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1、19.819.8粒子和宇宙粒子和宇宙第1页/共35页教学目标 1、知识与技能（1）了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；（2）初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。2、过程与方法（1）感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法；（2）能够突破传统思维重新认识客观物质世界。3、情感、态度与价值观（1）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；（2）培养学生的科学探索精神。第2页/共35页教学重点：了解构成物质的粒子和宇宙演化过程教学难点：各种微观粒子模型的理解教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。教学用具：（1）Internet网络素材、报刊杂志、影视媒体等；
2、（2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、课件（基于网络环境）播放等。第3页/共35页第十九章 原子核第八节 粒子和宇宙第4页/共35页比比谁小比比谁小 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_和核外高速和核外高速旋转的旋转的_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。原子化合物单质原子核电子负正质子中子不带夸克正第5页/共35页
3、盖尔曼（夸克）第6页/共35页一、“基本粒子”不基本第8页/共35页 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在第9页/共35页二、发现新的粒子第10页/共35页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 爱因爱因斯坦统计分布斯坦统计分布1.按自旋分类2.共振态粒子 寿命极短（约10-23s）第11页/共
4、35页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(参与)正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(如电荷、磁矩等)的符号相反。引力子 自旋应为2 2、静止质量和电荷为零，以光速运动。光子 自旋为1 1，是玻色子3.正粒子、反粒子第12页/共35页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（共共1212种种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与
5、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。说明第13页/共35页分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子、K介子等介子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 K 介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
6、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。第14页/共35页强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s强子结构夸克模型 (1964年)：介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t第15页/共35页三、夸克模型第16页/共35页例如 质子 奇异粒子 +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
7、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第17页/共35页1.质子 (uud)电荷重子数奇异数自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0.0042/31/2
8、0+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第18页/共35页2.奇异粒子 （uus）电荷重子数奇异数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
9、+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第19页/共35页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+11/31/2-1/31/203.+介子重子数电荷奇
10、异数自旋同位旋分量第20页/共35页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 10-16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1.四种基本相互作用的性质第21页/共35页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
11、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。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。第22页/共35页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
12、器探测器第23页/共35页四、宇宙的演化第24页/共35页宇宙从何而来？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第25页/共35页 1950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。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。整个空间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能弯曲地回到
13、原来位置的有限宇宙。第27页/共35页根据大爆炸宇宙论，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、原子乃至恒星系统得以相继出现。第28页/共35页五、恒星的演化第30页/共35页粒粒子子物物理理和和宇宇宙宙学学殊殊途途同同归归第31页/共35页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第32页/共35页第33页/共35页第34页/共35页感谢您的观看！第35页/共35页