(uk) У статті розкрито методику формування фізичного змісту констант фундаментальних взаємодій та їх роль у фізичних процесах.(en) In the article the method of forming of physical maintenance of constants of fundamental co-operations and their role is exposed in physical processes

Садовий, Микола Ілліч

Сусь, Богдан Арсентійович

Electronic Kirovograd State Pedagogical University Institutional Repository

ФОРМУВАННЯ ПОНЯТЬ КОНСТАНТ ВЗАЄМОДІЙУ КУРСІ ФІЗИКИБогдан Сусь, Микола СадовийУ статті розкрито методику формування фізичного змісту констант  фундаментальних взаємодій та їх роль у  фізичних процесах.In the article the method o f  forming o f  physical maintenance o f  constants o f  fundamental co-operations and their role is exposed in physical processes.Нині у природознавстві утвердилась наукова думка, що земна природа сформована так, що їй властиві чотири фундаментальні взаємодії. Відповідно у курсі фізики середньої школи учнів ознайомлюють з відомими чотирма фундаментальними взаємодіями. Проте їхні характеристики практично не розкриваються, що не сприяє свідомому розумінню школярами явищ та процесів, особливо мікросвіту.Із фундаментальних взаємодій гравітаційні є першими, для яких була побудована теорія Ньютона у 1687 р. До відкриття спеціальної теорії відносності (СТВ) теорія тяжіння Ньютона була загальновизнаною і під сумнів не бралась. Це слугувало причиною створення загальної теорії відносності.На початку XX ст. в зв’язку з дослідженням сил зв’язку між протонами і нейтронами та бета-розпаду в атомних ядрах були відкриті сильна та слабка взаємодії, які є близькодіючими (перевні процеси).Варто повідомити учням, що інтенсивність взаємодій характеризується константами взаємодій -  безрозмірними величинами.Гравітаційна взаємодія найбільш слабка й у мікропроцесах майже не бере участі.Сильна взаємодія характерна для важких елементарних частинок, існує між протонами і нейтронами і забезпечує стійкість атомних ядер. Вона обумовлює зв’язок нуклонів у ядрі. Слабка взаємодія відповідає за радіоактивне перетворення одних ядер в інші з випусканням електронів, позитронів, нейтрино. Радіус дії ядерної взаємодії 1 F. Нуклони взаємодіють внаслідок обміну мезонами, які мають час життя 1C)"23 с. За цей час мезон вилітає з одного нуклона, пролітає відстань в 1 Фермі і повертається назад, поглинається частинкою, що його породила. Якщо поблизу знаходиться другий нуклон,106Ш НАУКОВІ ЗАПИСКИ Серія: ПЕДАГОГІЧНІ НАУКИ Випуск 82 (1)то він поглинає мезон і відразу його випромінює. Інтенсивність його характеризується константою взаємодії.Звертаємо увагу учнів, що обидві взаємодії є короткодіючими, бо швидко спадають з відстанню.Електромагніта та гравітаційна взаємодії є далекодіючими. На відміну від електричних зарядів, гравітаційні є лише одного знака.У методиці навчання фізики недостатньо уваги приділено способам вивчення понять полів та їх частинкам. Взаємодія частинок і полів характеризується слабкою, сильною, електромагнітною та гравітаційною взаємодіями. Їх оцінка визначає константа зв’язку (взаємодії), розмірність якої рівна електричному заряду. Інтенсивність взаємодії характеризується безрозмірним параметром, який визначаєтьсяhcвідношенням квадрата константи зв язку д о ----.2лЗміст поняття константи зв’язку (взаємодії) ми пропонуємо розглядати як параметр, який характеризує силу взаємодії частинок чи полів. Вона визначається через амплітуду розсіювання двох частинок при даних (вибраних за погодження) енергії і передачі імпульсу. Тут важливим є незалежність фізичних результатів від зміни такого погодження.Доцільно підкреслити, що квантова електродинаміка є теорією, яка описує електромагнітні взаємодії. Для електромагнітної взаємодії константа зв’язку (взаємодії)... .. . 2 л є 2  1 ттрівна електричному заряду частинки е, тоді стала взаємодії буде р івна-------= ----- . Цюhc 137величину ще називають константою тонкої структури. Інтенсивність електромагнітної взаємодії буде порядку 10-2 [1, с. 309].У шкільному курсі фізики квантова хромодинаміка розглядається як квантова теорія сильних взаємодій частинок: кварків й глюонів і поля, побудована за зразком квантової електродинаміки (квантової теорії електромагнітних взаємодій) на основі «кольорової» симетрії. В якості константи зв’язку (взаємодії) частинок і поля виступає «кольоровий заряд» кварків і глюонів g. Тоді константа взаємодії буде визначатисьl n g  2  = 14 [1, с. 309]. Безрозмірний параметр, що характеризує сильну взаємодію буде hcна два порядки вище, ніж у електромагнітній взаємодії, і рівний одиниці.Слабка взаємодія описується уніфікованою теорією бета-розпаду Е.