1、第十九章第十九章 原子核原子核第八节第八节 粒子和宇宙粒子和宇宙 普遍认为宇宙诞生到普遍认为宇宙诞生到现在有现在有150150亿年。所以我亿年。所以我们可能观察到的最广阔宇们可能观察到的最广阔宇宙空间的直径只可能在宙空间的直径只可能在150150亿光年这样的范围之亿光年这样的范围之内。内。150150亿光年远的地方亿光年远的地方的光被我们看到时已经在的光被我们看到时已经在宇宙间穿越了宇宙间穿越了150150亿年，亿年，那是宇宙诞生时的影那是宇宙诞生时的影像！像！下面这张图是在十亿下面这张图是在十亿光年这样的数量级下观测光年这样的数量级下观测宇宙，上面的每一个象素宇宙，上面的每一个象素点所表现的
2、事物都是无比点所表现的事物都是无比古远的。古远的。100100万光年万光年把视野缩小，宇宙把视野缩小，宇宙看起来还是空空如也，看起来还是空空如也，“星星”光点点。可是，光点点。可是，那些点点斑斑的真的是那些点点斑斑的真的是星么？星么？ 近些，再近些。我近些，再近些。我靠！什么呀，这么面熟？靠！什么呀，这么面熟？这就是你所说的这就是你所说的“星星星星”么？是星星，一堆星星。么？是星星，一堆星星。我们管它叫银河系。我们管它叫银河系。 1 1万光年万光年清晰的银河，一条黯清晰的银河，一条黯淡的光带横亘夜空。由此淡的光带横亘夜空。由此就能够大致估计出我们的就能够大致估计出我们的位置。位置。事实上现代研
3、究也得事实上现代研究也得出这种结论：我们的太阳出这种结论：我们的太阳系位于银河系螺旋翼内侧系位于银河系螺旋翼内侧的边缘，距离银河系中心的边缘，距离银河系中心大约大约2.52.5万光年。于是，我万光年。于是，我们把视野收回到们把视野收回到1 1万光年的万光年的数量级，聚焦在银河系若数量级，聚焦在银河系若干触角般螺旋翼中的一条干触角般螺旋翼中的一条上面。上面。100100亿公里亿公里这回看清楚了吧，原这回看清楚了吧，原来是太阳系！我们在密密来是太阳系！我们在密密麻麻的星星中跋山涉水，麻麻的星星中跋山涉水，翻山越岭认出了它，不易翻山越岭认出了它，不易呀。放大观察以繁星为背呀。放大观察以繁星为背景的太
4、阳系。说是繁星，景的太阳系。说是繁星，其实与太阳最近的恒星其实与太阳最近的恒星半人马座比邻星都是在半人马座比邻星都是在4.224.22光年开外的。光年开外的。1010万公里万公里是地球！是地球！ HomeHome，Sweet homeSweet home。 1 1万公里万公里怎么会这么巧涅？怎么会这么巧涅？从从1010亿光年一路看下来亿光年一路看下来正对着的竟是美国。正对着的竟是美国。100100米米呦！草地上这是什呦！草地上这是什么呀，一坨？么呀，一坨？1010米米原来是一傻哥们睡原来是一傻哥们睡得正香呐。得正香呐。 1 1米米醒醒嘿，都被偷窥醒醒嘿，都被偷窥啦还不知道呐。啦还不知道呐。 0
5、.10.1米米一米的十分之一，也一米的十分之一，也叫分米，我们手所能把握叫分米，我们手所能把握的尺度。相信人类所接触的尺度。相信人类所接触的大部分物体都是在这样的大部分物体都是在这样一个数量级的。看看你的一个数量级的。看看你的周围，键盘、鼠标、手机、周围，键盘、鼠标、手机、杯子、碗杯子、碗11001100微米微米这是他手上的皱纹细这是他手上的皱纹细部。兴许你放大了还没他部。兴许你放大了还没他细皮嫩肉呢。做好准备，细皮嫩肉呢。做好准备，我们即将进入另一个陌生我们即将进入另一个陌生的领域的领域微观世界。微观世界。再放大十倍，依稀可再放大十倍，依稀可见皮肤的组织结构。见皮肤的组织结构。1010微米微
6、米一个细胞的数量级就一个细胞的数量级就是是1010微米，当然这只是一微米，当然这只是一般来说。插句嘴，世界上般来说。插句嘴，世界上最大的细胞是鸵鸟蛋，它最大的细胞是鸵鸟蛋，它是一个单独的卵细胞，数是一个单独的卵细胞，数量级是分米级的，厉害吧量级是分米级的，厉害吧 1 1微米微米疑似生物课上学过疑似生物课上学过的细胞核膜，细部。的细胞核膜，细部。 100100埃埃一看这么高度螺旋的结构就知一看这么高度螺旋的结构就知道是染色体了。但凡人类的细道是染色体了。但凡人类的细胞，里面都会有胞，里面都会有2323对对（46条）条）染色体。染色体。 埃是一种长度单位，指埃是一种长度单位，指1010的的1010
