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1、第十九章第十九章 原子核原子核第八节第八节 粒子和宇宙粒子和宇宙比比谁小 分子由分子由_构成，不同原子构成构成，不同原子构成_分子，相同原子构成分子，相同原子构成_分子。分子。原子是由位于中心的原子是由位于中心的_和核外高速旋和核外高速旋转的转的_构成的。构成的。（电子带（电子带_电，原子核带电，原子核带_电）电）原子核是由原子核是由_和和_构成的。构成的。（质子带（质子带_电，中子电，中子_电）电）质子和中子都是由质子和中子都是由_组成的。组成的。原子原子化合物化合物单质单质原子核原子核电子电子负负正正质子质子中子中子不带不带夸克夸克正正盖盖尔尔曼曼（夸夸克克）一、一、“基本粒子基本粒子”不
2、基本不基本发现了电子、质子和中子后，许多人认为光发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的子和它们是组成物质的“基本粒子基本粒子”。逐渐发现了几百种不由质子、中子、电子组逐渐发现了几百种不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也是成的新粒子；又发现质子、中子等本身也是复合粒子。复合粒子。“基本粒子基本粒子”不基本不基本。19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在二、发现新粒子二、发现新粒子2020世纪世纪3030年代以来，人们在对宇宙射线的研年代以来，人
3、们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。究中陆续发现了一些新的粒子。19321932年发现了正电子年发现了正电子19371937年发现了年发现了 子子19471947年发现了年发现了K K介子和介子和 介子介子后来还发现了一些新粒子，质量比质子的质后来还发现了一些新粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。量大，叫做超子。粒子的分类粒子的分类分类分类自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理统计规律统计规律费米子费米子(电子电子 质子质子 中子中子 各种重各种重子子)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
4、数0 或或 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因爱因斯坦统计分布斯坦统计分布1.按自旋分类按自旋分类2.共振态粒子共振态粒子 寿命极短寿命极短（约（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4.按相互作用分类按相互作用分类(参与)正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量理量(如电荷、磁矩等如电荷、磁矩等)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 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 自旋为自旋为1 1，是玻色子是玻色
5、子3.正粒子、反粒子正粒子、反粒子分类分类正反正反粒子粒子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.22.3中中微微子子稳定稳定轻子（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。说明说明分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子、K介子介子等等整数整数玻色子玻色子重子重子核子核子质子、中子及其反质子、中子及其反粒子粒子1/2(超子超子 3/2)费密子费密子超子超子超子及反粒超子及反粒子子强子分类强子分类 K 介
6、子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象 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 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1010-23-23s),s),表明是在强表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为寿命约为1010-8-8 1010-10-10s)s)，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。强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s强子结构夸克模型
7、强子结构夸克模型 (1964年年)：介子（夸克和反夸克组成）介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）重子（三个夸克组成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t三、夸克模型三、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电荷荷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
8、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夸克夸克质量质量电电荷荷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+12.奇异
9、粒子奇异粒子 （uus）电荷电荷重子数重子数奇异数奇异数自旋自旋夸克夸克质量质量电电荷荷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夸克夸克质量质量电电荷荷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
10、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+11/31/2-1/31/203.+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类别类别相对强度相对强度力程力程(m)作用时间作用时间(s)参与离子参与离子强作用强作用1 10-1510-23强子强子电磁作用电磁作用10-2长程长程10-20 1
11、0-16强子强子 轻子轻子 光光子子弱作用弱作用10-13 10-17 10-8强子强子 轻子轻子引力作用引力作用10-39长程长程一切物质一切物质四种基本相互作用四种基本相互作用1.四种基本相互作用的性质四种基本相互作用的性质相互作用是通过交换一定粒子实现的相互作用是通过交换一定粒子实现的作用类型作用类型引力作用引力作用电磁作用电磁作用弱作用弱作用强作用强作用交换粒子交换粒子引力子引力子光子光子玻色子玻色子 (W(W+、W WZ Z0 0 粒子粒子)胶子胶子 引力子引力子尚未被实验证实尚未被实验证实 弱电统一理论弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用
12、。用被看作是一种相互作用。大统一理论大统一理论试图将强、电、弱三种相互作试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。用统一起来。1983年，鲁比亚实验组在高能质子年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发反质子对撞试验中发现了现了W+、W-和和 Z0 粒子。为粒子。为60年代提出的年代提出的弱电统一理论弱电统一理论提供了实验上的支持。提供了实验上的支持。欧洲核子中心高能质子同步加速器上的欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器探测器四、宇宙四、宇宙从何而来？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
13、处同同时时产产生生时时间间的的零零点点五、恒星的演化五、恒星的演化宇宙尘埃在万有引宇宙尘埃在万有引力作用下形成气态力作用下形成气态星云团，进一步凝星云团，进一步凝聚使得引力势能转聚使得引力势能转化为内能，温度升化为内能，温度升高，到一定程度演高，到一定程度演化成恒星。化成恒星。恒星继续收缩、升温。当恒星继续收缩、升温。当温度超过时温度超过时 ，氢通过热核反应成为氦，氢通过热核反应成为氦，核能以电磁波的形式向外核能以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压压力与引力产生的收缩压力平衡力平衡,星体稳定下来。星体稳定下来。太阳目前正处于这一阶段太阳目前正处于
14、这一阶段的中期。的中期。当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩。再次收缩。引力势能产生的热能使温度引力势能产生的热能使温度继续升高，发生氦核聚变成继续升高，发生氦核聚变成碳核的反应，类似热核反应碳核的反应，类似热核反应一波接一波继续下去。一波接一波继续下去。各种热核反应不再发生时，辐射压力消失。星各种热核反应不再发生时，辐射压力消失。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度极大。体在引力作用下进一步收缩，中心密度极大。恒星的最后归宿与恒星的质量大小有关恒星的最后归宿与恒
15、星的质量大小有关。1 1、若恒星的质量小于、若恒星的质量小于1.41.4倍倍太阳质量，演变为白矮星。太阳质量，演变为白矮星。2 2、若恒星的质量为太阳质量、若恒星的质量为太阳质量的的1.41.42 2倍，演变为中子星。倍，演变为中子星。3 3、恒星的质量更大时，演变、恒星的质量更大时，演变为黑洞。为黑洞。黑洞吞噬中子星黑洞吞噬中子星粒粒子子物物理理和和宇宇宙宙学学殊殊途途同同归归17(2004天津)中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的-1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:A B C D