粒子和宇宙

宇宙宇宙星空第十九章原子核第一节原子核的组成教学目标1、知识与技能了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史。初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。2、过程与方法感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法。能够突破传统思维重新认识客观物质世界。3、情感态度与价值观让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。培养学生的科学探索精神。教学重难点重点了解构成物质的粒子和宇宙演化过程难点各种微观粒子模型的理解本节导航二、发现新粒子三、夸克模型四、宇宙的演化一、“基本粒子”不基本五、行星的演化一、“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。继而又发现了光子，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？1、基本粒子的组成分子由原子构成，不同原子构成化合物分子，相同原子构成单质分子。原子是由位于中心的原子核和核外高速旋转的电子构成的。（电子带负电，原子核带正电）原子核是由质子和中子构成的。（质子带正电，中子不带电）二、发现新粒子1、人们在对宇宙研究的同时发现了一些新的粒子。（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；（2）1947年发现K介子与π介子。实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。强子轻子媒介子介子重子电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子光子，中间玻色子、胶子π介子K介子质子、中子、超子2、按粒子与各种相互作用的关系粒子的分类是：汤姆逊—电子卢瑟福—质子查德威克—中子盖尔曼—夸克发现各种微粒的科学家道尔顿—原子三、夸克模型试验证明强子是有内部结构的，1964年提出的夸克模型正明强子由更基本的粒成分组成，这种成分叫做夸克。夸克由六种模型：上夸克d、下夸克u、奇异夸克s、粲夸克c，底夸克b、顶夸克t。1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(TopQuark)的存在夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+1四、宇宙的演化物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观粒子物理、量子理论、与研究宇宙的理论竟然相互沟通，相互支持。正如诺贝尔物理学奖学者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”，那么宇宙到底从何而来呢？大爆炸理论(TheBigBangTheory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生时间的零点宇宙大爆炸理论：早在1929年，埃德温·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100亿至200亿年之前的某一时刻，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，当时宇宙无限紧密。1950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。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。整个空间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。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低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。从1948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：大爆炸开始时150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。大爆炸后10-43秒宇宙从量子背景出现。大爆炸后10-35秒同一场分解为强力、电弱力和引力。大爆炸后10-5秒10万亿度，质子和中子形成。大爆炸后0.01秒1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后0.1秒后300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。大爆炸后1秒后100亿度，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。大爆炸后13.8秒后30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。大爆炸后35分钟后3亿度，核过程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30万年后3000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云块，直至恒星和恒星系统。五、恒星的演化1、恒星的诞生宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氢核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞2、恒星最后的归宿：恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞粒子物理和宇宙学殊途同归课堂小结粒子媒介子光子：传递电磁相互作用胶子：传递强相互作用轻子电子电子中微子μ子和μ子中微子τ子和τ子中微子强子—参与相互作用质子中子介子超子夸克上夸克下夸克奇夸克粲夸克底夸克顶夸克2、宇宙演化过程的方框图：大爆炸→夸克、轻子、胶子等→强子时代→轻子时代→核合成时代→电子与质子符合成氢原子→形成恒星和星系。3、恒星演化过程的方框图：宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氢核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞。高考链接1．(2004天津)中子内有一个电荷量为+2e/3的上夸克和两个电荷量为的-1e/3下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图所示。下面给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（）DABCD2、（09年广东物理）科学家发现在月球上含有丰富的32He（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为331422122HeHeHHe关于32He聚变下列表述正确的是（）A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用32He聚变反应发电B解析：聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。但目前核电站都采用采用铀核的裂变反应。因此B正确。课堂练习1、现在，科学家们正在设法寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的符号相反．据此，若有反α粒子，它的质量数为，电荷数为·4-22、1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用云6027Co放射源进行了实验验证．次年，李、杨二人为此获得诺贝尔物理奖．6027Co的衰变方程是6027Co→AZNi+0-1e+ve其中ve是反中微子，它的电荷为零，静止质量可认为是零。（1）Co与Fe同周期，它应在周期表的第__周期，6027Co的核外电子数为。在上述衰变方程中，衰变产物AZNi的质量数A是，核电荷数z是；（2）在衰变前6027Co核静止，根据云室照片中可以看出，衰变产物Ni和0-1e的运动轨迹不在一条直线上。如果认为衰变产物只有Ni和0-1e，那么衰变过程将违背守恒定律。4276028动量3、目前普遍认为，质子和中子都由被称为μ夸克和d夸克的两类夸克组成，μ夸克带电量为2e/3，d夸克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列论断可能的是（）A．质子由1个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成B．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成C．质子由1个μ夸克和2个d夸克组成，中子由2个μ夸克和1个d夸克组成D．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和1个d夸克组成B4、K-介子衰变方程为：K-→π-+πo其中K-介子衰变方程为：K-→π-+πo其中K-介子和π-介子带负的基元电荷，πo介子不带电，如图所示，一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧Ap，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p点相切，它们半径Rk-与Rπ-之比为2：1（πo介子的轨迹未画出）由此可知π-的动量大小与πo的动量大小之比为（）A．1：1B．1：2C．1：3D．1：6C教材习题解答1、粒子的分类强子轻子媒介子介子重子电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子光子，中间玻色子、胶子π介子K介子质子、中子、超子2、答：宇宙演化过程的方框图：大爆炸→夸克、轻子、胶子等→强子时代→轻子时代→核合成时代→电子与质子符合成氢原子→形成恒星和星系恒星演化过程的方框图：宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氢核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