8 8粒子和宇宙粒子和宇宙1.了解構(gòu)成物質(zhì)的了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；及粒子物理的發(fā)展史；2.知道高能加速器是粒子物理學(xué)研究的工具。知道高能加速器是粒子物理學(xué)研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關(guān)系。知道夸克可以帶分?jǐn)?shù)電荷。知道反粒子與粒子的關(guān)系。知道夸克可以帶分?jǐn)?shù)電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探尋1919世紀(jì)末，人們認(rèn)為世紀(jì)末，人們認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最原子是組成物質(zhì)的最小微粒小微粒 道道爾爾頓頓發(fā)現(xiàn)夸克發(fā)現(xiàn)夸克蓋蓋爾爾曼曼經(jīng)典散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子經(jīng)典散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子盧盧瑟瑟福福發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電子中的電子 湯湯姆姆遜遜查查德德威威克克發(fā)現(xiàn)中子發(fā)現(xiàn)中子新 課 導(dǎo) 入新 課 講 授 人們逐漸意識到，這些我們認(rèn)為的人們逐漸意識到，這些我們認(rèn)為的“基本粒子基本粒子”，實(shí)際并不，實(shí)際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)?；尽＿€有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)。19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子。不可再分的最基本粒子。從從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子，它們多種同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、電子組成的。不是由質(zhì)子、中子、電子組成的?？茖W(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子等本身也是復(fù)合粒子，且科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、電子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為了探尋這些新粒子，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家為了探尋這些新粒子，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實(shí)際是在想了各種辦法，圖中美麗的花樹實(shí)際是在人造云室人造云室的強(qiáng)磁場中，攜帶電荷的粒子受的強(qiáng)磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡。這是比較原始的實(shí)洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡。這是比較原始的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)方法經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，歐經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，歐洲核子中心（洲核子中心（CERN）建造）建造了迄今最為龐大的雙圈強(qiáng)子了迄今最為龐大的雙圈強(qiáng)子對撞機(jī)對撞機(jī) LHC 大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測中心以及先進(jìn)的第三代同步加速器核心就是一系列探測中心以及先進(jìn)的第三代同步加速器 2012年年7月月4日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐日，位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會上向全球宣布，在洲核子中心在發(fā)布會上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以雙光子道和輕子道分別以6個(gè)西格瑪?shù)膫€(gè)西格瑪?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差探測到了標(biāo)準(zhǔn)差探測到了希格斯玻色子希格斯玻色子(Higgs)。人們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最后人們發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最后一種粒子，這是現(xiàn)代物理學(xué)的一大步！一種粒子，這是現(xiàn)代物理學(xué)的一大步！分類分類自旋自旋泡利不相容泡利不相容原理原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子費(fèi)米子(電子電子 質(zhì)子質(zhì)子 中中子子 各種重子各種重子)半整數(shù)半整數(shù)1/2，3/2，服從服從費(fèi)米費(fèi)米狄拉克狄拉克統(tǒng)計(jì)分布統(tǒng)計(jì)分布玻色子玻色子(光子光子 介子介子K介子、介子、介子介子)整數(shù)整數(shù)0 或或 1 等等不服從不服從玻色玻色 愛因愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布斯坦統(tǒng)計(jì)分布泡利原理 正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如如電荷、磁矩等電荷、磁矩等)的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長時(shí)間存活。以很難長時(shí)間存活。歐核反粒子的存儲裝置歐核反粒子的存儲裝置演示，原理簡單的說就演示，原理簡單的說就是用迅速變換的電場制是用迅速變換的電場制作的牢籠作的牢籠電性、磁矩萬有萬有引力引力電磁電磁力力弱相互弱相互作用作用強(qiáng)相互強(qiáng)相互作用作用引力子引力子光子光子輕子輕子強(qiáng)子強(qiáng)子 引力子引力子：由于自旋為：由于自旋為 2，無法量子化，尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型、，無法量子化，尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動。靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動。光光 子：自旋為子：自旋為 1，是玻色子。，是玻色子。相互作用分類分類粒子名稱粒子名稱自旋自旋中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。分類分類正反粒子正反粒子自旋自旋電荷量電荷量e重子數(shù)重子數(shù)B輕子數(shù)輕子數(shù)Le、L、L壽命壽命10-6 s輕輕子子下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 頂夸克頂夸克 t1964年提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型年提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型 介子（夸克和反夸克組成）介子（夸克和反夸克組成）重子（三個(gè)夸克組成）重子（三個(gè)夸克組成）六種夸克六種夸克夸克夸克質(zhì)量質(zhì)量電荷電荷e自自旋旋重重子子數(shù)數(shù)同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇異異數(shù)數(shù)超荷超荷粲粲數(shù)數(shù)底底數(shù)數(shù)頂頂數(shù)數(shù)d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克頂夸克1742/30+1/300+1費(fèi)費(fèi)米米子子與與玻玻色色子子的的夸夸克克圖圖 大爆炸理論大爆炸理論(The Big Bang Theory)宇宙從一個(gè)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙大爆炸是在無限的宇宙各處同時(shí)產(chǎn)生各處同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間的零點(diǎn)時(shí)間的零點(diǎn) 1929年埃德溫年埃德溫哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個(gè)方哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。這意味著，在早先星向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約 100 億至億至 200 億年之億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在前的某一時(shí)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(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。1950年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)年前后，伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，然后向生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn)，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(shí)發(fā)生，從四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時(shí)發(fā)生，從一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸，爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹?！罢麄€(gè)整個(gè)空間空間”可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一可以指的是整個(gè)無限的宇宙，或者指的是一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。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(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，的重要標(biāo)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)。使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。大爆炸恒星白矮星白矮星 中子星中子星黑洞宇宙塵埃星云團(tuán)