粒子和宇宙 (2)精选文档.ppt

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1、粒子和宇宙本讲稿第一页，共四十七页宇宙宇宙本讲稿第二页，共四十七页宇宙宇宙本讲稿第三页，共四十七页星空星空本讲稿第四页，共四十七页第十九章第十九章 原子核原子核第一节原子核的组成第一节原子核的组成本讲稿第五页，共四十七页教学目标教学目标教学目标教学目标1 1、知识与技能、知识与技能 了解构成物质的了解构成物质的“基本粒子基本粒子”及粒子物理及粒子物理的发展史的发展史 。初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。的和谐统一。本讲稿第六页，共四十七页2 2、过程与方法、过程与方法 感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法和

2、方法 。能够突破传统思维重新认识客观物质世界。能够突破传统思维重新认识客观物质世界。本讲稿第七页，共四十七页3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观 让学生真正感受到自然的和谐统一并深知让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。创建和谐社会的必要性。培养学生的科学探索精神。培养学生的科学探索精神。本讲稿第八页，共四十七页教学重难点教学重难点教学重难点教学重难点重点重点 了解构成物质的粒子和宇宙演化过程了解构成物质的粒子和宇宙演化过程难点难点 各种微观粒子模型的理解各种微观粒子模型的理解本讲稿第九页，共四十七页本节导航本节导航本节导航本节导航二、发现新粒子二、发现新粒子三、夸克

3、模型三、夸克模型四、宇宙的演化四、宇宙的演化一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本五、行星的演化五、行星的演化本讲稿第十页，共四十七页一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本本讲稿第十一页，共四十七页 1897年汤姆生发现电子，年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提年卢瑟福提出原子的核式结构。继而又发现了光子，并认出原子的核式结构。继而又发现了光子，并认为为“光子、电子、质子、中子光子、电子、质子、中子”是组成物质的是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子基本粒子”。那么随着科学技术的发展那么随着科学技术的发展“它们它们”还是不是真还是不是真正意义上的正意

4、义上的“基本基本”粒子呢？粒子呢？本讲稿第十二页，共四十七页 1 1、基本粒子的组成、基本粒子的组成 分子由分子由原子原子构成，不同原子构成构成，不同原子构成化合物化合物分分子，相同原子构成子，相同原子构成单质单质分子。分子。原子是由位于中心的原子是由位于中心的原子核原子核和核外高速和核外高速旋转的旋转的电子电子构成的。构成的。（电子带（电子带负电负电，原子核带，原子核带正电正电）原子核是由原子核是由质子质子和和中子中子构成的。构成的。（质子带（质子带正电正电，中子，中子不带电不带电）本讲稿第十三页，共四十七页二、发现新粒子二、发现新粒子本讲稿第十四页，共四十七页 1 1、人们在对宇宙研究的同

5、时发现了一些、人们在对宇宙研究的同时发现了一些新的粒新的粒子子。（1）1932年发现年发现正电子正电子；1937年发现年发现子子；（2）1947年发现年发现K介子与介子与介子介子。实验中发现了。实验中发现了许多反粒子，现在发现的许多反粒子，现在发现的粒子多达粒子多达400多种。多种。（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做些物理性质相反的粒子，叫做反粒子反粒子。（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子强子、轻子和媒介子。本讲稿第十五页，共四十七页强

6、子轻子媒介子介子重子电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子光子，中间玻色子、胶子介子K介子质子、中子、超子 2、按粒子与各种相互作用的关系粒子的分、按粒子与各种相互作用的关系粒子的分类是：类是：本讲稿第十六页，共四十七页汤姆逊汤姆逊电子电子卢瑟福卢瑟福质子质子查查德德威威克克中中子子盖盖尔尔曼曼夸夸克克发现各种微粒的科学家发现各种微粒的科学家道尔顿道尔顿原子原子本讲稿第十七页，共四十七页三、夸克模型三、夸克模型本讲稿第十八页，共四十七页 试验证明强子是有内部结构的，试验证明强子是有内部结构的，1964年提出年提出的夸克模型正明强子由更基本的粒成分组成，这的夸克模型正明强子由更基本的粒成分

7、组成，这种成分叫做种成分叫做夸克夸克。夸克由六种模型：。夸克由六种模型：上夸克上夸克d、下夸克下夸克u、奇异夸克、奇异夸克s、粲夸克、粲夸克c，底夸克，底夸克b、顶、顶夸克夸克t。本讲稿第十九页，共四十七页 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克夸克(Top Quark)的存在的存在本讲稿第二十页，共四十七页夸克质量电荷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

8、+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+1本讲稿第二十一页，共四十七页四、宇宙的演化四、宇宙的演化本讲稿第二十二页，共四十七页 物理学中有一个非常有趣的现象：研究物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观粒子物理、量子理论、与研究宇宙的理微观粒子物理、量子理论、与研究宇宙的理论竟然相互沟通，相互支持。正如诺贝尔物论竟然相互沟通，相互支持。正如诺贝尔物理学奖学者格拉肖所说：理学奖学者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。是宇宙结构的秘密。”，那么，那么宇宙到底从何而来宇宙到底从何而来呢？呢？本讲稿第二十三页，共四十七页大爆炸理

