19.8粒子和宇宙ppt課件

1、第十九章第十九章 原子核原子核第八節(jié)第八節(jié) 粒子和宇宙粒子和宇宙1.2比比誰小 分子由_構成，不同原子構成_分子，相同原子構成_分子。原子是由位于中心的_和核外高速旋轉的_構成的。（電子帶_電，原子核帶_電）原子核是由_和_構成的。（質子帶_電，中子_電）質子和中子都是由_組成的。原子原子化合物化合物單質單質原子核原子核電子電子負負正正質子質子中子中子不帶不帶夸克夸克正正3道爾頓道爾頓（原子）（原子）湯姆遜湯姆遜（電子）（電子）盧瑟福（質子）盧瑟福（質子）查德威克查德威克（中子中子）蓋爾曼蓋爾曼（夸克夸克）發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學家發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學家4一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本5 1

2、897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結構。繼年盧瑟福提出原子的核式結構。繼而又發(fā)現(xiàn)了光子，并認為而又發(fā)現(xiàn)了光子，并認為“光子、電子、質子、中子光子、電子、質子、中子”是組成物質的是組成物質的不可再分的粒子，所以把它們叫不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子基本粒子”。那么隨著科學技術的。那么隨著科學技術的發(fā)展發(fā)展“它們它們”還是不是真正意義上的還是不是真正意義上的“基本基本”粒子呢？粒子呢？6二、發(fā)現(xiàn)新粒子二、發(fā)現(xiàn)新粒子7 1 1、人們在對宇宙研究的同時發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。、人們在對宇宙研究的同時發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。 （1）1932年發(fā)現(xiàn)正電子；年發(fā)現(xiàn)正電子

3、；1937年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)子；子； （2）1947年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)K介子與介子與介子。實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的介子。實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達粒子多達400多種。多種。 （3）許多粒子都存在著質量與它相同而電荷）許多粒子都存在著質量與它相同而電荷磁矩等磁矩等物理性質相反的粒子，物理性質相反的粒子，叫做反粒子。叫做反粒子。 （4）按粒子與各種相互作用的關系，可分為三大類：強子、輕子和媒介）按粒子與各種相互作用的關系，可分為三大類：強子、輕子和媒介子。子。8強子強子( (參與強相互作用參與強相互作用) )輕子輕子( (不參與強相互作用不參與強相互作用) ) 媒介子（傳遞相互作用）

4、媒介子（傳遞相互作用）介子介子重子重子電子、電子中微子、電子、電子中微子、子、子、子中微子、子中微子、子、子、子子中微子（都有反粒子）中微子（都有反粒子）光子（電磁），中間玻光子（電磁），中間玻色子（弱）、膠子（強）色子（弱）、膠子（強）、K （+ -中性中性） 介子質子、中質子、中子及反粒子及反粒子子 超子超子 2、按粒子與各種相互作用的關系、按粒子與各種相互作用的關系 粒子的分類是：粒子的分類是：介子的靜態(tài)質量介于輕子和重子之間，超子是超子是質量超過核子（中子、質子）的各種重子。9三、夸克模型三、夸克模型 如果原子理論夠瘋狂，那么研究比原子微粒更小的次原子微如果原子理論夠瘋狂，那么研究比原

5、子微粒更小的次原子微?？梢哉f是令人瘋狂至極?？淇吮环Q為粒可以說是令人瘋狂至極?？淇吮环Q為“基本粒子基本粒子”，并屬于原，并屬于原子粒子（質子、中子）的組成要素。子粒子（質子、中子）的組成要素。1919世紀世紀6060年代，這一理論問年代，這一理論問世，卻僅僅作為人們解釋未知事物的抽象概念。經過幾十年后，世，卻僅僅作為人們解釋未知事物的抽象概念。經過幾十年后，進一步的研究以及挖掘到的證據造就了夸克模型的產生，最終使進一步的研究以及挖掘到的證據造就了夸克模型的產生，最終使人們信服了這種理論的正確性。人們信服了這種理論的正確性。10 實驗證明強子是有內部結構的，實驗證明強子是有內部結構的，1964年

