人教版選修35 　粒子和宇宙 課件 (共30張).ppt

粒子和宇宙 關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探尋 湯姆遜發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的電子 查德威克發(fā)現(xiàn)中子 道爾頓19世紀(jì)末 人們認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒 延伸思考 人們逐漸意識到 這些我們認(rèn)為的 基本粒子 實際并不基本 還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn) 盒子里面還是盒子 粒子的分類 泡利原理 反粒子 所有的粒子 都有與其質(zhì)量 壽命 自旋 同位旋相同 但電荷 重子數(shù) 輕子數(shù) 奇異數(shù)等量子數(shù)異號的粒子存在 稱為該種粒子的反粒子 除了某些中性玻色子外 粒子與反粒子是兩種不同的粒子 一切粒子均有其相應(yīng)的反粒子 如電子e 的反粒子是正電子e 質(zhì)子p的反粒子是反質(zhì)子 中子n的反粒子是反中子 一些中性玻色子如光子 0介子等 其反粒子就是它們自己 粒子的分類 電性 磁矩 正 反粒子物理量的絕對值都相同 但某些物理量 如電荷 磁矩等 的符號相反 但反粒子由于很容易湮滅 所以很難長時間存活 歐核反粒子的存儲裝置演示 原理簡單的說就是用迅速變換的電場制作的牢籠 引力子由于自旋為2 無法量子化 尚未囊括進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型 靜止質(zhì)量和電荷為零 以光速運(yùn)動 光子自旋為1 是玻色子 粒子的分類 相互作用 強(qiáng)子分類 輕子 共12種 中微子系中性粒子 質(zhì)量為零 只參與弱相互作用 為了探尋這些新粒子 實驗物理學(xué)家想了各種辦法 右圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強(qiáng)磁場中 攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡 當(dāng)然這是比較原始的實驗方法 經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展 歐洲核子中心 cern 建造了迄今最為龐大的雙圈強(qiáng)子對撞機(jī) lhc lhc包含了一個圓周為27公里的圓形隧道 因當(dāng)?shù)氐匦蔚木壒饰挥诘叵?0至150米之間 這是先前大型電子正子加速器 lep 所使用隧道的再利用 隧道本身直徑三米 位于同一平面上 并貫穿瑞士與法國邊境 主要的部分大半位于法國 所謂 上帝粒子 建造lhc一個最為重要的目的是為了驗證英國物理學(xué)家彼得希格斯關(guān)于一種規(guī)范玻色子的理論 由于在此機(jī)制下 這種粒子將賦予萬物質(zhì)量 所以人們稱其為 上帝粒子 新粒子的發(fā)現(xiàn) 2012年7月4日 位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會上向全球宣布 在雙光子道和輕子道分別以6個西格瑪?shù)臉?biāo)準(zhǔn)差探測到了希格斯玻色子 higgs 人們發(fā)現(xiàn)并證實了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中最后一種粒子 這是現(xiàn)代物理學(xué)的一大步 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 三個夸克組成 粲夸克c底夸克b頂夸克t 夸克模型 所有的中子都是由三個夸克組成的 反中子則是由三個相應(yīng)的反夸克組成的 比如質(zhì)子 中子 質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成 中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成 大爆炸理論 thebigbangtheory 宇宙從一個 奇點 爆炸產(chǎn)生 大爆炸是在無限的宇宙各處同時產(chǎn)生 宇宙與恒星的演化 1929 埃德溫 哈勃提出宇宙膨脹理論 即不管你往哪個方向看 遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去 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100億至200億年之前的某一時刻 它們剛好在同一地方 所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻 當(dāng)時宇宙無限緊密 大爆炸理論 1950年前后 伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念 這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個確定的點 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發(fā)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(yīng)該理解為空間的急劇膨脹 