9、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本讲稿第二十四页，共四十七页宇宙大爆炸理论：宇宙大爆炸理论：早在早在1929年，埃德温年，埃德温哈勃作出了一个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。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，似乎早先星体相互之间更加靠近

10、。事实上，似乎在大约在大约100亿至亿至200亿年之前的某一时刻，它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，当时宇宙无限紧在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。密。本讲稿第二十五页，共四十七页 1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸年前后，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，从开去的那种爆炸，而是一种在各处同时

11、发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一一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急剧膨胀。理解为空间的急剧膨胀。整个空间整个空间可以指的是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。能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。本讲稿第二十六页，共四十七页 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大根据大爆炸宇宙论，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，密片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很

12、大的速率膨胀着。这些气体在度极大，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。乃至恒星系统得以相继出现。本讲稿第二十七页，共四十七页 从从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，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：样一部宇宙历史：大爆炸开始时大爆炸开

13、始时 150200亿年前，极小体积，极亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。高密度，极高温度。大爆炸后大爆炸后10-43秒秒 宇宙从量子背景出现。宇宙从量子背景出现。大爆炸后大爆炸后10-35秒秒 同一场分解为强力、电弱力同一场分解为强力、电弱力和引力。和引力。本讲稿第二十八页，共四十七页 大爆炸后大爆炸后10-5秒秒 10万亿度，质子和中子形成。万亿度，质子和中子形成。大爆炸后大爆炸后0.01秒秒 1000亿度，光子、电子、中微子亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。剧膨胀，温度和密度不

14、断下降。大爆炸后大爆炸后0.1秒后秒后 300亿度，中子质子比从亿度，中子质子比从1.0下降到下降到0.61。大爆炸后大爆炸后1秒后秒后 100亿度，中微子向外逃逸，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正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。和质子。本讲稿第二十九页，共四十七页 大爆炸后大爆炸后13.8秒后秒后 30亿度，氘、氦类稳亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。定原子核（化学元素）形成。大爆炸后大爆炸后35分钟后分钟后 3亿度，核过程停止，尚亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。不能形成中性原子。大爆炸后大爆炸后30万年后万年后 3000度，化学结

15、合作用使中性度，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成密度较高的气体云块，直至自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。恒星和恒星系统。本讲稿第三十页，共四十七页五、恒星的演化五、恒星的演化本讲稿第三十一页，共四十七页 1、恒星的诞生恒星的诞生 宇宙尘埃宇宙尘埃星云团星云团恒星诞生恒星诞生氢核聚合成氦核氢核聚合成氦核氢核聚合成碳核氢核聚合成碳核其他聚变过程其他聚变过程无聚变反应、形成白无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞矮星或中子星或黑洞 2、恒星最后的归宿恒星最后的归宿：恒星质量小于太阳恒星质量

16、小于太阳1.4倍倍白矮星白矮星 恒星质量是太阳恒星质量是太阳1.42倍倍中子性中子性 恒星质量更大时恒星质量更大时(无法抵抗无法抵抗)黑洞黑洞本讲稿第三十二页，共四十七页 粒子物理粒子物理和和宇宙学宇宙学殊途同归殊途同归本讲稿第三十三页，共四十七页课堂小结课堂小结课堂小结课堂小结粒粒子子媒介子媒介子光子光子：传递电磁相互作用：传递电磁相互作用胶子胶子：传递强相互作用：传递强相互作用轻子轻子电子电子电子中微子电子中微子子和子和子中微子子中微子子和子和子中微子子中微子强子强子参与参与相互作用相互作用质子质子中子中子介子介子超子超子夸克夸克上夸克上夸克下夸克下夸克奇夸克奇夸克粲夸克粲夸克底夸克底夸克

17、顶夸克顶夸克本讲稿第三十四页，共四十七页 2、宇宙演化过程的方框图：宇宙演化过程的方框图：大爆炸大爆炸夸克、轻子、胶子等夸克、轻子、胶子等强子时代强子时代轻子轻子时代时代核合成时代核合成时代电子与质子符合成氢原子电子与质子符合成氢原子形成形成恒星和星系。恒星和星系。3、恒星演化过程的方框图恒星演化过程的方框图：宇宙尘埃宇宙尘埃星云团星云团恒星诞生恒星诞生氢核聚合成氦氢核聚合成氦核核氢核聚合成碳核氢核聚合成碳核其他聚变过程其他聚变过程无聚变反应、无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞。形成白矮星或中子星或黑洞。本讲稿第三十五页，共四十七页高考链接高考链接高考链接高考链接 1(2004天津天津)中子

18、内有一个电荷量为中子内有一个电荷量为+2e/3 的上的上夸克和两个电荷量为的夸克和两个电荷量为的-1e/3 下夸克，一简单模型是三下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图所示。下面给的同一圆周上，如图所示。下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是的是（）D本讲稿第三十六页，共四十七页ABCD本讲稿第三十七页，共四十七页 2、（、（09年广东物理）科学家发现在月球上含年广东物理）科学家发现在月球上含有丰富的有丰富的32He（氦（氦3），它是一种高效、清洁、），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其