6、提出的夸克模型證明年提出的夸克模型證明強子由更基本的粒成分組成，這種成分叫做夸克?？淇擞闪N模強子由更基本的粒成分組成，這種成分叫做夸克。夸克由六種模型：上夸克型：上夸克d、下夸克、下夸克u 、奇異夸克、奇異夸克s、粲夸克、粲夸克c，底夸克，底夸克b、頂夸、頂夸克克t。11強子結構的夸克模型強子結構的夸克模型 下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s強子結構夸克模型強子結構夸克模型 (1964年年 ) ：介子（夸克和反夸克組成）介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個夸克組成）重子（三個夸克組成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 頂夸克頂夸克 t12夸克夸克質量質量電荷電荷e ed

7、d下夸克下夸克0.0080.008-1/3-1/3u u上夸克上夸克0.0040.0042/32/3s s奇夸克奇夸克0.150.15-1/3-1/3c c粲夸克粲夸克1.51.52/32/3b b底夸克底夸克4.74.7-1/3-1/3t t頂夸克頂夸克1741742/32/3由于一種叫“夸克禁閉”的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強子里面找到。對夸克的所知大都是間接的來自對強子的觀測?！盎玖Ｗ硬换?、基本電荷非整數131415 1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克(Top Quark)的的存在存在16四、宇宙的演化四、宇宙

8、的演化 “瘋狂瘋狂”而正確的而正確的宇宙理論：宇宙大爆炸！宇宙理論：宇宙大爆炸！ 從最初的地心論到日心說，再到現(xiàn)在的宇宙大爆炸，我們對宇宙的認識越來越深。而在這個漫長的過程中，有些理論看似合理卻被證明是錯誤的，而有些理論雖然看上去非常瘋狂，但卻被證實是正確的。17 物理學中有一個非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀粒子物理、量子理物理學中有一個非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀粒子物理、量子理論、與研究宇宙的理論竟然相互溝通，相互支持。正如諾貝爾物理論、與研究宇宙的理論竟然相互溝通，相互支持。正如諾貝爾物理學獎學者格拉肖所說：學獎學者格拉肖所說：“隱藏在原子內心的，是宇宙結構的秘隱藏在原子內心的，是宇宙結構的秘密。

9、密?！保敲从钪娴降讖暮味鴣砟?？，那么宇宙到底從何而來呢？18大爆炸理論大爆炸理論 (The Big Bang Theory)宇宙從一個宇宙從一個“奇點奇點”爆炸產生爆炸產生 大爆炸模型認為大爆炸模型認為, ,最初的宇宙是連最初的宇宙是連10-2510-25厘米也未充滿的超高溫、厘米也未充滿的超高溫、 高密度的高密度的“一點一點”。大約。大約180180億年前億年前, ,這這“一點一點”突然爆炸了突然爆炸了, ,僅用僅用10-36秒秒，伴隨著真空相轉移的過冷卻現(xiàn)象伴隨著真空相轉移的過冷卻現(xiàn)象, , “一點一點”做了瞬間幾十個數量級做了瞬間幾十個數量級的膨脹的膨脹, ,成為一個厘米規(guī)模的宇宙。成

10、為一個厘米規(guī)模的宇宙。1920 這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習見于地球上發(fā)生在一個確定的點，這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習見于地球上發(fā)生在一個確定的點，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發(fā)生，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發(fā)生，從一開從一開 始就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其始就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。整個空間整個空間可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象

