粒子和宇宙课件(第八节)要点

1、第十九章第十九章 原子核原子核第八节第八节 粒子和宇宙粒子和宇宙比比谁小 分子由分子由_构成，不同原子构成构成，不同原子构成_分子，相同原子构成分子，相同原子构成_分子。分子。 原子是由位于中心的原子是由位于中心的_和核外高速旋和核外高速旋转的转的_构成的。构成的。 （电子带（电子带_电，原子核带电，原子核带_电）电） 原子核是由原子核是由_和和_构成的。构成的。 （质子带（质子带_电，中子电，中子_电）电） 质子和中子都是由质子和中子都是由_组成的。组成的。原子原子化合物化合物单质单质原子核原子核电子电子负负正正质子质子中子中子不带不带夸克夸克正正盖尔曼盖尔曼（夸克夸克）道尔顿道尔顿（原子）

2、（原子）汤姆逊汤姆逊（电子）（电子）卢瑟福卢瑟福（质子）（质子）查德威克查德威克（中子）（中子）盖尔曼盖尔曼（夸克夸克）发现各种微粒的科学家发现各种微粒的科学家一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本发现了电子、质子和中子后，许多人认为光发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的子和它们是组成物质的“基本粒子基本粒子”。逐渐发现了几百种不由质子、中子、电子组逐渐发现了几百种不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也是成的新粒子；又发现质子、中子等本身也是复合粒子。复合粒子。“基本粒子基本粒子”不基本不基本。19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。世纪末都认为原

3、子是组成物质的最小微粒。 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在二、发现新粒子二、发现新粒子2020世纪世纪3030年代以来，人们在对宇宙射线的研年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。究中陆续发现了一些新的粒子。19321932年发现了正电子年发现了正电子19371937年发现了年发现了 子子19471947年发现了年发现了K K介子和介子和 介子介子后来还发现了一些新粒子，质量比质子的质后来还发现了一些新粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。量大，叫做超子。粒子的分类粒子的分类分类分类自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理统计规律统计规律费米

4、子费米子 (电子电子 质子质子 中中子子 各种重子各种重子)半整数半整数1/2，3/2，服从服从费米费米狄拉克狄拉克统计分布统计分布玻色子玻色子 ( 光子光子 介子介子K介子、介子、 介子介子 ) 整数整数0 或或 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因爱因斯坦统计分布斯坦统计分布1. 按自旋分类按自旋分类2. 共振态粒子共振态粒子 寿命极短寿命极短（约（约10-23s）万有引万有引力力电磁力电磁力弱相互作用弱相互作用 强相互作用强相互作用引力子引力子光子光子轻子轻子强子强子4. 按相互作用分类按相互作用分类( 参与)正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物

5、理量理量 ( 如电荷、磁矩等如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。的符号相反。 引力子引力子 自旋应为自旋应为2 2、静止质量和电荷为零，以光速运动。、静止质量和电荷为零，以光速运动。 光子光子 自旋为自旋为1 1，是玻色子是玻色子3. 正粒子、反粒子正粒子、反粒子分类分类正反正反粒子粒子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.22.3中中微微子子稳定稳定eeeeLLLe轻子（轻子（共共1212种种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相

6、互作用。说明说明分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子 、 、 K介子等介子等整数整数玻色子玻色子重子重子核子核子质子、中子及其反质子、中子及其反粒子粒子1/2(超子超子 3/2)费密子费密子超子超子超子及反粒超子及反粒子子强子分类强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象 协同产生协同产生: : 一个超子总是和一个或几个一个超子总是和一个或几个K K介子同时产生。介子同时产生。奇异粒子协同产生的过程极快奇异粒子协同产生的过程极快( (约为约为1010-23-23s), s), 表明是在强表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程

7、很慢相互作用下进行的；而衰变过程很慢( (寿命约为寿命约为1010-8 -8 1010-10-10s)s)， 表明是在弱相互作用下进行的。表明是在弱相互作用下进行的。强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s强子结构夸克模型强子结构夸克模型 (1964年年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成）介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）重子（三个夸克组成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t三、夸克模型三、夸克模型例如例如 质子质子 奇异粒子奇异粒子 + 介子介子夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分

