1、粒子和宇宙第1頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二 道爾頓19世紀末，人們認為原子是組成物質(zhì)的最小微粒 關于物質(zhì)結構的探尋 湯姆遜發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)部結構中的電子 盧瑟福經(jīng)典散射實驗，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 查德威克發(fā)現(xiàn)中子 蓋爾曼發(fā)現(xiàn)夸克是否還有其他的微觀粒子？第2頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二延伸思考：人們逐漸意識到，這些我們認為的“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)。 第3頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二“標準模型與大統(tǒng)一” 人們建立了標準模型，理論歸納預言了一系列新粒子，并且對發(fā)現(xiàn)的粒子以泡利原理以及所參

2、與的相互作用進行全新分類。 圖中為標準模型的簡單表示，大統(tǒng)一理論最終的目的便是將宇宙中紛繁復雜的作用形式統(tǒng)一為簡潔、優(yōu)美的場論。第4頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費米子 (電子 質(zhì)子 中子 各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，服從費米狄拉克統(tǒng)計分布玻色子 ( 光子 介子K介子、介子 ) 整數(shù)0 或 1 等不服從玻色 愛因斯坦統(tǒng)計分布粒子的分類（泡利原理）：第5頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二粒子的分類（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

3、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第6頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子光子輕子強子 引力子 由于自旋為2，無法量子化，尚未囊括進標準模型、靜止質(zhì)量和電荷為零，以光速運動。 光子 自旋為1，是玻色子粒子的分類（相互作用）：第7頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二分類粒子名稱自旋介子、 、 K介子等整數(shù)玻色子重子核子質(zhì)子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)費密子超子超子及反粒子強子分類第8頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二分類

4、正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕 子電子子子1/2-1 +1-1 +1-1 +10000-1 +1穩(wěn)定2.22.3中微子穩(wěn)定輕子（共12種）中微子系中性粒子，質(zhì)量為零，只參與弱相互作用。第9頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二 為了探尋這些新粒子，實驗物理學家想了各種辦法，右圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)的蹤跡，當然這是比較原始的實驗方法。第10頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二 經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強子對撞機LHC第11頁，共24頁，202

5、2年，5月20日，17點13分，星期二 對撞機的核心就是一系列探測中心以及右圖中先進的第三代同步加速器第12頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二所謂“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家彼得希格斯關于一種規(guī)范玻色子的理論，由于在此機制下，這種粒子將賦予萬物質(zhì)量，所以人們稱其為“上帝粒子”。第13頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二 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)臉藴什钐綔y到了希格斯玻色子（Higgs） 人們發(fā)現(xiàn)并證實了標準模型預言中最

6、后一種粒子，這是現(xiàn)代物理學的一大步！ 第14頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s強子結構夸克模型 (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：第15頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二費米子與玻色子的夸克圖第16頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二大爆炸理論 (The Big Bang Theory)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第17頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分

7、，星期二 1929，埃德溫哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。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，當時宇宙無限緊密。 大爆炸理論第18頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二1950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

8、應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。 大爆炸理論第19頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二根據(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)一的溫度是當時宇宙狀態(tài)的重要標志，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)。大爆炸理論第20頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二大爆炸開始時（150200億年前）：極小體積，極高密度，極高溫度。 大

9、爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后10-35秒 同一場分解為強力、電弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10萬億度，質(zhì)子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 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 300億度，中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100億度，中微子向外逃逸，正負電子湮沒反應出現(xiàn)，核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。 大爆炸后13.8秒后 30億度，氘、氦類穩(wěn)定原子核（化學元素）形成。 大爆炸后35分鐘后 3億度，核過程停止，尚不能形成中性原子。 大爆炸后30萬年后 3000

10、度，化學結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)。 宇宙的歷史第21頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二粒子物理與宇宙學殊途同歸第22頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二 中子內(nèi)有一個電荷量為+2e/3 的上夸克和兩個電荷量為的 -1e/3 下夸克，一簡單模型是三個夸克都在半徑為r 的同一圓周上，如圖1所示。圖2給出的四幅圖中，能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是: A B C D第23頁，共24頁，2022年，5月20日，17點13分，星期二目前普遍認為，質(zhì)子和中子都由被稱為夸克和d夸克的兩類夸克組成，夸克帶電量為2e/3，d夸克帶電量為-e/3，e為元電荷，則下列論斷可能的是（ ）A質(zhì)子由