高中物理新课标版人教版选修3-5课件：19《粒子和宇宙》 30页

19.8《粒子和宇宙》 教学目标 § 1、知识与技能 § （1）了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史； § （2）初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。 § 2、过程与方法 § （1）感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法； § （2）能够突破传统思维重新认识客观物质世界。 § 3、情感、态度与价值观 § （1）让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐 社会的必要性； § （2）培养学生的科学探索精神。 § 教学重点：了解构成物质的粒子和宇宙演化过程 § 教学难点：各种微观粒子模型的理解 § 教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。 § 教学用具： § （1）Internet网络素材、报刊杂志、影视媒体等； § （2）多媒体教学设备一套：可供实物投影、放像、 课件（基于网络环境）播放等。 第十九章 原子核 第八节 粒子和宇宙 比比谁小 § 分子由______构成，不同原子构成_______ 分子，相同原子构成_______分子。 § 原子是由位于中心的_______和核外高速旋 转的______构成的。 § （电子带___电，原子核带___电） § 原子核是由_____和_____构成的。 § （质子带___电，中子_______电） § 质子和中子都是由_____组成的。 原子 化合物 单质 原子核 电子 负 正 质子 中子 不带 夸克 正 盖 尔 曼 （ 夸 克 ） 道尔顿 （原子） 汤姆逊 （电子） 卢瑟福 （质子） 查 德 威 克 （ 中 子 ） 盖 尔 曼 （ 夸 克 ） 发现各种微粒的科学家 一、“基本粒子”不基本 1995美国费米国家加速器实验室证实 了顶夸克(Top Quark)的存在 二、发现新的粒子 粒子的分类 分类 自旋 泡利不相容 原理 统计规律 费米子 (电子 质子 中子 各种重子) 半整数 1/2，3/2，… 服从 费米—狄拉克统 计分布 玻色子 ( 光子  介子 K介子、介子 ) 整数 0 或 1 等 不服从 玻色— 爱因斯 坦统计分布 1. 按自旋分类 2. 共振态粒子— 寿命极短 （约10-23s） 万有引力 电磁力 弱相互作用 强相互作用 引力子 ＋ 光子 ＋ ＋ 轻子 ＋ ＋ ＋ 强子 ＋ ＋ ＋ ＋ 4. 按相互作用分类(＋ —— 参与) 正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。 • 引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。 • 光子 自旋为1，是玻色子 3. 正粒子、反粒子 分类 正反 粒子 自旋 电荷量 e 重子数 B 轻子数 寿命 10-6s 轻 子 电子 μ子 τ子 1/2 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 0 -1 +1 稳定 2.2 <2.3 中 微 子 稳定        e e           e e     LLLe 轻子（共12种） 中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。 说明 分类 粒子名称 自旋 介子 、  、 K介子等 整数 玻色子 重子 核子 质子、中子及其反粒子 1/2 (Ω超子 3/2) 费密子 超子 ΩΣΛΞ超子及反粒子 强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象 • 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。 • 奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强 • 相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～ • 10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。 强子结构的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s 强子结构夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成） 粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t 三、夸克模型 例如 质子 奇异粒子 π+ 介子 夸克 质量 电 荷 e 自 旋 重 子 数 同 位 旋 同位 旋分 量 奇 异 数 超荷 粲 数 底 数 顶 数 d 下夸克 0.00 8 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0 u 上夸克 0.00 4 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0 s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0 c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0 b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0 t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1 1. 质子 (uud) 0SeeeeQ  3 1 3 2 3 2电荷 13 1 3 1 3 1 B重子数 2/1I 2/1J 奇异数 自旋 同位旋 夸克 质量 电 荷 e 自 旋 重 子 数 同 位 旋 同位 旋分 量 奇 异 数 超荷 粲 数 底 数 顶 数 d 下夸克 0.00 8 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0 u 上夸克 0.00 4 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0 s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0 c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0 b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0 t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1 2. 奇异粒子 （uus） eeeeQ  3 1 3 2 3 2电荷 13 1 3 1 3 1 B重子数 1S 2/1J 奇异数 自旋 夸克 质量 电 荷 e 自 旋 重 子 数 同 位 旋 同位 旋分 量 奇 异 数 超荷 粲 数 底 数 顶 数 d 下夸克 0.00 8 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0 u 上夸克 0.00 4 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0 s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0 c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0 b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0 t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1 夸克 质量 电 荷 e 自 旋 重 子 数 同 位 旋 同位 旋分 量 奇 异 数 超荷 粲 数 底 数 顶 数 d 下夸克 0.00 8 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0 u 上夸克 0.00 4 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0 s 奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0 c 粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0 b 底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0 t 顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1 1/3 1/2 - 1/3 1/2 0d 3.π+ 介子 )d(u eeeQ  3 1 3 2 03 1 3 1 B重子数 0 S电荷 奇异数 自旋 同位旋分量 1zI 2/1J 类别 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 参与离子 强作用 1 < 10-15 10-23 强子 电磁作用 ~10-2 长程 10-20 ~ 10- 16 强子 轻子 光 子 弱作用 ~10-13 < 10-17 ~ 10-8 强子 轻子 引力作用 ~10-39 长程 一切物质 四种基本相互作用 1. 四种基本相互作用的性质 相互作用是通过交换一定粒子实现的 作用类型 引力作用 电磁作用 弱作用 强作用 交换粒子 引力子 光子 玻色子 (W+ 、W– Z0 粒子) 胶子 • 引力子尚未被实验证实 • 弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互 作用被看作是一种相互作用。 • 大统一理论试图将强、电、弱三种相互 作用统一起来。 1983年，鲁比亚实验组在高能质子—反质子对撞试验中发现了W +、W -和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。 欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器 四、宇宙的演化 宇宙——从何而来？ § 大爆炸理论 (The Big Bang Theory) § 宇宙从一个“奇点”爆炸产生 • 早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管 你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正 在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎 在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈 勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。 • 1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙 的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传 播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空 间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上 应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙， 或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。 • 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀 气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平 衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称 宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星 系统得以相继出现。 § 从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇 宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史： § 大爆炸开始时 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 § 大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。 § 大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 § 大爆炸后10-5秒 10万亿度，质子和中子形成。 § 大爆炸后0.01秒 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅 占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 § 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 § 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现， 核力尚不足束缚中子和质子。 § 大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 § 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 § 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主 要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体 云块，直至恒星和恒星系统。 五、恒星的演化 粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归 17．中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周 上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所 受静电作用力的是: A． B． C． D．