基本粒子物理漫谈省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。感谢,基本粒子物理漫谈,世界是由什么组成？,世界是怎样组成？,1/58,第一部分：世界由什么组成？,为何世界上不一样物质含有相同特征？,因为世界上物质是由几个基本砖块组成,-,简单、没有内部结构！,从远古时代，人类就开始,这么想。比如认为世界是,由,“水、火、土、气”,组成。,“,基本砖块”,2/58,世界基本砖块？原子？,今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成。,在,1900,年前后，人们认为“原子”是可穿透球，内部有一些电荷在跳动。,3/58,“,原子”是基本吗？,人们很快就发觉：能够依据其化学性质把“原子”分类,-,元素周期表,这表明“原子”有内部结构，是由更小砖块组成。,4/58,“,原子”是由带正电、重,而小“原子核”和围绕它,带负电“电子云”组成,试验表明：,5/58,“,原子核”是基本吗？,“,原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本粒子。,以后，人们发觉“原子核”并不基本，是由带正电“质子”和不带电“中子”组成。,6/58,“,质子”和“中子”是基本吗？,人们发觉“质子”和“中子”并不基本，,是有更小粒子,-“,夸克”组成。,“,夸克”,-,当前没有发觉其内部结构，是“基本”粒子,7/58,当代“原子”图像,注意：“原子”体积,99.999999999999%,是空！,8/58,“,原子”大小,9/58,众多“复合粒子”,人们一直在寻找粒子，当前已发觉,200,多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合,粒子”,。,这些粒子名称“五花八门”。,费米,(Enrico Fermi),对他学生,莱德曼,(Leon Lederman),说：,Young man,if I could remember the names of,these particles,I would have been a botanist!,10/58,标准模型,世界有什么组成？怎样组成？,-,标准模型,6,种轻子,6,种夸克,传递力粒子,11/58,世界由什么组成？,世界上一切物质，从星系到山川河流，都是由,“轻子”,和,“夸克”,组成。,12/58,“,反物质”（“反粒子”）,对应于每一个“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区分是 电荷反号。,“,粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮,yan,灭”，,变成能量。,13/58,夸克,14/58,“,夸克”名称由来,1964,年,Murray Gell-Mann,和,George Zweig,提议用,三个基本粒子,不一样组合来解释所发觉几百个粒子。,Gell-Mann,把这三个粒子叫作“,Quark”,不一样种类“夸克”称作不一样,“味道”,15/58,“夸克”称作“上”（,up),和“下”,(down):,称为“奇”,(strange),它组成,粒子“,K”,粒子含有“奇怪”长寿命,称作“璨”（,Charm,），,1974,年在斯坦福,（,SLAC),和布鲁海文试验室,(BNL),发觉,称作“底”,(bottom),，,1977,年在费米试验室发觉,称作“顶”,(top),，,1995,年在费米试验室发觉,.,两个最轻,第三个,第四个,第五个,第六个,16/58,强子（重子、介子）,正如群居大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成复合粒子叫“强子”,即使夸克带有分数电荷，但强子电荷是整数,即使夸克带有颜色，但强子没有颜色,强子（,Hadron,）有两类：,重子（,Baryon,）介子（,Meson,）,17/58,轻子（,Lepton,）,夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在,带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电轻子（中,微子）象附着在这些动物身上跳骚，难以看到,18/58,带电轻子衰变,19/58,中微子,20/58,中微子特点,不带电荷、色荷，和物质作用非常弱；,绝大多数能够穿过地球，而不和地球物质发生作用；,能够在很多过程中产生，尤其是粒子衰变，,(,正是从粒子衰变中推断其存在）；,因为在宇宙形成早期中微子大量产生，而且它们和物质作用很弱，在今天宇宙中有很多中微子，它们即使很轻，但因为数众多，所以对宇宙质量有不可忽略贡献，影响宇宙膨胀。,21/58,世界由什么组成？答案,22/58,第二部分：世界怎样组成？,世界由夸克和,轻子组成。,是什么把夸克,和轻子组合成,物质？,四种作用！,23/58,物质怎样相互作用？,物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁吸引或排斥,物质间经过力场发生相互作用,经过交换,携带力粒子,！,24/58,电磁力,电磁力引发“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引发。,电磁力携带粒子是“光子”，不一样能量光子形成了电磁波谱，如,X,射,线、可见光和无线电波。,光子没有质量，以光速传输。,25/58,残余电磁力,“,原子”含有相同数目标“质子”和“电子”是电中性，它们怎样形成份子呢？原来一个“原子”中“电子”跟另外一个“原子”中质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不一样“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号电荷使得我们世界得以形成！,26/58,原子核怎样形成？,“,原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而,相互排斥，“中子”不带电，为何它们不因排斥,而散开 呢？,这个问题用电磁力无法回答,!,27/58,强作用力,夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”粒子之间有“强作用”。