高三物理粒子物理學(xué)及其應(yīng)用

高三物理粒子物理學(xué)及其應(yīng)用第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四第三篇粒子物理學(xué)及其應(yīng)用

第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四第三篇粒子物理學(xué)及其應(yīng)用一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的分類二、輕子三、夸克四、四種基本相互作用五、粒子探測(cè)器六、粒子物理的應(yīng)用第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的分類1、基本粒子概念的發(fā)展⑴古代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的猜想我國(guó)夏朝：金、木、水、火、土五行學(xué)說(shuō)古希臘：水、火、土、空氣組成物質(zhì)（德謨克利特）提出了原子論（公元前3世紀(jì)）⑵近代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)道爾頓的原子論：每一種元素都代表一種特定的原子，不同元素的原子的性質(zhì)不同。第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四⑶現(xiàn)代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的飛躍

1911年，盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型——原子由原子核和電子組成；

1932年，確認(rèn)中子的存在——原子核由中子和質(zhì)子組成；（三種基本粒子）

1932年，安德森發(fā)現(xiàn)正電子；μ子、

л介子和第一個(gè)奇異粒子被發(fā)現(xiàn)；

20世紀(jì)50年代以后，夸克的發(fā)現(xiàn)——構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子共有12種，包括6種輕子和6種夸克。至目前，尚未發(fā)現(xiàn)這12種粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2、基本粒子的分類⑴輕子⑵夸克⑶規(guī)范粒子⑷Higgs粒子（未發(fā)現(xiàn)）第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四二、輕子

輕子——不參與強(qiáng)相互作用的粒子。

6種輕子按其發(fā)現(xiàn)的年代和性質(zhì)，分為三代；輕子同一代之間才發(fā)生相互作用。第7頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四三代輕子的電荷和質(zhì)量第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四1、電子的發(fā)現(xiàn)⑴電子是最早發(fā)現(xiàn)的基本粒子。1897年湯姆遜在測(cè)定陰極射線粒子荷質(zhì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)。電子的靜止質(zhì)量為

電子帶負(fù)電荷

第9頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四⑵正電子的發(fā)現(xiàn)

1928年，狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在；

1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子。正電子的質(zhì)量與電子相等。正電子帶與電子等量的正電荷。第10頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2、μ子和τ子的發(fā)現(xiàn)

μ子有帶負(fù)電的和帶正電的兩種，不參與強(qiáng)相互作用。質(zhì)量比質(zhì)子重207倍。μ

子和電子具有相同的性質(zhì)，但不可能以一種簡(jiǎn)單的方式衰變成單個(gè)電子。

τ子是1975年在美國(guó)電子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。它的質(zhì)量比許多重子的質(zhì)量還要大得多。帶一個(gè)單位電荷。第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四3、中微子在研究β衰變時(shí)，對(duì)能量守恒定律產(chǎn)生懷疑時(shí)提出的。1931年，泡里認(rèn)為，在β衰變過(guò)程中，同時(shí)發(fā)射了一個(gè)質(zhì)量很?。ㄙ|(zhì)量為零或接近零）的中性粒子，后來(lái)費(fèi)米將它稱為中微子。這樣，原子核β衰變過(guò)程中就保持了能量和動(dòng)量守恒。例如，中子的衰變過(guò)程可表示為

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1942年，我國(guó)物理學(xué)家王淦昌提出了探測(cè)中微子的方案。美國(guó)物理學(xué)家艾倫根據(jù)這個(gè)方案，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電子中微子存在。1956年，萊茵斯等人在實(shí)驗(yàn)上檢測(cè)到脫離了發(fā)射源的傳播中的電子中微子（這才是電子中微子存在的直接證據(jù)）。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了μ子中微子。并有間接證據(jù)證明有τ子中微子。第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四三、夸克1、強(qiáng)相互作用和強(qiáng)子核子（中子和質(zhì)子）間存在著很強(qiáng)的吸引力——強(qiáng)相互作用。強(qiáng)相互作用的特點(diǎn)是：

