選修35原子核全章上課

選修35原子核全章上課第1頁/共87頁第一節(jié)

原子核的組成第2頁/共87頁電子（負(fù)電）質(zhì)量很小原子

正電荷（大部分質(zhì)量）

原子核？第3頁/共87頁

人們通過什么現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)原子核是由更小的微粒構(gòu)成的？人們認(rèn)識原子核的結(jié)構(gòu)就是從天然放射性開始的。第4頁/共87頁1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線，這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光，物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為放射性．具有發(fā)射性的元素稱為放射性元素．元素這種自發(fā)的放出射線的現(xiàn)象叫做天然放射現(xiàn)象．一、天然放射現(xiàn)象第5頁/共87頁

放射性不是少數(shù)幾種元素才有的，研究發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)大于82的所有元素，都能自發(fā)的放出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性．放大了1000倍的鈾礦石天然放射現(xiàn)象第6頁/共87頁α射線β射線γ射線根據(jù)圖判斷這三種射線都帶何種電荷？二、天然放射現(xiàn)象中的三種射線正電負(fù)電不帶電第7頁/共87頁三種射線的特點(diǎn)γ射線β射線α射線電離能力貫穿能力速度成分氦核電子流電磁波（光子）1/10光速近光速光速弱較強(qiáng)很強(qiáng)很容易較弱更小都來自于原子核內(nèi)部?。。〉?頁/共87頁三、原子核的組成三種射線都是高速運(yùn)動(dòng)的粒子，能量很高，都來自于原子核內(nèi)部，這也使我們認(rèn)識到原子核蘊(yùn)藏有巨大的核能，天然放射現(xiàn)象說明原子核內(nèi)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)原子核內(nèi)究竟還有什么結(jié)構(gòu)？原子核又是由什么粒子組成的呢？第9頁/共87頁1、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮核，得到了質(zhì)子。經(jīng)過研究證明，質(zhì)子帶正電荷，其電量和一個(gè)電子的電量相同，它的質(zhì)量等于一個(gè)電子質(zhì)量的1836倍.進(jìn)一步研究表明，質(zhì)子的性質(zhì)和氫原子核的性質(zhì)完全相同，所以質(zhì)子就是氫原子核第10頁/共87頁

同樣的方法，從氟、鈉、鋁的原子核中打出了質(zhì)子。------質(zhì)子是原子核的組成部分。原子核是否只是由質(zhì)子組成呢？

盧瑟福進(jìn)而猜想原子核內(nèi)存在不帶電的中子，這一猜想被他的學(xué)生查德威克用實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并得到公認(rèn)．核的質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量核的電量質(zhì)子電量>第11頁/共87頁2、中子的發(fā)現(xiàn)1932年英國物理學(xué)家查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子

，通過研究證明中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量基本相同，但是不帶電.是中性粒子.在對各種原子核進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子是組成原子核的兩種基本粒子.第12頁/共87頁第13頁/共87頁1931年，約里奧·居里夫婦——居里夫人的女兒和女婿公布了他們關(guān)于石蠟在“鈹射線”照射下產(chǎn)生大量質(zhì)子的新發(fā)現(xiàn)。查德威克立刻意識到，這種射線很可能就是由中性粒子組成的，這種中性粒子就是解開原子核正電荷與它質(zhì)量不相等之謎的鑰匙！查德威克立刻著手研究約里奧·居里夫婦做過的實(shí)驗(yàn)，用云室測定這種粒子的質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種粒子的質(zhì)量和質(zhì)子一樣，而且不帶電荷。他稱這種粒子為“中子”?！皺C(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦”第14頁/共87頁法國物理學(xué)家約里奧?居里夫婦（freedorie

