1、粒子和宇宙粒子和宇宙比比誰小 分子由分子由_構成，不同原子構成構成，不同原子構成_分子，相同原子構成分子，相同原子構成_分子。分子。 原子是由位于中心的原子是由位于中心的_和核外高速旋和核外高速旋轉的轉的_構成的。構成的。 （電子帶（電子帶_電，原子核帶電，原子核帶_電）電） 原子核是由原子核是由_和和_構成的。構成的。 （質子帶（質子帶_電，中子電，中子_電）電） 質子和中子都是由質子和中子都是由_組成的。組成的。原子原子化合物化合物單質單質原子核原子核電子電子負負正正質子質子中子中子不帶不帶夸克夸克正正蓋爾曼蓋爾曼（夸克夸克）道爾頓道爾頓（原子）（原子）湯姆遜湯姆遜（電子）（電子）盧瑟福盧

2、瑟福（質子）（質子）查德威克查德威克（中子）（中子）蓋爾曼蓋爾曼（夸克夸克）發現各種微粒的科學家發現各種微粒的科學家一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本 1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克(Top Quark)的存在二、新的粒子的發現二、新的粒子的發現分類分類自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理統計規律統計規律費米子費米子 (電子電子 質子質子 中子中子 各種重各種重子子)半整數半整數1/2，3/2，服從服從費米費米狄拉克狄拉克統計分布統計分布玻色子玻色子 ( 光子光子 介子介子K介子、介子、 介子介子 ) 整數整數0 或或 1 等等不服從不服從玻色玻色 愛因愛因斯坦統計分布斯坦

3、統計分布1. 1. 按自旋分類按自旋分類2. 2. 共振態粒子共振態粒子 壽命極短（約壽命極短（約10-23s）正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量些物理量 ( 如電荷、磁矩等如電荷、磁矩等 ) 的符號相反。的符號相反。3. 3. 正粒子、反粒子正粒子、反粒子萬有引萬有引力力電磁力電磁力弱相互作用弱相互作用 強相互作用強相互作用引力子引力子光子光子輕子輕子強子強子 引力子引力子 自旋應為自旋應為2 2、靜止質量和電荷為零，以光速運動。、靜止質量和電荷為零，以光速運動。 光子光子 自旋為自旋為1 1，是玻色子是玻色子4. 按相互作用分類按相互作用分類分

4、類分類正反正反粒子粒子自旋自旋電荷量電荷量e重子數重子數B輕子數輕子數壽命壽命10-6s輕輕 子子電子電子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1穩定穩定2.22.3中中微微子子穩定穩定eeeeLLLe輕子分類（輕子分類（共共1212種種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。說明說明分類分類粒子名稱粒子名稱自旋自旋介子介子 、 、 K介子等介子等整數整數玻色子玻色子重子重子核子核子質子、中子及其反質子、中子及其反粒子粒子1/2(超子超子 3/2)費密子費密子超子超子超子及反粒超子及反粒子子 K 介子和各種超子稱為奇異

5、粒子。試驗中發現以下現象介子和各種超子稱為奇異粒子。試驗中發現以下現象 協同產生協同產生: : 一個超子總是和一個或幾個一個超子總是和一個或幾個K K介子同時產生。介子同時產生。奇異粒子協同產生的過程極快奇異粒子協同產生的過程極快( (約為約為1010-23-23s), s), 表明是在強相互作用下進行的；表明是在強相互作用下進行的；而衰變過程很慢而衰變過程很慢( (壽命約為壽命約為1010-8 -8 1010-10-10s)s)， 表明是在弱相互作用下進行的。表明是在弱相互作用下進行的。強子分類強子分類下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s強子結構夸克模型強子結構夸克模型 (1

6、964年年 ) ： 介子（夸克和反夸克組成）介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個夸克組成）重子（三個夸克組成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 頂夸克頂夸克 t強子結構的夸克模型強子結構的夸克模型類別類別相對強度相對強度 力程力程(m) 作用時間作用時間(s)參與離子參與離子強作用強作用1 10-1510-23強子強子電磁作用電磁作用10-2長程長程10-20 10-16強子強子 輕子輕子 光子光子弱作用弱作用10-13 10-17 10-8強子強子 輕子輕子引力作用引力作用10-39長程長程一切物質一切物質四種基本相互作用四種基本相互作用四種基本相互作用的性質四種基本相互作用的性質相互作用

