鲁科版选修35 “基本粒子”与恒星演化 课件（56张）.ppt

5 4 基本粒子 与恒星演化 宇宙是由什么组成的 宇宙是如何组成的 一 基本粒子初步 为什么世界上不同的物质具有相同的特征 因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的 简单 没有内部结构 从远古时代 人类就开始这样想 比如认为世界是由 水 火 土 气 组成 基本砖块 基本砖块 原子 今天人们知道 水 火 土 气 并不 基本 它们是由 原子 组成的 在1900年前后 人们认为 原子 是可穿透的球 内部有一些电荷在跳动 原子 是基本的吗 人们很快就发现 可以根据其化学性质把 原子 分类 元素周期表 这表明 原子 有内部结构 是由更小的砖块组成的 原子 是由带正电的 重而小的 原子核 和围绕它的带负电的 电子云 组成 实验表明 原子核 是基本的吗 原子核 很小 很重 密度很大 曾被人们认为是基本的粒子 后来 人们发现 原子核 并不基本 是由带正电的 质子 和不带电的 中子 组成 质子 和 中子 是基本的吗 人们发现 质子 和 中子 并不基本 是有更小的粒子 夸克 组成 夸克 目前没有发现其内部结构 是 基本 的粒子 现代的 原子 图像 注意 原子 体积的99 999999999999 是空的 原子 的大小 众多的 复合粒子 人们一直在寻找粒子 目前已发现200多个粒子 这些粒子绝大多数是 复合粒子 这些粒子的名称 五花八门 费米 enricofermi 对他的学生莱德曼 leonlederman 说 youngman ificouldrememberthenamesoftheseparticles iwouldhavebeenabotanist 1 引力相互作用 所有粒子都参与万有引力相互作用 其强度比弱作用还小 与物体间距离的平方成反比 传递引力的粒子称为引力子 1 影响 基本粒子 的相互作用 宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种 2 电磁相互作用 一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强子和轻子都参与电磁相互作用 电磁相互作用通过电磁场交换光子来实现 一些基本粒子通过电磁相互作用发生衰变 电磁相互作用的强度比强相互作用弱 电磁力的大小与物体间距离的平方成反比 3 强相互作用 强相互作用是一种原子核结合在一起的力 它的作用范围为m以下 故称短程力 作用时间极短 约为s 这种相互作用强度大 比电磁作用强得多 故称强作用 强相互作用只存在于重子和介子之间 4 弱相互作用 弱相互作用范围在10 17m以下 通常也称短程力 弱相互作用的强度比强相互作用弱得多 作用时间慢得多 参与弱相互作用的粒子 一切强子和轻子 格拉肖 温伯格 萨拉姆 四种相互作用的比较 2 基本粒子 家族 如果按粒子参与相互作用的性质来分 可以分为 媒介子 轻子和强子 媒介子 媒介子是传递各种相互作用的粒子 如光子 中间玻色子 胶子 光子是传递电磁相互作用的粒子 中间玻色子是传递弱相互作用的粒子 胶子是传递强相互作用的粒子 核子之间的作用力属于强相互作用 1 媒介子 2 强子 重子 baryon 介子 meson 强子 强子是参与强相互作用的粒子 质子是最早发现的强子 中子 介子和超子也是强子 3 轻子 lepton 轻子 轻子是不参与强相互作用的粒子 最早发现的轻子是电子 后来发现了电子中微子 子和 子中微子 子和 子中微子 轻子则单个存在带电轻子象猫科动物 易看到 而不带电的轻子 中微子 象附着在这些动物身上的跳骚 难以看到 带电轻子的衰变 中微子 中微子的特点 不带电荷 色荷 和物质的作用非常弱 绝大多数可以穿过地球 而不和地球的物质发生作用 可以在很多过程中产生 特别是粒子的衰变 正是从粒子的衰变中推断其存在 由于在宇宙形成的初期中微子大量产生 并且它们和物质的作用很弱 在今天的宇宙中有很多中微子 它们虽然很轻 但因为数众多 所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献 影响宇宙的膨胀 