegli anni sulla struttura della materia instillava un senso di bellezza e grazia scientifica. Nel periodo dal 1911 Entro il 1932 Molti scienziati erano pieni di soddisfazione per essere riusciti a realizzare il sogno secolare della ricerca scientifica.

Tuttavia, nel 1928 P. Dirac, e successivamente nel 1932 K. Anderson ha scoperto tali particelle, chiamate positroni(e+)

Il positrone è la prima particella elementare prevista teoricamente.

Nel 1932 D. Chadwig scoprì un neutrone con massa = 1838 m e

Un neutrone allo stato libero, a differenza di un protone, è instabile e decade in un protone e un elettrone con un tempo di dimezzamento T = 1,01 10 3 s. All'interno del nucleo un neutrone può esistere indefinitamente.

Nel 1931-1933. W. Pauli, analizzando il decadimento, ha suggerito che durante il decadimento, oltre al protone e all'elettrone, viene emessa un'altra particella neutra con massa a riposo = 0. Questa particella è stata chiamata neutrino()

Solo nel 1956 K. Cowan e i suoi colleghi hanno scoperto un antineutrino() prodotto in reattore nucleare. È stato “catturato” studiando la reazione: p+ v n+e + , il neutrino provoca la reazione n+p+e - .

Nel 1937 K. Anderson e S. Nedderman scoprirono particelle cariche con una massa di 206,7 m e, queste particelle furono chiamate -mesoni (+ e -), aventi una carica di +e e -e. Attualmente queste particelle sono chiamate -particelle o -muoni.

Nel 1947 Gli scienziati inglesi S. Powell, G. Occhialini e altri scoprirono i mesoni (il mesone è il mesone primario che, decadendo, dà muoni)

Il mesone ha una carica +e ed -e e una massa di 273,2 m e. Poco dopo il 1950, è stato scoperto un mesone neutro (o), con una massa di 264,2 m e. Attualmente, tre tipi di mesone - sono noti: -, o, + , interagiscono intensamente con i nucleoni e si creano facilmente quando i nucleoni entrano in collisione con i nuclei, ad es. sono nucleari attivi. Attualmente si ritiene che i mesoni - siano quanti del campo nucleare responsabili della maggior parte delle forze nucleari.

Dal 1949 al 1950 Iniziò una vera e propria “invasione” di particelle elementari, il cui numero aumentò rapidamente.

Le particelle appena apparse possono essere divise in due gruppi:

Il primo gruppo comprende particelle con masse di circa 966 me e 974 m e, attualmente chiamate mesoni K. Sono noti mesoni K + e K - con masse di circa 966,3 m e e cariche elettriche +e e -e. Sono noti mesoni K neutri (K o e K o) con masse di 974,5 m e.

Il secondo gruppo di particelle è chiamato iperoni. Attualmente sono noti i seguenti iperoni:

Nel 1955 Fu scoperto l'antiprotone e nel 1956 fu scoperto l'antineutrone.

Dietro l'anno scorso sono state scoperte nuove quasiparticelle (stati di risonanza) con una vita insolitamente breve, dell'ordine di 10 -22 - 10 -23 sec. In questo caso non è nemmeno possibile registrare tracce di particelle e la loro esistenza può essere giudicata solo in modo indiretto considerazioni, da un'analisi del comportamento del loro decadimento.

Negli ultimi anni è stato scoperto un secondo tipo di neutrino, il cosiddetto neutrino muonico (antineutrino) e, che viene emesso, ad esempio, durante il decadimento dei mesoni -;

III gruppo- particelle pesanti o barioni

Questo gruppo include:

• Nucleoni e loro antiparticelle
• Iperoni e loro antiparticelle

Applicazione dell'energia termonucleare utilizzando l'esempio dell'impianto Tokamak

Agli studenti viene chiesto di rispondere alle domande:

• Quale reazione nucleare chiamato termonucleare? (oralmente)
• Come può essere effettuata una reazione termonucleare?
• Spiegare il principio di funzionamento dell'installazione Tokamak (per iscritto, utilizzando documentazione aggiuntiva).
• Spiegare il principio di funzionamento di un impianto laser per la fusione termonucleare" (per iscritto utilizzando letteratura aggiuntiva)

