高三物理粒子和宇宙课件（第八节）

1、第十九章 原子核第八节 粒子和宇宙比比谁小 分子由_构成，不同原子构成_分子，相同原子构成_分子。原子是由位于中心的_和核外高速旋转的_构成的。（电子带_电，原子核带_电）原子核是由_和_构成的。（质子带_电，中子_电）质子和中子都是由_组成的。原子化合物单质原子核电子负正质子中子不带夸克正盖尔曼（夸克）道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）发现各种微粒的科学家一、“基本粒子”不基本 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、发现新的粒子粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子 (电子 质子 中子 各种重子)半整数1/2

2、，3/2，服从费米狄拉克统计分布玻色子 ( 光子 介子K介子、介子 ) 整数0 或 1 等不服从玻色 爱因斯坦统计分布1. 按自旋分类2. 共振态粒子 寿命极短（约10-23s）万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子光子轻子强子4. 按相互作用分类( 参与)正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。 引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。 光子 自旋为1，是玻色子3. 正粒子、反粒子分类正反粒子自旋电荷量e重子数B轻子数寿命10-6s轻 子电子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定2.22.3中微子稳定轻子（共12

3、种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。说明分类粒子名称自旋介子、 、 K介子等整数玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)费密子超子超子及反粒子强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。强子结构的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s强子结构夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）粲夸克 c 底

4、夸克 b 顶夸克 t三、夸克模型例如 质子 奇异粒子 + 介子夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+11. 质子 (uud)电荷重子数奇异数自旋同位旋夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/

5、31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+12. 奇异粒子 （uus）电荷重子数奇异数自旋夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+1夸克质量电荷e自旋重子数同位旋

6、同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.+ 介子重子数电荷奇异数自旋同位旋分量类别相对强度力程(m)作用时间(s)参与离子强作用1 10-1510-23强子电磁作用10-2长程10-20 10-16强子 轻子 光子弱作用10-13 10-17 10-8强子 轻子引力作用10-39长程一切物质四种基本

7、相互作用1. 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作用类型引力作用电磁作用弱作用强作用交换粒子引力子光子玻色子 (W+ 、WZ0 粒子)胶子 引力子尚未被实验证实 弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。1983年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论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UAI 探测器四、宇宙的演化宇宙从何而来？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

8、各处同时产生时间的零点早在1929年，埃德温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100亿至200亿年之前的某一时刻，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。 1950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。事实上应该理解为空间的

9、急剧膨胀。整个空间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。 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、原子乃至恒星系统得以相继出现。大爆炸宇宙论从1948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：大爆炸开始时 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10

10、-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，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。 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000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