整個空間 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 大爆炸理論 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) 大爆炸理論 大爆炸后10 43秒 約10 32度 宇宙從量子漲落背景出現(xiàn) 這個階段稱為普朗克時期 在此之前 宇宙的密度可能超過每立方厘米10 94克 超過質(zhì)子密度10 78倍 物理學(xué)上所有的力都是一種 在這個階段 宇宙已經(jīng)冷卻到引力可以分離出來 開始獨(dú)立存在 存在傳遞引力相互作用的引力子 宇宙中的其他力 強(qiáng) 弱相互作用和電磁相互作用 仍為一體 大爆炸后0 01秒 約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 約300億度 中子質(zhì)子比從1 0下降到0 61 大爆炸后1秒后 約100億度 中微子向外逃逸 正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn) 核力尚不足束縛中子和質(zhì)子 大爆炸后10秒后 約30億度 核時期 氫 氦類穩(wěn)定原子核 化學(xué)元素 形成 當(dāng)宇宙冷卻到10 9開爾文以下 約100秒后 粒子轉(zhuǎn)變不可能發(fā)生了 核合成計算指出 重子密度僅占拓?fù)淦接钪嫠栉镔|(zhì)的2 5 強(qiáng)烈暗示了其他物質(zhì)能量的形式 非重子暗物質(zhì)和暗能量 充滿了宇宙 大爆炸后35分鐘后 約3億度 原初核合成過程停止 尚不能形成中性原子 大爆炸后30萬年后 約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成密度較高的氣體云塊 直至恒星和恒星系統(tǒng) 量子真空在暴漲期達(dá)到全盛 之后便以暗能量的形式彌漫于全宇宙 且隨著物質(zhì)和輻射密度迅速減小 暗能量越來越明顯 暗能量可能占據(jù)宇宙總能量密度的2 3 2 從而推動了宇宙加速膨脹 恒星的演化 恒星演化就是一顆恒星誕生 成長成熟到衰老死亡的過程 恒星演化是十分緩慢的過程 天文學(xué)家根據(jù)對各種各樣的恒星的觀測和理論研究 弄清楚了恒星的一生是怎樣從孕育到誕生 再從成長到成熟 最后到衰老 死亡的整個過程 恒星演化論 是天文學(xué)中 關(guān)于恒星在其生命期內(nèi)演化的理論 形成 恒星的演化開始于巨分子云 一個星系中大多數(shù)虛空的密度是每立方厘米大約0 1到1個原子 但是巨分子云的密度是每立方厘米數(shù)百萬個原子 一個巨分子云包含數(shù)十萬到數(shù)千萬個太陽質(zhì)量 直徑為50到300光年 在巨分子云環(huán)繞星系旋轉(zhuǎn)時 一些事件可能造成它的引力坍縮 巨分子云可能互相沖撞 或者穿越旋臂的稠密部分 鄰近的超新星爆發(fā)拋出的高速物質(zhì)也可能是觸發(fā)因素之一 最后 星系碰撞造成的星云壓縮和擾動也可能形成大量恒星 成年期 恒星有不同的顏色和大小 從高熱的藍(lán)色到冷卻的紅色 從0 5到20個太陽質(zhì)量 恒星演化恒星的亮度和顏色依賴于其表面溫度 而表面溫度則依賴于恒星的質(zhì)量 大質(zhì)量的恒星需要比較多的能量來抵抗對外殼的引力 燃燒氫的速度也快得多 小而冷的紅矮星會緩慢地燃燒氫 可能在此序列上停留數(shù)千億年 而大而熱的超巨星會在僅僅幾百萬年之后就離開主星序 像太陽這樣的中等恒星會在此序列上停留一百億年 太陽也位于主星序上 被認(rèn)為是處于中年期 在恒星燃燒完核心中的氫之后 就會離開主星序 中年期 在形成幾百萬到幾千億年之后 恒星會消耗完核心中的氫 大質(zhì)量的恒星會比小質(zhì)量的恒星更快消耗完核心的氫 在消耗完核心中的氫之后 核心部分的核反應(yīng)會停止 而留下一個氦核 赫 羅圖揭示了恒星演化的重要規(guī)律失去了抵抗重力的核反應(yīng)能量之后 恒星的外殼開始引力坍縮 核心的溫度和壓力像恒星形成過程中一樣升高 但是在一個更高的層次上 一旦核心的溫度達(dá)到了1億開氏度 核心就開始進(jìn)行氦聚變 重新通過核聚變產(chǎn)生能量來抵抗引力 恒星質(zhì)量不足以產(chǎn)生氦聚變的會釋放熱能 逐漸冷卻 成為白矮星 達(dá)到紅巨星階段時 0 4到3 4太陽質(zhì)量的恒星的外殼會向外膨脹 而核心向內(nèi)壓縮 產(chǎn)生將氦聚變成碳的核反應(yīng) 聚變會重新產(chǎn)生能量 暫時緩解恒星的死亡過程 對于太陽大小的恒星 此過程大約持續(xù)十億年 氦燃燒對溫度極其敏感 造成很大的不穩(wěn)定 巨大的波動會使得外殼獲得足夠的動能脫離恒星 成為行星狀星云 行星狀星云中心留下的核心會逐漸冷卻 成為小而致密的白矮星 通常具有0 6倍太陽質(zhì)量 但是只有一個地球大小 大質(zhì)量恒星在超出5倍太陽質(zhì)量的恒星的外殼膨脹成為紅超巨星之后 其核心開始被重力壓縮 溫度和密度的上升會觸發(fā)一系列聚變反應(yīng) 這些聚變反應(yīng)會生成越來越重的元素 產(chǎn)生的能量會暫時延緩恒星的坍縮 行星狀星云最終 聚變逐步到達(dá)元素周期表的下層 硅開始聚合成鐵