“基本”粒子（高中物理教學(xué)課件）完整版7

05.“基本”粒子圖片區(qū)直到19世紀(jì)末，人們認(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的粒子，并把它們叫作“基本粒子”。后來科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不同種類的新粒子，它們并不能看作由質(zhì)子、中子、電子組成的；另外，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。1932年發(fā)明的粒子加速器，能使帶電粒子加速到很高的能量。讓這些高能粒子彼此對撞，就能產(chǎn)生更多的粒子，這種裝置稱為對撞機(jī)。利用加速器和對撞機(jī)，人們發(fā)現(xiàn)了更多的粒子。一.發(fā)現(xiàn)新粒子下表呈現(xiàn)的是自20世紀(jì)30年代至今物理學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的一部分新粒子。它們是：正電子，μ子，K介子，π介子，超子反質(zhì)子，電子中微子，μ子中微子……還發(fā)現(xiàn)了反粒子：質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反。二.粒子的分類現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種。它們大體可被分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別：1.強(qiáng)子：強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子。質(zhì)子和中子都是強(qiáng)子。2.輕子：輕子不參與強(qiáng)相互作用。目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種：電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。3.規(guī)范玻色子：規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子，如光子、中間玻色子（W和Z玻色子）、膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用。4.希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)。基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。1964年，美國科學(xué)家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成，這種成分叫作夸克?？淇四Ｐ徒?jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)被多數(shù)物理學(xué)家接受?？淇擞?種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷分別為元電荷的。每種夸克都有對應(yīng)的反夸克。到目前為止，人們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了所有6種夸克及其反夸克存在的證據(jù)。由于對粒子理學(xué)方面的貢獻(xiàn)，蓋爾曼獲得了1969年的諾貝爾物理學(xué)獎?？淇四Ｐ偷奶岢鍪俏锢韺W(xué)發(fā)展中的一個重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷?？茖W(xué)家們直到今天還從未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。在夸克模型的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們發(fā)展出了描述強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)理論——量子色動力學(xué)。以量子色動力學(xué)和電弱統(tǒng)一理論為核心，人們已經(jīng)完成了一整套關(guān)于粒子的理論，稱為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型和大量實(shí)驗(yàn)吻合得很好，取得了很大的成功。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子是組成物質(zhì)的幾類最基本的粒子。三.宇宙的演化物理學(xué)中有一個非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。正如諾貝爾物理學(xué)獎獲得者格拉肖所說：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！备鶕?jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期。在大爆炸之后約10-44s，那時(shí)的溫度為1032K，產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子。大爆炸后約10-6s，溫度下降到1013K左右，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子，成為強(qiáng)子時(shí)代。再晚一些時(shí)候，溫度下降到1011K時(shí)，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，此時(shí)代稱為輕子時(shí)代。當(dāng)溫度下降到109K時(shí)，中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時(shí)有氚核、氦3等輕核及其他輕核生成，此時(shí)成為核合成的時(shí)代。目前宇宙中存在的大部分氦是那時(shí)形成的。大爆炸1萬年之后，溫度降到了104K，此時(shí)的宇宙由電子、質(zhì)子和氦核的混合電離氣體組成。當(dāng)溫度降到3000K時(shí)，電子與質(zhì)子復(fù)合成為中性的氫原子。繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。四.恒星的演化根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)，大爆炸10萬年后，溫度下降到了3000K左右，出現(xiàn)了由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃。某些塵埃間的距離相對近些，由于萬有引力的作用，形成了更密集的塵埃。塵埃像滾雪球一樣越滾越大，形成了氣體狀態(tài)的星云團(tuán)。星云團(tuán)的進(jìn)一步凝聚使得引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高。溫度上升到一定程度就開始發(fā)光。于是，恒星誕生了。這顆星繼續(xù)收縮、繼續(xù)升溫。當(dāng)溫度超過107K時(shí)，氫通過熱核反應(yīng)成為氦，釋放的核能主要以電磁波的形式向外輻射。輻射產(chǎn)生的向外的壓力與引力產(chǎn)生的收縮壓力平衡，這時(shí)星體穩(wěn)定下來。恒星在這一階段停留的時(shí)間最長。太陽目前正處于這一階段的中期，要再過50億年才會轉(zhuǎn)到另一個演化階段。當(dāng)恒星核心部分的氫大部分聚變?yōu)楹ひ院?，核反?yīng)變?nèi)?，輻射壓力下降，星核在引力作用下再次收縮。這時(shí)引力勢能產(chǎn)生的熱將使溫度升得更高，于是發(fā)生了氦核聚合成碳核的聚變反應(yīng)。類似的過程一波接一波地繼續(xù)下去，出現(xiàn)了氧、硅，直到鐵等更重四.恒星的演化的元素。恒星在這個階段要經(jīng)歷多次膨脹與收縮，光度也發(fā)生周期性的變化。

當(dāng)各種熱核反應(yīng)都不再發(fā)生時(shí)，由熱核反應(yīng)維持的輻射壓力也消失了。星體在引力作用下進(jìn)一步收縮，中心密度達(dá)到極大。恒星最后的歸宿是什么？這與恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。天體物理的研究表明，如果恒星的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量，它會演變?yōu)榘装?，即體積很小，但質(zhì)量不太小的恒星。如果恒星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4～2倍，更強(qiáng)大的壓力使得原子被“壓碎”，電子和質(zhì)子被壓在一起，整個恒星成為中子組成的天體，叫做中子星。當(dāng)恒星的質(zhì)量更大時(shí)，其內(nèi)部的任何物質(zhì)都無法抵抗巨大引力產(chǎn)生的壓力，物質(zhì)被“壓”成了更為神奇的天體——黑洞。要進(jìn)一步了解白矮星、中子星、黑洞等天體物理學(xué)知識，同學(xué)們可在科普書籍、雜志和互聯(lián)網(wǎng)上查找。宇宙的起源是粒子，宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)奇妙的銜接在一起！隨著“粒子物理學(xué)”走到“盡頭”高中物理新課也到了“盡頭”！宇宙尺寸大小對比，2020年例1.關(guān)于粒子，下列說法中正確的是(

)A．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B．質(zhì)量比核子大的粒子都參與強(qiáng)相互作用C．強(qiáng)子、輕子、媒介子都由更基本的粒子夸克組成D．許多粒子都存在反粒子例2.根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A．夸克、輕子、膠子等粒子B．質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C．光子、中微子和電子等輕子D．氦核、氚核、氦子等輕核DA例3.宇宙誕生過程中，產(chǎn)生如下粒子：①光子、中微子、電子等大量輕子；②氘核、氚核、氦3、氦核等輕核；③夸克、輕子、膠子等粒子；④質(zhì)子和中子等強(qiáng)子；⑤電子、質(zhì)子、氦核的混合電離氣體；⑥電子、質(zhì)子復(fù)合成為中性氫原子。根據(jù)宇宙大爆炸理論，以上粒子形成的先后順序是()