Fysikk leksjon partikkelfysikk. Elementærpartikler og deres egenskaper

Kommunal budsjettutdanningsinstitusjon –

Ungdomsskole nr. 7 i Belgorod

Åpen leksjon i fysikk

11. klasse

"Elementære partikler"

Forberedt og gjennomført:

Fysikklærer

Polshchikova A.N.

Belgorod 2015

Tema: Elementærpartikler.

Leksjonstype: leksjon av studier og primær konsolidering av ny kunnskap

Undervisningsmetode: foredrag

Form for elevaktivitet: frontal, kollektiv, individuell

Hensikten med leksjonen: utvide elevenes forståelse av materiens struktur; vurdere hovedstadiene i utviklingen av elementær partikkelfysikk; gi begrepet elementærpartikler og deres egenskaper.

Leksjonens mål:

Pedagogisk : å introdusere studentene til begrepet en elementær partikkel, typologien til elementærpartikler, samt metoder for å studere egenskapene til elementarpartikler;

Utviklingsmessig: å utvikle den kognitive interessen til elevene, sikre deres gjennomførbare involvering i aktiv kognitiv aktivitet;

Pedagogisk: utdanning av universelle menneskelige egenskaper - bevissthet om oppfatningen av vitenskapelige prestasjoner i verden; utvikle nysgjerrighet og utholdenhet.

Utstyr til timen:

Didaktisk materiale: lærebokmateriell, kort med prøver og tabeller

Visuelle hjelpemidler: presentasjon

I løpet av timene

(Presentasjon)

1. Organisering av begynnelsen av timen.

Lærerens aktiviteter: Gjensidige hilsener mellom lærer og elever, fikse elever, sjekke elevenes beredskap for timen. Organisering av oppmerksomhet og inkludering av studenter i virksomhetens arbeidsrytme.

Forutsagt studentaktivitet: organisere oppmerksomhet og inkludering i forretningsrytmen i arbeidet.

2. Forberedelse til hovedstadiet i timen.

Lærerens aktiviteter: I dag vil vi begynne å studere en ny del av "Kvantefysikk" - "Elementærpartikler". I dette kapittelet skal vi snakke om de primære, uoppløselige partiklene som all materie er bygget av, om elementærpartikler.

Fysikere oppdaget eksistensen av elementærpartikler når de studerte kjernefysiske prosesser, så frem til midten av 1900-tallet var elementærpartikkelfysikk en gren av kjernefysikk. For tiden er elementær partikkelfysikk og kjernefysikk nære, men uavhengige grener av fysikk, forent av fellesheten til mange problemer som vurderes og forskningsmetodene som brukes.

Hovedoppgaven til elementærpartikkelfysikk er studiet av elementærpartiklers natur, egenskaper og gjensidige transformasjoner.

Det vil også være vår hovedoppgave i å studere fysikken til elementærpartikler.

3. Assimilering av ny kunnskap og handlingsmetoder.

Lærerens aktiviteter: Leksjonsemne: "Utviklingsstadier av elementærpartikkelfysikk." I denne leksjonen skal vi se på følgende spørsmål:

Historien om utviklingen av ideer om at verden består av elementære partikler

Hva er elementærpartikler?

Hvordan kan man få en isolert elementær partikkel og er det mulig?

Typologi av partikler.

Ideen om at verden er laget av fundamentale partikler har en lang historie. I dag er det tre stadier i utviklingen av elementærpartikkelfysikk.

La oss åpne læreboken. La oss bli kjent med navnene på stadiene og tidsrammer.

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

Trinn 2. Fra positron til kvarker: 1932 - 1964

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

Lærerens aktiviteter:

1. stadie.

Elementært, dvs. den enkleste, videre udelelige, dette er hvordan den berømte antikke greske vitenskapsmannen Demokritos forestilte seg atomet. La meg minne deg på at ordet "atom" i oversettelse betyr "udelelig". For første gang ble ideen om eksistensen av små, usynlige partikler som utgjør alle omkringliggende objekter uttrykt av Democritus 400 år f.Kr. Vitenskapen begynte å bruke ideen om atomer først på begynnelsen av 1800-tallet, da det på dette grunnlaget var mulig å forklare en rekke kjemiske fenomener. Og på slutten av dette århundret ble den komplekse strukturen til atomet oppdaget. I 1911 ble atomkjernen oppdaget (E. Rutherford) og det ble endelig bevist at atomer har en kompleks struktur.

La oss huske gutta: hvilke partikler er en del av atomet og kort karakteriserer dem?

Forutsagt elevaktivitet:

Lærerens aktiviteter: folkens, kanskje noen av dere husker: av hvem og i hvilke år ble elektronet, protonet og nøytronet oppdaget?

Forutsagt elevaktivitet:

Elektron. I 1898 beviste J. Thomson realiteten av eksistensen av elektroner. I 1909 målte R. Millikan først ladningen til et elektron.

Proton. I 1919 oppdaget E. Rutherford, mens han bombarderte nitrogen med partikler, en partikkel hvis ladning var lik ladningen til et elektron, og hvis masse var 1836 ganger større enn elektronets masse. Partikkelen ble kalt proton.

Nøytron. Rutherford antydet også eksistensen av en ladningsløs partikkel hvis masse er lik massen til et proton.

I 1932 oppdaget D. Chadwick partikkelen som Rutherford hadde foreslått og kalte den nøytronet.

Lærerens aktiviteter: Etter oppdagelsen av protonet og nøytronet ble det klart at atomkjernene, som selve atomene, har en kompleks struktur. Proton-nøytronteorien om strukturen til kjerner oppsto (D. D. Ivanenko og V. Heisenberg).

På 30-tallet av 1800-tallet, i elektrolyseteorien utviklet av M. Faraday, dukket begrepet -ion opp og den elementære ladningen ble målt. Slutten av det 19. århundre - i tillegg til oppdagelsen av elektronet, ble preget av oppdagelsen av fenomenet radioaktivitet (A. Becquerel, 1896). I 1905 oppsto ideen om elektromagnetiske feltkvanter - fotoner (A. Einstein) i fysikk.

La oss huske: hva er et foton?

Forutsagt elevaktivitet: Foton (eller kvante av elektromagnetisk stråling) er en elementær lyspartikkel, elektrisk nøytral, blottet for hvilemasse, men som har energi og momentum.

Lærerens aktiviteter: åpne partikler ble ansett som udelelige og uforanderlige primære essenser, universets grunnleggende byggesteiner. Denne oppfatningen varte imidlertid ikke lenge.

Trinn 2.

På 1930-tallet ble de gjensidige transformasjonene av protoner og nøytroner oppdaget og studert, og det ble klart at disse partiklene heller ikke er naturens uforanderlige elementære «byggesteiner».

