粒子和宇宙精品課件

1、粒子和宇宙第1頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 道爾頓19世紀(jì)末，人們認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒 關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探尋 湯姆遜發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電子 盧瑟福經(jīng)典散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 查德威克發(fā)現(xiàn)中子 蓋爾曼發(fā)現(xiàn)夸克是否還有其他的微觀粒子？第2頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二延伸思考：人們逐漸意識(shí)到，這些我們認(rèn)為的“基本粒子”，實(shí)際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)。 第3頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二“標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一” 人們建立了標(biāo)準(zhǔn)模型，理論歸納預(yù)言了一系列新粒子，并且對(duì)發(fā)現(xiàn)的粒子以泡利原理以及所參

2、與的相互作用進(jìn)行全新分類。 圖中為標(biāo)準(zhǔn)模型的簡(jiǎn)單表示，大統(tǒng)一理論最終的目的便是將宇宙中紛繁復(fù)雜的作用形式統(tǒng)一為簡(jiǎn)潔、優(yōu)美的場(chǎng)論。第4頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子 (電子 質(zhì)子 中子 各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，服從費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布玻色子 ( 光子 介子K介子、介子 ) 整數(shù)0 或 1 等不服從玻色 愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布粒子的分類（泡利原理）：第5頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二粒子的分類（電性、磁矩）：正、反粒子物理量的絕對(duì)值都相同，但某些物理量 ( 如電荷、磁矩等 ) 的符號(hào)相反。但反粒子由于很容易

3、湮滅，所以很難長(zhǎng)時(shí)間存活。歐核反粒子的存儲(chǔ)裝置演示，原理簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用迅速變換的電場(chǎng)制作的牢籠第6頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二萬(wàn)有引力電磁力弱相互作用強(qiáng)相互作用引力子光子輕子強(qiáng)子 引力子 由于自旋為2，無(wú)法量子化，尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。 光子 自旋為1，是玻色子粒子的分類（相互作用）：第7頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二分類粒子名稱自旋介子、 、 K介子等整數(shù)玻色子重子核子質(zhì)子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)費(fèi)密子超子超子及反粒子強(qiáng)子分類第8頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二分類

4、正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕 子電子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1穩(wěn)定2.22.3中微子穩(wěn)定輕子（共12種）中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。第9頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 為了探尋這些新粒子，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家想了各種辦法，右圖中美麗的花樹(shù)實(shí)際是在人造云室的強(qiáng)磁場(chǎng)中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡，當(dāng)然這是比較原始的實(shí)驗(yàn)方法。第10頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC第11頁(yè)，共24頁(yè)，202

5、2年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 對(duì)撞機(jī)的核心就是一系列探測(cè)中心以及右圖中先進(jìn)的第三代同步加速器第12頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二所謂“上帝粒子” 建造LHC一個(gè)最為重要的目的是為了驗(yàn)證英國(guó)物理學(xué)家彼得希格斯關(guān)于一種規(guī)范玻色子的理論，由于在此機(jī)制下，這種粒子將賦予萬(wàn)物質(zhì)量，所以人們稱其為“上帝粒子”。第13頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 新粒子的發(fā)現(xiàn)！ 2012年7月4日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會(huì)上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以6個(gè)西格瑪?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差探測(cè)到了希格斯玻色子（Higgs） 人們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最

6、后一種粒子，這是現(xiàn)代物理學(xué)的一大步！ 第14頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個(gè)夸克組成）粲夸克 c 底夸克 b 頂夸克 t夸克模型：第15頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二費(fèi)米子與玻色子的夸克圖第16頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二大爆炸理論 (The Big Bang Theory)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無(wú)限的宇宙各處同時(shí)產(chǎn)生宇宙與恒星的演化第17頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分

7、，星期二 1929，埃德溫哈勃提出宇宙膨脹理論，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。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100億至200億年之前的某一時(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(wú)限緊密。 大爆炸理論第18頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二1950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(jiàn)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(kāi)去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開(kāi)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(kāi)其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上

8、應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。整個(gè)空間可以指的是整個(gè)無(wú)限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來(lái)位置的有限宇宙。 大爆炸理論第19頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二根據(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、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。大爆炸理論第20頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二大爆炸開(kāi)始時(shí)（150200億年前）：極小體積，極高密度，極高溫度。 大

9、爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后10-35秒 同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10萬(wàn)億度，質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fù)電子湮沒(méi)反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。 大爆炸后13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。 大爆炸后35分鐘后 3億度，核過(guò)程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30萬(wàn)年后 3000

10、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云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。 宇宙的歷史第21頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二粒子物理與宇宙學(xué)殊途同歸第22頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二 中子內(nèi)有一個(gè)電荷量為+2e/3 的上夸克和兩個(gè)電荷量為的 -1e/3 下夸克，一簡(jiǎn)單模型是三個(gè)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第23頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)13分，星期二目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都由被稱為夸克和d夸克的兩類夸克組成，夸克帶電量為2e/3，d夸克帶電量為-e/3，e為元電荷，則下列論斷可能的是（ ）A質(zhì)子由