8、旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+11. 质子质子 (uud)0SeeeeQ313232电荷电荷1313131B重子数重子数2/1I2/1J奇异数奇异数自旋自旋同位旋同位旋夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲

9、粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+12. 奇异粒子奇异粒子 （uus）eeeeQ313232电荷电荷1313131B重子数重子数1S2/1J奇异数奇异数自旋自旋夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.0

10、08-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+1夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克

11、粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/20d3.+ 介子介子)d(ueeeQ313203131B重子数重子数0 S电荷电荷奇异数奇异数自旋自旋同位旋分量同位旋分量1zI2/1J类别类别相对强度相对强度 力程力程(m) 作用时间作用时间(s)参与离子参与离子强作用强作用1 10-1510-23强子强子电磁作电磁作用用10-2长程长程10-20 10-16强子强子 轻子轻子 光光子子弱作用弱作用10-13 10-17 10-8强子强子 轻子轻子引力作引力作用用10-39长程长程一切物质一

12、切物质四种基本相互作用四种基本相互作用1. 四种基本相互作用的性质四种基本相互作用的性质相互作用是通过交换一定粒子实现的相互作用是通过交换一定粒子实现的作用类型作用类型引力作用引力作用电磁作用电磁作用弱作用弱作用强作用强作用交换粒子交换粒子引力子引力子光子光子玻色子玻色子 (W(W+ + 、W WZ Z0 0 粒子粒子) )胶子胶子 引力子引力子尚未被实验证实尚未被实验证实 弱电统一理论弱电统一理论: :电磁相互作用和弱相互作电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。用被看作是一种相互作用。大统一理论大统一理论试图将强、电、弱三种相互作试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。用统一起来。19

13、83年，鲁比亚实验组在高能质子年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发反质子对撞试验中发现了现了W +、W -和和 Z0 粒子。为粒子。为60年代提出的年代提出的弱电统一理论弱电统一理论提供了实验上的支持。提供了实验上的支持。欧洲核子中心高能质子同步加速器上的欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器探测器四、宇宙四、宇宙从何而来？从何而来？ 大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸是在无限的宇宙各大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生处同时产生时间的零点时间的零点早在早在19291929年，埃德温年，埃德温哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现

14、，即不管哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约在大约100100亿至亿至200200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。 19501950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的

15、观念。这个创生宇宙的年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。该理解为空间的急剧膨胀。 整个空间整个空间 可以指的是整个无限的宇宙，或可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯

16、曲地回到原来位置的有限宇宙。者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。系统得以

17、相继出现。从从19481948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸开始时大爆炸开始时 150150200200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后大爆炸后10-4310-43秒秒 宇宙从量子背景出现。宇宙从量子背景出现。 大爆炸后大爆炸后10-3510-35秒秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后大爆炸后10-510-5秒秒 1010万亿度，质子和中子形成。

18、万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后大爆炸后0.010.01秒秒 10001000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占占1010亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后大爆炸后0.10.1秒后秒后 300300亿度，中子质子比从亿度，中子质子比从1.01.0下降到下降到0.610.61。 大爆炸后大爆炸后1 1秒后秒后 100100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。核力尚不足束缚中子和质子。 大

19、爆炸后大爆炸后13.813.8秒后秒后 3030亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后大爆炸后3535分钟后分钟后 3 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后大爆炸后3030万年后万年后 30003000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。云块，直至恒星和恒星系统。 五、恒星的演化五、恒星的演化宇宙尘埃在万有引宇宙尘埃在万有引力作用下形成气态力作用下形成气态星云团，进一步凝星云团，进一步凝聚使得引力势能转聚使得引力势能转化为内能，温度升化为内能，温度升高，到一定程度演高，到一定程度演化成恒星。化成恒星。恒星继续收缩、升温。当恒星继续收缩、升温。当温度超过时温度超过时 ，氢通，氢通过热核反应成为氦，核能过热核反应成为氦，核能以电磁波的形式向外辐射。以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平