For tiden er rundt 400 subnukleære partikler kjent (partiklene som utgjør atomer, som vanligvis kalles elementære). De aller fleste av disse partiklene er ustabile (elementærpartikler forvandles til hverandre).

De eneste unntakene er foton, elektron, proton og nøytrino.

Fotonet, elektronet, protonet og nøytrinoet er stabile partikler (partikler som kan eksistere i fri tilstand på ubestemt tid), men hver av dem kan, når de interagerer med andre partikler, bli til andre partikler.

Alle andre partikler, med visse tidsintervaller, gjennomgår spontane transformasjoner til andre partikler, og dette er hovedfaktumet av deres eksistens.

Jeg nevnte en partikkel til - nøytrinoen. Hva er hovedkarakteristikkene til denne partikkelen? Av hvem og når ble det oppdaget?

Forutsagt aktivitet til eleven: Nøytrino er en partikkel uten elektrisk ladning og hvilemassen er 0. Eksistensen av denne partikkelen ble forutsagt i 1931 av W. Pauli, og i 1955 ble partikkelen eksperimentelt registrert. Manifesterer seg som et resultat av nøytronnedbrytning:

Lærerens aktiviteter: Ustabile elementærpartikler er svært forskjellige i deres levetid.

Den lengstlevende partikkelen er nøytronet. Nøytronlevetiden er omtrent 15 minutter.

Andre partikler "lever" i mye kortere tid.

Det er flere dusin partikler med en levetid på over 10 -17 Med. På skalaen til mikrokosmos er dette en betydelig tid. Slike partikler kallesrelativt stabil .

Flertall Kortlevd elementærpartikler har levetider i størrelsesorden 10-22 -10 -23 s.

Evnen til gjensidige transformasjoner er den viktigste egenskapen til alle elementærpartikler.

Elementærpartikler er i stand til å bli født og ødelagt (avgis og absorberes). Dette gjelder også for stabile partikler, med den eneste forskjellen at transformasjoner av stabile partikler ikke skjer spontant, men gjennom interaksjon med andre partikler.

Et eksempel vil væreutslettelse (dvs. forsvinning ) elektron og positron, ledsaget av fødselen av høyenergifotoner.

Et positron er (en antipartikkel av et elektron) en positivt ladet partikkel som har samme masse og samme (i absolutt verdi) ladning som et elektron. Vi vil snakke om dens egenskaper mer detaljert i neste leksjon. La oss bare si at eksistensen av positronet ble forutsagt av P. Dirac i 1928, og det ble oppdaget i 1932 i kosmiske stråler av K. Anderson.

I 1937 ble det oppdaget partikler med en masse på 207 elektronmasser i kosmiske stråler, kaltmyoner ( -mesoner ). Gjennomsnittlig levetid-meson er lik 2,2 * 10-6 s.

Så i 1947-1950 åpnet depeoner (dvs. -mesoner). Gjennomsnittlig levetid for nøytral-meson - 0,87·10 -16 s.

I de påfølgende årene begynte antallet nyoppdagede partikler å vokse raskt. Dette ble tilrettelagt av forskning på kosmiske stråler, utvikling av akseleratorteknologi og studiet av kjernefysiske reaksjoner.

Moderne akseleratorer er nødvendige for å utføre prosessen med å lage nye partikler og studere egenskapene til elementærpartikler. De første partiklene akselereres i akseleratoren til høye energier "på kollisjonskurs" og kolliderer med hverandre på et bestemt sted. Hvis energien til partiklene er høy, blir mange nye partikler født under kollisjonsprosessen, vanligvis ustabile. Disse partiklene, som spres fra kollisjonspunktet, går i oppløsning til mer stabile partikler, som registreres av detektorer. For hver slik kollisjonshandling (fysikere sier: for hver hendelse) - og de registreres i tusenvis per sekund! -eksperimentører bestemmer som et resultat kinematiske variabler: verdiene til impulsene og energiene til de "fangede" partiklene, så vel som banene deres (se figuren i læreboken). Ved å samle mange hendelser av samme type og studere fordelingen av disse kinematiske størrelsene, rekonstruerer fysikere hvordan interaksjonen skjedde og hvilken type partikler de resulterende partiklene kan tilskrives.

Trinn 3.

Elementærpartikler er kombinert i tre grupper: fotoner , leptoner Og hadroner (Vedlegg 2).

Gutter, liste meg opp partiklene som tilhører gruppen av fotoner.

Forutsagt elevaktivitet: Til gruppen fotoner refererer til en enkelt partikkel - et foton

Lærerens aktiviteter: neste gruppe består av lette partiklerleptoner .

: denne gruppen inkluderer to typer nøytrinoer (elektron og myon), elektron og?-meson

Lærerens aktiviteter: Leptoner inkluderer også en rekke partikler som ikke er oppført i tabellen.

Den tredje store gruppen består av tunge partikler kalt hadroner. Denne gruppen er delt inn i to undergrupper. Lettere partikler danner en undergruppe mesoner .

Forutsagt elevaktivitet: de letteste av dem er positivt og negativt ladet, samt nøytrale -mesoner. Pioner er kvanta av kjernefysiske felt.

Lærerens aktiviteter: andre undergruppe -baryoner - inkluderer tyngre partikler. Det er den mest omfattende.

Forutsagt elevaktivitet: De letteste baryonene er nukleoner - protoner og nøytroner.

Lærerens aktiviteter: de etterfølges av de såkalte hyperonene. Omega-minus-hyperon, oppdaget i 1964, lukker bordet.

Overfloden av oppdagede og nyoppdagede hadroner førte til at forskere trodde at de alle var bygget av noen andre mer fundamentale partikler.

I 1964 la den amerikanske fysikeren M. Gell-Man frem en hypotese, bekreftet av senere forskning, om at alle tunge fundamentale partikler – hadroner – er bygget av mer fundamentale partikler kaltkvarker.

Fra et strukturelt synspunkt består elementarpartiklene som utgjør atomkjerner (nukleoner), og generelt alle tunge partikler - hadroner (baryoner og mesoner) - av enda enklere partikler, som vanligvis kalles fundamentale. Denne rollen som virkelig grunnleggende primærelementer i materie spilles av kvarker, hvis elektriske ladning er lik +2/3 eller -1/3 av enhetens positive ladning til et proton.

De vanligste og lette kvarkene kalles opp og ned og betegnes henholdsvis u (fra engelsk opp) og d (ned). Noen ganger kalles de også proton- og nøytronkvarker på grunn av at protonet består av en kombinasjon av uud, og nøytronet - udd. Toppkvarken har en ladning på +2/3; bunn - negativ ladning -1/3. Siden et proton består av to opp-kvarker og én ned-kvarker, og et nøytron består av én opp- og to ned-kvarker, kan du uavhengig bekrefte at den totale ladningen til et proton og et nøytron er strengt tatt lik 1 og 0.