11、球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。地回到原來位置的有限宇宙。21宇宙大爆炸理論：宇宙大爆炸理論： (Big Bang)是一種學說是一種學說,是根據天文觀測研究后得到的一種設想是根據天文觀測研究后得到的一種設想.大約在大約在150億年前億年前,宇宙所有的物質都高度密集在一點宇宙所有的物質都高度密集在一點,有著極高的有著極高的溫度溫度,因而發(fā)生了巨大的爆炸因而發(fā)生了巨大的爆炸.大爆炸以后大爆炸以后,物質開始向外大膨脹物質開始向外大膨脹,就就形成了今天我們看到的宇宙形成了今天我們看到的宇宙.現(xiàn)在，許多科學家都支持這一說法，現(xiàn)在，許多科學家都支持這一說法，并產生了大量的科學證據證明這一學說。并產

12、生了大量的科學證據證明這一學說。22 爆炸之初，物質只能以爆炸之初，物質只能以中子中子、質子質子、電子、電子、光子光子和和中微子中微子等基等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導致溫度和密度很本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核原子核、分子，、分子，并復合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成并復合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云星云，星云進一步形成，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。各種各樣的恒星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。23 從從1948

13、年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力， 宙學家們?yōu)槲覀冎鎸W家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：勾畫出這樣一部宇宙歷史：大爆炸開始時大爆炸開始時 150200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。 大爆炸后大爆炸后10-43秒秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后大爆炸后10-35秒秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。同一場分解為強力、電弱力和引力。 大大爆炸后爆炸后10-5秒秒 10萬億度，質子和中子形成。萬億度，質子和中子形成。 大爆炸后大爆炸后0.01秒秒 1000億度，光子、

14、電子、億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占中微子為主，質子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。斷下降。 大爆炸后大爆炸后0.1秒后秒后 300億度，中子質子比從億度，中子質子比從1.0下降到下降到0.61。 大爆炸后大爆炸后1秒秒 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質子。億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質子。 大爆炸后大爆炸后13.8秒后秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學元素）形成。億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學元素）形成。 大爆炸后大爆炸

15、后35分分鐘后鐘后 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后大爆炸后30萬年后萬年后 3000度，化學度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質，并逐步在自引力作用下凝聚結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。 24五、恒星的演化五、恒星的演化25 2、恒星的誕生恒星的誕生 宇宙塵埃宇宙塵埃星云團星云團恒星誕生恒星誕生氫核聚合成氦核氫核聚合成氦核氫核聚合成碳核氫核聚合成碳核其其他聚變過程他聚變過程無聚變反應、形成白矮星或

16、中子星或黑洞無聚變反應、形成白矮星或中子星或黑洞 2、恒星最后的歸宿恒星最后的歸宿 恒星質量小于太陽恒星質量小于太陽1.4倍倍白矮星白矮星 恒星質量是太恒星質量是太陽陽1.42倍倍中子星中子星 恒星質量更大時恒星質量更大時(無法抵抗無法抵抗)黑洞黑洞 1、宇宙演化過程的方框圖：宇宙演化過程的方框圖： 大爆炸大爆炸夸克、輕子、膠子等夸克、輕子、膠子等強子時代強子時代輕輕子時代子時代核合成時代核合成時代電子與質子符合成氫原子電子與質子符合成氫原子形成恒星和星系。形成恒星和星系。26 想像一下，在宇宙中存在著這樣一種物質，這種物質特別致密，且想像一下，在宇宙中存在著這樣一種物質，這種物質特別致密，且隱匿著巨大的引力場，其引力場特別強以至于包括光子在內的任何物質只隱匿著巨大的引力場，其引力場特別強以至于包括光子在內的任何物質只能進去而無法逃脫。能進去而無法逃脫。17831783年，一位地質學家提出了這一設想。設想本身的年，一位地質學家提出了這一設想。設想本身的瘋狂以及提出者的身份，令世人都以為這是瘋言瘋語。很多年后，數學領瘋狂以及提出者的身份，令世人都以為這是瘋言瘋語。很多年后，數學領域的巨大發(fā)展，使黑洞理論逐漸被人們接受。天文學的觀測，如引力透鏡域的巨大發(fā)展，使黑洞理論逐漸被