反物质 反粒子 对应于每一种 物质粒子 存在其 反物质粒子 唯一区别是电荷反号 粒子 与 反粒子 相遇时 会发生 湮灭 变成能量 夸克 夸克 名称的由来 1964年murraygell mann和georgezweig建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子 gell mann把这三个粒子叫作 quark quark 一词来自jamesjoyce的小说 finnegan swake 不同种类的 夸克 称作不同的 味道 的 夸克 称作 上 up 和 下 down 称为 奇 strange 它组成的粒子 k 粒子具有 奇怪 的长寿命称作 璨 charm 1974年在斯坦福 slac 和布鲁海文实验室 bnl 发现称作 底 bottom 1977年在费米实验室发现称作 顶 top 1995年在费米实验室发现 两个最轻 第三个 第四个 第五个 第六个 3 基本粒子 的探测 今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子 它们在宇宙形成的初期都曾经存在过 但很快就衰变掉了 要研究粒子物理 就必须产生出这些粒子 并用探测器研究这些粒子的性质 粒子产生的方法 宇宙线对撞机粒子探测的工具 探测器 反粒子和奇异粒子 质子和反质子的运动轨迹 宇宙线 对撞机 加速器 直线加速 回旋加速 固定靶 对撞机 当今世界上的加速器 fermilab 费米实验室 美国 slac 斯坦福直线加速器中心 美国 bnl 布鲁海文实验室 美国 cesr 康奈尔正负电子储存环 美国 cern 欧洲粒子物理实验室 瑞士 kek 高能加速器研究机构 日本 desy 电子回旋加速器 德国 ihep 高能物理所 中国 粒子探测器 如何识别不同粒子 现代粒子物理实验的鼻祖 鲁瑟夫实验 beam 粒子 target 金箔 detector 硫化锌屏幕 观测世界的手段 总结 二 恒星的演化 恒星是由星云 气体和尘埃 凝聚而成的 同自然界一切事物一样 恒星也经历着从发生 发展到衰亡和转化的过程 恒星的两个重要特性 光度 反映了某恒星对外辐射能量的多少 亮度 温度 恒星的表面温度 颜色 赫罗图 以恒星的表面温度为横坐标 以恒星的光度为纵坐标 将已知恒星在坐标系中用一个点来表示 恒星演化在赫罗图上的表示 恒星演化过程 恒星的诞生 弥漫星云在引力作用下 会收缩成比较密集的气球体 而处于慢收缩阶段的天体就称为原恒星 在收缩过程中 引力势能转化成热能 中心区受强烈压缩而升温并发出热辐射 直到最后中心温度升到约800至1000万度以上 由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够的能量 使内部压力与引力处于相对平衡状态 一颗恒星就正式诞生了 原恒星 原恒星 恒星的中年 恒星在收缩过程中 会向着赫罗图的主序上的某个位置移动 移到主序位置后 内部温度高到足以 点燃 核火 热核反应代替引力收缩 成为恒星的主要能源 在此时 恒星进入了主序星阶段 主序星阶段会占居恒星一生寿命的大半辈子 是恒星最稳定的阶段 主序星 主序星阶段 恒星的晚年 随着核聚变的进行 恒星中心的氢核越来越大 核周围的氢越来越少 其引力收缩会急剧增强 并释放大量能量 结果 恒星的核心收缩 外层膨胀 成为一个巨大的 具有热核的 冷 星 这时 恒星进入了红巨星阶段 到了生命晚年 红巨星 恒星的死亡 恒星过度到红巨星阶段后 其演化速度大大加快 中心区域的温度与密度因收缩而继续升高 当温度上升到一亿度时 会发生有核聚变变为碳核的新一轮热核反应 氢燃烧完后 温度继续升高 原子核再聚变产生更重的元素 但这些过程释放的能量有限 恒星已经到了垂暮之年 当核反应终止 对引力的抗衡全线崩溃 恒星自行坍缩 红巨星收缩时 核心温度急剧上升 而掀起的热浪会把外层气壳抛掉 剩下一层致密核炽热的白矮星 以后逐渐冷却 变成黑矮星 大多数恒星都会这样结束它的一生 白矮星与黑矮星 并非所有恒星的一生都是这样度过的 那些质量核体积特别大的恒星 在其演化的最后阶段会发生爆炸 迸发出盛大的太空火焰 即超新星爆发 如果它们留下的残骸的质量足够大