人教版选修35 　粒子和宇宙 课件 (共30张).ppt

粒子和宇宙 关于物质结构的探寻 汤姆逊发现了原子内部结构中的电子 查德威克发现中子 道尔顿19世纪末 人们认为原子是组成物质的最小微粒 延伸思考 人们逐渐意识到 这些我们认为的 基本粒子 实际并不基本 还有很多我们并不了解的粒子等待发现 盒子里面还是盒子 粒子的分类 泡利原理 反粒子 所有的粒子 都有与其质量 寿命 自旋 同位旋相同 但电荷 重子数 轻子数 奇异数等量子数异号的粒子存在 称为该种粒子的反粒子 除了某些中性玻色子外 粒子与反粒子是两种不同的粒子 一切粒子均有其相应的反粒子 如电子e 的反粒子是正电子e 质子p的反粒子是反质子 中子n的反粒子是反中子 一些中性玻色子如光子 0介子等 其反粒子就是它们自己 粒子的分类 电性 磁矩 正 反粒子物理量的绝对值都相同 但某些物理量 如电荷 磁矩等 的符号相反 但反粒子由于很容易湮灭 所以很难长时间存活 欧核反粒子的存储装置演示 原理简单的说就是用迅速变换的电场制作的牢笼 引力子由于自旋为2 无法量子化 尚未囊括进标准模型 静止质量和电荷为零 以光速运动 光子自旋为1 是玻色子 粒子的分类 相互作用 强子分类 轻子 共12种 中微子系中性粒子 质量为零 只参与弱相互作用 为了探寻这些新粒子 实验物理学家想了各种办法 右图中美丽的花树实际是在人造云室的强磁场中 携带电荷的粒子受洛伦兹力偏转的踪迹 当然这是比较原始的实验方法 经过半个多世纪的发展 欧洲核子中心 cern 建造了迄今最为庞大的双圈强子对撞机 lhc lhc包含了一个圆周为27公里的圆形隧道 因当地地形的缘故位于地下50至150米之间 这是先前大型电子正子加速器 lep 所使用隧道的再利用 隧道本身直径三米 位于同一平面上 并贯穿瑞士与法国边境 主要的部分大半位于法国 所谓 上帝粒子 建造lhc一个最为重要的目的是为了验证英国物理学家彼得希格斯关于一种规范玻色子的理论 由于在此机制下 这种粒子将赋予万物质量 所以人们称其为 上帝粒子 新粒子的发现 2012年7月4日 位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心在发布会上向全球宣布 在双光子道和轻子道分别以6个西格玛的标准差探测到了希格斯玻色子 higgs 人们发现并证实了标准模型预言中最后一种粒子 这是现代物理学的一大步 下夸克d上夸克u奇夸克s 强子结构夸克模型 1964年 介子 夸克和反夸克组成 重子 三个夸克组成 粲夸克c底夸克b顶夸克t 夸克模型 所有的中子都是由三个夸克组成的 反中子则是由三个相应的反夸克组成的 比如质子 中子 质子由两个上夸克和一个下夸克组成 中子是由两个下夸克和一个上夸克组成 大爆炸理论 thebigbangtheory 宇宙从一个 奇点 爆炸产生 大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生 宇宙与恒星的演化 1929 埃德温 哈勃提出宇宙膨胀理论 即不管你往哪个方向看 远处的星系正急速地远离我们而去 这意味着 在早先星体相互之间更加靠近 事实上 似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻 它们刚好在同一地方 所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻 当时宇宙无限紧密 大爆炸理论 1950年前后 伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念 这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点 然后向四周的空气传播开去的那种爆炸 而是一种在各处同时发生 从一开时就充满整个空间的那种爆炸 爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔 事实上应该理解为空间的急剧膨胀 整个空间 可以指的是整个无限的宇宙 或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙 大爆炸理论 根据大爆炸宇宙论 甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体 温度极高 密度极大 且以很大的速率膨胀着 这些气体在热平衡下有均匀的温度 这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志 因而称宇宙温度 气体的绝热膨胀将使温度降低 使得原子核 原子乃至恒星系统得以相继出现 大爆炸理论 大爆炸后10 43秒 约10 32度 宇宙从量子涨落背景出现 这个阶段称为普朗克时期 在此之前 宇宙的密度可能超过每立方厘米10 94克 超过质子密度10 78倍 物理学上所有的力都是一种 在这个阶段 宇宙已经冷却到引力可以分离出来 开始独立存在 存在传递引力相互作用的引力子 宇宙中的其他力 强 弱相互作用和电磁相互作用 仍为一体 大爆炸后0 01秒 约1000亿度 光子 电子 中微子为主 质子中子仅占10亿分之一 热平衡态 体系急剧膨胀 温度和密度不断下降 大爆炸后0 1秒后 约300亿度 中子质子比从1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后 