高三物理粒子物理学及其应用

第三篇粒子物理学及其应用 更多资源 第三篇粒子物理学及其应用 一 基本粒子概念的发展和粒子的分类二 轻子三 夸克四 四种基本相互作用五 粒子探测器六 粒子物理的应用 一 基本粒子概念的发展和粒子的分类 1 基本粒子概念的发展 古代对物质结构的猜想我国夏朝 金 木 水 火 土五行学说古希腊 水 火 土 空气组成物质 德谟克利特 提出了原子论 公元前3世纪 近代对物质结构的认识道尔顿的原子论 每一种元素都代表一种特定的原子 不同元素的原子的性质不同 现代对物质结构认识的飞跃1911年 卢瑟福的原子核式结构模型 原子由原子核和电子组成 1932年 确认中子的存在 原子核由中子和质子组成 三种基本粒子 1932年 安德森发现正电子 子 介子和第一个奇异粒子被发现 20世纪50年代以后 夸克的发现 构成物质的基本粒子共有12种 包括6种轻子和6种夸克 至目前 尚未发现这12种粒子有内部结构 2 基本粒子的分类 轻子 夸克 规范粒子 Higgs粒子 未发现 二 轻子 轻子 不参与强相互作用的粒子 6种轻子按其发现的年代和性质 分为三代 轻子同一代之间才发生相互作用 三代轻子的电荷和质量 1 电子的发现 电子是最早发现的基本粒子 1897年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时发现 电子的静止质量为电子带负电荷 正电子的发现1928年 狄拉克从理论上预言了正电子的存在 1932年安德森在宇宙射线中发现了正电子 正电子的质量与电子相等 正电子带与电子等量的正电荷 2 子和 子的发现 子有带负电的和带正电的两种 不参与强相互作用 质量比质子重207倍 子和电子具有相同的性质 但不可能以一种简单的方式衰变成单个电子 子是1975年在美国电子对撞机上发现的 它的质量比许多重子的质量还要大得多 带一个单位电荷 3 中微子 在研究 衰变时 对能量守恒定律产生怀疑时提出的 1931年 泡里认为 在 衰变过程中 同时发射了一个质量很小 质量为零或接近零 的中性粒子 后来费米将它称为中微子 这样 原子核 衰变过程中就保持了能量和动量守恒 例如 中子的衰变过程可表示为 1942年 我国物理学家王淦昌提出了探测中微子的方案 美国物理学家艾伦根据这个方案 从实验上证实了电子中微子存在 1956年 莱茵斯等人在实验上检测到脱离了发射源的传播中的电子中微子 这才是电子中微子存在的直接证据 后来又发现了 子中微子 并有间接证据证明有 子中微子 三 夸克 1 强相互作用和强子核子 中子和质子 间存在着很强的吸引力 强相互作用 强相互作用的特点是 短程力 力程为 很强 约为电磁力强度的100倍 很快 作用时间约 与电荷无关 具有饱和性 1935年日本物理学家汤川为了解释强相互作用的传递方式 提出了 介子理论 介子的质量约等于电子质量的275倍 后来又发现了比核子还要重得多的介子 连同核子称为重子 介子和重子统称强子 介子理论认为 核子之间存在一种核力场 强相互作用是通过交换介子传递的 汤川由相对论波动方程出发 给出了两核子之间的相互作用势能公式 V r 称为汤川势 式中m为介子质量 g代表核力强度 r是两核子之间的距离 2 强子超多重态 略 3 夸克模型重子由三个夸克组成 介子由一个夸克和一个反夸克组成 反重子由三个反夸克组成 夸克有三种 上夸克 下夸克和奇异夸克 以及它们的反夸克 夸克必须是费米子 夸克模型对许多实验结果作出了满意的解释 4 夸克的颜色夸克具有不同的颜色 红 黄 蓝 不是实际的颜色 仅是借用 颜色实际上是一种量子数 三种颜色代表夸克的三种状态 5 c b t夸克的发现 略 四 四种基本相互作用 1 弱相互作用微观粒子间除了存在电磁作用和强作用外 