To andre par kvarker er en del av mer eksotiske partikler. Kvarker fra det andre paret kalles sjarmert - c (fra sjarmert) og merkelig - s (fra merkelig).

Det tredje paret består av sanne - t (fra sannhet, eller i engelsk tradisjon øverst) og vakre - b (fra skjønnhet, eller i engelsk tradisjon nederst) kvarker.

Nesten alle partikler som består av ulike kombinasjoner av kvarker er allerede oppdaget eksperimentelt.

Med aksept av kvarkhypotesen var det mulig å lage et harmonisk system av elementærpartikler. Tallrike søk etter kvarker i fri tilstand, utført ved høyenergiakseleratorer og i kosmiske stråler, har vært mislykket. Forskere tror at en av årsakene til at frie kvarker ikke kan observeres kanskje er deres veldig store masse. Dette forhindrer fødselen av kvarker ved energier som oppnås i moderne akseleratorer.

I desember 2006 ble imidlertid en merkelig melding om oppdagelsen av "frie toppkvarker" sendt på tvers av vitenskapelige nyhetsbyråer og media.

4. Innledende sjekk av forståelse.

Lærerens aktiviteter: så folkens, vi har dekket:

hovedstadier i utviklingen av partikkelfysikk

funnet ut hvilken partikkel som kalles elementær

ble kjent med partiklers typologi.

I neste leksjon skal vi se på:

mer detaljert klassifisering av elementærpartikler

typer interaksjoner mellom elementærpartikler

antipartikler.

Og nå foreslår jeg at du tar en test for å gjenopplive i minnet hovedpunktene i materialet vi har studert (Vedlegg 3).

5. Oppsummering av leksjonen.

Lærerens aktiviteter: Å gi karakterer til de mest aktive elevene.

6. Lekser

Lærerens aktiviteter:

1. § 114 - 115

2. abstrakt.

Leksjon nr. 67.

Leksjonens tema: Problemer med elementærpartikler

Leksjonens mål:

Pedagogisk:å introdusere studentene til begrepet en elementær partikkel, med klassifisering av elementærpartikler, for å generalisere og konsolidere kunnskap om grunnleggende typer interaksjoner, for å danne et vitenskapelig verdensbilde.

Pedagogisk:å danne en kognitiv interesse for fysikk, innpode kjærlighet og respekt for vitenskapens prestasjoner.

Pedagogisk: utvikling av nysgjerrighet, evne til å analysere, selvstendig formulere konklusjoner, utvikling av tale og tenkning.

Utstyr: interaktiv tavle (eller projektor med lerret).

Leksjonstype: lære nytt materiale.

Leksjonstype: foredrag

I løpet av timene:

Organisasjonsstadiet

Studerer et nytt emne.

I naturen er det 4 typer grunnleggende (grunnleggende) interaksjoner: gravitasjon, elektromagnetisk, sterk og svak. I følge moderne ideer utføres interaksjon mellom kropper gjennom feltene rundt disse kroppene. Selve feltet i kvanteteori forstås som en samling av kvanter. Hver type interaksjon har sine egne interaksjonsbærere og kommer ned til absorpsjon og emisjon av tilsvarende lyskvanter av partikler.

Interaksjoner kan være langdistanse (manifest på svært lange avstander) og kortdistanse (manifest på svært korte avstander).

Gravitasjonsinteraksjon skjer gjennom utveksling av gravitoner. De har ikke blitt oppdaget eksperimentelt. I følge loven som ble oppdaget i 1687 av den store engelske vitenskapsmannen Isaac Newton, tiltrekker alle legemer, uansett form og størrelse, hverandre med en kraft som er direkte proporsjonal med deres masse og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem. Gravitasjonsinteraksjon fører alltid til tiltrekning av kropper.

Elektromagnetisk interaksjon er langdistanse. I motsetning til gravitasjonsinteraksjon, kan elektromagnetisk interaksjon resultere i både tiltrekning og frastøting. Bærerne av elektromagnetisk interaksjon er kvanter av det elektromagnetiske feltet - fotoner. Som et resultat av utvekslingen av disse partiklene oppstår elektromagnetisk interaksjon mellom ladede legemer.

Sterk interaksjon er den kraftigste av alle interaksjoner. Det er kort rekkevidde, de tilsvarende kreftene avtar veldig raskt når avstanden mellom dem øker. Virkningsradiusen til kjernefysiske krefter er 10 -13 cm

Det svake samspillet skjer på svært korte avstander. Aksjonsområdet er omtrent 1000 ganger mindre enn for atomstyrker.

Oppdagelsen av radioaktivitet og resultatene av Rutherfords eksperimenter viste overbevisende at atomer er sammensatt av partikler. De har vist seg å bestå av elektroner, protoner og nøytroner. Til å begynne med ble partiklene som atomene er bygget av ansett som udelelige. Det er derfor de ble kalt elementærpartikler. Ideen om en "enkel" struktur av verden ble ødelagt da antipartikkelen til elektronet ble oppdaget i 1932 - en partikkel som hadde samme masse som elektronet, men som skilte seg fra den i tegnet på den elektriske ladningen. Denne positivt ladede partikkelen ble kalt en positron... ifølge moderne konsepter har hver partikkel en antipartikkel. Partikkelen og antipartikkelen har samme masse, men motsatte fortegn på alle ladninger. Hvis antipartikkelen faller sammen med selve partikkelen, kalles slike partikler virkelig nøytrale, ladningen deres er 0. For eksempel et foton. Når en partikkel og antipartikkel kolliderer, tilintetgjør de, det vil si at de forsvinner og blir til andre partikler (ofte er disse partiklene et foton).

Alle elementærpartikler (som ikke kan deles inn i komponenter) er delt inn i 2 grupper: fundamentale (strukturløse partikler, alle fundamentale partikler på dette stadiet av fysikkens utvikling anses som strukturløse, det vil si at de ikke består av andre partikler) og hadroner ( partikler med en kompleks struktur).

Fundamentale partikler er på sin side delt inn i leptoner, kvarker og bærere av interaksjoner. Hadroner er delt inn i baryoner og mesoner. Leptoner inkluderer elektron, positron, myon, taon og tre typer nøytrinoer.

Kvarker er partiklene som utgjør alle hadroner. Delta i sterke interaksjoner.

I følge moderne konsepter oppstår hver av interaksjonene som et resultat av utveksling av partikler, kalt bærere av denne interaksjonen: et foton (en partikkel som bærer den elektromagnetiske interaksjonen), åtte gluoner (partikler som bærer den sterke interaksjonen), tre mellomliggende vektor bosoner W + , W- og Z 0, som bærer den svake interaksjonen, graviton (bærer av gravitasjonsinteraksjon). Eksistensen av gravitoner er ennå ikke bevist eksperimentelt.

