高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙課件 新人教版選修3-5

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1、8 8粒子和宇宙粒子和宇宙1.了解構(gòu)成物質(zhì)的了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；及粒子物理的發(fā)展史；2.知道高能加速器是粒子物理學(xué)研究的工具。知道高能加速器是粒子物理學(xué)研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關(guān)系。知道夸克可以帶分?jǐn)?shù)電荷。知道反粒子與粒子的關(guān)系。知道夸克可以帶分?jǐn)?shù)電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探尋1919世紀(jì)末，人們認(rèn)為世紀(jì)末，人們認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最原子是組成物質(zhì)的最小微粒小微粒 道道爾爾頓頓發(fā)現(xiàn)夸克發(fā)現(xiàn)夸克蓋蓋爾爾曼曼經(jīng)典散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子經(jīng)典散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子

2、盧盧瑟瑟福福發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電子中的電子 湯湯姆姆遜遜查查德德威威克克發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)中子新 課 導(dǎo) 入新 課 講 授 人們逐漸意識(shí)到，這些我們認(rèn)為的人們逐漸意識(shí)到，這些我們認(rèn)為的“基本粒子基本粒子”，實(shí)際并不，實(shí)際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)?；?。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)。19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。不可再分的最基本粒子。從從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子，它們多種同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、

3、電子組成的。不是由質(zhì)子、中子、電子組成的?？茖W(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子等本身也是復(fù)合粒子，且科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了探尋這些新粒子，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家為了探尋這些新粒子，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實(shí)際是在想了各種辦法，圖中美麗的花樹實(shí)際是在人造云室人造云室的強(qiáng)磁場(chǎng)中，攜帶電荷的粒子受的強(qiáng)磁場(chǎng)中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡。這是比較原始的實(shí)洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡。這是比較原始的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)方法經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，歐經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，歐洲核子中心（洲核子中心（CERN）建造）建造了迄今最為龐大的雙圈強(qiáng)子了迄今

4、最為龐大的雙圈強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞機(jī) LHC 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測(cè)中心以及先進(jìn)的第三代同步加速器核心就是一系列探測(cè)中心以及先進(jìn)的第三代同步加速器 2012年年7月月4日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會(huì)上向全球宣布，在洲核子中心在發(fā)布會(huì)上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以雙光子道和輕子道分別以6個(gè)西格瑪?shù)膫€(gè)西格瑪?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差探測(cè)到了標(biāo)準(zhǔn)差探測(cè)到了希格斯玻色子希格斯玻色子(Higgs)。人們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最后人們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最后一種粒子，這是現(xiàn)代物

5、理學(xué)的一大步！一種粒子，這是現(xiàn)代物理學(xué)的一大步！分類分類自旋自旋泡利不相容泡利不相容原理原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子費(fèi)米子(電子電子 質(zhì)子質(zhì)子 中中子子 各種重子各種重子)半整數(shù)半整數(shù)1/2，3/2，服從服從費(fèi)米費(fèi)米狄拉克狄拉克統(tǒng)計(jì)分布統(tǒng)計(jì)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)整數(shù)整數(shù)0 或或 1 等等不服從不服從玻色玻色 愛因愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布斯坦統(tǒng)計(jì)分布泡利原理 正、反粒子物理量的絕對(duì)值都相同，但某些物理量正、反粒子物理量的絕對(duì)值都相同，但某些物理量(如如電荷、磁矩等電荷、磁矩等)的符號(hào)相反。但反粒子由于很容易湮滅，所的符號(hào)相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長(zhǎng)時(shí)間存活

6、。以很難長(zhǎng)時(shí)間存活。歐核反粒子的存儲(chǔ)裝置歐核反粒子的存儲(chǔ)裝置演示，原理簡(jiǎn)單的說就演示，原理簡(jiǎn)單的說就是用迅速變換的電場(chǎng)制是用迅速變換的電場(chǎng)制作的牢籠作的牢籠電性、磁矩萬有萬有引力引力電磁電磁力力弱相互弱相互作用作用強(qiáng)相互強(qiáng)相互作用作用引力子引力子光子光子輕子輕子強(qiáng)子強(qiáng)子 引力子引力子：由于自旋為：由于自旋為 2，無法量子化，尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型、，無法量子化，尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。光光 子：自旋為子：自旋為 1，是玻色子。，是玻色子。相互作用分類分類粒子名稱粒子名稱自旋自旋中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。中微子系中性粒子

7、，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。分類分類正反粒子正反粒子自旋自旋電荷量電荷量e重子數(shù)重子數(shù)B輕子數(shù)輕子數(shù)Le、L、L壽命壽命10-6 s輕輕子子下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 頂夸克頂夸克 t1964年提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型年提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型 介子（夸克和反夸克組成）介子（夸克和反夸克組成）重子（三個(gè)夸克組成）重子（三個(gè)夸克組成）六種夸克六種夸克夸克夸克質(zhì)量質(zhì)量電荷電荷e自自旋旋重重子子數(shù)數(shù)同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇異異數(shù)數(shù)超荷超荷粲粲數(shù)數(shù)底底數(shù)數(shù)頂頂數(shù)數(shù)d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000

8、u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頂夸克頂夸克1742/30+1/300+1費(fèi)費(fèi)米米子子與與玻玻色色子子的的夸夸克克圖圖 大爆炸理論大爆炸理論(The Big Bang Theory)宇宙從一個(gè)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙大爆炸是在無限的宇宙各處同時(shí)產(chǎn)生各處同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間的零點(diǎn)時(shí)間的零點(diǎn) 1929年埃德溫年埃德溫哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個(gè)方哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急

9、速地遠(yuǎn)離我們而去。這意味著，在早先星向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約 100 億至億至 200 億年之億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。1950年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)

10、確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。“整個(gè)整個(gè)空間空間”可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。大爆炸恒星白矮星白矮星 中子星中子星黑洞宇宙塵埃星云團(tuán)