I fisici hanno scoperto l'esistenza delle particelle elementari studiando i processi nucleari, quindi fino alla metà del XX secolo la fisica delle particelle elementari era una branca della fisica nucleare. Attualmente, la fisica delle particelle elementari e la fisica nucleare sono rami vicini ma indipendenti della fisica, uniti dalla comunanza di molti problemi considerati e dei metodi di ricerca utilizzati. Il compito principale della fisica delle particelle elementari è lo studio della natura, delle proprietà e delle mutue trasformazioni delle particelle elementari.
L’idea che il mondo sia fatto di particelle fondamentali ha una lunga storia. Per la prima volta, l'idea dell'esistenza delle più piccole particelle invisibili che compongono tutti gli oggetti circostanti fu espressa 400 anni a.C. dal filosofo greco Democrito. Chiamò queste particelle atomi, cioè particelle indivisibili. La scienza iniziò a utilizzare l'idea degli atomi solo all'inizio del XIX secolo, quando su questa base fu possibile spiegare una serie di fenomeni chimici. Negli anni '30 del XIX secolo, nella teoria dell'elettrolisi sviluppata da M. Faraday, apparve il concetto di ione e fu misurata la carica elementare. La fine del XIX secolo fu segnata dalla scoperta del fenomeno della radioattività (A. Becquerel, 1896), nonché dalle scoperte degli elettroni (J. Thomson, 1897) e delle particelle alfa (E. Rutherford, 1899). Nel 1905, in fisica nacque l'idea dei quanti del campo elettromagnetico: i fotoni (A. Einstein).
Nel 1911 fu scoperto il nucleo atomico (E. Rutherford) e fu finalmente dimostrato che gli atomi hanno una struttura complessa. Nel 1919 Rutherford scoprì i protoni nei prodotti di fissione dei nuclei atomici di un certo numero di elementi. Nel 1932 J. Chadwick scoprì il neutrone. È diventato chiaro che i nuclei degli atomi, come gli atomi stessi, hanno una struttura complessa. Sorse la teoria protone-neutrone della struttura dei nuclei (D. D. Ivanenko e V. Heisenberg). Nello stesso 1932 fu scoperto un positrone nei raggi cosmici (K. Anderson). Un positrone è una particella carica positivamente che ha la stessa massa e la stessa carica (modulo) di un elettrone. L'esistenza del positrone fu prevista da P. Dirac nel 1928. Durante questi anni furono scoperte e studiate le reciproche trasformazioni di protoni e neutroni, e divenne chiaro che anche queste particelle non sono gli immutabili “mattoni” elementari della natura. Nel 1937, nei raggi cosmici furono scoperte particelle con una massa di 207 elettroni, chiamate muoni (mesoni μ). Poi, nel 1947-1950, furono scoperti i pioni (cioè i mesoni π) che, secondo i concetti moderni, effettuano l'interazione tra i nucleoni nel nucleo. Negli anni successivi, il numero delle particelle appena scoperte cominciò a crescere rapidamente. Ciò è stato facilitato dalla ricerca sui raggi cosmici, dallo sviluppo della tecnologia degli acceleratori e dallo studio delle reazioni nucleari.
