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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1995,美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克,(,Top Quark,),的存在,二、发现新的粒子,粒子的分类,分类,自旋,泡利不相容原理,统计规律,费米子,(,电子 质子 中子 各种重子,),半整数,1/2,，,3/2,，,服从,费米,狄拉克统计分布,玻色子,(,光子,介子,K,介子、,介子,),整数,0,或,1,等,不服从,玻色,爱因斯坦统计分布,1.,按自旋分类,2.,共振态粒子,寿命极短（约,10,-23,s,）,万有引力,电磁力,弱相互作用,强相互作用,引力子,光子,轻子,强子,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,分类,正反粒子,自旋,电荷量,e,重子数,B,轻子数,寿命,10,-6,s,轻 子,电子,子,子,1/2,-1 +1,-1 +1,-1 +1,0,0,0,0,-1 +1,稳定,2.2,2.3,中,微,子,稳定,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,分类,粒子名称,自旋,介子,、 、,K,介子等,整数,玻色子,重子,核子,质子、中子及其反粒子,1/2,(,超子,3/2),费密子,超子,超子及反粒子,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,-23,s),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,-10,s),，,表明是在弱相互作用下进行的。,强子结构的夸克模型,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,三、夸克模型,例如 质子 奇异粒子,+,介子,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,1.,质子,(,uud,),电荷,重子数,奇异数,自旋,同位旋,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,2.,奇异粒子,（,uus,）,电荷,重子数,奇异数,自旋,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,1/3,1/2,-1/3,1/2,0,3.,+,介子,重子数,电荷,奇异数,自旋,同位旋分量,类别,相对强度,力程,(m),作用时间,(s),参与离子,强作用,1, 10,-15,10,-23,强子,电磁作用,10,-2,长程,10,-20,10,-16,强子 轻子 光子,弱作用,10,-13, 10,-17, 10,-8,强子 轻子,引力作用,10,-39,长程,一切物质,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,作用类型,引力作用,电磁作用,弱作用,强作用,交换粒子,引力子,光子,玻色子,(W,+,、,W,Z,0,粒子,),胶子,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,Z,0,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、宇宙的演化,宇宙,从何而来？,大爆炸理论,(The Big Bang Theory),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,粒子物理,和,宇宙学,殊途同归,17,(2004,天津,),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,
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