1、第十九章 原子核第八節(jié) 粒子和宇宙比比誰(shuí)小 分子由_構(gòu)成，不同原子構(gòu)成_分子，相同原子構(gòu)成_分子。原子是由位于中心的_和核外高速旋轉(zhuǎn)的_構(gòu)成的。（電子帶_電，原子核帶_電）原子核是由_和_構(gòu)成的。（質(zhì)子帶_電，中子_電）質(zhì)子和中子都是由_組成的。原子化合物單質(zhì)原子核電子負(fù)正質(zhì)子中子不帶夸克正蓋爾曼（夸克）道爾頓（原子）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)家一、“基本粒子”不基本 1995美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克(Top Quark)的存在二、發(fā)現(xiàn)新的粒子粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子 (電子 質(zhì)子 中子 各種重子)半整數(shù)1/2

2、，3/2，服從費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布玻色子 ( 光子 介子K介子、介子 ) 整數(shù)0 或 1 等不服從玻色 愛因斯坦統(tǒng)計(jì)分布1. 按自旋分類2. 共振態(tài)粒子 壽命極短（約10-23s）萬(wàn)有引力電磁力弱相互作用強(qiáng)相互作用引力子光子輕子強(qiáng)子4. 按相互作用分類( 參與)正、反粒子物理量的絕對(duì)值都相同，但某些物理量 ( 如電荷、磁矩等 ) 的符號(hào)相反。 引力子 自旋應(yīng)為2、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運(yùn)動(dòng)。 光子 自旋為1，是玻色子3. 正粒子、反粒子分類正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕 子電子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1穩(wěn)定2.22.3中微子穩(wěn)定輕子（共12

3、種）中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。說(shuō)明分類粒子名稱自旋介子、 、 K介子等整數(shù)玻色子重子核子質(zhì)子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)費(fèi)密子超子超子及反粒子強(qiáng)子分類 K 介子和各種超子稱為奇異粒子。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象 協(xié)同產(chǎn)生: 一個(gè)超子總是和一個(gè)或幾個(gè)K介子同時(shí)產(chǎn)生。奇異粒子協(xié)同產(chǎn)生的過(guò)程極快(約為10-23s), 表明是在強(qiáng) 相互作用下進(jìn)行的；而衰變過(guò)程很慢(壽命約為10-8 10-10s)， 表明是在弱相互作用下進(jìn)行的。強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型 下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s強(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個(gè)夸克組成）粲夸克 c 底

4、夸克 b 頂夸克 t三、夸克模型例如 質(zhì)子 奇異粒子 + 介子夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+11. 質(zhì)子 (uud)電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋同位旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/

5、31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+12. 奇異粒子 （uus）電荷重子數(shù)奇異數(shù)自旋夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1夸克質(zhì)量電荷e自旋重子數(shù)同位旋

6、同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.+ 介子重子數(shù)電荷奇異數(shù)自旋同位旋分量類別相對(duì)強(qiáng)度力程(m)作用時(shí)間(s)參與離子強(qiáng)作用1 10-1510-23強(qiáng)子電磁作用10-2長(zhǎng)程10-20 10-16強(qiáng)子 輕子 光子弱作用10-13 10-17 10-8強(qiáng)子 輕子引力作用10-39長(zhǎng)程一切物質(zhì)四種基本

7、相互作用1. 四種基本相互作用的性質(zhì)相互作用是通過(guò)交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的作用類型引力作用電磁作用弱作用強(qiáng)作用交換粒子引力子光子玻色子 (W+ 、WZ0 粒子)膠子 引力子尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí) 弱電統(tǒng)一理論:電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。大統(tǒng)一理論試圖將強(qiáng)、電、弱三種相互作用統(tǒng)一起來(lái)。1983年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組在高能質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了W +、W -和 Z0 粒子。為60年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了實(shí)驗(yàn)上的支持。歐洲核子中心高能質(zhì)子同步加速器上的UAI 探測(cè)器四、宇宙的演化宇宙從何而來(lái)？大爆炸理論 (The Big Bang Theory)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無(wú)限的宇宙

8、各處同時(shí)產(chǎn)生時(shí)間的零點(diǎn)早在1929年，埃德溫哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，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。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(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無(wú)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)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

9、急劇膨脹。整個(gè)空間可以指的是整個(gè)無(wú)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(lái)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(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，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。大爆炸宇宙論從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來(lái)，通過(guò)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(shí) 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

10、-35秒 同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10萬(wàn)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(fù)電子湮沒(méi)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(guò)程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30萬(wàn)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