粒子与宇宙

粒子与宇宙1．“基本”粒子不基本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？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。20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。1932年发现了正电子1937年发现了子1947年发现了K介子和介子后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。2．发现新粒子粒子加速器使带电粒子加速到很高的能量，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。现在已经发现的粒子达到400多种。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。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。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3．夸克模型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。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。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。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。1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克的存在。物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”4．宇宙的演化大爆炸理论(TheBigBangTheory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时代。大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。人马座礁湖星云天蛇座老鹰星云猎户座马头星云麒麟座玫瑰星云猎户座女巫星云5．恒星的演化恒星的摇篮——星云我们的太阳全天最亮恒星——天狼星(其伴星是一颗白矮星)质量不同的恒星，安定时间的长短不同，它们寿命的长短取决于其自身的质量。五分之一太阳质量的恒星，为1万亿年；和太阳质量相同的恒星，为100亿年；十五倍太阳质量的恒星，为2000万年。这是因为质量大的恒星内部虽然有更多的氢燃料，但是它内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大，氢的消耗比小质量恒星快得多，因而它们的光度也大。这导致质量大的恒星寿命反而要短于质量小的恒星。壮年期的恒星红巨星当内部氦核心被点燃后的恒星的爆发不稳定期——红巨星、恒星的爆发抛射质量后，如果剩下的燃料无法点燃，而核的质量小于1．44个太阳质量（钱德拉塞卡极限），这颗恒星便可能演化成为白矮星。由于引力十分巨大，核外电子被紧密压缩，密布在原子核周围，依靠电子间的斥力抵抗引力,处于一种超密状态，其中一个火柴盒大小的物质，如果能拿到地球上来,就重达1吨左右。人马座钻石星，这块钻石直径是4000公里，质量2千亿亿亿吨。太阳在70亿年后，也将变成类似的钻石。恒星的死亡（一）——白矮星对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸大麦哲伦星云1987A超新星瞬间的绚烂（二）——超新星爆发超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1．44—2个太阳质量（奥本海默极限）之间。巨大的引力使得电子的斥力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子间的斥力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。白矮星、地球和中子星大小的比较恒星的死亡（三）——中子星质量超过奥本海默极限的致密天体，中子的简并压力不足以抗衡引力，这个天体还要坍缩,它坍缩的结果会变成一种非常特殊的比中子星更致密的天体——其体积无限被压缩，以致其第二宇宙速度超过光速，光也无法从其内部逃出，所以叫黑洞。钱德拉望远镜拍摄黑洞攻击星系照片恒星的死亡（四）——黑洞大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。早期只有中子、质子、中微子等一些基本粒子形态的物质。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质。温度下降到,核合成的时代。K910继续冷却,逐渐形成恒星和星系。类别相对强度力程(m)作用时间(s)参与离子强作用110-1510-23强子电磁作用~10-2长程10-20~10-16强子轻子光子弱作用~10-1310-17~10-8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过交换一定粒子实现的作用类型引力作用电磁作用弱作用强作用交换粒子引力子光子玻色子(W+、W–Z0粒子)胶子引力子尚未被实验证实弱电统一理论:电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。