,“强作用力”使夸克形成“强子”,“强作用力”携带粒子叫“胶子”,（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）,“强作用”与“电磁作用”不一样，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；,即使“夸克”带“色荷”，它们组成“强子”都不带“色荷”，是色中性。,28/58,色荷,带色荷粒子（夸克、胶子）经过交换胶子发生强作用,夸克发射或吸收胶子时改变本身所带色荷,夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对“色荷,-,反色荷”,组成重子三个夸克分别带有“,红,、,绿,、,蓝,”色荷，所以是色中性,组成介子一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性,色荷在作用过程中是守恒,29/58,夸克禁闭,带色粒子不能单独存在，夸克总是,和别夸克囚禁在一起而形成色中性,强子,强子中夸克疯狂交换胶子进行强,作用，它们存在于由胶子组成色场中：,当胶子场取得足够能量时，就会折断成一对夸克,-,反夸克,30/58,夸克禁闭未被严格证实！,-Steven Weinberg,31/58,夸克发射胶子,夸克发射或吸收胶子时，本身色荷要改变，以确保色荷守恒。如带有“红”色荷夸克发射了一个带有“红,-,反蓝”胶子后，本身色荷变成了“蓝”。,32/58,残余强作用：原子核形成,即使组成原子核核子（质子和中子）都是色中性，它们之间有“残余强作用”，这种作用远远超出质子之间电磁斥力，原子核由此而形成。,33/58,弱作用,即使有,6,种夸克和,6,种轻子，但我们周围除了,3,种中微子单独存在着外，全部物质都是由最轻,2,种夸克,(u,d),和,1,种最轻带电轻子（电子）组成，较重夸克和带电轻子呢,?,较重夸克（,s,c,b,t),和带电轻子,(,）在宇宙,形成早期就衰变掉了，衰变成了最轻夸克,和轻子。这些衰变（即味道改变）都是经过,弱作用进行。,弱作用携带粒子是,W,+,W,-,Z,标准模型把弱作用和电磁作用,统一到了一个理论框架中。,34/58,电磁作用和弱作用统一,标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论,在非常小尺度,(10,-18,米）或非常大能标,(100 GeV),情况下，弱作用强度和电磁作用强度在同一,水平。,伴随尺度增加或能标降低，弱作用将远远弱于,电磁作用。,弱作用携带粒子是重达,100 GeV,粒子，是一个短,距作用,35/58,引力,引力很是奇怪。即使它是一个基本力，标准模型却不能描述它。怎样把它也统一进来是当今物理学一大难题。,引力携带粒子,引力子，至今未被发觉。,36/58,自然界基本作用力总结,37/58,量子力学,原子和亚原子粒子性质与我们日常生活中物体完全不一样，它们不是跳动小球，它们不但含有粒子性，还含有波性质（波粒二象性），它们运动规律用“量子力学”描述。,量子力学中物理量只能取分离值：量子化。,常见量子数：电荷、色荷、味道、自旋,量子力学,只能预言粒子在某,一时刻出现在某处,几率,.,God doesnt play dice!,”,(Einstein was wrong.),量子数：,几率：,38/58,世界由什么组成？怎样组成？,-,最终答案,We have answered the questions,What is the world made of?and What holds it together?“,The world is made of,6,quarks,and,6,leptons,.Everything we see is a conglomeration of quarks,and leptons.,There are,four fundamental forces,and there are,force carrier particles,associated with each force,39/58,第三部分：粒子衰变和湮灭,原子核衰变：一个大原子核变成几个小原子核,基本粒子衰变：一个基本粒子变成几个较轻基本粒子,40/58,放射性发觉,1800,年代晚期，德国物理学家,Wilhelm R,ntgen,发觉：当电子束打到金属片上时，会有奇怪射线发出，他称之为,X-,射线,两个月后，法国物理学家,Henri Becquerel,发觉有些矿石（如铀）会自然放出射线。不稳定原子核衰变而放出射线,放射性,41/58,射线种类,射线：氦（,helium,）核（,2p,2n),射线：高速电子,射线：高能光子,射线能够被纸片挡住,射线能够被铝片挡住,射线只能用铅板来档,42/58,衰变中质量亏损,238.0508,234.0436,4.0026,0.0046 u,质量亏损掉了，变成了能量,！,43/58,衰变中“中介子”,衰变,44/58,正反粒子湮灭,(I),45/58,正反粒子湮灭,(II),46/58,物质和反物质相遇会彼此毁灭。不过物理学家们一直难以解释是：既然在发生宇宙大撞击时候，很显著正物质和反物质量是相等，那么我们由物质组成宇宙，为何又能够存在到今天，而不是早早就灰飞烟灭了呢？,47/58,第四部分：怎样试验研究粒子,今天知道粒子绝大部分都是不稳定粒子，它们在宇宙形成早期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子性质。,粒子产生方法：,宇宙线,对撞机,粒子探测工具：,探测器,48/58,宇宙线,49/58,对撞机（加速器）,直线加速,盘旋加速,固定靶,对撞机,50/58,当今世界上加速器,Fermilab,（费米试验室，美国）,SLAC(,斯坦福直线加速器中心，美国,),BNL(,布鲁海文试验室，美国）,CESR(,康奈尔正负电子储存环，美国）,CERN(,欧洲粒子物理试验室，瑞士,),KEK,（高能加速器研究机构，日本）,DESY(,电子盘旋加速器，德国）,IHEP(,高能物理所，中国）,51/58,粒子探测器,52/58,当代粒子物理试验鼻祖,:,鲁瑟夫试验,Beam:,粒子,Target:,金箔,Detector:,硫化锌屏幕,53/58,观察世界伎俩：总结,54/58,物质和反物质不对称问题（宇宙形成）,55/58,宇宙形成,56/58,大统一和更小尺度物理,基本粒子物理一个主要目标就是把各种作用力统一起来,-,大统一理论,爱因斯坦晚年致力于把电磁力和引力统一起来,但没有成功,至今，人们仍在探索大统一理论,57/58,Thats all,Thank you,！,58/58,