7、次方米。用字母次方米。用字母“A”A”顶上加个小圆圈来表示。顶上加个小圆圈来表示。100100埃的数量级就能度量某些有机埃的数量级就能度量某些有机大分子的物质了。大分子的物质了。看到这个规则的等距双螺看到这个规则的等距双螺旋结构，你一定能够脱口而出旋结构，你一定能够脱口而出了。没错，这种物质就叫做脱了。没错，这种物质就叫做脱氧核糖核酸，也就是常说的氧核糖核酸，也就是常说的DNADNA。分子结构清晰可见。分子结构清晰可见。 1 1纳米纳米 我们管我们管1010的的9 9次方米叫次方米叫一纳米。现在为材料科学炒一纳米。现在为材料科学炒得火热的纳米技术就是说很得火热的纳米技术就是说很多物质精细到纳米
8、级后将表多物质精细到纳米级后将表现出很多在常规数量级上所现出很多在常规数量级上所表现不出的性质来。在纳米表现不出的性质来。在纳米这样的数量级下，我们连原这样的数量级下，我们连原子都可以数清了。因此，纳子都可以数清了。因此，纳米级又叫原子级。米级又叫原子级。左图是组成左图是组成DNADNA分子的分子的原子们，它们以共价键和氢原子们，它们以共价键和氢键彼此结合成庞大的有机分键彼此结合成庞大的有机分子。生命就在这种复杂的结子。生命就在这种复杂的结合中得以体现。敬礼！合中得以体现。敬礼！1 1埃埃上过中学的就都应该知道：上过中学的就都应该知道：原子是由原子核和电子组成的。原子是由原子核和电子组成的。图
9、中密布的电子云，我们能看图中密布的电子云，我们能看到原子核外围的电子云比较浓。到原子核外围的电子云比较浓。所谓电子云，其实并不是所谓电子云，其实并不是说一个原子拥有无数个电子，说一个原子拥有无数个电子，象云雾般的弥漫四围。每个原象云雾般的弥漫四围。每个原子拥有的电子数都是固定的，子拥有的电子数都是固定的，有数的，具体依元素种类而定。有数的，具体依元素种类而定。这些电子行踪飘忽不定，在原这些电子行踪飘忽不定，在原子核外部乱窜。一个电子，无子核外部乱窜。一个电子，无数法身。就把这些电子数法身。就把这些电子“团团团团转转”的特点用电子云来形容了。的特点用电子云来形容了。离核近的地方出现的几率大些，离
10、核近的地方出现的几率大些，云就密；离核远的地方出现的云就密；离核远的地方出现的几率小些，云就稀。几率小些，云就稀。1 1皮米皮米穿过最浓的电子云，发现穿过最浓的电子云，发现更近核的地方反倒清净。原来更近核的地方反倒清净。原来离得远了要吸引，离得近了也离得远了要吸引，离得近了也会排斥呢，保持一个最佳的距会排斥呢，保持一个最佳的距离才好。离才好。下图框中的斑点就是原子下图框中的斑点就是原子核。核。1010飞米飞米原子核的特写原子核的特写 0.10.1飞米飞米质子（也可能是中子）质子（也可能是中子）的细部，乱七八糟一大片。的细部，乱七八糟一大片。未知的结构，未知的领域，未知的结构，未知的领域，那里属
11、于上帝。无语。那里属于上帝。无语。 What will we see, and what What will we see, and what will we come to understand, will we come to understand, once we enter the next levels?once we enter the next levels?道尔顿道尔顿（原子）（原子）汤姆逊汤姆逊（电子）（电子）卢瑟福卢瑟福（质子）（质子）查德威克查德威克（中子）（中子）盖尔曼盖尔曼（夸克夸克）发现各种微粒的科学家发现各种微粒的科学家一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本 1
12、995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在二、发现新的粒子二、发现新的粒子万有引万有引力力电磁力电磁力弱相互作用弱相互作用 强相互作用强相互作用媒介子媒介子轻子轻子强子强子按相互作用分类按相互作用分类( 参与)正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量理量 ( 如电荷、磁矩等如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。的符号相反。正粒子、反粒子正粒子、反粒子分类分类正反正反粒子粒子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.
