Элементарные частицы

все следующая тема которую мы с вами рассмотрим тему элементарные частицы . позитрон nejtrino домашнее задание я уже записал на прошлом уроке ну что же давайте оглянемся назад и вспомним как просто и наглядно был устроен мир древних все состояла из четырех простых субстанций скажем так земля вода воздух и огонь этим субстанциям в более современной физики соответствует твердое тело жидкость газы и теперь мы знаем еще одно состояние вещества плазма следующий вопрос который задали себе исследователи а из чего состоит вещество и греки ответили на этот вопрос она состоит из мельчайших частиц которые не делятся поэтому они называются а то мы не делим и и у допустим жидкостей атомы кругленькие скользкие шарики у твердых тел а там это вкус такие шарики с крючочками которые цепляются один за другой поэтому тело сохранят свою форму но дальше все усложняется появилось понятие молекулы которая состоит из нескольких атомов молекулы это вроде слова а атомы вроде буквы и меняя порядок букв можно получать различные слова точно также меняю порядок атомов можно получать разные молекулы ну и а там оказался неделимы вы знаете что в конце девятнадцатого века был выделен электрон как часть а там а потом выяснилось что атом состоит из электроны и ядра которые в свою очередь имеют сложную структуру там есть протоны там есть нейтроны так может быть на этом все и заканчивается может быть мир состоит из электронов нейтронов и протонов и эти частицы из которых состоят атомы они уже дальше являются неделимыми и внутренних уже ничего кроме них самих нет как это проверить попытаться разбить эти частицы как например разбивают а там когда из него выбивает электрон разгоняют электрон он ударяется разгоняет в электрическом поле например он ударяется в а там превращать его в и он вылетает электрон остается и он а если взять две частицы разогнать их с огромной энергии и столкнут может быть можно будет эту частицу расколоть и тут оказывается что совершенно результат неожиданный если мы до больших энергий разгоним например два электрона и кстати 2 любых частицы можно так разогнать то может получиться следующие из этих двух столкнувшихся частиц высыпется огромное количество других частиц причем таких которых внутри быть не может потому что масса получившихся этих осколков будет больше чем от этих электронов энергия которую они получили во время ускорения преобразуются в вещество и оказывается таким образом сталкивая практически любые элементарные частицы можно получить любые элементарные частицы то есть нельзя сказать что частица из чего-то состоит элементарная частица элементарно в том смысле например что она может быть стабильна хотя на самом деле быть стабильной убить быть вечно это не одно и то же я api поясню свои слова немножко позже но элементарные частицы нет очень сложную структуру в том смысле что из нее можно получить практически любые элементарные частицы сейчас известно более 200 разных элементарных частиц и из них только 4 частицы являются стабильными то есть если предоставите и самой себе эту частицу она может существовать вечно эти стабильные частицы стабильные частицы это фотон то есть это квант электромагнитного излучения это электрон это протон и частица о которой я сегодня в первый раз скажу это nejtrino вот это стабильная частицы вы видите в этом списке нет нейтрона оказывается нейтрон не является стабильной частицы внутри ядра происходит превращение нейтронов протоны протонов в нейтроны но и эти частицы тоже не вечный хотя они и стабильны но они рано или поздно исчезнут фотон рано или поздно поглотится веществом и прекратит свое существование у электрона есть смертный враг о котором я расскажу чуть позже это позитрон встречается электроном они взаимно уничтожают друг друга не остается ни того ни другого протон и нетрино тоже имеют своих врагов анти-частицы при встрече с которыми происходит взаимное уничтожение то есть если эти частицы и стабильны то вечных частиц не бывает в мире любая частица рано или поздно гибнет вот такая очень странная ситуация и вот мне сегодня хотелось бы рассказать о двух наиболее интересных частицах а потом сделаю краткий обзор какие же существуют элементарные частицы это назову далеко не многие потому что их на самом деле больше двухсот итак начнем с вот такой истории открытие позитрона открытие позитрона открытие позитрона к крайности сходятся явление которое носят астрономический характер и явления микромира очень часто имеют общие черты например планета нептун была ее существование было предсказано теоретически на кончике пера так вот позитрон в 1931 