7、是通過交換一定粒子實現的相互作用是通過交換一定粒子實現的作用類型作用類型引力作用引力作用電磁作用電磁作用弱作用弱作用強作用強作用交換粒子交換粒子引力子引力子光子光子玻色子玻色子 (W(W+ + 、W WZ Z0 0 粒子粒子) )膠子膠子 引力子引力子尚未被實驗證實尚未被實驗證實 弱電統一理論弱電統一理論: :電磁相互作用和弱相互作電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。用被看作是一種相互作用。大統一理論大統一理論試圖將強、電、弱三種相互作試圖將強、電、弱三種相互作用統一起來。用統一起來。1983年，魯比亞實驗組在高能質子年，魯比亞實驗組在高能質子反質子對撞試驗反質子對撞試驗中發現了中發

8、現了W +、W -和和 Z0 粒子。為粒子。為60年代提出的年代提出的弱電弱電統一理論統一理論提供了實驗上的支持。提供了實驗上的支持。歐洲核子中心高能質子同步加速器上的歐洲核子中心高能質子同步加速器上的UAI 探測器探測器四、宇宙的演化四、宇宙的演化宇宙宇宙從何而來？從何而來？ 大爆炸理論大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個宇宙從一個“奇點奇點”爆炸產生爆炸產生大爆炸是在無限的宇宙各大爆炸是在無限的宇宙各處同時產生處同時產生時間的零點時間的零點早在早在19291929年，埃德溫年，埃德溫哈勃作出了一個具有里程碑意義的發現，即不管哈勃作出了一個具有里程碑意義的發現，

9、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，似乎在大約在大約100100億至億至200200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。 19501950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的年前后，伽莫夫第一個建立

10、了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是常見于地球上發生在一個確定的點，然后向四周的空中傳播大爆炸不是常見于地球上發生在一個確定的點，然后向四周的空中傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，從一開時就充滿整個空間開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，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。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。該理解為空間的急劇膨脹。 整個空間整個空間 可以指的是整個無限的宇宙，或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。者指的是一個就象

11、球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。 根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，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。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標志，因而稱衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標志，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、原子乃至恒星系統得以相繼出現。系統得以相繼出現。宇宙的產生宇宙的產生從從19481

12、948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來，通過幾十年的努力，宇宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史：宙學家們為我們勾畫出這樣一部宇宙歷史：大爆炸開始時大爆炸開始時 150150200200億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。億年前，極小體積，極高密度，極高溫度。 大爆炸后大爆炸后10-4310-43秒秒 宇宙從量子背景出現。宇宙從量子背景出現。 大爆炸后大爆炸后10-3510-35秒秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。同一場分解為強力、電弱力和引力。 大爆炸后大爆炸后10-510-5秒秒 1010萬億度，質子和中子形成。萬億度，質子和中子形成。

13、 大爆炸后大爆炸后0.010.01秒秒 10001000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占占1010億分之一，熱平衡態，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。億分之一，熱平衡態，體系急劇膨脹，溫度和密度不斷下降。 大爆炸后大爆炸后0.10.1秒后秒后 300300億度，中子質子比從億度，中子質子比從1.01.0下降到下降到0.610.61。 大爆炸后大爆炸后1 1秒后秒后 100100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現，核力尚不足束縛中子和質子。核力尚不足束縛中子和質子。 大爆炸后大爆炸后13.813.8秒后秒后 3030億度，氘、氦類穩定原子核（化學元素）形成。億度，氘、氦類穩定原子核（化學元素）形成。 大爆炸后大爆炸后3535分鐘后分鐘后 3 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后大爆炸后3030萬年后萬年后 30003000度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主度，化學結合作用使中性原子形成，宇宙主要成分為氣態物質，并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體要成分為氣態物質，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。云塊，直至恒星和恒星系統。 五、恒星的演化五、恒星