Hadroner deltar i alle typer grunnleggende interaksjoner. De består av kvarker og er på sin side delt inn i: baryoner, bestående av tre kvarker, og mesoner, bestående av to kvarker, hvorav den ene er en antikvark.

Den sterkeste interaksjonen er interaksjonen mellom kvarker. Et proton består av 2 u-kvarker, en d-kvarker, et nøytron består av en u-kvarker og 2 d-kvarker. Det viste seg at på svært korte avstander legger ingen av kvarkene merke til naboene sine, og de oppfører seg som frie partikler som ikke samhandler med hverandre. Når kvarker beveger seg bort fra hverandre, oppstår det en tiltrekning mellom dem, som øker med økende avstand. Å dele hadroner i individuelle isolerte kvarker ville kreve mye energi. Siden det ikke er slik energi, viser kvarkene seg å være evige fanger og forblir for alltid låst inne i hadronen. Kvarker holdes inne i hadronen ved gluonfeltet.

III. Konsolidering

Valg 1.

Alternativ 2.

3.. Hvor lenge lever et nøytron utenfor en atomkjerne? A. 12 min B. 15 min

Leksjonssammendrag. I løpet av timen ble vi kjent med partiklene i mikroverdenen og fant ut hvilke partikler som kalles elementære.

D/z§ 9.3

Partikkelnavn Masse (i elektroniske masser) Elektrisk ladning Levetid (er) Antipartikkel Stabil Nøytrino-elektron Stabil Nøytrino 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

Nevn de viktigste interaksjonene som finnes i naturen

Hva er forskjellen mellom en partikkel og en antipartikkel? Hva har de til felles?

Hvilke partikler deltar i gravitasjons-, elektromagnetiske, sterke og svake interaksjoner?

Valg 1.

1. En av egenskapene til elementærpartikler er evnen……… A. til å forvandle seg til hverandre B. spontant forandre seg

2. Partikler som kan eksistere i fri tilstand i ubegrenset tid kalles..... A. ustabil B. stabil.

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

4. En langlivet partikkel. A. nøytrino B. nøytron

5. Nøytrinoer produseres som et resultat av nedbrytning av..... A. elektron B. nøytron

Alternativ 2.

Hva er hovedfaktoren i eksistensen av elementærpartikler?

A. deres gjensidige penetrasjon B. deres gjensidige transformasjon.

2. Hvilken av elementærpartiklene er ikke isolert til en fri partikkel. A. pion B. kvarker

3. Hvor lenge lever et nøytron utenfor en atomkjerne? A. 12 min B. 15 min

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

Finnes det uforanderlige partikler i naturen? A. ja B. nei

Molyanova Nadezhda Mikhailovna ID 011

Emne: Opprinnelsen til partikkelfysikk. Klassifisering av elementærpartikler.

Hovedinnholdet i undervisningsmaterialet:
- Historiske stadier av utvikling av elementærpartikler.
- Begrepet elementærpartikler og deres klassifisering, gjensidige transformasjoner.
- Typer interaksjoner av elementærpartikler.
- Elementærpartikler i livet vårt.

Leksjonstype: generalisering og systematisering.

Leksjonsformat: En forelesning med innslag av samtale og selvstendig arbeid av elever med lærebok og tabeller (tabellene ligger på elevenes bord og projiseres på skjermen i løpet av timen).

Hensikten med leksjonen:
- Utvide elevenes forståelse av materiens struktur, gi en klassifisering av elementærpartikler, deres generelle egenskaper, og gjøre dem kjent med hovedstadiene i utviklingen.
- Utvikle elevenes vitenskapelige tenkning basert på ideer om elementærpartikler og deres interaksjoner

I løpet av timene:
1. Organisasjonsøyeblikk (1 min.)
2. Lære nytt materiale (30 min.)
3. Konsolidering av lært kunnskap (6 min.)
4. Oppsummering (2 min.)
5. D/Z (1 min.)

1. I dag i leksjonen skal vi snakke om de primære, uoppløselige partiklene som utgjør all materie. Du er allerede mer eller mindre kjent med elektronet, fotonet, protonet og nøytronet. Men hva er en elementær partikkel?

2. De historiske stadiene av utviklingen av elementærpartikler kan presenteres i form av en tabell.

På begynnelsen av 1900-tallet ble det oppdaget at alle atomer er bygget av nøytroner, protoner og elektroner. Positroner, nøytrinoer, fotoner (gammakvante) ble oppdaget.
Grunnleggende egenskaper ved de vanligste elementærpartiklene.

Elementærpartikler, i ordets nøyaktige betydning, er de primære, videre uoppløselige partiklene som alle stoffer er sammensatt av.
For tiden brukes dette begrepet om en stor gruppe mikropartikler som IKKE er atomer eller kjerner, med unntak av protonet, som både er en elementær partikkel og kjernen til et lett hydrogenatom.
Elementærpartikler er preget av følgende parametere: " partikkelens hvilemasse, spinnverdi, elektrisk ladningsverdi, levetid."
Spinnet til en elementær partikkel er lik forholdet mellom Plancks konstant og 2 n

Partikler som har spinn osv. kalles bosoner ; med halvt heltallsspinn - fermioner , dvs. alle elementærpartikler er delt inn i partikler og antipartikler. De har samme masse, spinn, levetid og elektriske ladninger av samme størrelse.

Positronet ble oppdaget i et skykammer i 1928. Denne partikkelen er et elektron, men med positiv ladning ble positronet oppdaget i kosmiske stråler. Senere, under interaksjonen av gammakvanter med materie og i reaksjonen med å konvertere et proton til et nøytron.

Prosessen med interaksjon av en elementær partikkel med en antipartikkel, som et resultat av at de blir til andre partikler eller kvanter av et elektromagnetisk felt, kalles utslettelse (forsvinning). Utslettelsesreaksjon:

Den omvendte utslettelsesprosessen kalles fødsel av et par .

Spørsmål: Tenk på hvilken struktur antideuterium vil ha?
Svar: består av et elektron og en kjerne (proton og nøytron). Et antideuteriumatom vil bestå av en antinukleus (et antiproton og et antinøytron) og ett positron som beveger seg rundt antinucleus.

Elementærpartikler deltar i fire kjente grunnleggende typer interaksjon: sterk, elektromagnetisk, svak og gravitasjonsmessig. (se tabell 3)


Energiene til grunnleggende interaksjoner er omtrent som følger:

La oss se på tabell 4
Spørsmål: Nevn hovedklassene av elementærpartikler.

Svar: fotoner, leptoner, mesoner, baryoner.

Spørsmål: Nevn hovedkarakteristikkene til elementærpartikler.
Svar: Masse, ladning, spinn, levetid.

Spørsmål: Hvordan er partikler og antipartikler forskjellige?
Svar: Tegnene på de elektriske ladningene til partikkelen og antipartikkelen er motsatte.

Fotoner– partikler som deltar i elektromagnetiske og gravitasjonsinteraksjoner.
Leptoner– partikler som ikke deltar i sterke interaksjoner, men er i stand til de tre andre.
Hadroner– partikler som deltar i alle typer grunnleggende interaksjoner. Denne klassen inkluderer baryoner og mesoner. Baryoner har halvtallsspinn, og mesoner har heltallspinn. Tilhørighet til en baryon markeres ved å tildele en baryonladning - et tall lik +1 for en partikkel, og -1 for en antipartikkel. Hadroner inkluderer bare en del av mesonene (P-meson). Nukleoner er klassifisert som baryoner. Baryoner hvis masse er større enn massen til et nukleon kalles hyperoner.
Tilhørighet til leptoner markeres ved å tildele en leptonisk ladning til hver partikkel: +1 for partikler, -1 for antipartikler.
Det er fastslått at hadroner består av kvarker– seks partikler som har en brøkdel av elementær elektrisk ladning. Kvarker er ikke observert i fri tilstand bare i sentrum av nukleonet de finnes som uavhengige partikler.
For å trenge dypere inn i mikroverdenen er det nødvendig å bruke partikler med stadig høyere energier.
Det viser seg at med den enorme energien som eksisterer ved temperatur, kombineres de svake og elektromagnetiske interaksjonene til den elektrosvake interaksjonen. Når alle fire interaksjonene kombineres, blir det mulig å transformere partikler av fysisk materiale (fermioner) til partikler som er bærere av interaksjon (bosoner).
Hvorfor er informasjon om elementærpartikler så nødvendig?
Det viktigste for partikkelfysikk er konklusjonen om forholdet mellom masse og energi. Energien til en kropp eller et system av emner er lik massen multiplisert med kvadratet av hastigheten.
Noe å tenke på!
En nøytrino er en partikkel som dukket opp i øyeblikket av universets fødsel og bærer mye informasjon, så nøytrinoteleskoper "fanger" partikler og forskere studerer dem. Det er en positron tomograf enhet. Et radioaktivt element blir introdusert i blodet til en levende organisme, og sender ut positroner, som reagerer med kroppens elektroner, tilintetgjør og sender ut gammastråler, som oppdages av en detektor.
I små doser har gammastråler en viss fordel på levende organismer. Bruksområde - medisin, vitenskap, teknologi.

3. Bruk støttenotater, en lærebok, tabeller, svar på spørsmålene.

4. Alle elementærpartikler forvandles til hverandre, d.v.s. disse gjensidige transformasjonene er hovedfaktoren i deres eksistens. Blant egenskapene til elementære partikler kan følgende skilles: ustabilitet, interkonvertibilitet og interaksjon, tilstedeværelsen av en antipartikkel i hver partikkel, kompleks struktur, klassifisering.

Verden består av fundamentale partikler. Enhver materiell kropp har masse. Hva er masse? LHC er en partikkelakselerator som lar fysikere trenge dypere inn i materie enn noen gang før.
Opprettelsen av LHC markerer begynnelsen på fremtidig avansert forskning. Forskere håper på nye fysiske fenomener, som de unnvikende Higgs-partiklene, eller de som danner mørk materie, som utgjør det meste av materien i universet. Det er umulig å forutsi resultatene av de kommende eksperimentene nøyaktig, men de vil definitivt ha stor innvirkning og ikke bare på partikkelfysikk! Men etableringen av LHC avslutter ikke en side i fysikkens historie, men markerer snarere begynnelsen på fremtidig lovende forskning.

5. Lekser (på tavlen)
Avsnitt 115, 116; referansesammendrag
utarbeide en rapport om fremdriften i forskningsarbeidet ved LHC.

Brukte bøker:
Fysikk 11 G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Bustard.
Fysikkkurs. Bind 3 K.A. Putilov, V.A.
Atom- og kjernefysikk. OK. Costco.
Leksjonsutvikling i fysikk. 11. klasse. V.A.Volkov.
Uroki. Nett

Mål: Å fortelle elevene om elementærpartikler, deres grunnleggende egenskaper og klassifikasjoner

I løpet av timene

Nytt materiale (gitt i forelesning)

Studier av strukturen til atomet og atomkjernen har vist at sammensetningen av atomet inkluderer elektroner, protoner og nøytroner. Det var vanlig å kalle disse partiklene elementære. Foton(), positron (e +) og nøytrino (v), som er direkte relatert til atomet og kjernen, begynte også å bli kalt elementærpartikler.

I følge den opprinnelige planen er elementærpartikler de enkleste partiklene som stoffet (atomene) i den eksisterende verden er bygget av.

Elementærpartikler ble opprinnelig forestilt som noe evig, uforanderlig, uforgjengelig, og bildet av en elementærpartikkel ble assosiert med bildet av et sandkorn eller en strukturløs liten ball.

I dag er det ikke noe klart kriterium for elementaritet. Konseptet "elementærpartikkel" er veldig komplekst i disse dager.

La oss kort liste de kjente elementarpartiklene i rekkefølgen etter deres historiske oppdagelse.

Metodologiske merknader: Studentene blir bedt om å fylle ut følgende tabell på tidspunktet for ytterligere forklaring (vedlegg 1)

Hvilken type tilhører den?	Partikkelnavn	Betegnelse	Åpningsår	Ladning q	Partikkelmasse

Elektronet ble oppdaget av J.J Thomsan i 1897. Massene av andre elementærpartikler uttrykkes vanligvis gjennom elektronets masse.

I 1900 M. Planck og spesielt i 19005. A. Einstein viste at lys består av separate deler - fotoner. Et foton har ingen ladning, og hvilemassen er 0. Et foton kan bare eksistere i prosessen med å bevege seg med lysets hastighet.

Rutherfords eksperimenter med partikkelspredning i 1911. Førte til oppdagelsen av protonet. Protonmasse=1836m e

De fleste fysikere var sikre på at de endelig hadde klart å redusere all mangfoldet av kjemiske elementer og stoffer i naturen til to enkle enheter: elektroner og protoner. Bildet tegnet av fysikerne fra disse årene om materiens struktur innpodet en følelse av vitenskapelig skjønnhet og ynde. I perioden fra 1911 I 1932 Mange forskere var fylt med en følelse av tilfredshet over at de var i stand til å oppfylle den hundre år gamle drømmen om vitenskapelig forskning.

Imidlertid i 1928 P. Dirac, og deretter i 1932 K. Anderson oppdaget slike partikler, kalt positroner(e+)

Positronet er den første elementærpartikkelen som er forutsagt teoretisk.

