高三物理粒子物理學及其應用

高三物理粒子物理學及其應用第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第三篇粒子物理學及其應用更多資源

第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第三篇粒子物理學及其應用一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的分類二、輕子三、夸克四、四種基本相互作用五、粒子探測器六、粒子物理的應用第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的分類1、基本粒子概念的發(fā)展⑴古代對物質結構的猜想我國夏朝：金、木、水、火、土五行學說古希臘：水、火、土、空氣組成物質（德謨克利特）提出了原子論（公元前3世紀）⑵近代對物質結構的認識道爾頓的原子論：每一種元素都代表一種特定的原子，不同元素的原子的性質不同。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六⑶現代對物質結構認識的飛躍

1911年，盧瑟福的原子核式結構模型——原子由原子核和電子組成；

1932年，確認中子的存在——原子核由中子和質子組成；（三種基本粒子）

1932年，安德森發(fā)現正電子；μ子、

л介子和第一個奇異粒子被發(fā)現；

20世紀50年代以后，夸克的發(fā)現——構成物質的基本粒子共有12種，包括6種輕子和6種夸克。至目前，尚未發(fā)現這12種粒子有內部結構。第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六2、基本粒子的分類⑴輕子⑵夸克⑶規(guī)范粒子⑷Higgs粒子（未發(fā)現）第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六二、輕子

輕子——不參與強相互作用的粒子。

6種輕子按其發(fā)現的年代和性質，分為三代；輕子同一代之間才發(fā)生相互作用。第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六三代輕子的電荷和質量第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六1、電子的發(fā)現⑴電子是最早發(fā)現的基本粒子。1897年湯姆遜在測定陰極射線粒子荷質比時發(fā)現。電子的靜止質量為

電子帶負電荷

第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六⑵正電子的發(fā)現

1928年，狄拉克從理論上預言了正電子的存在；

1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現了正電子。正電子的質量與電子相等。正電子帶與電子等量的正電荷。第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六2、μ子和τ子的發(fā)現

μ子有帶負電的和帶正電的兩種，不參與強相互作用。質量比質子重207倍。μ

子和電子具有相同的性質，但不可能以一種簡單的方式衰變成單個電子。

τ子是1975年在美國電子對撞機上發(fā)現的。它的質量比許多重子的質量還要大得多。帶一個單位電荷。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六3、中微子在研究β衰變時，對能量守恒定律產生懷疑時提出的。1931年，泡里認為，在β衰變過程中，同時發(fā)射了一個質量很?。ㄙ|量為零或接近零）的中性粒子，后來費米將它稱為中微子。這樣，原子核β衰變過程中就保持了能量和動量守恒。例如，中子的衰變過程可表示為

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1942年，我國物理學家王淦昌提出了探測中微子的方案。美國物理學家艾倫根據這個方案，從實驗上證實了電子中微子存在。1956年，萊茵斯等人在實驗上檢測到脫離了發(fā)射源的傳播中的電子中微子（這才是電子中微子存在的直接證據）。后來又發(fā)現了μ子中微子。并有間接證據證明有τ子中微子。第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六三、夸克1、強相互作用和強子核子（中子和質子）間存在著很強的吸引力——強相互作用。強相互作用的特點是：

①短程力（力程為）很強（約為電磁力強度的100倍）很快（作用時間約）②與電荷無關③具有飽和性

第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

1935年日本物理學家湯川為了解釋強相互作用的傳遞方式，提出了π介子理論。

π介子的質量約等于電子質量的275倍。后來又發(fā)現了比核子還要重得多的介子，連同核子稱為重子。介子和重子統(tǒng)稱強子。第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六Π介子理論認為：核子之間存在一種核力場，強相互作用是通過交換介子傳遞的。湯川由相對論波動方程出發(fā)，給出了兩核子之間的相互作用勢能公式：

V(r)稱為湯川勢，式中m為介子質量，g代表核力強度，r是兩核子之間的距離第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六2、強子超多重態(tài)（略）3、夸克模型重子由三個夸克組成，介子由一個夸克和一個反夸克組成；反重子由三個反夸克組成。夸克有三種：上夸克、下夸克和奇異夸克，以及它們的反夸克?？淇吮仨毷琴M米子。夸克模型對許多實驗結果作出了滿意的解釋。第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六4、夸克的顏色夸克具有不同的顏色——紅、黃、藍（不是實際的顏色，僅是借用），顏色實際上是一種量子數，三種顏色代表夸克的三種狀態(tài)。5、c、b、t夸克的發(fā)現（略）第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六四、四種基本相互作用1、弱相互作用微觀粒子間除了存在電磁作用和強作用外，還存在著一種弱相互作用。關于弱相互作用的研究：

