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第十九章原子核 第八節(jié)粒子和宇宙 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 化合物 單質 原子核 電子 負 正 質子 中子 不帶 夸克 正 蓋爾曼 夸克 道爾頓 原子 湯姆遜 電子 盧瑟福 質子 查德威克 中子 蓋爾曼 夸克 發(fā)現各種微粒的科學家 一 基本粒子 不基本 1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克 TopQuark 的存在 二 發(fā)現新的粒子 粒子的分類 1 按自旋分類 2 共振態(tài)粒子 壽命極短 約10 23s 4 按相互作用分類 參與 正 反粒子物理量的絕對值都相同 但某些物理量 如電荷 磁矩等 的符號相反 引力子自旋應為2 靜止質量和電荷為零 以光速運動 光子自旋為1 是玻色子 3 正粒子 反粒子 輕子 共12種 中微子系中性粒子 質量為零 只參與弱相互作用 說明 強子分類 K介子和各種超子稱為奇異粒子 試驗中發(fā)現以下現象 協(xié)同產生 一個超子總是和一個或幾個K介子同時產生 奇異粒子協(xié)同產生的過程極快 約為10 23s 表明是在強相互作用下進行的 而衰變過程很慢 壽命約為10 8 10 10s 表明是在弱相互作用下進行的 強子結構的夸克模型 強子結構夸克模型 1964年 介子 夸克和反夸克組成 重子 三個夸克組成 粲夸克c底夸克b頂夸克t 三 夸克模型 1 質子 uud 電荷 重子數 奇異數 自旋 同位旋 2 奇異粒子 uus 電荷 重子數 奇異數 自旋 3 介子 重子數 電荷 奇異數 自旋 同位旋分量 四種基本相互作用 1 四種基本相互作用的性質 相互作用是通過交換一定粒子實現的 引力子尚未被實驗證實 弱電統(tǒng)一理論 電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用 大統(tǒng)一理論試圖將強 電 弱三種相互作用統(tǒng)一起來 1983年 魯比亞實驗組在高能質子 反質子對撞試驗中發(fā)現了W W 和Z0粒子 為60年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了實驗上的支持 歐洲核子中心高能質子同步加速器上的UAI探測器 四 宇宙的演化 宇宙 從何而來 大爆炸理論 TheBigBangTheory 宇宙從一個 奇點 爆炸產生 大爆炸是在無限的宇宙各處同時產生時間的零點 早在1929年 埃德溫 哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現 即不管你往哪個方向看 遠處的星系正急速地遠離我們而去 換言之 宇宙正在不斷膨脹 這意味著 在早先星體相互之間更加靠近 事實上 似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻 它們剛好在同一地方 所以哈勃的發(fā)現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻 當時宇宙無限緊密 1950年前后 伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念 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 從一開時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 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地回到原來位置的有限宇宙 根據大爆炸宇宙論 甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體 溫度極高 密度極大 且以很大的速率膨脹著 這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度 這統(tǒng)一的溫度是當時宇宙狀態(tài)的重要標志 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 大爆炸宇宙論 從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來 通過幾十年的努力 宇宙學家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史 大爆炸開始時150 200億年前 極小體積 極高密度 極高溫度 大爆炸后10 43秒宇宙從量子背景出現 大爆炸后10 35秒同一場分解為強力 電弱力和引力 大爆炸后10 5秒10萬億度 質子和中子形成 大爆炸后0 01秒1000億度 光子 電子 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 溫度和密度不斷下降 大爆炸后0 1秒后300億度 中子質子比從1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后100億度 中微子向外逃逸 正負電子湮沒反應出現 核力尚不足束縛中子和質子 大爆炸后13 8秒后30億度 氘 氦類穩(wěn)定原子核 化學元素 形成 大爆炸后35分鐘后3億度 核過程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30萬年后3000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成密度較高的氣體云塊 直至恒星和恒星系統(tǒng) 五 恒星的演化 粒子物理和宇宙學殊途同歸 17 2004天津 中子內有一個電荷量為 2e 3的上夸克和兩個電荷量為的 1e 3下夸克 一簡單模型是三個夸克都在半徑為r的同一圓周上 如圖1所示 圖2給出的四幅圖中 能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是 A B C D