joliotcurie，1900—1958；irene

joliot

curie，1897—1956）是著名科學(xué)家皮埃爾?居里夫婦（pierre

curie，1859—1906；marie

sklodowska

curie

1867—1934）的女婿和大女兒。后人習(xí)慣稱為小居里夫婦。他們都是著名的科學(xué)伴侶、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。閱讀材料：小居里夫婦的三次懊悔第15頁/共87頁小居里夫婦是處于二三十年代之交的核物理“危機(jī)”時(shí)代，自從盧瑟福發(fā)現(xiàn)人工核嬗變后，由于物理學(xué)家的注意力多集中于量子力學(xué)上，在二十年代初期，對原子核物理的研究進(jìn)展十分緩慢。1926年量子力學(xué)建立，原子物理學(xué)中的困難基本解決。于是，人們開始把注意力集中到原子核內(nèi)。使物理學(xué)家們感到驚訝的是：量子力學(xué)在原子核中的應(yīng)用導(dǎo)致了許多困難。量子力學(xué)在核物理領(lǐng)域遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但與通過放棄量子論建立量子力學(xué)來解決量子論的危機(jī)不同，量子力學(xué)在核物理領(lǐng)域的危機(jī)是以通過三個(gè)新粒子：中子、正電子和中微子的發(fā)現(xiàn)解決的。

