高中物理-第十九章-原子核-8-粒子和宇宙-新人教版选修3-5.ppt

8 8 8 8粒子和宇宙粒子和宇宙1.了解构成物了解构成物质质的的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的及粒子物理的发发展史；展史；2.知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。3.知道反粒子与粒子的关系。知道夸克可以知道反粒子与粒子的关系。知道夸克可以带带分数分数电电荷。荷。4.初步了解宇宙的演化初步了解宇宙的演化过过程及宇宙与粒子的和程及宇宙与粒子的和谐统谐统一。一。学习目标关于物质结构的探寻是否还有其他是否还有其他的微观粒子？的微观粒子？1919世纪末，人们认为世纪末，人们认为原子是组成物质的最原子是组成物质的最小微粒小微粒 道道尔尔顿顿发现夸克发现夸克盖盖尔尔曼曼经典散射实验，发现质子经典散射实验，发现质子卢卢瑟瑟福福发现了原子内部结构发现了原子内部结构中的电子中的电子 汤汤姆姆逊逊查查德德威威克克发现中子发现中子新课 导入一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本新课讲授 人人们们逐逐渐渐意意识识到到，这这些些我我们们认认为为的的“基基本本粒粒子子”，实实际际并并不不基基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。1.1.1.1.“基本粒子基本粒子基本粒子基本粒子”不基本不基本不基本不基本 19世世纪纪末末，许许多多人人认认为为光光子子、电电子子、质质子子和和中中子子是是组组成成物物质质的的不可再分的最基本粒子。不可再分的最基本粒子。从从20世世纪纪起起科科学学家家陆陆续续发发现现了了400多多种种同同种种类类的的新新粒粒子子，它它们们不是由质子、中子、电子组成的。不是由质子、中子、电子组成的。科科学学家家进进一一步步发发现现质质子子、中中子子、电电子子等等本本身身也也是是复复合合粒粒子子，且且还有着复杂的结构。还有着复杂的结构。2.2.2.2.发现新粒子发现新粒子发现新粒子发现新粒子 为为了了探探寻寻这这些些新新粒粒子子，实实验验物物理理学学家家想想了了各各种种办办法法，图图中中美美丽丽的的花花树树实实际际是是在在人人造造云云室室的的强强磁磁场场中中，携携带带电电荷荷的的粒粒子子受受洛洛伦伦兹兹力力偏偏转转的的踪踪迹迹。这这是是比比较较原原始始的的实实验方法验方法经经过过半半个个多多世世纪纪的的发发展展，欧欧洲洲核核子子中中心心（CERN）建建造造了了迄迄今今最最为为庞庞大大的的双双圈圈强强子子对撞机对撞机 LHC 大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探测中心以及先进的第三代同步加速器核心就是一系列探测中心以及先进的第三代同步加速器2.2.2.2.发现新粒子发现新粒子发现新粒子发现新粒子2.2.2.2.发现新粒子发现新粒子发现新粒子发现新粒子 2012年年7月月4日日，位位于于瑞瑞士士日日内内瓦瓦的的欧欧洲洲核核子子中中心心在在发发布布会会上上向向全全球球宣宣布布，在在双双光光子子道道和和轻轻子子道道分分别别以以6个个西西格格玛玛的的标标准差探测到了准差探测到了希格斯玻色子希格斯玻色子(Higgs)。人人们们发发现现并并证证实实了了标标准准模模型型预预言言中中最最后后一种粒子，这是现代物理学的一大步！一种粒子，这是现代物理学的一大步！分类分类自旋自旋泡利不相容泡利不相容原理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 爱因斯爱因斯坦统计分布坦统计分布泡利原理3.3.3.3.粒子的分类粒子的分类粒子的分类粒子的分类 正正、反反粒粒子子物物理理量量的的绝绝对对值值都都相相同同，但但某某些些物物理理量量(如如电电荷荷、磁磁矩矩等等)的的符符号号相相反反。但但反反粒粒子子由由于于很很容容易易湮湮灭灭，所所以很难长时间存活。以很难长时间存活。欧核反粒子的存储装置欧核反粒子的存储装置演示，原理简单的说就演示，原理简单的说就是用迅速变换的电场制是用迅速变换的电场制作的牢笼作的牢笼电性、磁矩3.3.3.3.粒子的分类粒子的分类粒子的分类粒子的分类万有万有引力引力电磁电磁力力弱相互弱相互作用作用强相互强相互作用作用引力子引力子光子光子轻子轻子强子强子 引力子引力子：由于自旋：由于自旋为为 2，无法量子化，尚未囊括，无法量子化，尚未囊括进标进标准模型、准模型、静止静止质质量和量和电电荷荷为为零，以光速运零，以光速运动动。光光 子：自旋子：自旋为为 1，是玻色子。，是玻色子。相互作用3.3.3.3.