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1、 第十九章：原子核第十九章：原子核 第第 8 8 节节：粒子和宇宙：粒子和宇宙1 1、了解构成物质的、了解构成物质的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的发展史；及粒子物理的发展史；2 2、初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。、初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。1 1“基本粒
2、子基本粒子”不基本不基本直到直到1919世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、小微粒，后来发现了电子、_和和_，又认为它们是组，又认为它们是组成物质的基本粒子现在已发现粒子有成物质的基本粒子现在已发现粒子有400400余种，有些也具有复杂余种，有些也具有复杂的的_2 2发现新粒子发现新粒子(1)(1)新粒子：新粒子：2020世纪世纪3030年代人们对年代人们对_的研究发现一些新的研究发现一些新粒子，人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子，粒子，人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子，19321932年发现了年发现了_
3、，19371937年发现年发现_，19471947年发现年发现_和和介子及介子及以后的超子、反粒子等以后的超子、反粒子等质子中子内部结构宇宙射线正电子子K介子媒介子轻子强相互作用子各种相互作用 夸克底夸克底夸克顶夸克4宇宙的演化宇宙的演化研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究_的理论是相互沟通，相互支撑的，从大爆炸开始的不同时间的理论是相互沟通，相互支撑的，从大爆炸开始的不同时间里，对应的温度不同，组成宇宙的物质不相同。里，对应的温度不同，组成宇宙的物质不相同。5恒星的演化恒星的演化当温度降到当温度降到_时，中性原子组成的宇宙尘埃在万时，中性原子组成的
4、宇宙尘埃在万有引力作用下，尘埃收缩凝集，引力势能转化为内能，温度有引力作用下，尘埃收缩凝集，引力势能转化为内能，温度升高，开始发光形成了恒星，当恒星核能耗尽时，进入末期，升高，开始发光形成了恒星，当恒星核能耗尽时，进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或_。宇宙3000 K黑洞(1)19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子成物质的不可再分的最基本粒子(2)从从20世纪起科学家陆续发现了世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中
5、子、电子组成的它们不是由质子、中子、电子组成的(3)科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构粒子，且还有着复杂的结构(4)研究粒子的主要工具研究粒子的主要工具粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本1.“基本粒子基本粒子”不基本不基本分类分类自旋自旋泡利不相容原泡利不相容原理理统计规律统计规律 费米子费米子(电子、质子、中子电子、质子、中子等各种重子等各种重子)服从服从费米费米狄拉克统计狄拉克统计分布分布玻色子玻色子(光子、光子
6、、介子介子K介子、介子、介子介子)整数整数0 0 或或 1 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因斯坦统爱因斯坦统计分布计分布2.粒子粒子的分类的分类（1）按自旋分类）按自旋分类3.共振态粒子共振态粒子 寿命极短（约寿命极短（约10-23s）万有引力万有引力电磁力电磁力弱相互作用弱相互作用强相互作用强相互作用引力子引力子光子光子轻子轻子强子强子 正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(如电荷、磁矩如电荷、磁矩等等)的符号相反。的符号相反。引力子引力子 自旋应为自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。、静止质量和电荷为零，以光速运动。光子光子 自
7、旋为自旋为1，是玻色子。是玻色子。3.正粒子、反粒子正粒子、反粒子4.按相互作用分类按相互作用分类分类分类正反粒正反粒子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0-1 +1稳定稳定2.22.3稳定稳定中中微微子子轻子（轻子（共共1212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。说明说明-1 +1-1 +1-1 +1000分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子重子重子核子核子超子超子强子分类强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下介子和各种超子称为奇异粒子。试验
