宇宙的起源一直是天文學(xué)中困難而又有啟發(fā)性的問題。宇宙學(xué)中大爆炸論的基本觀點使得宇宙正在膨脹，要了解宇宙更早期的情況，我們必須研究組成物質(zhì)的基本粒子。那么，宇宙到底是怎樣變化的？宇宙是有什么組成的呢？,想一想,宇宙,宇宙,星空,第十九章 原子核,第一節(jié)原子核的組成,1、知識與技能,了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史 。 初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。,2、過程與方法,感知人類（科學(xué)家）探究宇宙奧秘的過程和方法 。 能夠突破傳統(tǒng)思維重新認識客觀物質(zhì)世界。,3、情感態(tài)度與價值觀,讓學(xué)生真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知創(chuàng)建和諧社會的必要性。 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。,重點 了解構(gòu)成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程 難點 各種微觀粒子模型的理解,二、發(fā)現(xiàn)新粒子,三、夸克模型,四、宇宙的演化,一、“基本粒子”不基本,五、行星的演化,一、“基本粒子”不基本,1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而又發(fā)現(xiàn)了光子，并認為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。那么隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢？,1、基本粒子的組成 分子由原子構(gòu)成，不同原子構(gòu)成化合物分子，相同原子構(gòu)成單質(zhì)分子。 原子是由位于中心的原子核和核外高速旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成的。 （電子帶負電，原子核帶正電） 原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。 （質(zhì)子帶正電，中子不帶電）,二、發(fā)現(xiàn)新粒子,1、人們在對宇宙研究的同時發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。 （1）1932年發(fā)現(xiàn)正電子；1937年發(fā)現(xiàn)子； （2）1947年發(fā)現(xiàn)K介子與介子。實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達400多種。 （3）許多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做反粒子。 （4）按粒子與各種相互作用的關(guān)系，可分為三大類：強子、輕子和媒介子。,2、按粒子與各種相互作用的關(guān)系粒子的分類是：,湯姆遜電子,盧瑟福質(zhì)子,查德威克中子,蓋爾曼夸克,發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學(xué)家,道爾頓原子,三、夸克模型,試驗證明強子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，1964年提出的夸克模型正明強子由更基本的粒成分組成，這種成分叫做夸克?？淇擞闪N模型：上夸克d、下夸克u 、奇異夸克s、粲夸克c，底夸克b、頂夸克t。,1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克(Top Quark)的存在,四、宇宙的演化,物理學(xué)中有一個非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀粒子物理、量子理論、與研究宇宙的理論竟然相互溝通，相互支持。正如諾貝爾物理學(xué)獎學(xué)者格拉肖所說：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！保敲从钪娴降讖暮味鴣砟?？,大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個“奇點”爆炸產(chǎn)生,宇宙大爆炸理論： 早在1929年，埃德溫哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。,1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發(fā)生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。,根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當時宇宙狀態(tài)的重要標志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。,從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史： 大爆炸開始時 150200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。 大爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后10-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。,大爆炸后10-5秒 10萬億度，質(zhì)子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000億度，光子、電子、中微子為主，質(zhì)子中子僅占10億分之一，熱平衡態(tài)，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。 大爆炸后0.1秒后 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。,大爆炸后13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學(xué)元素）形成。 大爆炸后35分鐘后 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30萬年后 3000度，化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì)，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊，直至恒星和恒星系統(tǒng)。,五、恒星的演化,1、恒星的誕生 宇宙塵埃星云團恒星誕生氫核聚合成氦核氫核聚合成碳核其他聚變過程無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞 2、恒星最后的歸宿： 恒星質(zhì)量小于太陽1.4倍白矮星 恒星質(zhì)量是太陽1.42倍中子性 恒星質(zhì)量更大時(無法抵抗)黑洞,粒子物理和宇宙學(xué)殊途同歸,光子：傳遞電磁相互作用,膠子：傳遞強相互作用,電子 電子中微子 子和子中微子 子和子中微子,質(zhì)子 中子 介子 超子,夸克,上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克,2、宇宙演化過程的方框圖： 大爆炸夸克、輕子、膠子等強子時代輕子時代核合成時代電子與質(zhì)子符合成氫原子形成恒星和星系。 3、恒星演化過程的方框圖： 宇宙塵埃星云團恒星誕生氫核聚合成氦核氫核聚合成碳核其他聚變過程無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞。,1(2004天津) 中子內(nèi)有一個電荷量為+2e/3 的上夸克和兩個電荷量為的 -1e/3 下夸克，一簡單模型是三個夸克都在半徑為r 的同一圓周上，如圖所示。下面給出的四幅圖中，能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是（ ）,D,A,B,C,D,B,解析：聚變反應(yīng)時將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會有質(zhì)量虧損，要放出大量的能量。但目前核電站都采用采用鈾核的裂變反應(yīng)。因此B正確。,1、現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”。所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同質(zhì)量和相同電荷量，但電荷的符號相反據(jù)此，若有反粒子，它的質(zhì)量數(shù)為 ，電荷數(shù)為 ,4,-2,2、1956年李政道和楊振寧提出在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄用云6027Co放射源進行了實驗驗證次年，李、楊二人為此獲得諾貝爾物理獎6027Co的衰變方程是 6027CoAZNi+0-1e+ve其中ve是反中微子，它的電荷為零，靜止質(zhì)量可認為是零。,（1）Co與Fe同周期，它應(yīng)在周期表的第_ 周期，6027Co的核外電子數(shù)為 。在上述衰變方程中，衰變產(chǎn)物AZNi的質(zhì)量數(shù)A是 ，核電荷數(shù)z是 ； （2）在衰變前6027Co核靜止，根據(jù)云室照片中可以看出，衰變產(chǎn)物Ni和0-1e的運動軌跡不在一條直線上。如果認為衰變產(chǎn)物只有Ni和0-1e，那么衰變過程將違背 守恒定律。,4,27,60,28,動量,3、目前普遍認為，質(zhì)子和中子都由被稱為夸克和d夸克的兩類夸克組成，夸克帶電量為2e/3，d夸克帶電量為-e/3，e為元電荷，則下列論斷可能的是（ ） A質(zhì)子由1個夸克和1個d夸克組成，中子由1個夸克和2個d夸克組成 B質(zhì)子由2個夸克和1個d夸克組成，中子由1個夸克和2個d夸克組成 C質(zhì)子由1個夸克和2個d夸克組成，中子由2個夸克和1個d夸克組成 D質(zhì)子由2個夸克和1個d夸克組成，中子由1個夸克和1個d夸克組成,B,4、K-介子衰變方程為：K-+o其中K-介子衰變方程為：K-+o其中K-介子和-介子帶負的基元電荷，o介子不帶電，如圖所示，一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧Ap，衰變后產(chǎn)生的-介子的軌跡為圓弧pB,兩軌跡在p點相切，它們半徑Rk-與R-之比為2：1（o介子的軌跡未畫出）由此可知-的動量大小與o的動量大小之比為 （ ） A1：1 B1：2 C1：3 D1：6,C,1、粒子的分類,2、答：宇宙演化過程的方框圖： 大爆炸夸克、輕子、膠子等強子時代輕子時代核合成時代電子與質(zhì)子符合成氫原子形成恒星和星系 恒星演化過程的方框圖：宇宙塵埃星云團恒星誕生氫核聚合成氦核氫核聚合成碳核其他聚變過程無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞,