Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Фундаментальные частицы вещества

                                                        3.3. Фундаментальные частицы вещества

При  исследовании  центральной  положительно  заряженной  области атома – ядра - выявилась его внутренняя структура: ядро состоит из протонов и  нейтронов. На  смену  классическому  атомизму   пришла  концепция  атома, состоящего из субатомных частиц, для которых ввели термин элементарные, в  смысле -  далее  неделимые.  (Как  когда-то считали  неделимым  атом).  В 60 - 70 гг. нашего столетия  обнаружилась не только множественность (более 350!) элементарных частиц, но и то, что многие из них являются составными (могут  распадаться  на  другие  частицы).  В  такой  ситуации  термин «элементарная  частица»  изменил  свое физическое  содержание. В  современном естествознании это всего лишь объединяющее название для целого «мира»  микрочастиц.
 
Парадигма  классического  естествознания  включает  в  себя  концепцию целостного, простого и гармоничного устройства мира. Основа мировой гар  45монии -  вертикальное  соподчинение (иерархия)  различных,  но  подобных структурных уровней. «То, что наверху подобно тому, что внизу». В рамках классического  естествознания  всегда  были  обоснованными (предписывала парадигма!) поиски первоэлементов. Классическое идейное наследие подталкивало к поиску гармонии в новом разнообразии и к поиску новых первоэлементов - базовых, «действительно элементарных» частиц.

В качестве таких элементов были предложены кварки. Для совершенно нового слоя частиц, претендующих на фундаментальность, необходимо было намерено парадоксальное, непривычное название, которое будит ассоциации с чем-то необычным. С тем, что с трудом  принимается рациональным мышлением.  

Действительно, по модели М. Гелл-Мана и Дж. Цвейга, разработанной в 1963-64  гг.,  свойства  кварков  были  очень  непривычными  даже  для  большинства физиков.
 
1. Электрический  заряд кварков дробный: плюс две трети или плюс и минус одна треть от “естественной единицы заряда”, то есть от заряда электрона.

 
2.  В свободном состоянии, по одиночке, кварки просто не существуют. Как реальности кварки проявляют себя только в комбинациях по два или по три.

3. Во  взаимодействиях  с  участием  кварков  должно  было  проявляться свойство, для характеристики которого требуется три различных  качества.
 
Выдерживая принцип новизны, Гелл-Манн и Цвейг предложили название для свойства – «цветовой заряд», или просто цвет. Три проявления цветового  заряда  кварков:  красный,  синий,  зеленый. Очевидно,  что физический смысл этого цвета не тот, что в привычном человеку миру. Но почему не звук или вкус?  

Все дело в том, что у обычного, обыденного цвета, есть свойство бесцветности.  Смесь  цветов  радуги -  бесцветна,  это  белый  цвет.  Комбинация трех различных кварковых цветовых зарядов тоже белая или бесцветная.  Более  того,  выполняется  принцип  бесцветности:  реально  существуют (в  виде других элементарных частиц) только такие комбинации кварков и антикварков, которые бесцветны.
 
Условно можно считать, что кварковая модель строения ядерного «вещества»  знаменует  становление  современной физики микромира, поскольку она  дает  общую  основу  строения  большинства  микрочастиц.  В  ее  языке,   46кроме цвета, используются такие термины как странность, очарование,  да и сами кварки называются  следующим образом.
 


В  связи  с  гипотезой  Гелл-Мана  и  Цвейга  возникла  проблема  доказательства  существования  кварков.  В  классическом  естествознании  реально существующим  объектом  считалась  частица,  которую  можно  было  видеть, которую можно  было  взвесить,  определить  объем  и  т.д. Микробы и  другие микроорганизмы были  гипотезой до тех пор, пока их не «зафиксировали» в поле зрения микроскопа. Альфа-частицы можно зафиксировать по их воздействию  на  люминесцентный  экран,  гамма-кванты  фиксируются (пересчитываются)  по  эффекту  ионизации  газа  в  счетчике  Гейгера. Другие  элементарные  частицы  оставляют  следы (треки)  в  фотоэмульсии  или  в  пузырьковой камере. Все  это -  прямые  экспериментальные  доказательства  реального  существования объектов, переносящих  вполне определенное количество  энергии и импульса.
 
