学人教版选修35 19.8粒子和宇宙 课件（3）（24张）.ppt

particle universe 粒子和宇宙 道尔顿19世纪末 人们认为原子是组成物质的最小微粒 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 卢瑟福经典散射实验 发现质子 查德威克发现中子 盖尔曼发现夸克 是否还有其他的微观粒子 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 标准模型与大统一 人们建立了标准模型 理论归纳预言了一系列新粒子 并且对发现的粒子以泡利原理以及所参与的相互作用进行全新分类 图中为标准模型的简单表示 大统一理论最终的目的便是将宇宙中纷繁复杂的作用形式统一为简洁 优美的场论 粒子的分类 泡利原理 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 对撞机的核心就是一系列探测中心以及右图中先进的第三代同步加速器 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 费米子与玻色子的夸克图 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 大爆炸开始时 150 200亿年前 极小体积 极高密度 极高温度 大爆炸后10 43秒宇宙从量子背景出现 大爆炸后10 35秒同一场分解为强力 电弱力和引力 大爆炸后10 5秒10万亿度 质子和中子形成 大爆炸后0 01秒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300亿度 中子质子比从1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后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13 8秒后30亿度 氘 氦类稳定原子核 化学元素 形成 大爆炸后35分钟后3亿度 核过程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30万年后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 宇宙的历史 粒子物理与宇宙学殊途同归 中子内有一个电荷量为 2e 3的上夸克和两个电荷量为的 1e 3下夸克 一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上 如图1所示 图2给出的四幅图中 能正确表示出各夸克所受静电作用力的是 a b c d 目前普遍认为 质子和中子都由被称为 夸克和d夸克的两类夸克组成 夸克带电量为2e 3 d夸克带电量为 e 3 e为元电荷 则下列论断可能的是 a 质子由1个 夸克和1个d夸克组成 中子由1个 夸克和2个d夸克组成b