①短程力（力程為）很強(qiáng)（約為電磁力強(qiáng)度的100倍）很快（作用時(shí)間約）②與電荷無(wú)關(guān)③具有飽和性

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1935年日本物理學(xué)家湯川為了解釋強(qiáng)相互作用的傳遞方式，提出了π介子理論。

π介子的質(zhì)量約等于電子質(zhì)量的275倍。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了比核子還要重得多的介子，連同核子稱為重子。介子和重子統(tǒng)稱強(qiáng)子。第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四Π介子理論認(rèn)為：核子之間存在一種核力場(chǎng)，強(qiáng)相互作用是通過(guò)交換介子傳遞的。湯川由相對(duì)論波動(dòng)方程出發(fā)，給出了兩核子之間的相互作用勢(shì)能公式：

V(r)稱為湯川勢(shì)，式中m為介子質(zhì)量，g代表核力強(qiáng)度，r是兩核子之間的距離第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2、強(qiáng)子超多重態(tài)（略）3、夸克模型重子由三個(gè)夸克組成，介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成；反重子由三個(gè)反夸克組成。夸克有三種：上夸克、下夸克和奇異夸克，以及它們的反夸克?？淇吮仨毷琴M(fèi)米子?？淇四Ｐ蛯?duì)許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出了滿意的解釋。第17頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四4、夸克的顏色夸克具有不同的顏色——紅、黃、藍(lán)（不是實(shí)際的顏色，僅是借用），顏色實(shí)際上是一種量子數(shù)，三種顏色代表夸克的三種狀態(tài)。5、c、b、t夸克的發(fā)現(xiàn)（略）第18頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四四、四種基本相互作用1、弱相互作用微觀粒子間除了存在電磁作用和強(qiáng)作用外，還存在著一種弱相互作用。關(guān)于弱相互作用的研究：

1934年費(fèi)米提出β衰變理論；1956年李政道、楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒理論；1958年費(fèi)曼等人提出了弱作用V-A理論；格拉肖-溫伯格-薩拉姆提出弱電統(tǒng)一理論，進(jìn)一步揭示弱相互作用的本質(zhì)。第19頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2、四種基本相互作用的比較第20頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四3、量子電動(dòng)力學(xué)與規(guī)范理論量子電動(dòng)力學(xué)（QED）是關(guān)于帶電粒子通過(guò)電磁場(chǎng)發(fā)生電磁相互作用的理論學(xué)說(shuō)，是在經(jīng)典電磁場(chǎng)理論、狹義相對(duì)論和量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。自由粒子Dirac方程第21頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四

在QED中，運(yùn)動(dòng)方程在帶電粒子波函數(shù)的定域相位變換下保持不變，稱為規(guī)范不變性，在數(shù)學(xué)上屬于Abel群，用U（1）表示。

1954年，楊振寧和Mills將Abel群的規(guī)范不變理論推廣到非Abel規(guī)范場(chǎng)中，得到稱為SU（2）非Abel場(chǎng)，后來(lái)人們稱之為楊-Mills場(chǎng)。規(guī)范場(chǎng)理論已發(fā)展成為現(xiàn)代粒子物理基礎(chǔ)理論的具有普遍性的重要組成部分。第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四4、弱電統(tǒng)一理論

1967—1968年溫伯格和薩拉姆在格拉肖工作的基礎(chǔ)上，提出弱電統(tǒng)一理論：像電磁作用是通過(guò)規(guī)范場(chǎng)——電磁場(chǎng)（光子）來(lái)傳遞一樣，弱相互作用也是由規(guī)范場(chǎng)來(lái)傳遞的?？梢杂肧U（2）×2U（1）群作為統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁作用的規(guī)范群。第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四5、量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）量子色動(dòng)力學(xué)是解釋強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論。