году был тоже предсказан 1931 год поль дирак французский физик решая релятивистские уравнения квантовой механики пришел к интересной ситуации в ходе его выкладок появилось нечто который очень напоминает формулу корней квадратного уравнения что то плюс-минус корень из чего-то вот этот плюс минус означал что в природе может существовать частица электрон хорошо нам знакомой но точно также имеет полное право на существование частица которая ничем не отличается от электрона кроме одного кроме электрического заряда это частица имеет ту же массу но только печерский заряд эта частица получила название позитрон и дирак предсказал что если встретится позитрон и электрон я минус 10 плюс е + 10 то в результате этого происходит явление которое получило название аннигиляция аннигиляция взаимное уничтожение но ведь у электрона была энергия покоя у позитрона тоже энергия покоя 511 кило электрон-вольт 0 511 мэв мы это записывали когда-то куда же оно девается когда эти две частицы уничтожают друг друга аннигилирую она превращается в гамма-излучения но обязательно 2 гамма-кванты должно быть которое и уносят вот эту энергию энергия каждого из этих гамма-квантов будет роль 511 миф или больше если эти частицы имели кинетическую энергию а почему именно две потому что в микромире работают все законы сохранения в том числе и закон сохранения импульса представьте себе что у вас навстречу движется электрон и позитрон чему равняется их суммарный импульс если их скорости одинаковый нулю значит в результате аннигиляции продукты этой аннигиляции тоже должны иметь суммарный импульс равны нулю но если вылетел один гамак want to он уносит собой импульс гамма команд обязательно должен обладать импульсом для того чтобы суммарный импульс должен был равен нулю обязательно должен быть 2 hama квант который летит в точности в противоположном направлении хочет признаком аннигиляции электроны с позитронов являются рождении двух гамма-квантов которые движутся в противоположные стороны для сохранения импульса интересно и еще вот что оказывается возможен и обратный процесс оказывается что гамма-кванты при определенных условиях может превратиться в электрон и позитрон но опять таки это один гамма квант может превратиться такой процесс называется рождение электрон позитронный пары рождение электрон позитронный пары такое явление если другие частицы в этом не участвуют невозможно потому что нарушается закон сохранения импульса у гамма-кванты импульс есть а у этих частиц импульс должен сохраняться так вот оказывается чтобы обеспечить одновременно сохранение энергии и импульса гамма-кванты должен пролететь через какое-то вещество и вот было зарегистрировано следующее явление гамма-кванты пролетал через свинцовую пластинку и исчезал в этой пластинке но зато отсюда вылетала две частицы и если поместить в камеру вильсона это систему и направим например направить магнитное поле вот как от нас что тогда можно обнаружить треки одна частица летит по дуге в эту сторону а вторая частицы летит по точно такого же радиуса дуги в эту сторону эта частица должна иметь какой заряд линии входят в ладонь это позитрон а это электронов вот так рождается электрон позитрона я пара это рисунок а то что сейчас вы увидите на экране эта фотография реального процесса рождения электрон позиционной пары фотография обработанная в после снимка в камере вильсона влево улетел позитрон вот вилочка такая направление движения позитрона и такого же радиуса траектория электрона 1 радиус такой же значит эта частица такого же удельного заряда раз у них одинаковые массы то у них должны быть одинаковы и противоположно направлены заряды дальше больше оказалось что у любой частицы существует анти-частицы существует антипротоны существуют анти нейтроны и любые другие частицы имеют свои анти-частицы есть только одно исключение антифа тон совпадает с фотоном анти фотоны фотон это одно и тоже вот такая удивительная вещь но тогда давайте возьмём антипротон объединим с анти нейтроном у нас получится анти дейтерий а если мы возьмем два антипротона едва анти нейтрона у нас получится анти альфа-частица а если мы посадим на нее сверху 2 антиэлектрон а то есть два позитрона у нас получится анти гелий и антигель в 1969 году был искусственно получен был синтезирован 1 атом антивещества а дальше конечно фантасты схватились за это и начали придумывать антимиры столкновение миров с анти мирами которая приводит к не гиля ции любая частица с любой той же самое одноименной анти-частицы всегда аннигилируют и при этом выделяется чистая энергия то есть энергия покоя частицы превращается в энергию излучения