粒子的分类粒子的分类粒子的分类粒子的分类分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子介子介子 、KK介子等介子等介子等介子等整数整数整数整数玻色子玻色子玻色子玻色子重子重子重子重子核子核子核子核子质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子1/21/2(超子超子超子超子 3/2)3/2)费密子费密子费密子费密子超子超子超子超子 超子及反粒子超子及反粒子超子及反粒子超子及反粒子强子分类强子分类强子分类强子分类轻子分类（共轻子分类（共轻子分类（共轻子分类（共12121212种）种）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，只参与弱相互作用。分类分类正反粒子正反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Le、L、L寿命寿命10-6 s轻轻子子电子电子电子电子e e-e e+1/21/2-1 +11 +10 0-1 +11 +1稳定稳定稳定稳定 子子子子-+-1 +11 +12.22.2 子子子子-+-1 +11 +1 2.3 2.3中中中中微微微微子子子子 e e e e0 0稳定稳定稳定稳定 0 0 0 0下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t4.4.4.4.夸克模型夸克模型夸克模型夸克模型1964年提出年提出强强子子结结构夸克模型构夸克模型 介子（夸克和反夸克介子（夸克和反夸克组组成）成）重子（三个夸克重子（三个夸克组组成）成）六种夸克六种夸克夸克夸克质量质量电荷电荷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费费米米子子与与玻玻色色子子的的夸夸克克图图大爆炸理论大爆炸理论(The Big Bang Theory)宇宙从一个宇宙从一个“奇点奇点”爆炸产生爆炸产生大大爆爆炸炸是是在在无无限限的的宇宇宙宙各各处处同同时时产产生生时时间间的的零零点点二、宇宙和恒星的演化二、宇宙和恒星的演化 1929年年埃埃德德温温哈哈勃勃提提出出宇宇宙宙膨膨胀胀理理论论，即即不不管管你你往往哪哪个个方方向向看看，远远处处的的星星系系正正急急速速地地远远离离我我们们而而去去。这这意意味味着着，在在早早先先星星体体相相互互之之间间更更加加靠靠近近。事事实实上上，似似乎乎在在大大约约 100 亿亿至至 200 亿亿年年之之前前的的某某一一时时刻刻，它它们们刚刚好好在在同同一一地地方方，所所以以哈哈勃勃的的发发现现暗暗示示存存在在一一个个叫叫做做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。1.1.1.1.大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论 1950年年前前后后，伽伽莫莫夫夫第第一一个个建建立立了了热热大大爆爆炸炸的的观观念念。这这个个创创生生宇宇宙宙的的大大爆爆炸炸不不是是习习见见于于地地球球上上发发生生在在一一个个确确定定的的点点，然然后后向向四四周周的的空空气气传传播播开开去去的的那那种种爆爆炸炸，而而是是一一种种在在各各处处同同时时发发生生，从从一一开开时时就就充充满满整整个个空空间间的的那那种种爆爆炸炸，爆爆炸炸中中每每一一个个粒粒子子都都离离开开其其它它每每一一个个粒粒子子飞飞奔奔。事事实实上上应应该该理理解解为为空空间间的的急急剧剧膨膨胀胀。“整整个个空空间间”可可以以指指的的是是整整个个无无限限的的宇宇宙宙，或或者者指指的的是是一一个个就就象象球球面面一一样样能能弯弯曲曲地地回回到原来位置的有限宇宙。到原来位置的有限宇宙。1.1.1.1.大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论 根根据据大大爆爆炸炸宇宇宙宙论论，甚甚早早期期的的宇宇宙宙是是一一大大片片由由微微观观粒粒子子构构成成的的均均匀匀气气体体，温温度度极极高高，密密度度极极大大，且且以以很很大大的的速速率率膨膨胀胀着着。这这些些气气体体在在热热平平衡衡下下有有均均匀匀的的温温度度。这这统统一一的的温温度度是是当当时时宇宇宙宙状状态态的的重重要要标标志志，因因而而称称宇宇宙宙温温度度。气气体体的的绝绝热热膨膨胀胀将将使使温温度度降降低低，使使得得原原子子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。核、原子乃至恒星系统得以相继出现。1.1.1.1.大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论大爆炸理论