一般認(rèn)為，中子的概念最早是由盧瑟福于1920年提出的，他在那年6月的一次演講中指出：“在某些條件下，一個(gè)電子有可能更緊密地與氫核相結(jié)合，從而形成一個(gè)中性偶極子。”第一個(gè)顯示出存在于中子跡象的實(shí)驗(yàn)是玻特和貝克進(jìn)行的，他們用α粒子轟擊鈹，發(fā)現(xiàn)從鈹中發(fā)射出一種貫穿力很強(qiáng)的中性輻射，其輻射能量幾乎是入射α射線能量的十倍。玻特和貝克的工作引起了許多物理學(xué)家的興趣。1931年，約里奧?居里與我國杰出的科學(xué)家、教育家嚴(yán)濟(jì)慈教授同時(shí)被法國物理學(xué)會(huì)選為理事，在此期間，約里奧夫婦重復(fù)了玻特的實(shí)驗(yàn)，并用這種從鈹中放出的新射線轟擊石臘，結(jié)果竟從石臘中打出速度為3×107m／s的質(zhì)子束來，如果認(rèn)為這些質(zhì)子的產(chǎn)生是由于原子核受到γ光子碰撞的結(jié)果，那么計(jì)算表明，這種γ光子的能量至少應(yīng)該具有50百萬電子伏，否則就不可能給質(zhì)子那么大的速度，然而，這跟實(shí)際測得的數(shù)據(jù)10百萬電子伏有矛盾，遺憾的是這一矛盾并沒有引起約里奧?居里夫婦的深思，他們?nèi)匀幻銖?qiáng)地承認(rèn)這種新射線就是γ射線，把這一矛盾解釋為γ光子同質(zhì)子的康普頓散射。在1932年1月11日，他們向巴黎科院提交了反映這一結(jié)果的論文。1月底，查德威克知道了約里奧夫婦的實(shí)驗(yàn)馬上意識到：光子不可能打出這么大能量的質(zhì)子，這很可能是自己尋找了十二年之久的中子，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，正式命名為中子，于1932年2月發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，僅半個(gè)月的時(shí)間就獲得了成功。查德威克也因此獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1937年到1947年我國著名的物理學(xué)家錢三強(qiáng)在約里奧夫婦身邊工作，談及此事，約里奧說：“當(dāng)我的文章發(fā)表以后，盧瑟福的學(xué)生查德威克立即意識到，也就是盧瑟福預(yù)言的新粒子，于是，他馬上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)月后就發(fā)表了論文，點(diǎn)出了中子的存在，哎，我真笨呀！中子存在的證據(jù)80％已經(jīng)被我們得到了。但就沒有把它點(diǎn)明白。當(dāng)我看了查德威克的論文，懊悔得用拳頭打自己的腦袋。”第16頁/共87頁不幸的是，小居里夫婦在研究中子過程中，還發(fā)現(xiàn)一種新粒子。為了判斷粒子運(yùn)動(dòng)的方向，在粒子的行徑中放一塊鉛板，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粒子的在鉛板下部的曲率半徑變小，對這一變化，居里夫婦未能抓住進(jìn)行進(jìn)一步的分析，更未做進(jìn)一步的研究，卻把它解釋為放射源運(yùn)動(dòng)的電子，其實(shí)這正是人們尋覓已久的正電子。到1932年8月2日，安德森從拍攝到的五室徑跡中發(fā)現(xiàn)了一張奇特的照片，他敏感地意識到，這肯定不是一般負(fù)電子的軌跡，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和認(rèn)真分析、推論，最后確認(rèn)為正電子，為此，安德森摘走了1936年的諾貝爾物理獎(jiǎng)的桂冠?？茖W(xué)家們?yōu)樘剿魑⒂^世界而竟相拼搏，其間交織著艱難的思考與靈感的火花。成功的歡樂和痛失良機(jī)的懊惱……。第17頁/共87頁1938年9月，小居里夫婦在薩維奇的合作下應(yīng)用放射化學(xué)方法分析中子轟擊鈾的產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)其中有一個(gè)放射性元素，半衰期為3.5小時(shí)，化學(xué)性質(zhì)接近鑭。如果按當(dāng)時(shí)關(guān)于超鈾元素的概念，這個(gè)產(chǎn)物的性質(zhì)應(yīng)接近錒。但是鑭的原子序數(shù)只有57，而錒的原子序數(shù)卻是89，原子量也相差甚遠(yuǎn)，這顯然是一個(gè)矛盾。可惜他們沒有抓住這個(gè)矛盾深入研究下去，就匆匆發(fā)表了結(jié)果，豈不知這正是核裂變產(chǎn)生的結(jié)果，不久便被科學(xué)家所證實(shí)。對新生事物缺乏深入的研究，再一次使小居里夫婦成功的機(jī)會(huì)失之交臂。第18頁/共87頁誠然，小居里夫婦不愧是一位偉大的科學(xué)家，他們十分重視物理實(shí)驗(yàn)，精通實(shí)驗(yàn)技術(shù)，聰敏、好學(xué)。有過人的毅力。小居里夫婦首先發(fā)現(xiàn)了人工放射性現(xiàn)象，獲得人工放射性同位素。為核物理學(xué)的研究提供了更多的放射性物質(zhì)。他們因此而獲得1935年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第19頁/共87頁事實(shí)上實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)重要的因素，是劍橋的物理傳統(tǒng)和巴黎的化學(xué)傳統(tǒng)促使中子和人工放射發(fā)現(xiàn)發(fā)生在美國和法國。1933年，小居里夫婦與安德林和布萊克特等人一起觀察到了正電子——電子對的湮滅的產(chǎn)生現(xiàn)象，進(jìn)一步確認(rèn)了正電子的存在。1939年，小居里夫婦、費(fèi)米、匈牙利物理學(xué)家西拉德等人分別證實(shí)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不僅可能，而且速率極高，兩次反應(yīng)的時(shí)間間隔只有五十萬億分之一秒。這表明鈾裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，極短時(shí)間內(nèi)將有巨大的能量釋放出來。這一實(shí)驗(yàn)證明了人類從此進(jìn)行利用原子能的新紀(jì)元。盡管小居里夫婦存在許多失誤，就其個(gè)人來說是一種遺憾，但就整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展來說起到了極大的推動(dòng)作用。在近代的核物理研究方面，小居里夫婦的貢獻(xiàn)是空前的，他們在核物理方面的新發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了核物理危機(jī)的解決，導(dǎo)致了核物理的大革命。約里奧教授沒有回避自己的疏忽和缺點(diǎn)，而由衷地欽佩自已的競爭對手。又把自己的教訓(xùn)講給自己的學(xué)生聽，這種高尚的道德情操是多么令人欽佩呀！當(dāng)錢三強(qiáng)回國時(shí)，居里夫人伊倫娜教授語重心長地說：“我們倆（指與約里奧教授）經(jīng)常講，要為科學(xué)服務(wù)，科學(xué)要為人民服務(wù)。希望你把這兩句話帶回去吧！”女導(dǎo)師的殷切囑托，成了錢三強(qiáng)一生的座右銘。第20頁/共87頁原子核的組成中子質(zhì)子統(tǒng)稱核子UHeH114223592XAZ（核）電荷數(shù)質(zhì)量數(shù)3、原子核的組成10－15m