还存在着一种弱相互作用 关于弱相互作用的研究 1934年费米提出 衰变理论 1956年李政道 杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒理论 1958年费曼等人提出了弱作用V A理论 格拉肖 温伯格 萨拉姆提出弱电统一理论 进一步揭示弱相互作用的本质 2 四种基本相互作用的比较 3 量子电动力学与规范理论量子电动力学 QED 是关于带电粒子通过电磁场发生电磁相互作用的理论学说 是在经典电磁场理论 狭义相对论和量子力学的基础上建立起来的 自由粒子Dirac方程 在QED中 运动方程在带电粒子波函数的定域相位变换下保持不变 称为规范不变性 在数学上属于Abel群 用U 1 表示 1954年 杨振宁和Mills将Abel群的规范不变理论推广到非Abel规范场中 得到称为SU 2 非Abel场 后来人们称之为杨 Mills场 规范场理论已发展成为现代粒子物理基础理论的具有普遍性的重要组成部分 4 弱电统一理论1967 1968年温伯格和萨拉姆在格拉肖工作的基础上 提出弱电统一理论 像电磁作用是通过规范场 电磁场 光子 来传递一样 弱相互作用也是由规范场来传递的 可以用SU 2 2U 1 群作为统一描述弱相互作用和电磁作用的规范群 5 量子色动力学 QCD 量子色动力学是解释强相互作用的规范理论 QCD理论认为 夸克特有的颜色可以看作夸克之间强相互作用的荷 称为色荷 夸克之间的强相互作用是通过交换8种电中性而带色的无质量的胶子来传递的 色荷和胶子在强相互作用中的地位分别相当于电磁作用中的电荷和光子 近年来 已有一些实验结果支持量子色动力学 6 标准模型与大统一理论标准模型是以三代轻子和夸克为基本组元 以弱电统一和QCD为基础理论 具有SU 3 SU 2 SU 1 对称性的规范场论 标准模型虽取得很大成功 理论与实验很好相符 但它所预言的Higgs粒子至今尚未发现 这是检验标准模型正确与否的关键 大统一理论是一种希望统一描述弱 电和强相互作用的规范理论 但目前尚未成功 原因是理论的预言尚未被实验证实 五 粒子物理学的应用 1 在医学上的应用2 在军事和通信上的应用3 在工业上的应用 1 在医学上的应用粒子物理学在医学上的应用可分为两种 成象和治疗 本节只介绍治疗方面的一个重要应用 粒子手术刀 粒子手术刀是本质上是把能量会聚到具有确定边界的小体积内 把该体积损毁 粒子手术刀有许多优点 手术无创伤 病人无痛苦 不出血 因此无感染 无并发症 精确度高 误差只有0 1mm 简便 省时 不必住院 治疗全部自动化 病人医生护士无思想负担 光子 质子 粒子都可以成为粒子手术刀 2 在军事和通信上的应用 粒子束武器利用高能强流亚原子摧毁飞机 导弹 卫星等目标或使之失效的定向武器 叫做粒子束武器 粒子束武器的组成 由粒子源 粒子加速器以及探测 瞄准 跟踪 指挥 通信等设备组成 粒子束武器的工作原理是 用高能强流加速器将粒子源产生的电子 质子或离子加速到接近光速 并用磁场聚焦成密集的粒子束流 使之射击向目标 依靠粒子束流的多种效应来摧毁目标或使之失效 粒子束武器的主要特点是 粒子束流的能量高度集中 穿透力强 脉冲发射率高 能快速改变发射方向等 粒子束武器的分类 一是在大气中使用的带电粒子束武器 二是在外层空间使用的中性粒子束武器 粒子束武器对目标的摧毁或使之失效的三种途径 一是破坏结构 二是使引爆药早爆 三是使电子设备失效 中微子通信中微子通信主要利用中微子的如下特点 中微子的静止质量极小 可能为零 能以约等于光速的速度作直线运动 一般不反射 不折射也不散射 穿透能力强 能轻而易举地穿过地球 同时 中微子通信有良好的抗干扰性和保密性 3 在工业上的应用 中子测井利用中子和物质相互作