Фермі (1934 р.), яка дістала назву універсальної локальної чотирифермієвої (взаємодія між чотирма ферміонними полями або ферміонами p, n, e, V ) слабкої взаємодіїЗ метою з’ясування з учнями понять симетрії ми пропонуємо з’ясувати сутність константи сильної взаємодії. В системі одиниць h = с = 1 константа зв’язку сильної2kG^ h2  5 ( 2 л ) Gf^M c 5взаємодії визначається а  = ^я ^ F - _____ ю  , а  = -___-__F____ » 1 0  , де GF -hc mp 2  ( 2 л ) 2  c2  h 3константа слабкої чотириферміонної взаємодії, mp -  маса протона [1, с. 693].У 1957 р. М.Гелл-Ман, Р.Фейнман, Р.Маршак, Е.Сударшан запропонували теорію універсальної слабкої взаємодії, заснованої на кварковій структурі адронів [1, с. 694]. Безрозмірний параметр слабкої взаємодії має порядок 10-14.За умови Л = hc$ 300ГеВ має місце перехід до повної симетрії2nGpелектромагнітної та слабкої взаємодії.107Випуск 82 (1) Серія: ПЕДАГОГІЧНІ НАУКИ  Ш НАУКОВІ ЗАПИСКИУ шкільному курсі фізики про теорію гравітаційних взаємодій мови не ведеться. Варто підкреслити, що послідовної завершеної теорії гравітаційної взаємодії ще не створено.У системі одиниць h = с = 1 гравітаційна взаємодія характеризується константою2зв’язку (взаємодії), яка визначається а  = ---------- « 3 , 5 -1 0 _12, де G - гравітаційнаhcпостійна.Безрозмірний параметр буде становити порядок 10-39.Специфічною для школярів є поняття слабкої взаємодії. Слабка взаємодія до 1967 року була мало вивчена. Вона відповідає за радіоактивність і існує між частинками зіспіном .!, Але у ній беруть участь і частинки зі спіном 0, 1, 2 -  фотони і гравітони.2А.Салам і С.Вайнберг одночасно запропонували теорію, яка об’єднала слабку і електромагнітну взаємодії, подібно тому, як сто років тому Максвелл об’єднав магнітнеі електричне поля. Вони висловили ідею, що поряд з фотоном ще існує три частинки зі спіном 1 , які називаються важкими бозонами і є переносниками слабкої взаємодії з масами по 100 ГеВ: W+, W+, Zo. Теорія Салама-Вайнберга має властивості порушення симетрії, яка полягає в тому, що зовсім різні при низьких енергіях частинки, стають однією і тією ж частинкою при високих енергіях, але знаходяться у різних станах. Теорія передбачила, що при енергіях, які значно перевищують 100 ГеВ, три нові частинки і фотон повинні вести себе однаково, а при низьких енергіях частинок, за звичайних умов ця симетрія повинна порушуватись. У 1983 році W+, W+, Zo були відкриті у ЦЕРНі. По суті це було утвердження основних фундаментальних частинок фундаментальних взаємодій, частинок, що відповідають за ці взаємодії. Вони мають свої специфічні характеристики, зокрема, кванти поля, константи, радіус, переріз, час існування, величину і відіграють зовсім іншу роль, ніж у класичній фізиці.Основні характеристики взаємодій приведені в таблиці 1 [2, с. 175].Таблиця 1Основні характеристики фундаментальних взаємодій_____________Вид взаємодії Квантиполя Константи Радіус, мПереріз,2м Час, сВеличина, що зберігається1 2 3 4 5 6 7сильна л-мезонК-мезон141- 1 0 " 15- 1 0 " 161 0 -28­1 0 -311 0 -21 -  1 0 -23Aq= 0AB=0AS=0AJ=0електро­магнітна фотони 1/137ю 1 0 -31­1 0 -341 0 -18 -  1 0 -200 0 0 0 п"п u Aq AB AS Aслабка W+, W", Zo 1 0 -14 ~ 1 0 - 241 0 -42­1 0 -451 0 -8 -  1 0 -100 0 0 0 II ttn Aq AB AS Aгравітаційна гравітони 1 0 -39 ю 1 0 -68­1 0 -711 0 17AS^ 0AJ^ 0108Ш НАУКОВІ ЗАПИСКИ Серія: ПЕДАГОГННІ НАУКИ Випуск 82 (1)Теорія Великого об’єднання має попередню ідею. Сильна взаємодія при високих енергіях стає слабшою, ніж при низьких енергіях. Одночасно електромагнітна та слабка взаємодії при високих енергіях зростають. Тоді при досить великих енергіях ці три сили зрівняються між собою і стають різновидами однієї і тієї сили. Теорія Великогооб’єднання передбачає, що при такій енергії різні частинки зі спіном рівним і_, (такі, як2кварки і електрони) також перестануть бути різними. Значення енергії частинок для Великого об’єднання складає порядку тисячі мільйонів Гев. Прискорювачі сучасного покоління мають енергію 100 Гев.Таким чином, формування в учнів фізичної суті понять констант фундаментальної взаємодії дає змогу з’ясувати фізичний зміст фундаментальних взаємодій на сучасному рівні.БІБЛІОГРАФІЯ1. Физический энциклопедический словарь. -  М.: Советская энциклопедия, 1983. -  928 с.2. Чолпан П.Ф. Курс физики. Методологические и философские вопросы: Учебн. пособие. -  К.: Вища школа, 1990. -  208 с.ВІДОМОСТІ ПРО АВТОРШСусь Богдан Арсентійович -  доктор педагогічних наук, професор кафедри загальної та теоретичної фізики Національного технічного університету України «КПІ».Садовий Микола Ілліч -  доктор педагогічних наук, професор кафедри фізики та методики її викладання Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка. Наукові інтереси: проблеми дидактики фізики.

Формування понять констант взаємодій у курсі фізики

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic Kirovograd State Pedagogical University Institutional Repository