元素符號第21頁/共87頁原子核的組成各種原子核內(nèi)質(zhì)子的個(gè)數(shù)（核的電荷數(shù)）和核外電子的個(gè)數(shù)都相同，它也等于該種元素在元素周期表中的原子序數(shù)；原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)叫做核的質(zhì)量數(shù)，它等于該元素原子量的整數(shù)部分.在某種核反應(yīng)中，一個(gè)中子變成一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子——這就是原子核內(nèi)沒有電子，又會(huì)放出電子，產(chǎn)生β射線的原因.第22頁/共87頁第二節(jié)放射性元素的衰變第23頁/共87頁一、原子核的衰變

原子核放出α粒子或β粒子轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓凶鲈雍说乃プ儲了プ儯悍懦靓亮Ｗ拥乃プ?，如β衰變：放出β粒子的衰變，?/p>

1.定義：2.3.第24頁/共87頁原子核發(fā)生衰變時(shí)，衰變前后的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒．α衰變：

β衰變：

說明：1.中間用單箭頭，不用等號2.是質(zhì)量數(shù)守恒，不是質(zhì)量守恒規(guī)律：衰變方程第25頁/共87頁4.本質(zhì)：α衰變：原子核內(nèi)少兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子β衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子γ射線的產(chǎn)生：γ射線是伴隨著α射線和β射線產(chǎn)生的電磁波（光子）（能量），沒有γ衰變。第26頁/共87頁二、半衰期(T)

意義：表示放射性元素衰變快慢的物理量1.定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間2.公式：

第27頁/共87頁第28頁/共87頁注意：(1)半衰期的長短是由原子核內(nèi)部本身的因素決定的，與原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)

(2)半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只對大量的原子核才適用，對少數(shù)原子核是不適用的．第29頁/共87頁考古學(xué)家確定古木年代的方法是用放射性同位素作為“時(shí)鐘”，來測量漫長的時(shí)間，這叫做放射性同位素鑒年法．第30頁/共87頁第三節(jié)探測射線的方法第31頁/共87頁1、粒子使氣體或液體電離，以這些離子為核心，過飽和汽會(huì)產(chǎn)生云霧，過熱液體會(huì)產(chǎn)生氣泡2、使照相底片感光3、使熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光射線中的粒子與其它物質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象：第32頁/共87頁一、威爾遜云室：構(gòu)造：一個(gè)圓筒狀容器，低部可以上下移動(dòng)，上蓋是透明的，內(nèi)有干凈空氣實(shí)驗(yàn)時(shí)，加入少量酒精，使酒精蒸汽達(dá)到過飽和狀態(tài)。利用射線的電離本領(lǐng)第33頁/共87頁a射線在云室中的徑跡：直而粗原因：a粒子質(zhì)量大，不易改變方向，電離本領(lǐng)大，沿涂產(chǎn)生的粒子多?射線在云室中的徑跡：比較細(xì)，而且常常彎曲原因：粒子質(zhì)量小，跟氣體碰撞易改變方向，電離本領(lǐng)小，沿途產(chǎn)生的離子少第34頁/共87頁二、氣泡室-----高能物理實(shí)驗(yàn)的最風(fēng)行的探測設(shè)備