约100亿度 中微子向外逃逸 正负电子湮没反应出现 核力尚不足束缚中子和质子 大爆炸后10秒后 约30亿度 核时期 氢 氦类稳定原子核 化学元素 形成 当宇宙冷却到10 9开尔文以下 约100秒后 粒子转变不可能发生了 核合成计算指出 重子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的2 5 强烈暗示了其他物质能量的形式 非重子暗物质和暗能量 充满了宇宙 大爆炸后35分钟后 约3亿度 原初核合成过程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30万年后 约3000度 化学结合作用使中性原子形成 宇宙主要成分为气态物质 并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块 直至恒星和恒星系统 量子真空在暴涨期达到全盛 之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙 且随着物质和辐射密度迅速减小 暗能量越来越明显 暗能量可能占据宇宙总能量密度的2 3 2 从而推动了宇宙加速膨胀 恒星的演化 恒星演化就是一颗恒星诞生 成长成熟到衰老死亡的过程 恒星演化是十分缓慢的过程 天文学家根据对各种各样的恒星的观测和理论研究 弄清楚了恒星的一生是怎样从孕育到诞生 再从成长到成熟 最后到衰老 死亡的整个过程 恒星演化论 是天文学中 关于恒星在其生命期内演化的理论 形成 恒星的演化开始于巨分子云 一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0 1到1个原子 但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子 一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量 直径为50到300光年 在巨分子云环绕星系旋转时 一些事件可能造成它的引力坍缩 巨分子云可能互相冲撞 或者穿越旋臂的稠密部分 邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一 最后 星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星 成年期 恒星有不同的颜色和大小 从高热的蓝色到冷却的红色 从0 5到20个太阳质量 恒星演化恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度 而表面温度则依赖于恒星的质量 大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力 燃烧氢的速度也快得多 小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢 可能在此序列上停留数千亿年 而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序 像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年 太阳也位于主星序上 被认为是处于中年期 在恒星燃烧完核心中的氢之后 就会离开主星序 中年期 在形成几百万到几千亿年之后 恒星会消耗完核心中的氢 大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢 在消耗完核心中的氢之后 核心部分的核反应会停止 而留下一个氦核 赫 罗图揭示了恒星演化的重要规律失去了抵抗重力的核反应能量之后 恒星的外壳开始引力坍缩 核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高 但是在一个更高的层次上 一旦核心的温度达到了1亿开氏度 核心就开始进行氦聚变 重新通过核聚变产生能量来抵抗引力 恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能 逐渐冷却 成为白矮星 达到红巨星阶段时 0 4到3 4太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀 而核心向内压缩 产生将氦聚变成碳的核反应 聚变会重新产生能量 暂时缓解恒星的死亡过程 对于太阳大小的恒星 此过程大约持续十亿年 氦燃烧对温度极其敏感 造成很大的不稳定 巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星 成为行星状星云 行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却 成为小而致密的白矮星 通常具有0 6倍太阳质量 但是只有一个地球大小 大质量恒星在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后 其核心开始被重力压缩 温度和密度的上升会触发一系列聚变反应 这些聚变反应会生成越来越重的元素 产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩 行星状星云最终 聚变逐步到达元素周期表的下层 硅开始聚合成铁