Attualmente si conoscono circa 400 particelle subnucleari, comunemente chiamate elementari. La stragrande maggioranza di queste particelle sono instabili. Le uniche eccezioni sono il fotone, l'elettrone, il protone e il neutrino. Tutte le altre particelle subiscono trasformazioni spontanee in altre particelle a determinati intervalli. Le particelle elementari instabili differiscono notevolmente nella loro vita. La particella con la vita più lunga è il neutrone. La vita media dei neutroni è di circa 15 minuti. Altre particelle “vivono” per un tempo molto più breve. Ad esempio, la vita media di un mesone μ è 2,2·10–6 s, e quella di un mesone π neutro è 0,87·10–16 s. Molte particelle massicce - gli iperoni - hanno una vita media dell'ordine di 10–10 s.
Esistono diverse dozzine di particelle con una durata superiore a 10–17 s. Su scala microscopica, si tratta di una quantità di tempo significativa. Tali particelle sono chiamate relativamente stabili. La maggior parte delle particelle elementari di breve durata hanno una durata dell'ordine di 10–22–10–23 s.
La capacità di subire trasformazioni reciproche è la proprietà più importante di tutte le particelle elementari. Le particelle elementari sono capaci di nascere e distruggersi (emesse e assorbite). Ciò vale anche per le particelle stabili, con l'unica differenza che le trasformazioni delle particelle stabili non avvengono spontaneamente, ma attraverso l'interazione con altre particelle. Un esempio è l’annichilazione (cioè la scomparsa) di un elettrone e di un positrone, accompagnata dalla nascita di fotoni ad alta energia. Può verificarsi anche il processo inverso: la nascita di una coppia elettrone-positrone, ad esempio, quando un fotone con un'energia sufficientemente elevata entra in collisione con un nucleo. Come doppio pericoloso Ciò che un positrone è per un elettrone, lo è anche per un protone. Si chiama antiprotone. La carica elettrica dell'antiprotone è negativa. Attualmente sono state trovate antiparticelle in tutte le particelle. Le antiparticelle si oppongono alle particelle perché quando una particella incontra la sua antiparticella, avviene la loro annichilazione, cioè entrambe le particelle scompaiono, trasformandosi in quanti di radiazione o altre particelle.
L'antiparticella è stata trovata addirittura nel neutrone. Il neutrone e l'antineutrone differiscono solo nei segni del momento magnetico e nella cosiddetta carica barionica. È possibile l'esistenza di atomi di antimateria, i cui nuclei sono costituiti da antinucleoni e il guscio da positroni. Quando l'antimateria si annichila con la materia, l'energia restante viene convertita nell'energia dei quanti di radiazione. Si tratta di un'energia enorme, che supera significativamente quella rilasciata durante le reazioni nucleari e termonucleari.
Nella varietà delle particelle elementari finora conosciute si rivela un sistema di classificazione più o meno armonico. Nella tabella 9.9.1 fornisce alcune informazioni sulle proprietà delle particelle elementari con una durata superiore a 10–20 s. Delle numerose proprietà che caratterizzano una particella elementare, la tabella mostra solo la massa della particella (in masse elettroniche), la carica elettrica (in unità di carica elementare) e il momento angolare (il cosiddetto spin) in unità della costante di Planck ħ = h /2π. La tabella mostra anche la durata media delle particelle.
Gruppo
Nome della particella
Simbolo
Messa (nelle masse elettroniche)
Carica elettrica
Rotazione
Durata/i di vita
Particella
Antiparticella
Fotoni
Fotone
γ