QCD理論認(rèn)為：夸克特有的顏色可以看作夸克之間強(qiáng)相互作用的荷，稱為色荷。夸克之間的強(qiáng)相互作用是通過(guò)交換8種電中性而帶色的無(wú)質(zhì)量的膠子來(lái)傳遞的。色荷和膠子在強(qiáng)相互作用中的地位分別相當(dāng)于電磁作用中的電荷和光子。近年來(lái)，已有一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持量子色動(dòng)力學(xué)。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四6、標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論標(biāo)準(zhǔn)模型是以三代輕子和夸克為基本組元，以弱電統(tǒng)一和QCD為基礎(chǔ)理論，具有SU（3）*SU（2）*SU（1）對(duì)稱性的規(guī)范場(chǎng)論。標(biāo)準(zhǔn)模型雖取得很大成功，理論與實(shí)驗(yàn)很好相符，但它所預(yù)言的Higgs粒子至今尚未發(fā)現(xiàn)。這是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型正確與否的關(guān)鍵。大統(tǒng)一理論是一種希望統(tǒng)一描述弱、電和強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論。但目前尚未成功，原因是理論的預(yù)言尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

第25頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四五、粒子物理學(xué)的應(yīng)用1、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用2、在軍事和通信上的應(yīng)用3、在工業(yè)上的應(yīng)用第26頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四1、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用粒子物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用可分為兩種：成象和治療。本節(jié)只介紹治療方面的一個(gè)重要應(yīng)用——粒子手術(shù)刀。粒子手術(shù)刀是本質(zhì)上是把能量會(huì)聚到具有確定邊界的小體積內(nèi)，把該體積損毀。粒子手術(shù)刀有許多優(yōu)點(diǎn)：①手術(shù)無(wú)創(chuàng)傷，病人無(wú)痛苦，不出血，因此無(wú)感染，無(wú)并發(fā)癥；②精確度高，誤差只有0.1mm；③簡(jiǎn)便、省時(shí)，不必住院；④治療全部自動(dòng)化，病人醫(yī)生護(hù)士無(wú)思想負(fù)擔(dān)。光子、質(zhì)子、α粒子都可以成為粒子手術(shù)刀。第27頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四2、在軍事和通信上的應(yīng)用

⑴粒子束武器利用高能強(qiáng)流亞原子摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)或使之失效的定向武器，叫做粒子束武器。①粒子束武器的組成：由粒子源、粒子加速器以及探測(cè)、瞄準(zhǔn)、跟蹤、指揮、通信等設(shè)備組成。

第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四②粒子束武器的工作原理是：用高能強(qiáng)流加速器將粒子源產(chǎn)生的電子、質(zhì)子或離子加速到接近光速；并用磁場(chǎng)聚焦成密集的粒子束流，使之射擊向目標(biāo)；依靠粒子束流的多種效應(yīng)來(lái)摧毀目標(biāo)或使之失效。③粒子束武器的主要特點(diǎn)是：粒子束流的能量高度集中，穿透力強(qiáng)，脈沖發(fā)射率高，能快速改變發(fā)射方向等。第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四④粒子束武器的分類：一是在大氣中使用的帶電粒子束武器；二是在外層空間使用的中性粒子束武器。⑤粒子束武器對(duì)目標(biāo)的摧毀或使之失效的三種途徑：一是破壞結(jié)構(gòu)；二是使引爆藥早爆；三是使電子設(shè)備失效。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四⑵中微子通信中微子通信主要利用中微子的如下特點(diǎn)：中微子的靜止質(zhì)量極小（可能為零），能以約等于光速的速度作直線運(yùn)動(dòng)，一般不反射、不折射也不散射，穿透能力強(qiáng)，能輕而易舉地穿過(guò)地球。同時(shí)，中微子通信有良好的抗干擾性和保密性。第31頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四第32頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，7點(diǎn)51分，星期四3、在工業(yè)上的應(yīng)用⑴中子測(cè)井利用中子和物質(zhì)相互作用的一些特點(diǎn)，可以進(jìn)行中