粒子和宇宙课件(第八节)要点.ppt

第十九章原子核 第八节粒子和宇宙 比比谁小 分子由 构成 不同原子构成 分子 相同原子构成 分子 原子是由位于中心的 和核外高速旋转的 构成的 电子带 电 原子核带 电 原子核是由 和 构成的 质子带 电 中子 电 质子和中子都是由 组成的 原子 化合物 单质 原子核 电子 负 正 质子 中子 不带 夸克 正 盖尔曼 夸克 道尔顿 原子 汤姆逊 电子 卢瑟福 质子 查德威克 中子 盖尔曼 夸克 发现各种微粒的科学家 一 基本粒子 不基本 发现了电子 质子和中子后 许多人认为光子和它们是组成物质的 基本粒子 逐渐发现了几百种不由质子 中子 电子组成的新粒子 又发现质子 中子等本身也是复合粒子 基本粒子 不基本 19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克 TopQuark 的存在 二 发现新粒子 20世纪30年代以来 人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子 1932年发现了正电子 1937年发现了子 1947年发现了K介子和介子 后来还发现了一些新粒子 质量比质子的质量大 叫做超子 粒子的分类 1 按自旋分类 2 共振态粒子 寿命极短 约10 23s 4 按相互作用分类 参与 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 引力子自旋应为2 静止质量和电荷为零 以光速运动 光子自旋为1 是玻色子 3 正粒子 反粒子 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 说明 强子分类 K介子和各种超子称为奇异粒子 试验中发现以下现象 协同产生 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生 奇异粒子协同产生的过程极快 约为10 23s 表明是在强相互作用下进行的 而衰变过程很慢 寿命约为10 8 10 10s 表明是在弱相互作用下进行的 强子结构的夸克模型 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 三 夸克模型 1 质子 uud 电荷 重子数 奇异数 自旋 同位旋 2 奇异粒子 uus 电荷 重子数 奇异数 自旋 3 介子 重子数 电荷 奇异数 自旋 同位旋分量 四种基本相互作用 1 四种基本相互作用的性质 相互作用是通过交换一定粒子实现的 引力子尚未被实验证实 弱电统一理论 电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用 大统一理论试图将强 电 弱三种相互作用统一起来 1983年 鲁比亚实验组在高能质子 反质子对撞试验中发现了W W 和Z0粒子 为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持 欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI探测器 四 宇宙 从何而来 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时间的零点 早在1929年 埃德温 哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现 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 换言之 宇宙正在不断膨胀 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 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 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 大爆炸宇宙论 从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来 通过几十年的努力 宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史 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 五 恒星的演化 宇宙尘埃在万有引力作用下形成气态星云团 进一步凝聚使得引力势能转化为内能 温度升高 到一定程度演化成恒星 恒星继续收缩 升温 当温度超过时 氢通过热核反应成为氦 核能以电磁波的形式向外辐射 辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡 星体稳定下来 太阳目前正处于这一阶段的中期 当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后 核反应变弱 辐射压力下降 星核在引力作用下再次收缩 引力势能产生的热能使温度继续升高 发生氦核聚变成碳核的反应 类似热核反应一波接一波继续下去 各种热核反应不再发生时 辐射压力消失 星体在引力作用下进一步收缩 中心密度极大 恒星的最后归宿与恒星的质量大小有关 1 若恒星的质量小于1 4倍太阳质量 演变为白矮星 2 若恒星的质量为太阳质量的1 4 2倍 演变为中子星 3 恒星的质量更大时 演变为黑洞 黑洞吞噬