Stabile
Leptoni
Elettrone neutrino
e

1 / 2
Stabile
Muone neutrino
νμ

1 / 2
Stabile
Elettrone
e–
e+

–1 1
1 / 2
Stabile
Mesone Mu
μ–
μ+
206,8
–1 1
1 / 2
2,2∙10–6
Adroni
Mesoni
Mesoni Pi
π0
264,1

0,87∙10–16
π+
π–
273,1
1 –1

2,6∙10–8
Mesoni K
K+
K -
966,4
1 –1

1,24∙10–8
K0

≈ 10–10–10–8
Mesone Eta-nullo
η0

≈ 10–18
Barioni
Protone
P

1836,1
1 –1
1 / 2
Stabile
Neutrone
N

Iperone Lambda
Λ0

1 / 2
2,63∙10–10
Iperoni Sigma
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-iperoni
Ξ 0

1 / 2
2,9∙10–10
Ξ –

2585,6
–1 1
1 / 2
1,64∙10–10
Omega-meno-iperone
Ω–

–1 1
1 / 2
0,82∙10–11

Tabella 9.9.1.
Le particelle elementari sono combinate in tre gruppi: fotoni, leptoni e adroni.
Il gruppo di fotoni comprende una singola particella: il fotone, che è il portatore dell'interazione elettromagnetica.
Il gruppo successivo è costituito da particelle leptoniche leggere. Questo gruppo comprende due tipi di neutrini (elettrone e muone), elettrone e mesone μ. I leptoni comprendono anche un numero di particelle non elencate nella tabella. Tutti i leptoni hanno spin
Il terzo grande gruppo è costituito da particelle pesanti chiamate adroni. Questo gruppo è diviso in due sottogruppi. Le particelle più leggere costituiscono un sottogruppo di mesoni. I più leggeri hanno carica positiva e negativa, così come i mesoni π neutri con masse dell'ordine di 250 masse elettroniche (Tabella 9.9.1). I pioni sono quanti del campo nucleare, proprio come i fotoni sono quanti del campo elettromagnetico. Questo sottogruppo comprende anche quattro mesoni K e un mesone η0. Tutti i mesoni hanno spin pari a zero.
Il secondo sottogruppo - i barioni - comprende particelle più pesanti. È il più esteso. I barioni più leggeri sono i nucleoni: protoni e neutroni. Seguono i cosiddetti iperoni. Chiude la tabella l’iperone omega-meno, scoperto nel 1964. Si tratta di una particella pesante con una massa di 3273 masse elettroniche. Tutti i barioni hanno spin
L'abbondanza di adroni scoperti e di nuova scoperta ha portato gli scienziati a credere che fossero tutti costituiti da altre particelle più fondamentali. Nel 1964, il fisico americano M. Gell-Man avanzò un'ipotesi, confermata da ricerche successive, secondo cui tutte le particelle fondamentali pesanti - gli adroni - sono costruite da particelle più fondamentali chiamate quark. Sulla base dell'ipotesi dei quark non solo fu compresa la struttura degli adroni già conosciuti, ma fu anche prevista l'esistenza di nuovi. La teoria di Gell-Mann presupponeva l'esistenza di tre quark e tre antiquark, collegati tra loro in varie combinazioni. Pertanto, ogni barione è costituito da tre quark e ogni antibarione è costituito da tre antiquark. I mesoni sono costituiti da coppie quark-antiquark.
Con l'accettazione dell'ipotesi dei quark è stato possibile creare un sistema armonico di particelle elementari. Tuttavia, le proprietà previste di queste ipotetiche particelle si sono rivelate del tutto inaspettate. La carica elettrica dei quark deve essere espressa in numeri frazionari pari alla carica elementare.
Numerose ricerche di quark allo stato libero, effettuate presso acceleratori ad alta energia e nei raggi cosmici, non hanno avuto successo. Gli scienziati ritengono che una delle ragioni dell'inosservabilità dei quark liberi sia forse la loro massa molto grande. Ciò impedisce la nascita di quark alle energie raggiunte nei moderni acceleratori. Tuttavia, la maggior parte degli esperti è ora convinta che i quark esistano all'interno di particelle pesanti: gli adroni.
Interazioni fondamentali. I processi a cui partecipano le varie particelle elementari differiscono notevolmente nei tempi e nelle energie caratteristici. Secondo i concetti moderni, in natura esistono quattro tipi di interazioni che non possono essere ridotte ad altre tipi semplici Interazioni: forte, elettromagnetica, debole e gravitazionale. Questi tipi di interazioni sono chiamate fondamentali.
L'interazione forte (o nucleare) è la più intensa di tutti i tipi di interazione. Forniscono un legame estremamente forte tra protoni e neutroni nei nuclei degli atomi. Solo le particelle pesanti – gli adroni (mesoni e barioni) – possono prendere parte alle interazioni forti. L'interazione forte si manifesta a distanze inferiori a 10-15 m, pertanto è chiamata a corto raggio.
Interazione elettromagnetica. Qualsiasi particella elettricamente carica, nonché i fotoni, i quanti del campo elettromagnetico, possono prendere parte a questo tipo di interazione. L'interazione elettromagnetica è responsabile, in particolare, dell'esistenza di atomi e molecole. Determina molte proprietà delle sostanze solide, liquide e stati gassosi. La repulsione coulombiana dei protoni porta all'instabilità dei nuclei con grandi numeri di massa. L'interazione elettromagnetica determina i processi di assorbimento ed emissione di fotoni da parte di atomi e molecole di materia e molti altri processi nella fisica del micro e macromondo.
L’interazione debole è la più lenta di tutte le interazioni che si verificano nel microcosmo. Qualsiasi particella elementare, ad eccezione dei fotoni, può prenderne parte. L'interazione debole è responsabile dei processi che coinvolgono neutrini o antineutrini, ad esempio il decadimento beta dei neutroni

