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第十九章 原子核 第8節(jié) 粒子和宇宙 1 了解構(gòu)成物質(zhì)的 基本粒子 及粒子物理的發(fā)展史 2 初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一 預(yù)讀教材 了解知識 感知人類 科學(xué)家 探究宇宙奧秘的過程和方法 了解構(gòu)成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程 通過探究討論學(xué)習(xí) 能夠突破傳統(tǒng)思維理解各種微觀粒子模型 1 基本粒子 不基本直到19世紀末 人們都認為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒 后來發(fā)現(xiàn)了電子 和 又認為它們是組成物質(zhì)的基本粒子 現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)粒子有400余種 有些也具有復(fù)雜的 2 發(fā)現(xiàn)新粒子 1 新粒子 20世紀30年代人們對 的研究發(fā)現(xiàn)一些新粒子 人們用高能加速器進行實驗發(fā)現(xiàn)更多新粒子 1932年發(fā)現(xiàn)了 1937年發(fā)現(xiàn) 1947年發(fā)現(xiàn) 和 介子及以后的超子 反粒子等 質(zhì)子 中子 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 宇宙射線 正電子 子 K介子 媒介子 輕子 強相互作用 子 各種相互作用 夸克 底夸克 頂夸克 4 宇宙的演化研究微觀世界的粒子物理 量子理論 與研究 的理論是相互溝通 相互支撐的 從大爆炸開始的不同時間里 對應(yīng)的溫度不同 組成宇宙的物質(zhì)不相同 5 恒星的演化當溫度降到 時 中性原子組成的宇宙塵埃在萬有引力作用下 塵埃收縮凝集 引力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 溫度升高 開始發(fā)光形成了恒星 當恒星核能耗盡時 進入末期 恒星的末期形態(tài)主要有 白矮星 中子星或 宇宙 3000K 黑洞 1 19世紀末 許多人認為光子 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 2 從20世紀起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子 它們不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 3 科學(xué)家進一步發(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) 4 研究粒子的主要工具粒子加速器和粒子探測器是研究粒子物理的主要工具 一 基本粒子 不基本 1 基本粒子 不基本 2 粒子的分類 1 按自旋分類 3 共振態(tài)粒子 壽命極短 約10 23s 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(yīng)為2 靜止質(zhì)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 4 按相互作用分類 輕子 共12種 中微子系中性粒子 質(zhì)量為零 只參與弱相互作用 說明 1 1 1 1 1 1000 強子分類 K介子和各種超子稱為奇異粒子 試驗中發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象 協(xié)同產(chǎn)生 一個超子總是和一個或幾個K介子同時產(chǎn)生 奇異粒子協(xié)同產(chǎn)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 K介子等 質(zhì)子 中子及其反粒子 超子及反粒子 整數(shù) 玻色子 費密子 1 夸克的提出許多實驗事實表明 強子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 1964年提出的夸克模型 認為強子由更基本的成分組成 這種成分叫做夸克 2 夸克的分類夸克有6種 它們是上夸克 下夸克 奇異夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克 每種夸克都有對應(yīng)的反夸克 3 夸克模型的意義夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破 它指出電子電荷不再是電荷的最小單元 即存在分數(shù)電荷 二 夸克模型 1 質(zhì)子 uud 電荷 重子數(shù) 奇異數(shù) 自旋 同位旋 2 奇異粒子 uus 電荷 重子數(shù) 奇異數(shù) 自旋 3 介子 重子數(shù) 電荷 奇異數(shù) 自旋 同位旋分量 例1 K 介子衰變的方程為K 0 其中K 介子和 介子帶負的基元電荷 0介子不帶電 一個K 介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中 其軌跡為右下圖中圓弧AP 衰變后產(chǎn)生的 介子的軌跡為圓弧PB 兩軌跡在P點相切 它們的半徑RK 與R 之比為2 1 0介子的軌跡未畫出 由此可知 的動量大小與 0的動量大小之比為A 1 1B 1 2C 1 3D 1 6 答案 C 宇宙 從何而來 大爆炸理論 TheBigBangTheory 宇宙從一個 奇點 爆炸產(chǎn)生 大爆炸是在無限的宇宙各處同時產(chǎn)生時間的零點 三 宇宙的演化 20世紀40年代 在大量天文學(xué)家觀測的基礎(chǔ)上 物理學(xué)家提出了宇宙演化的大爆炸假說 它的主要觀點是 宇宙是由一個超高溫 超高密度的 原始火球 發(fā)生大爆炸而開始的 然后經(jīng)歷了從熱到冷的演化 在這個時期里 宇宙不斷地膨脹 也稱暴脹 宇宙物質(zhì)從密到稀 當溫度下降到幾千攝氏度時 宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì) 后來氣體逐漸凝聚成氣云 并且進一步收縮形成各種各樣的恒星體系 成為我們今天看到的宇宙天體 1 宇宙的演化 2 恒星的演化 密度很低的星際物質(zhì)逐漸形成星云 大塊的星云由于引力作用而收縮逐漸凝成原恒星 原恒星繼續(xù)收縮 溫度不斷升高 發(fā)生熱核反應(yīng) 當熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力和引力作用達到平衡時 恒星不再收縮 進入相對穩(wěn)定階段 當核能源供應(yīng)不足時 恒星的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞 引力作用又開始大于斥力 星體又開始收縮 溫度升高 發(fā)光能力增強 光度增加 外部膨脹 表面積增大 但表面溫度降低 看上去呈紅色 這時恒星便演化為紅巨星或新星 當恒星核能耗盡時 就進入末期 恒星的末期形態(tài)主要有三種 白矮星 中子星或黑洞