I 1932 D. Chadwig oppdaget et nøytron med masse = 1838 m e

Et nøytron i fri tilstand, i motsetning til et proton, er ustabilt og henfaller til et proton og et elektron med halveringstid T = 1,01 10 3 s. Inne i kjernen kan et nøytron eksistere på ubestemt tid.

I 1931-1933. W. Pauli, som analyserte -decay, antydet at under forfall, i tillegg til protonet og elektronet, sendes det ut en annen nøytral partikkel med hvilemasse = 0. Denne partikkelen ble kalt nøytrino()

Først i 1956 K. Cowan og hans kolleger oppdaget en antinøytrino() produsert i en atomreaktor. Den ble "fanget" når man studerte reaksjonen: p+ v n+e + , nøytrinoen forårsaker reaksjonen n+p+e - .

I 1937 K. Anderson og S. Nedderman oppdaget ladede partikler med en masse på 206,7m e, disse partiklene ble kalt -mesoner (+ og -), med en ladning på +e og -e. For tiden kalles disse partiklene -partikler eller -myoner.

I 1947 Engelske forskere S. Powell, G. Occhialini og andre oppdaget -mesoner (-meson er den primære mesonen, som, når den råtner, gir myoner)

Mesonen har en ladning på +e og -e, og en masse på 273,2 m e. Noe senere enn 1950 ble det oppdaget en nøytral -meson (o), med en masse på 264,2 m e. For tiden tre typer -meson er kjent: -, o, + , de interagerer intenst med nukleoner og skapes lett når nukleoner kolliderer med kjerner, dvs. er atomaktive. Det antas for tiden at -mesoner er kjernefysiske feltkvanter som er ansvarlige for hoveddelen av kjernefysiske styrker.

Fra 1949-1950 En bokstavelig "invasjon" av elementærpartikler begynte, og antallet økte raskt.

De nylig dukkede partiklene kan deles inn i to grupper:

Den første gruppen inkluderer partikler med masser på ca. 966 m e og 974 m e, for tiden kalt K-mesons. K + og K - mesoner er kjent med masser på ca. 966,3 m e og elektriske ladninger +e og -e. Nøytrale K-mesoner (K ​​o og K o) med masser på 974,5 m e er kjent.

Den andre gruppen av partikler kalles hyperoner. Følgende hyperoner er for tiden kjent:

I 1955 Antiprotonet ble oppdaget, og i 1956 ble antinøytronet oppdaget.

De siste årene har det blitt oppdaget nye kvasipartikler (resonanstilstander) med uvanlig kort levetid, i størrelsesorden 10 -22 - 10 -23 sek. I dette tilfellet er det ikke engang mulig å oppdage spor av partikler og deres eksistens kan bare bedømmes ut fra indirekte betraktninger, fra analyseoppførselen til deres nedbrytningsprodukter.

I de senere år har en annen type nøytrino blitt oppdaget, den såkalte myonnøytrinoen (antineutrino) og, som for eksempel sendes ut under forfallet av -mesoner;

III gruppe- tunge partikler, eller baryoner

Denne gruppen inkluderer:

• Nukleoner og deres antipartikler
• Hyperoner og deres antipartikler

Anvendelse av termonukleær energi ved å bruke eksemplet med Tokamak-installasjonen

Elevene blir bedt om å svare på spørsmålene:

• Hvilken kjernereaksjon kalles termonukleær (oral)?
• Hvordan kan en termonukleær reaksjon utføres?
• Forklar prinsippet for driften av Tokamak-installasjonen (skriftlig ved bruk av tilleggslitteratur).
• Forklar prinsippet for drift av en laserinstallasjon for termonukleær fusjon" (skriftlig ved bruk av tilleggslitteratur)