с кпд сто процентов больше теоретически получить энергию невозможно то есть самый эффективный способ получения энергии это непосредственно преобразование вещества в энергию еще один уникально совершенно объект природы это не крина тоже хочется рассказать об этом открытие nejtrino открытие nejtrino как будет по-итальянски ребенок не знаете по английски бэйби по итальянский ребенок бомби ну так вот nejtrino это ребенок нейтрона фирме дал название nejtrino как маленький нейтрон chic но это уже было позже а вот история состоит следующем еще резерфорд обнаружил что радиоактивное излучение имеет сложную структуру в его состав входят альфа-частицы гамма-излучения и бета-частицы и удивительно то что у бета-частиц вылетающих в ходе бета-распада может быть разная энергия помните когда резерфорд направлял поток радиоактивного излучения на фотопластинку а здесь была магнитное поле б то гамма-излучение попадала не отклонена в центр пластинки не отклоняясь альфа-излучения попадала в пятнышко вот сюда об это излучение образовывала целую полоску а это говорит о том что энергия бета-частиц разное от одного до другого бета-распада одни и те же ядра смотрите что получается одни и те же ядра превращаются в результате бета-распада в одни и те же ядра только другого химического элемента на единичку ближе к концу периодической системы из одного и того же получается одно и то же но частица бета-частица которая при этом вылетает может иметь большую энергию может иметь меньшую энергию ведь это же нарушение закона сохранения энергии если вылетает частицы она должна всегда иметь одну и ту же энергию потому что продукты имеют определенное значение энергии покоя и продукт и конечная и вот физики начали размышлять на эту тему и вон вольфганг паули вольфганг паули предложил что существует частица невидимка швейцарский физик кстати принцип павлик мы с вами обсуждали в атомной физики вольфганг паули предложить предложил что существует невидимая частицы что значит невидимка который очень трудно обнаружить а почему ее очень трудно обнаружить потому что у нее нет электрического заряда но у нее чудовищно большая скорость и она должна быть очень легкая считали что масса покоя этой частицы равна нулю на первых порах это частица выделяется в ходе бета-распада вместе с электроном и она уносит то энергию дефицит который обнаруживается из-за того что бета спектр бета спектр непрерывно то есть если энергия бета-частицы больше значит нетрино вылетает с меньшей энергией вот так смогли добиться того чтобы закон сохранение выполнялся эту частицу очень трудно обнаружить но если ее не обнаружат вообще то тогда наверно это просто замаскированная попытка отказаться от справедливости закона сохранения энергии эту частицу действительно обнаружить но перед тем как об этом говорить давайте посмотрим а что же из себя тогда представляет бета-распад внутри ядра электронов нет там есть только протоны и нейтроны если оттуда вылетел электрон это значит что нейтрон внутри ядра превратился в протон и кроме этого образовался электрон но и вот это сама nejtrino значит реакция выглядит так нейтрон 01 превращается в протон 11 плюс электрон минус 10 плюс вот это самая частица nejtrino у nejtrino точно так же как у любой элементарной частицы есть античастицы в данной ситуации как раз именно образуется антинейтрино анти нет и вот как выглядит бета-распад превращение нейтронов протон кстати свободный нейтрон помните я не записал его в список стабильных частиц если нейтрон находится не внутри ядра а свободен то он в течение среднем 15 минут распадается по точно такой же схеме то есть свободный электрон от одиночества распадается на устойчивую стабильную частицу стабильную частицу и стабильную частицу если конечно они потом не встретят античастицу как же обнаружить эту частицу невидимку она получается должна иметь большую энергию но поскольку она электрически нейтральна она должна обладать очень большой проникающей силой то есть проникающей способностью она может пролетать огромное расстояние не вызывая никаких реакций сквозь земной шар может пролететь не взаимодействуя с веществом земного шара как же ее обнаружить единственный способ это сделать так чтобы поток нейтрино был огромным очень концентрированным очень мощным и теоретически было предсказано возможность протекания вот такой ядерной реакции с участием nejtrino антинейтрино оказывается может попав в протон вызвать реакцию превращения протонов в ней трон-плюс позитрон такая реакция была теоретически предсказано но вероятность проходить протекания торец и крайне мало поскольку у nejtrino чудовищная