Così come processi di decadimento delle particelle prive di neutrini con una lunga durata (τ ≥ 10–10 s).
L'interazione gravitazionale è inerente a tutte le particelle senza eccezioni, tuttavia, a causa delle piccole masse delle particelle elementari, le forze dell'interazione gravitazionale tra loro sono trascurabili e il loro ruolo nei processi del micromondo è insignificante. Forze gravitazionali svolgono un ruolo decisivo nell'interazione degli oggetti spaziali (stelle, pianeti, ecc.) con le loro enormi masse.
Negli anni '30 del XX secolo nacque l'ipotesi che nel mondo delle particelle elementari le interazioni avvengano attraverso lo scambio di quanti di qualche campo. Questa ipotesi è stata originariamente avanzata dai nostri connazionali I. E. Tamm e D. D. Ivanenko. Hanno suggerito che le interazioni fondamentali derivino dallo scambio di particelle, simili a quelle covalenti legame chimico gli atomi nascono dallo scambio di elettroni di valenza, che si combinano su gusci elettronici vuoti.
L'interazione effettuata dallo scambio di particelle è chiamata interazione di scambio in fisica. Ad esempio, l'interazione elettromagnetica tra particelle cariche avviene a causa dello scambio di fotoni - quanti del campo elettromagnetico.
La teoria dell'interazione di scambio ottenne riconoscimento dopo che il fisico giapponese H. Yukawa dimostrò teoricamente nel 1935 che la forte interazione tra nucleoni nei nuclei atomici può essere spiegata se assumiamo che i nucleoni si scambiano ipotetiche particelle chiamate mesoni. Yukawa calcolò la massa di queste particelle, che risultò essere approssimativamente pari a 300 masse di elettroni. Le particelle con una tale massa furono successivamente effettivamente scoperte. Queste particelle sono chiamate mesoni π (pioni). Attualmente sono noti tre tipi di pioni: π+, π– e π0 (vedi Tabella 9.9.1).
Nel 1957 fu teoricamente prevista l'esistenza delle particelle pesanti, i cosiddetti bosoni vettori W+, W– e Z0, che avrebbero dato origine al meccanismo di scambio dell'interazione debole. Queste particelle furono scoperte nel 1983 in esperimenti con un acceleratore utilizzando fasci di protoni e antiprotoni ad alta energia in collisione. La scoperta dei bosoni vettori è stata una conquista molto importante nella fisica delle particelle. Questa scoperta segnò il successo della teoria, che univa la forza elettromagnetica e quella debole in un'unica forza cosiddetta elettrodebole. Questo nuova teoria considera il campo elettromagnetico e il campo di interazione debole come componenti diversi di un campo, al quale partecipano i bosoni vettori insieme al campo elettromagnetico quantistico.
Dopo questa scoperta nella fisica moderna, la fiducia che tutti i tipi di interazione siano strettamente correlati tra loro e, in sostanza, siano manifestazioni diverse di un unico campo, è aumentata in modo significativo. Tuttavia, l’unificazione di tutte le interazioni rimane solo un’ipotesi scientifica attraente.
I fisici teorici compiono sforzi significativi nel tentativo di considerare su base unificata non solo l'interazione elettromagnetica e debole, ma anche quella forte. Questa teoria fu chiamata la Grande Unificazione. Gli scienziati suggeriscono che anche l'interazione gravitazionale dovrebbe avere un proprio vettore: un'ipotetica particella chiamata gravitone. Tuttavia, questa particella non è stata ancora scoperta.
È ormai considerato dimostrato che un unico campo che unisce tutti i tipi di interazione può esistere solo a energie delle particelle estremamente elevate, irraggiungibili con i moderni acceleratori. Le particelle potevano avere energie così elevate solo nelle primissime fasi dell'esistenza dell'Universo, che sorsero come risultato del cosiddetto Big Bang(Big Bang). La cosmologia, lo studio dell'evoluzione dell'Universo, suggerisce che il Big Bang sia avvenuto 18 miliardi di anni fa. Nel modello standard dell'evoluzione dell'Universo si assume che nel primo periodo successivo all'esplosione la temperatura possa raggiungere i 1032 K, e l'energia delle particelle E = kT possa raggiungere i 1019 GeV. Durante questo periodo la materia esisteva sotto forma di quark e neutrini e tutti i tipi di interazioni erano combinati in un unico campo di forza. A poco a poco, man mano che l'Universo si espandeva, l'energia delle particelle diminuiva e dal campo unificato delle interazioni è emersa prima l'interazione gravitazionale (a energie delle particelle ≤ 1019 GeV), e poi l'interazione forte separata dall'interazione elettrodebole (a energie dell'ordine di 1014 GeV). A energie dell'ordine di 103 GeV, tutti e quattro i tipi di interazioni fondamentali risultarono separati. Contemporaneamente a questi processi, ha avuto luogo la formazione di forme di materia più complesse: nucleoni, nuclei leggeri, ioni, atomi, ecc. La cosmologia nel suo modello cerca di tracciare l'evoluzione dell'Universo su diverse fasi il suo sviluppo dal Big Bang ai giorni nostri, basato sulle leggi della fisica delle particelle elementari, nonché della fisica nucleare e atomica.