Fysikere oppdaget eksistensen av elementærpartikler når de studerte kjernefysiske prosesser, så frem til midten av 1900-tallet var elementærpartikkelfysikk en gren av kjernefysikk. For tiden er elementær partikkelfysikk og kjernefysikk nære, men uavhengige grener av fysikk, forent av fellesheten til mange problemer som vurderes og forskningsmetodene som brukes. Hovedoppgaven til elementærpartikkelfysikk er studiet av elementærpartiklers natur, egenskaper og gjensidige transformasjoner.
Ideen om at verden er laget av fundamentale partikler har en lang historie. For første gang ble ideen om eksistensen av de minste usynlige partiklene som utgjør alle omkringliggende gjenstander uttrykt 400 år f.Kr. av den greske filosofen Demokrit. Han kalte disse partiklene atomer, det vil si udelelige partikler. Vitenskapen begynte å bruke ideen om atomer først på begynnelsen av 1800-tallet, da det på dette grunnlaget var mulig å forklare en rekke kjemiske fenomener. På 30-tallet av 1800-tallet, i teorien om elektrolyse utviklet av M. Faraday, dukket begrepet et ion opp og den elementære ladningen ble målt. Slutten av 1800-tallet ble preget av oppdagelsen av fenomenet radioaktivitet (A. Becquerel, 1896), samt oppdagelsene av elektroner (J. Thomson, 1897) og alfapartikler (E. Rutherford, 1899). I 1905 oppsto ideen om elektromagnetiske feltkvanter - fotoner (A. Einstein) i fysikk.
I 1911 ble atomkjernen oppdaget (E. Rutherford) og det ble endelig bevist at atomer har en kompleks struktur. I 1919 oppdaget Rutherford protoner i fisjonsproduktene til atomkjerner av en rekke grunnstoffer. I 1932 oppdaget J. Chadwick nøytronet. Det ble klart at atomkjernene, som selve atomene, har en kompleks struktur. Proton-nøytronteorien om strukturen til kjerner oppsto (D. D. Ivanenko og V. Heisenberg). I samme 1932 ble et positron oppdaget i kosmiske stråler (K. Anderson). Et positron er en positivt ladet partikkel som har samme masse og samme (modulo) ladning som et elektron. Eksistensen av positronet ble forutsagt av P. Dirac i 1928. I løpet av disse årene ble de gjensidige transformasjonene av protoner og nøytroner oppdaget og studert, og det ble klart at disse partiklene heller ikke er naturens uforanderlige elementære "byggesteiner". I 1937 ble partikler med en masse på 207 elektronmasser, kalt myoner (μ-mesons), oppdaget i kosmiske stråler. Så, i 1947–1950, ble pioner (dvs. π mesoner) oppdaget, som ifølge moderne konsepter samhandler mellom nukleoner i kjernen. I de påfølgende årene begynte antallet nyoppdagede partikler å vokse raskt. Dette ble tilrettelagt av forskning på kosmiske stråler, utvikling av akseleratorteknologi og studiet av kjernefysiske reaksjoner.
For tiden er rundt 400 subnukleære partikler kjent, som vanligvis kalles elementære. De aller fleste av disse partiklene er ustabile. De eneste unntakene er foton, elektron, proton og nøytrino. Alle andre partikler gjennomgår spontane transformasjoner til andre partikler med visse intervaller. Ustabile elementærpartikler er svært forskjellige i deres levetid. Den lengstlevende partikkelen er nøytronet. Nøytronlevetiden er omtrent 15 minutter. Andre partikler "lever" i mye kortere tid. For eksempel er gjennomsnittlig levetid for en μ-meson 2,2·10–6 s, og den for en nøytral π-meson er 0,87·10–16 s. Mange massive partikler - hyperoner - har en gjennomsnittlig levetid i størrelsesorden 10–10 s.
Det er flere dusin partikler med en levetid på over 10–17 s. På skalaen til mikrokosmos er dette en betydelig tid. Slike partikler kalles relativt stabile. De fleste kortlivede elementærpartikler har levetider i størrelsesorden 10–22–10–23 s.
Evnen til å gjennomgå gjensidige transformasjoner er den viktigste egenskapen til alle elementærpartikler. Elementærpartikler er i stand til å bli født og ødelagt (avgis og absorberes). Dette gjelder også for stabile partikler, med den eneste forskjellen at transformasjoner av stabile partikler ikke skjer spontant, men gjennom interaksjon med andre partikler. Et eksempel er utslettelse (dvs. forsvinning) av et elektron og et positron, ledsaget av fødselen av høyenergifotoner. Den omvendte prosessen kan også oppstå - fødselen av et elektron-positron-par, for eksempel når et foton med tilstrekkelig høy energi kolliderer med en kjerne. Protonet har også en så farlig tvilling som positronet for elektronet. Det kalles et antiproton. Den elektriske ladningen til antiprotonet er negativ. Foreløpig er det funnet antipartikler i alle partikler. Antipartikler er i motsetning til partikler fordi når en hvilken som helst partikkel møter sin antipartikkel, skjer deres utslettelse, dvs. begge partiklene forsvinner og blir til strålingskvanter eller andre partikler.
Antipartiklen er til og med funnet i nøytronet. Nøytronet og antinøytronet skiller seg bare i tegnene til det magnetiske momentet og den såkalte baryonladningen. Eksistensen av antimaterieatomer er mulig, hvis kjerner består av antinukleoner og skallet av positroner. Når antimaterie tilintetgjør med materie, blir resten av energien omdannet til energien til strålingskvanta. Dette er enorm energi, betydelig over den som frigjøres under kjernefysiske og termonukleære reaksjoner.
I mangfoldet av elementærpartikler som er kjent til dags dato, finnes et mer eller mindre harmonisk klassifiseringssystem. I tabellen 9.9.1 gir noe informasjon om egenskapene til elementærpartikler med en levetid på mer enn 10–20 s. Av de mange egenskapene som karakteriserer en elementær partikkel, viser tabellen bare partikkelens masse (i elektronmasser), elektrisk ladning (i enheter av elementær ladning) og vinkelmomentum (det såkalte spinn) i enheter av Plancks konstant ħ = h / 2π. Tabellen viser også gjennomsnittlig partikkellevetid.
Gruppe
Partikkelnavn
Symbol
Masse (i elektroniske masser)
Elektrisk ladning
Snurre rundt
Levetid (er)
Partikkel
Antipartikkel
Fotoner
Foton
γ

Stabil
Leptoner
Nøytrino-elektron
νe

1 / 2
Stabil
Nøytrino 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
Nøytron
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

Tabell 9.9.1.
Elementærpartikler er kombinert i tre grupper: fotoner, leptoner og hadroner.
Gruppen av fotoner inkluderer en enkelt partikkel - et foton, som er bæreren for elektromagnetisk interaksjon.
Den neste gruppen består av lette leptoniske partikler. Denne gruppen inkluderer to typer nøytrinoer (elektron og myon), elektron og μ-meson. Leptoner inkluderer også en rekke partikler som ikke er oppført i tabellen. Alle leptoner har spinn
Den tredje store gruppen består av tunge partikler kalt hadroner. Denne gruppen er delt inn i to undergrupper. Lettere partikler utgjør en undergruppe av mesoner. De letteste av dem er positivt og negativt ladet, samt nøytrale π-mesoner med masser i størrelsesorden 250 elektronmasser (tabell 9.9.1). Pioner er kvanter av kjernefeltet, akkurat som fotoner er kvanter av det elektromagnetiske feltet. Denne undergruppen inkluderer også fire K mesoner og en η0 meson. Alle mesoner har et spinn lik null.
Den andre undergruppen - baryoner - inkluderer tyngre partikler. Det er den mest omfattende. De letteste baryonene er nukleoner - protoner og nøytroner. De blir fulgt av de såkalte hyperonene. Omega-minus hyperonet, oppdaget i 1964, lukker bordet Det er en tung partikkel med en masse på 3273 elektronmasser. Alle baryoner har spinn
Overfloden av oppdagede og nyoppdagede hadroner førte til at forskere trodde at de alle var bygget av noen andre mer fundamentale partikler. I 1964 la den amerikanske fysikeren M. Gell-Man frem en hypotese, bekreftet av senere forskning, om at alle tunge fundamentale partikler – hadroner – er bygget av mer fundamentale partikler kalt kvarker. Basert på kvarkhypotesen ble ikke bare strukturen til allerede kjente hadroner forstått, men eksistensen av nye ble også forutsagt. Gell-Manns teori antok eksistensen av tre kvarker og tre antikvarker, som forbinder med hverandre i forskjellige kombinasjoner. Dermed består hver baryon av tre kvarker, og hver antibaryon består av tre antikvarker. Mesoner består av kvark-antikvark-par.
Med aksept av kvarkhypotesen var det mulig å lage et harmonisk system av elementærpartikler. Imidlertid viste de forutsagte egenskapene til disse hypotetiske partiklene seg å være ganske uventede. Den elektriske ladningen til kvarker må uttrykkes i brøktall lik den elementære ladningen.
Tallrike søk etter kvarker i fri tilstand, utført ved høyenergiakseleratorer og i kosmiske stråler, har vært mislykket. Forskere tror at en av årsakene til at frie kvarker ikke kan observeres kanskje er deres veldig store masse. Dette forhindrer fødselen av kvarker ved energier som oppnås i moderne akseleratorer. Imidlertid er de fleste eksperter nå sikre på at kvarker finnes inne i tunge partikler - hadroner.
Grunnleggende interaksjoner. Prosessene som ulike elementærpartikler deltar i, er svært forskjellige i deres karakteristiske tider og energier. I følge moderne konsepter er det fire typer interaksjoner i naturen som ikke kan reduseres til andre, enklere typer interaksjoner: sterke, elektromagnetiske, svake og gravitasjonsmessige. Disse typer interaksjoner kalles fundamentale.
Den sterke (eller kjernefysiske) interaksjonen er den mest intense av alle typer interaksjoner. De gir en ekstremt sterk binding mellom protoner og nøytroner i atomkjernene. Bare tunge partikler – hadroner (mesoner og baryoner) – kan ta del i sterke interaksjoner. Sterk interaksjon manifesterer seg ved avstander i størrelsesorden mindre enn 10–15 m. Derfor kalles det kortdistanse.
Elektromagnetisk interaksjon. Eventuelle elektrisk ladede partikler, så vel som fotoner - kvanta av det elektromagnetiske feltet, kan ta del i denne typen interaksjon. Elektromagnetisk interaksjon er spesielt ansvarlig for eksistensen av atomer og molekyler. Det bestemmer mange egenskaper til stoffer i fast, flytende og gassform. Coulomb frastøting av protoner fører til ustabilitet av kjerner med store massetall. Elektromagnetisk interaksjon bestemmer prosessene for absorpsjon og emisjon av fotoner av atomer og molekyler av materie og mange andre prosesser i fysikken til mikro- og makroverdenen.
Svak interaksjon er den tregeste av alle interaksjoner som forekommer i mikrokosmos. Alle elementærpartikler unntatt fotoner kan ta del i den. Svak interaksjon er ansvarlig for prosesser som involverer nøytrinoer eller antinøytrinoer, for eksempel nøytronbeta-forfall

