2022-2023学年高二物理竞赛课件：粒子及其相互作用

粒子及其相互作用 粒子及其相互作用 一、粒子基本性质 1、质量：（常用静能 表示） 4、电量：（常以电子电量e为单位） 3、自旋：（自旋角动量以 为单位） 2、平均寿命： ①质量量子化，②同一种离子的质量相等，不同粒子的质量谱是连续的，分布在较广的范围内。 是整数或半整数 电荷值是量子化的，是电子电量的整数倍 热核反应和聚变能的利用 1、热核反应： 设两个原子序数为Z1、Z2，二者间的电势能为 原子核半径之和 核聚变可发生， 因有隧道效应，也有发生的概率。 与此能量对应的温度约为 热核反应： 在极高温度下发生的核反应。 受控热核反应： 能够加以控制的热核反应。 等离子体： 高温下完全电离后的原子核与自由电子的混合体。 2、约束方式 （1）引力约束聚变 太阳或恒星依靠自身庞大质量而产生的巨大引力使进行着热核反应的高温等离子体不会飞散。 反应一 碳—氮循环 总结果： 反应二 质子—质子循环 † ‡ 此过程所需温度较高,高于107K。 † 一个碳原子完成整个循环需 总结果： ‡ 此过程所需温度为107K,与太阳中心的温度相符 （2）惯性约束——氢弹 将少量氘氚或二者混合物用薄壁密封，再用高能粒子束从各方向对其进行轰击，使氘氚混合物受到高度压缩，变成高温高密度的等离子体，进行热核聚变反应。因为外壳及等离子体本身惯性的延滞，使在飞散之前反应已基本完成。 氢弹的原理 用原子弹（235U等的链式反应）作引爆，产生超高温，同时产生大量的中子，与固态的氘化锂（6Li 2H）反应产生氚，在高温下氘、氚发生聚变反应，放出能量。若用天然铀或238U做氢弹外壳，则氘氚反应产生的大量的快中子又会使238U发生裂变，可放出更多的能量。 （3）磁约束 利用磁场来约束等离子体中带电的离子和电子。 在磁场中，带电粒子受到洛伦兹力作用 当B足够大时，粒子的回旋半径R很小，将粘在磁感应线上沿磁力线运动。 同时，利用非均匀电磁场来阻止离子沿着磁力线泄漏。 粒子的分类 两者质量、自旋、平均寿命完全相同。 电荷等值异号，磁矩方向相反。 1、正反粒子 ①绝大多数粒子都有反粒子，只有光子、π0 介子等少数自旋为零或整数的中性粒子的反粒子即为他们自身。 ②任何粒子与其反粒子相遇一般也会立即消失并产生其它粒子。 2、按自旋分类 （1）玻色子 自旋为零或1为等整数 不服从泡利不相容原理 （1）规范粒子 （2）轻子（费米子） 规范粒子是传递作用力的粒子。 轻子完全不受强作用力的影响。 3、按参与相互作用的性质分类 3、强子（玻色子） 强子分成介子和重子。 （2）费米子 如：电子，质子，中子，各种重子等 服从泡利不相容原理 包括电子、μ子，Z子，中微子和它们的反粒子 粒子相互作用极其统一模型 4、按质量分类 (1)轻子,(2)介子(3)重子 1、万有引力作用 2、电磁相互作用 3、强相互作用 4、弱相互作用 长程力，可忽略 长程力，强度仅次于强力，参与作用的粒子范围广 力程短，作用时间短 作用结果可使强子产生新的强子，也可转换为其他强子 力程最短，仅强于万有引力 仅强子轻子参与 天体之间  衰变 原子结合 核力 举例 一切物体 强子、轻子 强子 强子 被作用粒子 长程， 短程 <10-16 长程， 短程 10-15~10-16 作用力程/m 引力子 中间 玻色子 光子 胶子 媒介 10-39 10-15 1/173 1 相对强度 引力作用 弱作用 电磁作用 强作用 四种相互作用的比较 <10-23 >10-10 特征时间 10-20~10-16 5、相互作用的统一 弱电统一理论： 弱作用与电磁作用的统一 大统一理论： 强相互作用和弱电作用统一 超大统一理论： 四种相互作用的统一 有待于验证。 ①40年代末，李政道、杨振宁、罗森布拉斯共同提出：“弱相互作用是交换中间玻色子实现的” ②60年代，格拉肖、温伯格、萨拉姆提出电弱统一理论，认为：弱相互作用交换的中间玻色子为W+ ，W- ，Z0 粒子。 ③1983年，鲁比亚实验组在实验中发现了W+ 、W- （质量为80.8GeV），Z0 （质量为92.9GeV）粒子 $