1934年費米提出β衰變理論；1956年李政道、楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒理論；1958年費曼等人提出了弱作用V-A理論；格拉肖-溫伯格-薩拉姆提出弱電統(tǒng)一理論，進一步揭示弱相互作用的本質。第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六2、四種基本相互作用的比較第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六3、量子電動力學與規(guī)范理論量子電動力學（QED）是關于帶電粒子通過電磁場發(fā)生電磁相互作用的理論學說，是在經典電磁場理論、狹義相對論和量子力學的基礎上建立起來的。自由粒子Dirac方程第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六

在QED中，運動方程在帶電粒子波函數的定域相位變換下保持不變，稱為規(guī)范不變性，在數學上屬于Abel群，用U（1）表示。

1954年，楊振寧和Mills將Abel群的規(guī)范不變理論推廣到非Abel規(guī)范場中，得到稱為SU（2）非Abel場，后來人們稱之為楊-Mills場。規(guī)范場理論已發(fā)展成為現代粒子物理基礎理論的具有普遍性的重要組成部分。第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六4、弱電統(tǒng)一理論

1967—1968年溫伯格和薩拉姆在格拉肖工作的基礎上，提出弱電統(tǒng)一理論：像電磁作用是通過規(guī)范場——電磁場（光子）來傳遞一樣，弱相互作用也是由規(guī)范場來傳遞的。可以用SU（2）×2U（1）群作為統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁作用的規(guī)范群。第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六5、量子色動力學（QCD）量子色動力學是解釋強相互作用的規(guī)范理論。

QCD理論認為：夸克特有的顏色可以看作夸克之間強相互作用的荷，稱為色荷。夸克之間的強相互作用是通過交換8種電中性而帶色的無質量的膠子來傳遞的。色荷和膠子在強相互作用中的地位分別相當于電磁作用中的電荷和光子。近年來，已有一些實驗結果支持量子色動力學。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六6、標準模型與大統(tǒng)一理論標準模型是以三代輕子和夸克為基本組元，以弱電統(tǒng)一和QCD為基礎理論，具有SU（3）*SU（2）*SU（1）對稱性的規(guī)范場論。標準模型雖取得很大成功，理論與實驗很好相符，但它所預言的Higgs粒子至今尚未發(fā)現。這是檢驗標準模型正確與否的關鍵。大統(tǒng)一理論是一種希望統(tǒng)一描述弱、電和強相互作用的規(guī)范理論。但目前尚未成功，原因是理論的預言尚未被實驗證實。

第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六五、粒子物理學的應用1、在醫(yī)學上的應用2、在軍事和通信上的應用3、在工業(yè)上的應用第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六1、在醫(yī)學上的應用粒子物理學在醫(yī)學上的應用可分為兩種：成象和治療。本節(jié)只介紹治療方面的一個重要應用——粒子手術刀。粒子手術刀是本質上是把能量會聚到具有確定邊界的小體積內，把該體積損毀。粒子手術刀有許多優(yōu)點：①手術無創(chuàng)傷，病人無痛苦，不出血，因此無感染，無并發(fā)癥；②精確度高，誤差只有0.1mm；③簡便、省時，不必住院；④治療全部自動化，病人醫(yī)生護士無思想負擔。光子、質子、α粒子都可以成為粒子手術刀。第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六2、在軍事和通信上的應用

⑴粒子束武器利用高能強流亞原子摧毀飛機、導彈、衛(wèi)星等目標或使之失效的定向武器，叫做粒子束武器。①粒子束武器的組成：由粒子源、粒子加速器以及探測、瞄準、跟蹤、指揮、通信等設備組成。

第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六②粒子束武器的工作原理是：用高能強流加速器將粒子源產生的電子、質子或離子加速到接近光速；并用磁場聚焦成密集的粒子束流，使之射擊向目標；依靠粒子束流的多種效應來摧毀目標或使之失效。③粒子束武器的主要特點是：粒子束流的能量高度集中，穿透力強，脈沖發(fā)射率高，能快速改變發(fā)射方向等。第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六④粒子束武器的分類：一是在大氣中使用的帶電粒子束武器；二是在外層空間使用的中性粒子束武器。⑤粒子束武器對目標的摧毀或使之失效的三種途徑：一是破壞結構；二是使引爆藥早爆；三是使電子設備失效。第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六⑵中微子通信中微子通信主要利用中微子的如下特點：中微子的靜止質量極?。赡転榱悖芤约s等于光速的速度作直線運動，一般不反射、不折射也不散射，穿透能力強，能輕而易舉地穿過地球。同時，中微子通信有良好的抗干擾性和保密性。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期六3、在工業(yè)上的應用⑴中子測井利用中子和物質相互作用的一些特點，可以