19.8粒子和宇宙(课件)-【点石成金系列】2021-2022学年高中物理课件（人教版选修3-5）

19.8 粒子和宇宙 研究微观世界的粒子物理、量子理论 研究宇宙的理论 与 相互沟通、相互支撑 蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次 粒子物理学的研究对象，数量级约为 当前人类所认识的宇宙，最远的观察极限数量级为 空间尺度 第一颗恒星形成 时间尺度 时间尺度 一. “基本粒子”不基本 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 19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成的 科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构 分子由原子构成，不同原子构成化合物分子，相同原子构成单质分子。 原子是由位于中心的原子核和核外高速旋转的电子构成的。 （电子带负电，原子核带正电） 原子核是由质子和中子构成的。 （质子带正电，中子不带电） 质子和中子都是由夸克组成的。 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在 发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。 逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。 19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。 1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？ 1932年发现了正电子 后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。 威尔逊云室里正电子“轨迹” 物理实验研究中，发现了很多反粒子 现在发现的粒子多达400多种 粒子加速器 二.发现新粒子 1947年发现了K介子和 介子 1937年发现了 子 粒子加速器有助于发现更多的新粒子 反粒子 质量、寿命、自旋等物理性质相同而电荷等其他性质相反的粒子。 电子 正电子 质子 反质子 现在已经发现的粒子达到400多种。 由反粒子构成的物质叫反物质。 反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。 1.强子：参与强相互作用的粒子。 例如：质子。 强子又分为介子和重子两类。 2.轻子：不参与强相互作用的粒子。 例如：电子和电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。 每种轻子都有对应的反粒子。τ子质量比核子大。现代实验还没有发现轻子的内部结构。 3.媒介子：传递各种相互作用的粒子。 如：光子、中间玻色子、胶子。 分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。 粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三类。 传递各种相互作用 不参与强相互作用 粒 子 媒介子 轻子(6种) 强子 光子（传递电磁相互作用） 胶子（传递强相互作用） 电子 电子中微子 μ子和μ子中微子 τ子和τ子中微子 质子 中子 介子 超子 上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克 夸克 参与强相互作用 1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。 六种夸克： 上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、粲夸克c、底夸克b、顶夸克t。 夸克带电荷为元电荷的2/3或-1/3倍。每种夸克都有对应的反夸克。 夸克模型的意义：夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。 三.夸克模型 夸克之父——默里·盖尔曼 （1929.9.15—2019.5.24） 强子结构的夸克模型（1964年）：  下夸克d上夸克u奇夸克s 粲夸克c底夸克b顶夸克t 介子（夸克和反夸克组成） 质子 中子 重子（三个夸克组成） 科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。 到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。 1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克的存在。 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 相互作用是通