19、参与的一种核聚变反应的安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为方程式为 关于关于32He聚变下列表述正确的是聚变下列表述正确的是 （）A聚变反应不会释放能量聚变反应不会释放能量 B聚变反应产生了新的原子核聚变反应产生了新的原子核 C聚变反应没有质量亏损聚变反应没有质量亏损 D目前核电站都采用目前核电站都采用32He聚变反应发电聚变反应发电B本讲稿第三十八页，共四十七页 解析：聚变反应时将质量较小的轻核聚变解析：聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。但目前核电站都采用采用铀放出大量的能量。但目前核电

20、站都采用采用铀核的裂变反应。因此核的裂变反应。因此B B正确。正确。本讲稿第三十九页，共四十七页课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习 1、现在，科学家们正在设法寻找、现在，科学家们正在设法寻找“反物质反物质”。所谓所谓“反物质反物质”是由是由“反粒子反粒子”构成的，构成的，“反粒反粒子子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的符号相反据此，若有反量，但电荷的符号相反据此，若有反粒子，粒子，它的质量数为它的质量数为 ，电荷数为，电荷数为 4-2本讲稿第四十页，共四十七页 2、1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇

21、称不守恒，并由吴健雄用云中宇称不守恒，并由吴健雄用云6027Co放射源进行了放射源进行了实验验证次年，李、杨二人为此获得诺贝尔物理奖实验验证次年，李、杨二人为此获得诺贝尔物理奖6027Co的衰变方程是的衰变方程是 6027CoAZNi+0-1e+ve其中其中ve是反中微子，它的电荷为零，静止质量可认为是是反中微子，它的电荷为零，静止质量可认为是零。零。本讲稿第四十一页，共四十七页 （1）Co与与Fe同周期，它应在周期表的第同周期，它应在周期表的第_ 周期，周期，6027Co的核外电子数为的核外电子数为 。在上述衰变方程中，。在上述衰变方程中，衰变产物衰变产物AZNi的质量数的质量数A是是 ，核

22、电荷数，核电荷数z是是 ；（2）在衰变前）在衰变前6027Co核静止，根据云室照片中可以核静止，根据云室照片中可以看出，衰变产物看出，衰变产物Ni和和0-1e的运动轨迹不在一条直线上。的运动轨迹不在一条直线上。如果认为衰变产物只有如果认为衰变产物只有Ni和和0-1e，那么衰变过程将，那么衰变过程将违背违背 守恒定律。守恒定律。4276028 动量动量 本讲稿第四十二页，共四十七页 3、目前普遍认为，质子和中子都由被称为、目前普遍认为，质子和中子都由被称为夸夸克和克和d夸克的两类夸克组成，夸克的两类夸克组成，夸克带电量为夸克带电量为2e/3，d夸克带电量为夸克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列

23、论断可能的为元电荷，则下列论断可能的是（是（）A质子由质子由1个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克和夸克和2个个d夸克组成夸克组成 B质子由质子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克和夸克和2个个d夸克组成夸克组成 C质子由质子由1个个夸克和夸克和2个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成 D质子由质子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成B本讲稿第四十三页，共四十七页 4、K-介子衰变方程为：介子衰变方程为：K-+o其中其中K-

24、介子衰介子衰变方程为：变方程为：K-+o其中其中K-介子和介子和-介子带负的基元电介子带负的基元电荷，荷，o介子不带电，如图所示，一个介子不带电，如图所示，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，其轨迹为圆弧场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧Ap，衰变后产，衰变后产生的生的-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，它们半点相切，它们半径径Rk-与与R-之比为之比为2：1（o介子的轨迹未画出）由此可知介子的轨迹未画出）由此可知-的动量大小与的动量大小与o的动量大小之比为的动量大小之比为 （）A1：1 B1：2 C1：3 D1：6C本讲稿第四十四页，共

25、四十七页教材习题解答教材习题解答教材习题解答教材习题解答1 1、粒子的分类、粒子的分类强子轻子媒介子介子重子电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子光子，中间玻色子、胶子介子K介子质子、中子、超子本讲稿第四十五页，共四十七页 2、答：宇宙演化过程的方框图：、答：宇宙演化过程的方框图：大爆炸大爆炸夸克、轻子、胶子等夸克、轻子、胶子等强子时代强子时代轻子时轻子时代代核合成时代核合成时代电子与质子符合成氢原子电子与质子符合成氢原子形成恒星形成恒星和星系和星系 恒星演化过程的方框图：宇宙尘埃恒星演化过程的方框图：宇宙尘埃星云团星云团恒星恒星诞生诞生氢核聚合成氦核氢核聚合成氦核氢核聚合成碳核氢核聚合成碳核其他聚变过其他聚变过程程无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞本讲稿第四十六页，共四十七页本讲稿第四十七页，共四十七页