8　粒子和宇宙

1、第八节 粒子和宇宙,第十九章原子核,1“基本”粒子不基本,1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？,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“基本粒子”。,逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。,19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。,1932年发现了正电子,后来还发现

2、了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。,2发现新粒子,1947年发现了K介子和 介子.,1937年发现了 子,粒子加速器有助于发现更多的新粒子,反粒子,质量、寿命、自旋等物理性质相同而电荷等其他性质相反的粒子。,电子,正电子,质子,反质子,质子,反质子,现在已经发现的粒子达到400多种。,1.强子：参与强相互作用的粒子。 例如：质子。 强子又分为介子和重子两类。,2.轻子：不参与强相互作用的粒子。 例如：电子和电子中微子、子和子中微子、子和子中微子。 每种轻子都有对应的反粒子。子质量比核子大。现代实验还没有发现轻子的内部结构。,3.媒介子：传递各种相互作用的粒子。 如：光子、中间玻色子、胶

3、子。 分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。,粒子的分类,按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三类。,粒 子,媒介子,轻子 (6种),强子,光子（传递电磁相互作用） 胶子（传递强相互作用）,电子 电子中微子 子和子中微子 子和子中微子,质子 中子 介子 超子,上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克,夸克,3夸克模型,1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。,六种夸克：上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、粲夸克c、底夸克b、顶夸克t。 夸克带电荷为元电荷的2/3或-1/3倍。

4、每种夸克都有对应的反夸克。,夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。,科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。,到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。,1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克的存在。,物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。,4宇宙的演化,正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”,大爆炸理论 (The Big Ba

5、ng Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生,大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。,大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。,再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。,温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时代。,大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。,温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。,继续冷却，质子、电子、原子等与光

6、子分离而逐步组成恒星和星系。,人马座礁湖星云,天蛇座老鹰星云,猎户座马头星云,麒麟座玫瑰星云,猎户座女巫星云,5恒星的演化,恒星的摇篮星云,我们的太阳,全天最亮恒星天狼星(其伴星是一颗白矮星),质量的寿命长短取决于其自身的质量。五分之一太阳质量的恒星，为1万亿年；和太阳质量相同的恒星，为100亿年；十五倍太阳质量的恒星，为2000万年。这是因为质量大的恒星内部虽然有更多的氢燃料，但是它内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大，氢的消耗比小质量恒星快得多，因而它们的光度也大。这导致质量大的恒星寿命反而要短于质量小的恒星。,壮年期的恒星,红巨星,当内部氦核被点燃后的恒星的爆发,不

7、稳定期红巨星、恒星的爆发,抛射质量后，如果剩下的燃料无法点燃，而核的质量小于144个太阳质量（钱德拉塞卡极限），这颗恒星便可能演化成为白矮星。由于引力十分巨大，核外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，依靠电子间的斥力抵抗引力, 处于一种超密状态，其中一个火柴盒大小的物质，如果能拿到地球上来, 就重达1吨左右。,人马座钻石星，这块钻石直径是4000公里，质量2千亿亿亿吨。,太阳在70亿年后，也将变成类似的钻石。,恒星的死亡（一）白矮星,对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超

8、新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。,金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸,大麦哲伦星云1987A超新星,瞬间的绚烂（二） 超新星爆发,超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1442个太阳质量（奥本海默极限）之间。巨大的引力使得电子的斥力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子间的斥力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。,恒星的死亡（三）中子星,质量超过奥本海默

9、极限的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩 , 它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。,钱德拉望远镜拍摄黑洞攻击星系照片,恒星的死亡（四）黑洞,大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有 一段从热到冷的演化史。,。,早期只有中子、质子、中微子等一些基本粒子形态的物质,当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质。,继续冷却,逐渐形成恒星和星系。,温度下降到 核合成的时代。,1太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温， 其主要原因是太阳内部进行着剧烈的 () A衰变反应B人工核反应 C裂变反应 D热核反应,课堂练习,太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应。,D,2关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是 () A一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多 B聚变反应一定比裂变反应每个核子释放的平均能量大 C聚变反应中粒子的平均结合能变小 D聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加,由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损,B,在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变