проникающая способность значит зарегистрировать эту реакцию если она в природе может происходить можно только тогда когда поток нейтрино грандиозный а где же можно набрать так много nejtrino давайте вспомним о ядерном реакторе в ядерном реакторе осколки в это радиоактивный причем очень интенсивно бета радиоактивный они сбрасывают лишние а нейтроны они превращаются в протоны и протекают вот такая реакция значит от любого ядерного реактора во все стороны летит огромное количество nejtrino точнее антинейтрино нужно добиться того чтобы антинейтрино попала все-таки в протон и зафиксировать существование нейтрона и позитрона и вот в 1956 году американцы райнис и колы провели один из самых остроумных экспериментов в истории физики опыт райниса ikou и на его нет школьной программе но и не могу не рассказать просто мне очень нравится это и так под землей на глубине 12 метров в 40 метрах от ядерного реактора была расположена установка райниса и ковина почему под землей дело в том что крайне second старались чтобы космическое излучение никаким образом не нарушила чистоту эксперимента и вот установка состояла из двух баков по 200 литров наполненных водой два на 200 литров с водой в которую добавлено было 40 килограммов хлорида кадмия в нем в этой воде был раствор растворён хлорид кадмия кадмий хлор 2 вокруг этих баков располагалась 300 литров с цин телята ра вещества которое способно создавать мгновенные вспышки под действием гамма-излучения вентилятор регистрировал гамма-излучения вентилятор был окружен 100 десятью фото электронными умна жителями которые обычно используются в сцинтилляционный счетчик ах все это находилась вблизи ядерного реактора и происходило в этой системе следующие поток нейтрино от реактора я нарисую одну частичку антинейтрино вот она давайте кстати еще раз выпишем чтобы она нам была видна эта реакция значит что у нас антинейтрино плюс протон дает нейтрон плюс позитрон так антинейтрино должно попасть в протон а где взяться протону здесь в этой схеме протон это водород в воде значит встречая ядро водорода в воде а это просто протона nejtrino вызывало вот эту реакцию появлялся нейтрон и появлялся позитрон е + 10 но позитрон то частицы антивещества находится в воде в веществе там есть атомы а вокруг ядра этих атомов к электроны и поэтому мгновенно этот позитрон аннигилировал с к электронам при аннигиляции образуются пары одинаковых гамма-квантов разлетающихся в противоположные стороны энергия этих гамма-квантов должна соответствовать энергии покоя электрона и позитрона то есть пополнив примерно 0 5 приблизительно мега электрон-вольт они рождаются одновременно летят в противоположных направлениях их можно поймать вентилятор а что нейтрон oniton блуждая по реактору по вот этой установки рано или поздно натыкается на атом кадмия точнее на ядро кадмия которая есть в растворе натыкаясь на ядро кадмия этот нейтрон переводит его в возбужденное состояние и энергию сбрасывает ядро в виде ga ma quanto который может лететь в принципе в любом направлении но энергия этого ga ma quanto порядка несколько мега электрон-вольт причем встретит этот кадмий и трон не сразу он должен некоторое время побродить по этому этот гамма-кванты будет излучаться позже чем вот эта пара гамма-квантов и расчеты показывают что задержка составляет примерно 5 микро секунд и вот три раза за час вот эта установка облучаемой чудовищным количеством nejtrino регистрировала такое событие пара гамма-квантов разлетающихся в противоположных направлениях и через пять микросекунд еще один гамма квант другой энергии летящих куда угодно то есть система регистрировала вот такую пару импульсов от двух гамма-квантов импульс послабее и вот вот этого более энергичного ga ma quanto импульс посильнее а этот зазор во времени 5 микросекунд всего три события в час но это действительно была вызвана nejtrino чтобы проверить это ранее цыковым просто попросили хозяев реактора притушите пожалуйста его на некоторое время хозяева согласились и когда реакция в реакторе было за медленно или прекращено этот эффект перестал наблюдаться то есть именно анти нетрино вызывает вот такое явление вы видите что она происходит очень редко о чем это говорит это говорит о том что действительно проникающая способность нетрино огромна расчеты показали что если нетрино пропускать через воду вот так как в этом опыте то она проходит спокойно в среднем 100 световых лет от одного столкновения до другого 100 световых лет в воде может пройти нетрино пока встретит один атом и вступит в какую-то ядерную реакцию ну какую с протоном только потому что поток нейтрино был огромен