8、中发现以下现象。现象。协同产生协同产生:一个超子总是和一个或几个一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。介子同时产生。奇异粒子协同产生的过程极快奇异粒子协同产生的过程极快(约为约为10-23s),表明是在强相互作用下进行的；表明是在强相互作用下进行的；而衰变过程很慢而衰变过程很慢(寿命约为寿命约为10-8 10-10s)，表明是在弱相互作用下进行的。表明是在弱相互作用下进行的。、K介子等介子等质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子超子及反粒子超子及反粒子整数整数玻色子玻色子费密子费密子(1)(1)夸克的提出夸克的提出许多实验事实表明，强子是有内部结构的许多实验事实表明，强子是有内部结构的.1
9、964.1964年提出的夸克模年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。(2)(2)夸克的分类夸克的分类夸克有夸克有6 6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。每种夸克都有对应的反夸克。克、顶夸克。每种夸克都有对应的反夸克。(3)(3)夸克模型的意义夸克模型的意义夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。二
10、、夸克模型二、夸克模型例如例如 ：质子：质子 奇异粒子奇异粒子 +介子介子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+11.质子质子(uud)电荷电荷:重子数重子数:奇异数奇异数:自旋自旋:同位旋同位旋:2.奇异
11、奇异粒子（粒子（uus）电荷电荷:重子数重子数:奇异数奇异数:自旋自旋:3.+介子介子 重子数重子数:电荷电荷:奇异数奇异数:自旋自旋:同位旋分量同位旋分量:例例1 1K介子衰变的方程为介子衰变的方程为K0，其中，其中K介子和介子和介子带负的基元电荷，介子带负的基元电荷，0介子不带电一个介子不带电一个K介子沿垂直于磁介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为右下图中圆弧场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为右下图中圆弧AP，衰变后，衰变后产生的产生的介子的轨迹为圆弧介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在，两轨迹在P点相切，它们的半点相切，它们的半径径RK与与R之比为之比为2 1。0介子的轨迹未画出由此可
12、知介子的轨迹未画出由此可知的的动量大小与动量大小与0的动量大小之比为的动量大小之比为A1 1 B1 2C1 3 D1 6答案：C宇宙宇宙宇宙宇宙从何而来？从何而来？从何而来？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三、宇宙的演化三、宇宙的演化2020世纪世纪4040年代，在大量天文学家观测的基础上，物理学家年代，在大量天文学家观测的基础上，物理学家提出了宇宙演化的大爆炸假说它的主要观点是，宇宙是由一个提出了宇宙演化的大爆炸假说它的主要观点是，宇宙是由一个超高温、超
13、高密度的超高温、超高密度的“原始火球原始火球”发生大爆炸而开始的然后经发生大爆炸而开始的然后经历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀(也称暴也称暴胀胀)，宇宙物质从密到稀当温度下降到几千摄氏度时，宇宙间，宇宙物质从密到稀当温度下降到几千摄氏度时，宇宙间主要是气态物质后来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形主要是气态物质后来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体1宇宙的演化2恒星的演化密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用密度很低
14、的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用而收缩逐渐凝成原恒星而收缩逐渐凝成原恒星原原恒恒星星继继续续收收缩缩，温温度度不不断断升升高高，发发生生热热核核反反应应，当当热热核核反反应应产产生生的的斥斥力力和和引引力力作作用用达达到到平平衡衡时时，恒恒星星不不再收缩，进入相对稳定阶段再收缩，进入相对稳定阶段当当核核能能源源供供应应不不足足时时，恒恒星星的的稳稳定定状状态态遭遭到到破破坏坏，引引力力作作用用又又开开始始大大于于斥斥力力，星星体体又又开开始始收收缩缩，温温度度升升高高，发发光光能能力力增增强强，光光度度增增加加，外外部部膨膨胀胀，表表面面积积增增大大，但但表表面面温温度度降降低低，看看上上去去呈呈红红色色，这这时时恒恒星星便便演演化化为为红红巨巨星或新星星或新星当当恒恒星星核核能能耗耗尽尽时时，就就进进入入末末期期恒恒星星的的末末期期形形态态主要有三种：白矮星、中子星或黑洞主要有三种：白矮星、中子星或黑洞