1、 1 1、了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；、了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史； 2 2、初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。、初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。 预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过 程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。 通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。 1 1“基本粒子”不基本“基本粒子”不基本 直到直到1919世纪末，人们都认
2、为原子是组成物质的不可再分的最世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最 小微粒，后来发现了电子、小微粒，后来发现了电子、_和和_，又认为它们是，又认为它们是 组成物质的基本粒子现在已发现粒子有组成物质的基本粒子现在已发现粒子有400400余种，有些也具有复余种，有些也具有复 杂的杂的_ 2 2发现新粒子发现新粒子 (1)(1)新粒子：新粒子：2020世纪世纪3030年代人们对年代人们对_的研究发现一些的研究发现一些 新粒子，人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子，新粒子，人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子，19321932年发年发 现了现了_，19371937年发现年发现_，1947
3、1947年发现年发现_和和 介子及以后的超子、反粒子等介子及以后的超子、反粒子等 质子 中子 内部结构 宇宙射线 正电子 子 K介子 媒介子 轻子 强相互作用 子 各种相互作用 夸克 底夸克底夸克 顶夸克 4宇宙的演化宇宙的演化 研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究 _的理论是相互沟通，相互支撑的，从大爆炸开始的的理论是相互沟通，相互支撑的，从大爆炸开始的 不同时间里，对应的温度不同，组成宇宙的物质不相同。不同时间里，对应的温度不同，组成宇宙的物质不相同。 5恒星的演化恒星的演化 当温度降到当温度降到_时，中性原子组成的宇宙尘埃在时，中性原子组成的宇
4、宙尘埃在 万有引力作用下，尘埃收缩凝集，引力势能转化为内能，温万有引力作用下，尘埃收缩凝集，引力势能转化为内能，温 度升高，开始发光形成了恒星，当恒星核能耗尽时，进入末度升高，开始发光形成了恒星，当恒星核能耗尽时，进入末 期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或_。 宇宙 3000 K 黑洞 (1)19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组世纪末，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成物质的不可再分的最基本粒子 (2)从从20世纪起科学家陆续发现了世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，多种同种类的新粒子，
5、 它们不是由质子、中子、电子组成的它们不是由质子、中子、电子组成的 (3)科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合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粒子，且还有着复杂的结构 (4)研究粒子的主要工具研究粒子的主要工具 粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具 一、“基本粒子”不基本一、“基本粒子”不基本 1.“基本粒子基本粒子”不基本不基本 分类分类 自旋自旋 泡利不相容原泡利不相容原 理理 统计规律统计规律 费米子费米子 ( (电子、质子、中子电子、质子、中子 等各种重子等各种重子) ) 服从服从
6、 费米费米狄拉克统计狄拉克统计 分布分布 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 0 或或 1 1 等等 不服从不服从 玻色玻色 爱因斯坦统爱因斯坦统 计分布计分布 2. 粒子粒子的分类的分类 （1）按自旋分类）按自旋分类 3.共振态粒子共振态粒子 寿命极短（约寿命极短（约10-23s） 万有引力万有引力 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 引力子引力子 光子光子 轻子轻子 强子强子 正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩如电荷、磁矩 等等 ) 的符号相反。的
7、符号相反。 引力子引力子 自旋应为自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。、静止质量和电荷为零，以光速运动。 光子光子 自旋为自旋为1，是玻色子。是玻色子。 3. 正粒子、反粒子正粒子、反粒子 4. 按相互作用分类按相互作用分类 分类分类 正反粒正反粒 子子 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 0 -1 +1 稳定稳定 2.2 2.3 稳定稳定 中中 微微 子子 e e e e LLLe 轻子（轻子（共共1212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