氣泡室是由一密閉容器組成，容器中盛有工作液體第35頁/共87頁液體在特定的溫度和壓力下進(jìn)行絕熱膨脹，由于在一定的時(shí)間間隔內(nèi)（例如50ms）處于過熱狀態(tài)，液體不會(huì)馬上沸騰，這時(shí)如果有高速帶電粒子通過液體，在帶電粒子所經(jīng)軌跡上不斷與液體原子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生低能電子，因而形成離子對，這些離子在復(fù)合時(shí)會(huì)引起局部發(fā)熱，從而以這些離子為核心形成胚胎氣泡，經(jīng)過很短的時(shí)間后，胚胎氣泡逐漸長大，就沿粒子所經(jīng)路徑留下痕跡。如果這時(shí)對其進(jìn)行拍照，就可以把一連串的氣泡拍攝下來，從而得到記錄有高能帶電粒子軌跡的底片。照相結(jié)束后，在液體沸騰之前，立即壓縮工作液體，氣泡隨之消失，整個(gè)系統(tǒng)就很快回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備作下一次探測。第36頁/共87頁氣泡室中帶電粒子的徑跡氣泡室的優(yōu)點(diǎn)：它的空間和時(shí)間分辨率高；工作循環(huán)周期短，本底干凈、徑跡清晰，可反復(fù)操作。但也有不足之處：那就是掃描和測量時(shí)間還嫌太長；體積有限，而且甚為昂貴，第37頁/共87頁三、蓋革-米勒計(jì)數(shù)器一種能自動(dòng)把放射微粒計(jì)數(shù)出來的儀器，利用了射線的電離本領(lǐng)第38頁/共87頁第四節(jié)放射性的應(yīng)用與防護(hù)第39頁/共87頁盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，往容器Ｃ中通入氮?dú)夂螅跓晒馄粒由铣霈F(xiàn)了閃光，這表明，有一種新的能量比α粒子大的粒子穿過鋁箔，撞擊在Ｓ屏上，這種粒子肯定是在α粒子轟擊氮核而使該核發(fā)生變化時(shí)放出的。這樣，盧瑟福第一次通過人工方法實(shí)現(xiàn)了原子核的轉(zhuǎn)變，人類第一次打開了原子核的大門。一、人工核反應(yīng)第40頁/共87頁與天然的放射性物質(zhì)相比，人造放射性同位素：1、放射強(qiáng)度容易控制2、可以制成各種需要的形狀3、半衰期更短4、放射性廢料容易處理二、人工放射性同位素第41頁/共87頁（1）利用它的射線三、放射性同位素的應(yīng)用A、由于γ射線貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，可以用來γ射線檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼或裂紋，所用的設(shè)備叫γ射線探傷儀．B、利用射線的穿透本領(lǐng)與物質(zhì)厚度密度的關(guān)系，來檢查各種產(chǎn)品的厚度和密封容器中液體的高度等，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制C、利用射線使空氣電離而把空氣變成導(dǎo)電氣體，以消除化纖、紡織品上的靜電D、利用射線照射植物，引起植物變異而培育良種，也可以利用它殺菌、治病等第42頁/共87頁被不同劑量γ射線照射后的馬鈴薯8個(gè)月后的情況，左上方的馬鈴薯沒經(jīng)過γ射線照射，右下方的被γ射線照射的劑量最大，左下方保存最好的馬鈴薯被γ射線照射的劑量適中。第43頁/共87頁“魯棉一號”就是山東省棉花研究所的科技人員應(yīng)用放射性同位素鈷-60放出的伽瑪射線處理棉花雜交的后代育成的．第44頁/共87頁（2）作為示蹤原子：用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生物研究等.棉花在結(jié)桃、開花的時(shí)候需要較多的磷肥，把磷肥噴在棉花葉子上，磷肥也能被吸收．但是，什么時(shí)候的吸收率最高、磷在作物體內(nèi)能存留多長時(shí)間、磷在作物體內(nèi)的分布情況等，用通常的方法很難研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料噴在棉花葉面上，然后每隔一定時(shí)間用探測器測量棉株各部位的放射性強(qiáng)度，上面的問題就很容易解決．第45頁/共87頁人體甲狀腺的工作需要碘．碘被吸收后會(huì)聚集在甲狀腺內(nèi)．給人注射碘的放射性同位素碘131，然后定時(shí)用探測器測量甲狀腺及鄰近組織的放射強(qiáng)度，有助于診斷甲狀腺的器質(zhì)性和功能性疾?。?6頁/共87頁（3）放射性污染和防護(hù)原子彈爆炸、核電站泄露會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，在利用放射性同位素給病人做“放療”時(shí)，如果放射性的劑量過大，皮膚和肉就會(huì)潰爛不愈，導(dǎo)致病人因放射性損害而死去。有些礦石中含有過量的放射性物質(zhì)，如果不注意也會(huì)對人體造成巨大的危害。第47頁/共87頁核反應(yīng)堆外層的厚厚的水泥建筑第48頁/共87頁小結(jié)：1、核反應(yīng)基本上可分為兩大類：一是自然衰變（天然放射性衰變），二是人工衰變（人工轉(zhuǎn)變）（發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)）（發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)）2、放射性同位素的應(yīng)用第49頁/共87頁第五節(jié)核力與結(jié)合能第50頁/共87頁一、核力與四種基本作用萬有引力電磁力核力弱力二、結(jié)合能原子核憑借核力結(jié)合，分開需要能量——結(jié)合能平均結(jié)合能（比結(jié)合能）第51頁/共87頁三、質(zhì)量虧損1、原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和——質(zhì)量虧損第52頁/共87頁2、愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2ΔE=Δmc2第53頁/共87頁第六節(jié)核裂變第54頁/共87頁一、重核的裂變1、