Samt nøytrinofrie partikkelnedbrytningsprosesser med lang levetid (τ ≥ 10–10 s).
Gravitasjonsinteraksjon er iboende i alle partikler uten unntak, men på grunn av de små massene av elementærpartikler er kreftene til gravitasjonsinteraksjonen mellom dem ubetydelige og deres rolle i prosessene til mikroverdenen er ubetydelig. Gravitasjonskrefter spiller en avgjørende rolle i samspillet mellom kosmiske objekter (stjerner, planeter, etc.) med deres enorme masser.
På 30-tallet av 1900-tallet oppsto en hypotese om at i elementærpartiklers verden utføres interaksjoner gjennom utveksling av kvanter i et eller annet felt. Denne hypotesen ble opprinnelig fremsatt av våre landsmenn I. E. Tamm og D. D. Ivanenko. De foreslo at grunnleggende interaksjoner oppstår fra utveksling av partikler, akkurat som den kovalente kjemiske bindingen til atomer oppstår fra utveksling av valenselektroner som kombineres på ufylte elektronskall.
Interaksjonen som utføres ved utveksling av partikler kalles utvekslingsinteraksjon i fysikk. For eksempel oppstår elektromagnetisk interaksjon mellom ladede partikler på grunn av utveksling av fotoner - kvanta av det elektromagnetiske feltet.
Teorien om utvekslingsinteraksjon fikk anerkjennelse etter at den japanske fysikeren H. Yukawa teoretisk viste i 1935 at den sterke interaksjonen mellom nukleoner i atomkjernene kan forklares hvis vi antar at nukleoner utveksler hypotetiske partikler kalt mesoner. Yukawa beregnet massen til disse partiklene, som viste seg å være omtrent lik 300 elektronmasser. Partikler med en slik masse ble senere faktisk oppdaget. Disse partiklene kalles π-mesoner (pioner). For tiden er tre typer pioner kjent: π+, π– og π0 (se tabell 9.9.1).
I 1957 ble eksistensen av tunge partikler, de såkalte vektorbosonene W+, W– og Z0, teoretisk forutsagt, noe som forårsaket utvekslingsmekanismen til den svake interaksjonen. Disse partiklene ble oppdaget i 1983 i akseleratoreksperimenter ved bruk av kolliderende stråler av høyenergiprotoner og antiprotoner. Oppdagelsen av vektorbosoner var en svært viktig prestasjon innen partikkelfysikk. Denne oppdagelsen markerte suksessen til teorien, som kombinerte de elektromagnetiske og svake kreftene til en enkelt såkalt elektrosvak kraft. Denne nye teorien betrakter det elektromagnetiske feltet og det svake interaksjonsfeltet som forskjellige komponenter i det samme feltet, der vektorbosoner deltar sammen med det elektromagnetiske feltkvanten.
Etter denne oppdagelsen i moderne fysikk har tilliten til at alle typer interaksjon er nært knyttet til hverandre og i hovedsak er forskjellige manifestasjoner av et enkelt felt økt betydelig. Imidlertid forblir foreningen av alle interaksjoner bare en attraktiv vitenskapelig hypotese.
Teoretiske fysikere gjør betydelig innsats i forsøk på å vurdere på en enhetlig basis ikke bare det elektromagnetiske og svake, men også det sterke samspillet. Denne teorien ble kalt den store foreningen. Forskere foreslår at gravitasjonsinteraksjon også bør ha sin egen bærer - en hypotetisk partikkel kalt graviton. Imidlertid er denne partikkelen ennå ikke oppdaget.
Det anses nå som bevist at et enkelt felt som forener alle typer interaksjoner bare kan eksistere ved ekstremt høye partikkelenergier, uoppnåelig med moderne akseleratorer. Partikler kunne ha så høye energier bare i de aller tidligste stadiene av universets eksistens, som oppsto som et resultat av det såkalte Big Bang. Kosmologi – studiet av universets utvikling – antyder at Big Bang skjedde for 18 milliarder år siden. I standardmodellen for universets utvikling antas det at i den første perioden etter eksplosjonen kunne temperaturen nå 1032 K, og partikkelenergien E = kT kunne nå 1019 GeV. I denne perioden eksisterte materie i form av kvarker og nøytrinoer, og alle typer interaksjoner ble kombinert til et enkelt kraftfelt. Gradvis, etter hvert som universet utvidet seg, avtok partikkelenergien, og fra det enhetlige feltet av interaksjoner dukket først gravitasjonsinteraksjonen opp (ved partikkelenergier ≤ 1019 GeV), og deretter ble den sterke interaksjonen skilt fra den elektrosvake interaksjonen (ved energier av orden på 1014 GeV). Ved energier i størrelsesorden 103 GeV viste alle fire typer grunnleggende interaksjoner seg å være atskilt. Samtidig med disse prosessene fant dannelsen av mer komplekse former for materie sted - nukleoner, lette kjerner, ioner, atomer osv. Kosmologien prøver i sin modell å spore universets utvikling på ulike stadier av utviklingen fra Big Bang til i dag, avhengig av lovene i elementær partikkelfysikk, så vel som kjernefysikk og atomfysikk.