не пришлось ждать так долго но все равно событие согласитесь довольно редкое всего ты и событие в час этот опыт проводился в 1956 году а в 1995 году ранец получил нобелевскую премию за открытие nejtrino за это экспериментальное подтверждение колы она уже не было в живых сожалениям вот такие интереснейшие эксперименты существуют физике микромира и я рассказал вам всего лишь от двух интересных элементарных частиц а их же я сказал уже существует более 200 и вот давайте два слова о том какие же частицы существуют и какова их классификация посмотрим с помощью таблицы только не этой а вот это значит вот таблица некоторых элементарных частиц они классифицируются в первую очередь по массе легкие элементарные частицы называются лептонами к ним относится электрон хорошо нам знакомой электронная nejtrino с которой мы уже познакомились вот анти-частицы и вот частица и оказывается есть еще meena я nejtrino здесь написано что их масса покоя равна нулю на самом деле по современным представлениям обнаружено что у нее три на есть очень маленькая масса покоя меньше 1 электрон вольта есть удивительная частица называется my он или мю mizon хотя она относится к lipton am но у нее посмотрите какая масса покоя в 2000 раз больше в 200 раз больше чем у чем у электрона а то у lipton вообще он даже массивнее чем не не нейтрон и протон но тем не менее это lipton и потому что lipton это частицы которые участвуют в слабых взаимодействиях я не рассказывал об этом ничего кроме того что говорил что такое взаимодействует существует об этом вы поговорите уже в университете дальше есть частицы которые называют my зонами которые обладают с промежуточными значениями масс они уже участвуют в сильных взаимодействиях не буду перечислять эти частицы и наконец существует барионы это тяжелые частицы нам хорошо знакомы два таких барона как протон и нейтрон они относятся к нуклон у них есть античастицы она оказывается существует и более массивные частицы они называется гипер о нами гипер это значит более чем то есть слишком сверх массивные частицы по сравнению с протоном и нейтронов и это далеко не полный перечень частиц у частиц существует множество характеристик мы с вами говорили о том что у любой элементарной частицы есть заряд масса говорили о том что у нее существует такая характеристика как спин это описывается с пиновым квантовым числом оказывается есть такая характеристика как lipton ный заряд барионной заряд и даже такие характеристики как странность и очарование да кстати у некоторых частиц существует еще и цвет у меня нет возможности рассказать вам о внутреннем строении нейтронов и протонов оказывается они состоят из сум ядерных частиц которые называют кварками эти кварки удивительные двумя своими свойствами во-первых этих кварков дробный заряд одна треть плюс-минус или две трети элементарного заряда но в природе мы никогда не зарегистрируем это дробный элементарный заряд потому что кварк невозможно вытащить оказывается что сила взаимодействия кварков не зависит от расстояния между ними это во первых во вторых если вы даже попытаетесь вытащить quark то тут же придет анти-кварк и аннигилируют с этим кваркам этот там так и останется и ничего не получается вот такие странные и удивительные вещи существуют в природе посмотрите какой огромный путь мы с вами прошли от равномерного прямолинейного движения и досуга дерн их частиц заняло это у нас 3 года и сегодня ребята я впервые снимаю фильтры точнее снимая наса дачную линзу с этой камеры и направляю ее в класс я хочу показать зрителям тех для кого я старался эти три года и не только хочу сказать слова что мол вот ребята вы слушали курса там курс физики на протяжении трёх лет но и хочу поблагодарить вас за то что вы мне очень помогали на протяжении этого времени потому что я помню когда был карантин то я очень неловко себя чувствовал из-за того что некому было меня поправить я мог допустить ошибку этого никто не заметит а с вами же мне удавалось избежать ошибок благодаря тому что если вдруг я допускал ошибку твой либо игорь 2 но вич либо рома советских ст атеромы советского сейчас нет но наверное это даже хорошо что ромы советского сейчас нет потому что он не прогуливает урок а он сейчас находится на сборах по подготовке к международной олимпиаде вот немножко камера надо было бы опустить ну давайте наоборот приподнимем да вот так вот так выглядит наш класс который прошел вот этот огромный марафон от первого урока в 9 классе до последнего урока сегодня сегодня 18 мая 10:16 ендов старик конец фильма все больше трансляция не будет до свидания помашем ручкой урок окончен ребята