13、22.3中中微微子子稳定稳定eeeeLLLe轻子（轻子（共共6 6种种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。说明说明分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子 、 、 K介子等介子等整数整数玻色子玻色子重子重子核子核子质子、中子及其反质子、中子及其反粒子粒子1/2(超子超子 3/2)费米子费米子超子超子超子及反粒超子及反粒子子强子分类强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象 协同产生协同产生: : 一个超子总是和一个或几个一个超子总是和一个或几个K K介子同时产生。介子同时产
14、生。奇异粒子协同产生的过程极快奇异粒子协同产生的过程极快( (约为约为1010-23-23s), s), 表明是在表明是在强相互作用下进行的；而衰变过程很慢强相互作用下进行的；而衰变过程很慢( (寿命约为寿命约为1010-8 -8 1010-10-10s)s)， 表明是在弱相互作用下进行的。表明是在弱相互作用下进行的。分类分类自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理统计规律统计规律费米子费米子 (电子电子 质子质子 中中子子 各种重子各种重子)半整数半整数1/2，3/2，服从服从费米费米狄拉克狄拉克统计分布统计分布玻色子玻色子 ( 光子光子 介子介子K介子、介子、 介子介子 ) 整数整数0 或或
15、1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因爱因斯坦统计分布斯坦统计分布按自旋分类按自旋分类强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s强子结构夸克模型强子结构夸克模型 (1964年年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成）介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）重子（三个夸克组成）粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t三、夸克模型三、夸克模型比如比如. 质子质子 (uud)0SeeeeQ313232电荷电荷1313131B重子数重子数2/1I2/1J奇异数奇异数自旋自旋同位旋同位旋夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位
16、同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+1类别类别相对强度相对强度 力程力程(m) 作用时间作用时间(s)参与离子参与离子强作用强作用1 10-1510-23强子强子电磁作电磁作用用10-2长程长程10-20 10-16强子强子 轻子轻子 光光子子弱作用弱作用10-13
17、 10-17 10-8强子强子 轻子轻子引力作引力作用用10-39长程长程一切物质一切物质四种基本相互作用四种基本相互作用1. 四种基本相互作用的性质四种基本相互作用的性质相互作用是通过交换一定粒子相互作用是通过交换一定粒子(媒介子媒介子)实现的实现的作用类型作用类型引力作用引力作用电磁作用电磁作用弱作用弱作用强作用强作用媒介子媒介子引力子引力子光子光子玻色子玻色子 (W(W+ + 、W WZ Z0 0 粒子粒子) )胶子胶子 引力子引力子尚未被实验证实尚未被实验证实 弱电统一理论弱电统一理论: :电磁相互作用和弱相互作电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。用被看作是一种相互作用。大统
18、一理论大统一理论试图将强、电、弱三种相互试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。作用统一起来。1983年，鲁比亚实验组在高能质子年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发反质子对撞试验中发现了现了W +、W -和和 Z0 粒子。为粒子。为60年代提出的年代提出的弱电统一理论弱电统一理论提供了实验上的支持。提供了实验上的支持。欧洲核子中心高能质子同步加速器上的欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器探测器四、宇宙的演化四、宇宙的演化宇宙宇宙从何而来？从何而来？ 大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸是在无限的宇宙各大爆炸是在无限的宇宙各处
19、同时产生处同时产生时间的零点时间的零点早在早在19291929年，埃德温年，埃德温哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约在大约100100亿至亿至200200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限
20、紧密。勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。 19501950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。该理解为空间
21、的急剧膨胀。 整个空间整个空间 可以指的是整个无限的宇宙，或可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降
22、低，使得原子核、原子乃至恒星宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。系统得以相继出现。从从19481948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸开始时大爆炸开始时 150150200200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后大爆炸后1010-43-43秒秒 宇宙从量子背景出现。宇宙从量子背景出现。 大爆炸后大爆炸后10-10-3535秒秒 同一场分解为强力、电
23、弱力和引力。同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后大爆炸后1010-5-5秒秒 1010万亿度，质子和中子形成。万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后大爆炸后0.010.01秒秒 10001000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占占1010亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后大爆炸后0.10.1秒后秒后 300300亿度，中子质子比从亿度，中子质子比从1.01.0下降到下降到0.610.61。 大爆炸后大爆炸后1 1秒后秒后 100100亿度，中微子向外逃逸，正负电
24、子湮没反应出现，亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。核力尚不足束缚中子和质子。 大爆炸后大爆炸后13.813.8秒后秒后 3030亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。 大爆炸后大爆炸后3535分钟后分钟后 3 3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后大爆炸后3030万年后万年后 30003000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝
25、聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。云块，直至恒星和恒星系统。 五、恒星的演化五、恒星的演化尘埃尘埃星云团星云团稳定的恒星稳定的恒星最终最终的归的归宿宿白矮星白矮星中子星中子星黑洞黑洞粒子物理粒子物理和和宇宙学宇宙学殊途同归殊途同归中学阶段所有物理新课结束, 谢谢!1.目前普遍认为目前普遍认为,质子和中子都是由成为质子和中子都是由成为u夸克夸克和和d夸克的两类夸克组成的夸克的两类夸克组成的,u夸克带电电量为夸克带电电量为2/3e,d夸克带电荷量为夸克带电荷量为-1/3e,e为元电荷为元电荷.( )A.质子由质子由1个个u夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成,中子由中子由1个个u夸克和夸
26、克和2个个d夸克组成夸克组成.B.质子由质子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成,中子由中子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克组成夸克组成.C.质子由质子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克组成夸克组成,中子由中子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成D.质子由质子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成,中子由中子由1个个u夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成B2(2004天津天津) 中子内有一个电荷量为中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克的上夸克和两个电荷量为的和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图的同一圆周上，如图1所示。图所示。图2给给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是的是: A B C DB