8、用。 说明说明 -1 +1 -1 +1 -1 +1 0 0 0 分类分类 粒子名称粒子名称 自旋自旋 介子介子 重子重子 核子核子 超子超子 强子分类强子分类 K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象。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介子同时产生。介子同时产生。 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10-23s), ), 表明是在强相互作用下进行的；表明是在强相互作用下进行的； 而衰变过程很慢而衰变过程很慢( (寿命约为寿命约为10-8 10-10s) )， 表明
9、是在弱相互作用下进行的。表明是在弱相互作用下进行的。 、 、 K介子等介子等 质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子 超子及反粒子超子及反粒子 整数整数 玻色子玻色子 费密子费密子 (1)(1)夸克的提出夸克的提出 许多实验事实表明，强子是有内部结构的许多实验事实表明，强子是有内部结构的.1964.1964年提出的夸克模年提出的夸克模 型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。 (2)(2)夸克的分类夸克的分类 夸克有夸克有6 6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸 克、顶夸
10、克。每种夸克都有对应的反夸克。克、顶夸克。每种夸克都有对应的反夸克。 (3)(3)夸克模型的意义夸克模型的意义 夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电 荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。 二、夸克模型二、夸克模型 例如例如 ：质子：质子 奇异粒子奇异粒子 + + 介子 介子 夸克夸克 质量质量 电荷电荷 e e 自自 旋旋 重重 子子 数数 同同 位位 旋旋 同位同位 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
11、 -1/3 1/2 1/3 1/2 -1/2 0 +1/3 0 0 0 u 上夸克上夸克 0.004 2/3 1/2 0 +1/3 0 0 0 s 奇夸克奇夸克 0.15 -1/3 0 0 -1 -2/3 0 0 0 c 粲夸克粲夸克 1.5 2/3 0 +1/3 +1 0 0 b 底夸克底夸克 4.7 -1/3 0 +1/3 0 +1 0 t 顶夸克顶夸克 174 2/3 0 +1/3 0 0 +1 1. 质子质子 (uud) 电荷电荷: 重子数重子数: 奇异数奇异数: 自旋自旋: 同位旋同位旋: 2. 奇异奇异粒子粒子（uus） 电荷电荷: 重子数重子数: 奇异数奇异数: 自旋自旋: 3.
12、+ 介子介子 )d(u 重子数重子数: 电荷电荷: 奇异数奇异数: 自旋自旋: 同位旋分量同位旋分量: 例例1 1K 介子衰变的方程为 介子衰变的方程为K 0，其中，其中K 介子和 介子和 介子带负的基元电荷， 介子带负的基元电荷，0介子不带电一个介子不带电一个K 介子沿垂直于 介子沿垂直于 磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为右下图中圆弧磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为右下图中圆弧AP，衰变，衰变 后产生的后产生的 介子的轨迹为圆弧 介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在，两轨迹在P点相切，它们的点相切，它们的 半径半径RK 与 与R 之比为 之比为21。0介子的轨迹未画出由此可知介子的轨迹未画出由
13、此可知 的动量大小与的动量大小与0的动量大小之比为的动量大小之比为 A11 B12 C13 D16 答案：C 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 大 爆 炸 是 在 无 限 的 宇 宙 各 处 同 时 产 生 宇 宙 各 处 同 时 产 生 时 间 的 零 点 时 间 的 零 点 三、宇宙的演化三、宇宙的演化 2020世纪世纪4040年代，在大量天文学家观测的基础上，物理学家年代，在大量天文学家观测的基础上，物理学家 提出了宇宙演化的大爆炸假说它的主要观点是，宇宙是由一个提出了宇宙演化
14、的大爆炸假说它的主要观点是，宇宙是由一个 超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始的然后经超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始的然后经 历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀( (也称暴也称暴 胀胀) )，宇宙物质从密到稀当温度下降到几千摄氏度时，宇宙间，宇宙物质从密到稀当温度下降到几千摄氏度时，宇宙间 主要是气态物质后来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形主要是气态物质后来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形 成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体 1宇宙的演化
15、 2恒星的演化 密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用 而收缩逐渐凝成原恒星而收缩逐渐凝成原恒星 原恒星继续收缩原恒星继续收缩，温度不断升高温度不断升高，发生热核反应发生热核反应， 当热核反应产生的斥力和引力作用达到平衡时当热核反应产生的斥力和引力作用达到平衡时，恒星不恒星不 再收缩再收缩，进入相对稳定阶段进入相对稳定阶段 当核能源供应不足时当核能源供应不足时，恒星的稳定状态遭到破坏恒星的稳定状态遭到破坏， 引力作用又开始大于斥力引力作用又开始大于斥力，星体又开始收缩星体又开始收缩，温度升高温度升高， 发光能力增强发光能力增强，光度增加光度增加，外部膨胀外部膨胀，表面积增大表面积增大，但但 表面温度降低表面温度降低，看上去呈红色看上去呈红色，这时恒星便演化为红巨这时恒星便演化为红巨 星或新星星或新星 当恒星核能耗尽时当恒星核能耗尽时，就进入末期就进入末期恒星的末期形态恒星的末期形态 主要有三种：白矮星主要有三种：白矮星、中子星或黑洞中子星或黑洞