В отличие от классических или привычных квантовых объектов - элементарных частиц докварковой физики, индивидуальные кварки в обычных условиях не реализуются в природе. А раз так, то они не могут оставлять каких-либо  индивидуальных  следов.  Не  впадаем  ли  мы  в  мистицизм,  веря  в «кварки,  которые  не  оставляют  следов?» Оказалось,  что можно  не  только верить  в  кварки, но и  доказать их  реальность. Правда, доказательства были получены в экспериментах  по совокупности косвенных «улик», а именно  по предсказанию многочисленных  эффектов, которые они должны были вызывать  в  реакциях  с  их  участием. В  анализе  струй (веера) микрочастиц,  рождающихся при высоких энергиях ускоренных частиц, можно было рассчитать импульс  и  энергию  индивидуального  кварка,  определить  его  массу  покоя. Точное предсказание конечного результата на основе кварковой теории является  свидетельством  реального  наличия  в  природе  этих  фундаментальных «кирпичиков». 

На  современном  этапе  развития  естествознания  фундаментальными считаются следующие частицы вещества, каждая из которых имеет свою античастицу (различие - в знаке электрического заряда).
 

 
Существование кварков стало возможным проверить в опытах по рассеянию  электронов с  гигантской энергией в 2000 МэВ на протонах. Идейно эти опыты были похожи на опыты Резерфорда по рассеянию - частиц на ядрах.

Если  положительный  заряд  равномерно  распределен  в  протоне,  то электроны столь высокой кинетической энергии будут рассеиваться вперед и только под малыми углами. Если же в составе протона есть локальные электрически заряженные составляющие, то возможно рассеяние на большие углы и назад.

Опыты,  выполненные  на  ускорителе  Стэндфордского  университета, показали, что очень часто электроны рассеиваются на большие углы. В отличие от рассеяния на одном заряде в опытах Резерфорда, в данном случае рассеяние электрона происходило на трех точечных зарядах и вклады процессов рассеяния на каждом из них перекрывались. Поэтому только после тщательных  измерений  угловых  и  энергетических  распределений  рассеянных  электронов удалось выделить вклады отдельных центров рассеяния и определить величину их зарядов. Как и следовало из гипотезы кварков, заряды оказались дробными. Таким образом, кварковая модель выдержала первую проверку и была переведена в ранг  теории.  

Тем больше было изумление физиков, когда удалось рассчитать величины импульсов кварков в быстро движущемся протоне при его рассеянии на других нуклонах. Сумма импульсов кварков составляла всего около половины  полного  импульса  протона!  На  основании  закона  сохранения  импульса пришлось признать, что, кроме кварков, в составе протона имеются и другие частицы.  Они не имеют электрического заряда, так как не оказывают влияние на движение электронов при их рассеянии на протонах. Новые частицы были названы глюонами (от английского glue), что означает клей. Теория показала,  что  именно  глюоны  осуществляют  связь  кварков  в  адроны -  сильно взаимодействующие частицы. Глюоны являются частицами глюонного поля.

Позже было установлено, что глюоны несут цвет, как и кварки, и могут заимодействовать не только с кварками, но и между собой. Цветовые взаимодействия  объединяют  в  себе  хромоэлектрическое (кулоновского  типа)  и хромомагнитное (типа  магнитных  сил)  взаимодействия  одновременно.  Об  48разно говоря, цветовые силовые линии притягиваются друг к другу подобно двум параллельным проводникам с током. По своей величине действующие между  кварками  силы  много  больше  не  только  электростатических,  но  и ядерных мезонных сил. Хромоэлектричекие силы являются самыми большими из всех наблюдаемых в настоящее время сил в природе.  

Существует и другая возможность проверки наличия кварков в составе нуклонов. Она связана с использованием нейтрино. Эти частицы, как и электроны, не участвуют в сильных взаимодействиях и могут проникать в протоны  и  реагировать  с  одним  из  кварков. В  результате  реакции  нейтрино  превращается в электрон или в мюон. А эти частицы заряжены отрицательно, и их  легко  можно  идентифицировать  в  эксперименте. Эксперименты,  проведенные в 1973 г. и позднее в США и в Европейском центре ядерных исследований,  по  рассеянию  нейтрино  на  нуклонах  привели  к  выводам, полностью согласующимся  с  результатами  опытов  по  рассеянию  электронов  на  протонах. С этого времени кварки были признаны реально существующими частицами.   

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.