中子轟擊鈾核，鈾核分裂成質(zhì)量相近的兩部分，并釋放出能量，這種核反應(yīng)過程叫做核裂變2、

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)第55頁/共87頁3、

核電站

核裂變可以在人工控制下進(jìn)行

核反應(yīng)堆第56頁/共87頁

第七節(jié)核聚變

一、輕核聚變（熱核反應(yīng)）第57頁/共87頁第八節(jié)粒子和宇宙第58頁/共87頁比比誰小

分子由______構(gòu)成，不同原子構(gòu)成_______分子，相同原子構(gòu)成_______分子。原子是由位于中心的_______和核外高速旋轉(zhuǎn)的______構(gòu)成的。（電子帶___電，原子核帶___電）原子核是由_____和_____構(gòu)成的。（質(zhì)子帶___電，中子_______電）質(zhì)子和中子都是由_____組成的。原子化合物單質(zhì)原子核電子負(fù)正質(zhì)子中子不帶夸克正第59頁/共87頁蓋爾曼（夸克）第60頁/共87頁道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋爾曼（夸克）發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學(xué)家第61頁/共87頁一、“基本粒子”不基本第62頁/共87頁

1995美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克(TopQuark)的存在第63頁/共87頁二、發(fā)現(xiàn)新的粒子第64頁/共87頁粒子的分類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—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布1.按自旋分類2.共振態(tài)粒子—壽命極短（約10-23s）第65頁/共87頁萬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＋＋＋＋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(yīng)為2、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3.正粒子、反粒子第66頁/共87頁分類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μ子τ子1/2-1+1-1+1-1+10000-1+1穩(wěn)定2.2<2.3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。說明第67頁/共87頁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(Ω超子3/2)費(fèi)密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強(qiáng)子分類K介子和各種超子稱為奇異粒子。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象

協(xié)同產(chǎn)生:一個(gè)超子總是和一個(gè)或幾個(gè)K介子同時(shí)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(qiáng)相互作用下進(jìn)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(jìn)行的。第68頁/共87頁強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型下夸克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第69頁/共87頁三、夸克模型第70頁/共87頁例如質(zhì)子奇異粒子π+介子夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1第71頁/共87頁1.質(zhì)子

(uud)電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋同位旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1第72頁/共87頁2.奇異粒子（uus）電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1第73頁/共87頁夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.π+介子重子數(shù)電荷奇異數(shù)自旋同位旋分量第74頁/共87頁類別相對強(qiáng)度力程(m)作用時(shí)間(s)參與離子強(qiáng)作用1<10-1510-23強(qiáng)子電磁作用~10-2長程10-20~

10-16強(qiáng)子輕子光子弱作用~10-13<10-17~10-8強(qiáng)子輕子引力作用~10-39長程一切物質(zhì)四種基本相互作用1.四種基本相互作用的性質(zhì)第75頁/共87頁相互作用是通過交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的作用類型引力作用電磁作用弱作用強(qiáng)作用交換粒子引力子光子玻色子

(W+、W–Z0粒子)膠子

引力子尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)

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(qiáng)、電、弱三種相互作用統(tǒng)一起來。第76頁/共87頁1983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)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(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UAI探測器第77頁/共87頁四、宇宙的演化第78頁/共87頁宇宙——從何而來？大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙各處同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間的零點(diǎn)第79頁/共87頁早在1929年，埃德溫·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