8　粒子和宇宙

1、第八節(jié)第八節(jié) 粒子和宇宙粒子和宇宙比比誰小 分子由分子由_構(gòu)成，不同原子構(gòu)成構(gòu)成，不同原子構(gòu)成_分子，相同原子構(gòu)成分子，相同原子構(gòu)成_分子。分子。 原子是由位于中心的原子是由位于中心的_和核外高速旋和核外高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)的_構(gòu)成的。構(gòu)成的。 （電子帶（電子帶_電，原子核帶電，原子核帶_電）電） 原子核是由原子核是由_和和_構(gòu)成的。構(gòu)成的。 （質(zhì)子帶（質(zhì)子帶_電，中子電，中子_電）電） 質(zhì)子和中子都是由質(zhì)子和中子都是由_組成的。組成的。原子原子化合物化合物單質(zhì)單質(zhì)原子核原子核電子電子負(fù)負(fù)正正質(zhì)子質(zhì)子中子中子不帶不帶夸克夸克正正蓋爾曼蓋爾曼（夸克夸克）道爾頓道爾頓（原子）（原子）湯姆遜湯姆遜（電子）（

2、電子）盧瑟福盧瑟福（質(zhì)子）（質(zhì)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(xué)家發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學(xué)家一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本 1995美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克證實(shí)了頂夸克(Top Quark)的存在的存在二、發(fā)現(xiàn)新的粒子二、發(fā)現(xiàn)新的粒子粒子的分類粒子的分類分類分類自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子費(fèi)米子 (電子電子 質(zhì)子質(zhì)子 中中子子 各種重子各種重子)半整數(shù)半整數(shù)1/2，3/2，服從服從費(fèi)米費(fèi)米狄拉狄拉克統(tǒng)計(jì)分布克統(tǒng)計(jì)分布玻色子玻色子 ( 光子光子 介子介子K介子、介子、 介子介子 )

3、整數(shù)整數(shù)0 或或 1 等等不服從不服從玻色玻色 愛因愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分斯坦統(tǒng)計(jì)分布布1. 按自旋分類按自旋分類2. 共振態(tài)粒子共振態(tài)粒子 壽命極短壽命極短（約（約10-23s）萬有引力萬有引力電磁力電磁力弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用引力子引力子光子光子輕子輕子強(qiáng)子強(qiáng)子4. 按相互作用分類按相互作用分類( 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、磁矩等如電荷、磁矩等 ) 的符號相反。的符號相反。 引力子引力子 自旋應(yīng)為自旋應(yīng)為2 2、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。 光子光子 自旋為自旋

4、為1 1，是玻色子是玻色子3. 正粒子、反粒子正粒子、反粒子強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型強(qiáng)子結(jié)構(gòu)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(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型強(qiáng)子結(jié)構(gòu)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(gè)夸克組成）重子（三個(gè)夸克組成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 頂夸克頂夸克 t三、夸克模型三、夸克模型例如例如 質(zhì)子質(zhì)子 奇異粒子奇異粒子 + 介子介子夸克夸克質(zhì)量質(zhì)量電電荷荷e自自旋旋重重子子數(shù)數(shù)同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇異異數(shù)數(shù)超荷超荷粲粲數(shù)數(shù)底底數(shù)數(shù)頂頂數(shù)數(shù)d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1

5、/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克頂夸克1742/30+1/300+1類別類別相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度 力程力程(m) 作用時(shí)間作用時(shí)間(s)參與離子參與離子強(qiáng)作用強(qiáng)作用1 10-1510-23強(qiáng)子強(qiáng)子電磁作電磁作用用10-2長程長程10-20 10-16強(qiáng)子強(qiáng)子 輕子輕子 光光子子弱作用弱作用10-13 10-17 10-8強(qiáng)子強(qiáng)子 輕子輕子引力作引力作用用10-39長程長程一切物質(zhì)一切物質(zhì)四種基本相互作用四種基本

6、相互作用1. 四種基本相互作用的性質(zhì)四種基本相互作用的性質(zhì)相互作用是通過交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的相互作用是通過交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的作用類型作用類型引力作用引力作用電磁作用電磁作用弱作用弱作用強(qiáng)作用強(qiáng)作用交換粒子交換粒子引力子引力子光子光子玻色子玻色子 (W(W+ + 、W WZ Z0 0 粒子粒子) )膠子膠子 引力子尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)引力子尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí) 弱電統(tǒng)一理論弱電統(tǒng)一理論: :電磁相互作用和弱相互作電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。用被看作是一種相互作用。大統(tǒng)一理論試圖將強(qiáng)、電、弱三種相互作大統(tǒng)一理論試圖將強(qiáng)、電、弱三種相互作用統(tǒng)一起來。用統(tǒng)一起來。1983年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組在高能質(zhì)子

7、年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組在高能質(zhì)子反質(zhì)子對撞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子對撞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了了W +、W -和和 Z0 粒子。為粒子。為60年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了實(shí)驗(yàn)上的支持。實(shí)驗(yàn)上的支持。歐洲核子中心高能質(zhì)子同步加速器上的歐洲核子中心高能質(zhì)子同步加速器上的UAI 探測器探測器四、宇宙的演化四、宇宙的演化宇宙宇宙從何而來？從何而來？ 大爆炸理論大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個(gè)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙各大爆炸是在無限的宇宙各處同時(shí)產(chǎn)生處同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間的零點(diǎn)時(shí)間的零點(diǎn)早在早在19291929年，埃德溫年，埃德溫哈勃作出了一

8、個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)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(shí)上，似乎在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約在大約100100億至億至200200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。 19501950年前后，伽莫夫

9、第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向四周的空氣傳播大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，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(shí)發(fā)生，從一開時(shí)就充滿整個(gè)空間開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。該理解為空間的急劇膨脹。 整個(gè)空間整個(gè)空間 可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的

10、是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。 根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)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(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)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)

11、得以相繼出現(xiàn)。系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。從從19481948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇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(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史：大爆炸開始時(shí)大爆炸開始時(shí) 150150200200億年前，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10-4310-43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10-3510-35秒秒 同一場分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。同一場分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。 大爆炸后大爆炸后10-510-5秒秒 1010萬

12、億度，質(zhì)子和中子形成。萬億度，質(zhì)子和中子形成。 大爆炸后大爆炸后0.010.01秒秒 10001000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占占1010億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。 大爆炸后大爆炸后0.10.1秒后秒后 300300億度，中子質(zhì)子比從億度，中子質(zhì)子比從1.01.0下降到下降到0.610.61。 大爆炸后大爆炸后1 1秒后秒后 100100億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，億度，中微子向外逃逸，正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。核力尚不

13、足束縛中子和質(zhì)子。 大爆炸后大爆炸后13.813.8秒后秒后 3030億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。 大爆炸后大爆炸后3535分鐘后分鐘后 3 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3030萬年后萬年后 30003000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體要成分為氣態(tài)物質(zhì)，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)。云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。 五、恒星的演化五、恒星的演化粒子物理和宇宙學(xué)殊途同歸粒子物理和