人教版高中物理選修3-5課件粒子與宇宙（共25張）

粒子與宇宙1．“基本”粒子不基本1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn)了光子，并認(rèn)為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。那么隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢？發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后，許多人認(rèn)為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”。逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子；又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。19世紀(jì)末都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒。20世紀(jì)30年代以來(lái)，人們?cè)趯?duì)宇宙射線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。1932年發(fā)現(xiàn)了正電子1937年發(fā)現(xiàn)了

子1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和介子后來(lái)還發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大，叫做超子。2．發(fā)現(xiàn)新粒子粒子加速器使帶電粒子加速到很高的能量，有助于發(fā)現(xiàn)更多的新粒子。反粒子質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)相同而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子。電子正電子質(zhì)子反質(zhì)子反物質(zhì)粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為三類?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。強(qiáng)子：參與強(qiáng)相互作用的粒子。例如：質(zhì)子。強(qiáng)子又分為介子和重子兩類。輕子：不參與強(qiáng)相互作用的粒子。例如：電子和電子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每種輕子都有對(duì)應(yīng)的反粒子。τ子質(zhì)量比核子大?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。如：光子、中間玻色子、膠子。分別傳遞電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用。粒子媒介子輕子(6種)強(qiáng)子光子（傳遞電磁相互作用）膠子（傳遞強(qiáng)相互作用）電子電子中微子μ子和μ子中微子τ子和τ子中微子質(zhì)子中子介子超子上夸克下夸克奇夸克粲夸克底夸克頂夸克夸克3．夸克模型1964年物理學(xué)家蓋爾曼提出夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark?？淇四Ｐ徒?jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學(xué)家接受。六種夸克：上夸克u、下夸克d、奇異夸克s、粲夸克c、底夸克b、頂夸克t?？淇藥щ姾蔀樵姾傻?/3或-1/3倍。每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克?？淇四Ｐ椭赋鲭娮与姾刹辉偈请姾傻淖钚挝?，即存在分?jǐn)?shù)電荷。到目前為止，人們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了所有6種夸克及其反夸克存在的證據(jù)。科學(xué)家直到今天都還未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。能否解放被禁閉的夸克，是21世紀(jì)物理學(xué)面臨的重大課題之一。1995美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克的存在。物理學(xué)中有一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者格拉肖所說(shuō)：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！?．宇宙的演化大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生大爆炸之后約10-44s，溫度為1032K，產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子。大爆炸后約10-6s，溫度下降到1013K，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子，成為強(qiáng)子時(shí)代。再晚一些時(shí)候，溫度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，成為輕子時(shí)代。溫度下降到109K，中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時(shí)有氚核、氦3等其他輕核生成，成為核合成的時(shí)代。大爆炸1萬(wàn)年之后，溫度降到104K，宇宙由電子、質(zhì)子和氦核的混合電離氣體組成。溫度降到3000K，電子和質(zhì)子復(fù)合成為中性的氫原子。繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。人馬座礁湖星云天蛇座老鷹星云獵戶座馬頭星云麒麟座玫瑰星云獵戶座女巫星云5．恒星的演化恒星的搖籃——星云我們的太陽(yáng)全天最亮恒星——天狼星(其伴星是一顆白矮星)質(zhì)量不同的恒星，安定時(shí)間的長(zhǎng)短不同，它們壽命的長(zhǎng)短取決于其自身的質(zhì)量。五分之一太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，為1萬(wàn)億年；和太陽(yáng)質(zhì)量相同的恒星，為100億年；十五倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，為2000萬(wàn)年。這是因?yàn)橘|(zhì)量大的恒星內(nèi)部雖然有更多的氫燃料，但是它內(nèi)部的溫度和壓力也相應(yīng)更高，這使核聚變反應(yīng)的強(qiáng)度也成倍增大，氫的消耗比小質(zhì)量恒星快得多，因而它們的光度也大。這導(dǎo)致質(zhì)量大的恒星壽命反而要短于質(zhì)量小的恒星。壯年期的恒星紅巨星當(dāng)內(nèi)部氦核心被點(diǎn)燃后的恒星的爆發(fā)不穩(wěn)定期——紅巨星、恒星的爆發(fā)拋射質(zhì)量后，如果剩下的燃料無(wú)法點(diǎn)燃，而核的質(zhì)量小于1．44個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量（錢德拉塞卡極限），這顆恒星便可能演化成為白矮星。由于引力十分巨大，核外電子被緊密壓縮，密布在原子核周圍，依靠電子間的斥力抵抗引力,處于一種超密狀態(tài)，其中一個(gè)火柴盒大小的物質(zhì)，如果能拿到地球上來(lái),就重達(dá)1噸左右。人馬座鉆石星，這塊鉆石直徑是4000公里，質(zhì)量2千億億億噸。太陽(yáng)在70億年后，也將變成類似的鉆石。恒星的死亡（一）——白矮星對(duì)于大質(zhì)量的恒星，由于引力巨大，氫燒完后，引力導(dǎo)致的坍縮會(huì)十分猛烈，這時(shí)，大量的能量瞬間爆發(fā)出來(lái)，恒星的亮度瞬間爆增上千萬(wàn)倍，乃至上百億倍，這就是超新星爆發(fā)。一顆超新星在爆發(fā)時(shí)輸出的能量可高達(dá)1043焦，這幾乎相當(dāng)于我們的太陽(yáng)在100億年時(shí)間里輸出能量的總和。超新星爆發(fā)時(shí)，拋射物質(zhì)的速度可達(dá)107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的綻放。金牛座蟹狀星云是1054年爆發(fā)超新星的遺骸大麥哲倫星云1987A超新星瞬間的絢爛（二）——超新星爆發(fā)超新星爆發(fā)后，如果剩下的核的質(zhì)量在1．44—2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量（奧本海默極限）之間。巨大的引力使得電子的斥力也不足以對(duì)抗，電子被壓入原子核，整個(gè)恒星成為一個(gè)中子球，依靠中子間的斥力對(duì)抗引力。它的直徑只有10千米左右，其密度特別大，1立方厘米可達(dá)1億噸以上，自轉(zhuǎn)特別快。也叫脈沖星。白矮星、地球和中子星大小的比較恒星的死亡（三）——中子星質(zhì)量超過(guò)奧本海默極限的致密天體，中子的簡(jiǎn)并壓力不足以抗衡引力，這個(gè)天體還要坍縮,它坍縮的結(jié)果會(huì)變成一種非常特殊的比中子星更致密的天體——其體積無(wú)限被壓縮，以致其第二宇宙速度超過(guò)光速，光也無(wú)法從其內(nèi)部逃出，所以叫黑洞。錢德拉望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞攻擊星系照片恒星的死亡（四）——黑洞大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。早期只有中子、質(zhì)子、中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí)，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)。

溫度下降到,核合成的時(shí)代。繼續(xù)冷卻,逐漸形成恒星和星系。

類別相對(duì)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(zhǎng)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