第十九部分原子核教学 ppt课件

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道尔顿原子道尔顿原子汤姆逊电子汤姆逊电子卢瑟福质子卢瑟福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、“根本粒子不根本根本粒子不根本二、发现新粒子二、发现新粒子 从从2020世纪世纪3030年代以来，人们在对宇宙射线的研讨中陆续年代以来，人们在对宇宙射线的研讨中陆续发现了一些新的粒子。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超子超子加速器加速器对应着许多粒子都存在着

2、质量与它一样而电荷及对应着许多粒子都存在着质量与它一样而电荷及其他一些物理性质相反的粒子其他一些物理性质相反的粒子反粒子反粒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万有引力万有引力电磁力电磁力弱相互弱相互作用作用强相互强相互作用作用媒介子媒介子轻子轻

3、子强子强子3. 按相互作用分类按相互作用分类( 参与参与)正、反粒子物理量的绝对值都一样，但某些物正、反粒子物理量的绝对值都一样，但某些物理量理量 ( 如电荷、磁矩等如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。的符号相反。2. 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，只参与弱相互作用。阐明阐明分类分类粒子名称粒子名

4、称自旋自旋介子介子 、 、 K介子介子等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下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s 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、夸克模型强子构造夸克模型强子构造夸克模型 (1964 (1964年年 ) ) ：每种夸克都有对应的反夸克每种夸克都有对应的反夸克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

5、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+1四、宇宙的演化四、宇宙的演化宇宙宇宙从何而来？从何而来？ 大爆炸实际 (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192

6、91929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，即哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不论他往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇不论他往哪个方向看，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接近。现实上，宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加接近。现实上，似乎在大约似乎在大约100100亿至亿至200200亿年之前的某一时辰，它们刚好在同一地方，所亿年之前的某一时辰，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辰，当时宇宙无限严密。以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时辰，当时宇宙

7、无限严密。 1950 1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生年前后，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，然后向周围的空宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向周围的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充溢整气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充溢整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都分开其它每一个粒子飞奔。现个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都分开其它每一个粒子飞奔。现实上应该了解为空间的急剧膨胀。实上应该了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

8、的宇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曲地回到原来位置的有限宇宙。宙，或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。这一致的温度是当时宇宙形状的重要标志，因此称衡下有均匀的温度。这一致的温度是当时宇宙形状的重要标志，因此称宇宙温度。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

9、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。系统得以相继出现。从从19481948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，经过几十年的努力，宇年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，经过几十年的努力，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：大爆炸开场时大爆炸开场时 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10-4410-44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

10、炸后大爆炸后10-610-6秒秒 1010万亿度，质子和中子构成。万亿度，质子和中子构成。 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，正负电子湮没反响出现，亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没

11、反响出现，核力尚缺乏束缚中子和质子。核力尚缺乏束缚中子和质子。 大爆炸后大爆炸后13.813.8秒后秒后 3030亿度，氘、氦类稳定原子核化学元素构成。亿度，氘、氦类稳定原子核化学元素构成。 大爆炸后大爆炸后3535分钟后分钟后 3 3亿度，核过程停顿，尚不能构成中性原子。亿度，核过程停顿，尚不能构成中性原子。 大爆炸后大爆炸后3030万年后万年后 30003000度，化学结协作用使中性原子构成，宇宙主度，化学结协作用使中性原子构成，宇宙主要成分为气态物质，并逐渐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，并逐渐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

12、和恒星系统。 强子时代强子时代轻子时代轻子时代核合成时代核合成时代四、宇宙的演化四、宇宙的演化宇宙大爆炸后，宇宙大爆炸后，“粒子家族宇宙构成之初：粒子家族宇宙构成之初：10-44秒后，温度秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等，产生夸克、轻子、胶子等 10-6秒后温度秒后温度1013K，夸克构成了质子和中子等强子时代，夸克构成了质子和中子等强子时代 温度为温度为1011K时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在轻子时代时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在轻子时代 温度温度109K时进入核合成时代时进入核合成时代 温度降到温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子时，电子与质子复合成氢原子 冷却，出现了宇宙尘埃冷却，出现了宇宙尘埃 密集尘埃密集尘埃 星云团星云团 开场发光开场发光 一颗恒星诞生一颗恒星诞生 五、恒星的演化五、恒星的演化冷却，出现了宇宙尘埃冷却，出现了宇宙尘埃 密集尘埃密集尘埃 星云团星云团 开场发光开场发光 一颗恒星诞生一颗恒星诞生