1、第8節(jié) 粒子和宇宙,1803年 道爾頓發(fā)現(xiàn)原子,1897年湯姆遜 發(fā)現(xiàn)電子,原子模型,1919年 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子,1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子,?,粒子的分類（泡利原理）：,基本粒子,新粒子,“基本粒子”不基本,一、“基本粒子”不基本,介子,宇宙射線中,質量介于質子、電子之間, 介子、K介子,質量比質子大的粒子,物理性質與已知粒子相等，而電荷量等其他性質相反。,新粒子,是參與強相互作用的粒子。質子是最早發(fā)現(xiàn)的強子。強子又分為介子和重子,是傳遞各種相互作用的粒子,二、粒子的分類,強子,輕子,媒介子,是不參與強相互作用的粒子。電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子?，F(xiàn)在還沒發(fā)現(xiàn)輕子的內部結構,光子,中間玻色子,膠子,

2、電磁相互作用,弱相互作用,強相互作用,按照粒子與各種相互作用的不同關系,強子分類,輕子（共12種）,中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。,四種基本相互作用,相互作用是通過交換一定粒子實現(xiàn)的,引力子尚未被實驗證實,弱電統(tǒng)一理論:電磁相互作用和弱相互作用被看作是一種相互作用。,大統(tǒng)一理論試圖將強、電、弱三種相互作用統(tǒng)一起來。,1983年，魯比亞實驗組在高能質子反質子對撞試驗中發(fā)現(xiàn)了W +、W -和 Z0 粒子。為60年代提出的弱電統(tǒng)一理論提供了實驗上的支持。,歐洲核子中心高能質子同步加速器上的UAI 探測器,強子結構的夸克模型,強子結構夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克組

3、成） 重子（三個夸克組成）,粲夸克 c 底夸克 b 頂夸克 t,夸克模型的提出是物理學發(fā)展中的一個重大突破 電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數(shù)電荷 目前人們對夸克的認識還是很初步的，科學家們直到今天都還未捕捉到自由的夸克。 夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質稱為夸克的“禁閉” 能否解放被禁閉的夸克，是21世紀物理學面臨的重大課題之一,返回主頁,三、宇宙的演化,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 時間的零點,大爆炸,大爆炸后10-43秒：約1032度，宇宙從量子漲落背景出現(xiàn)，這個階段稱為普朗克時期。在此之

4、前，宇宙的密度可能超過每立方厘米1094克，超過質子密度1078倍，物理學上所有的力都是一種。在這個階段，宇宙已經(jīng)冷卻到引力可以分離出來，開始獨立存在，存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（強、弱相互作用和電磁相互作用）仍為一體。,大爆炸后0.01秒：約1000億度，光子、電子、中微子為主，質子中子僅占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：約300億度，中子質子比從1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后：約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子。 大爆炸后10秒后：約30億度，核時期，氫、氦類穩(wěn)定原子核（化學

5、元素）形成。當宇宙冷卻到109開爾文以下（約100秒后），粒子轉變不可能發(fā)生了。核合成計算指出，重子密度僅占拓撲平宇宙所需物質的2%5%，強烈暗示了其他物質能量的形式（非重子暗物質和暗能量）充滿了宇宙,大爆炸后35分鐘后：約3億度，原初核合成過程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30萬年后：約3000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，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)。 量子真空在暴漲期達到全盛，之后便以暗能量的形式彌漫于全宇宙，且隨著物質和輻射密度迅速減小，暗能量越來越明顯。暗能量可能占據(jù)宇宙總能量密度的2/32 ，從而推動了宇宙加速膨脹。

6、,恒星的演化,大爆炸,星云團,恒星誕生,氫核聚變,白矮星、中子星、黑洞,氦核聚變,宇宙塵埃,恒星的演化,恒星演化就是一顆恒星誕生，成長成熟到衰老死亡的過程，恒星演化是十分緩慢的過程。天文學家根據(jù)對各種各樣的恒星的觀測和理論研究，弄清楚了恒星的一生是怎樣從孕育到誕生，再從成長到成熟，最后到衰老、死亡的整個過程。恒星演化論，是天文學中，關于恒星在其生命期內演化的理論。,形成,恒星的演化開始于巨分子云。一個星系中大多數(shù)虛空的密度是每立方厘米大約0.1到1個原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米數(shù)百萬個原子。一個巨分子云包含數(shù)十萬到數(shù)千萬個太陽質量，直徑為50到300光年。,在巨分子云環(huán)繞星系旋轉時，一

7、些事件可能造成它的引力坍縮。巨分子云可能互相沖撞，或者穿越旋臂的稠密部分。鄰近的超新星爆發(fā)拋出的高速物質也可能是觸發(fā)因素之一。最后，星系碰撞造成的星云壓縮和擾動也可能形成大量恒星。,成年期,恒星有不同的顏色和大小。從高熱的藍色到冷卻的紅色，從0.5到20個太陽質量。 恒星演化 恒星的亮度和顏色依賴于其表面溫度，而表面溫度則依賴于恒星的質量。大質量的恒星需要比較多的能量來抵抗對外殼的引力，燃燒氫的速度也快得多。,小而冷的紅矮星會緩慢地燃燒氫，可能在此序列上停留數(shù)千億年，而大而熱的超巨星會在僅僅幾百萬年之后就離開主星序。像太陽這樣的中等恒星會在此序列上停留一百億年。太陽也位于主星序上，被認為是處于

8、中年期。在恒星燃燒完核心中的氫之后，就會離開主星序。,中年期,在形成幾百萬到幾千億年之后，恒星會消耗完核心中的氫。大質量的恒星會比小質量的恒星更快消耗完核心的氫。在消耗完核心中的氫之后，核心部分的核反應會停止，而留下一個氦核。 赫-羅圖揭示了恒星演化的重要規(guī)律 失去了抵抗重力的核反應能量之后，恒星的外殼開始引力坍縮。核心的溫度和壓力像恒星形成過程中一樣升高，但是在一個更高的層次上。一旦核心的溫度達到了1億開氏度，核心就開始進行氦聚變，重新通過核聚變產(chǎn)生能量來抵抗引力。恒星質量不足以產(chǎn)生氦聚變的會釋放熱能，逐漸冷卻，成為白矮星。,達到紅巨星階段時，0.4到3.4太陽質量的恒星的外殼會向外膨脹，而

9、核心向內壓縮，產(chǎn)生將氦聚變成碳的核反應。聚變會重新產(chǎn)生能量，暫時緩解恒星的死亡過程。對于太陽大小的恒星，此過程大約持續(xù)十億年。 氦燃燒對溫度極其敏感，造成很大的不穩(wěn)定。巨大的波動會使得外殼獲得足夠的動能脫離恒星，成為行星狀星云。行星狀星云中心留下的核心會逐漸冷卻，成為小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太陽質量，但是只有一個地球大小,大質量恒星 在超出5倍太陽質量的恒星的外殼膨脹成為紅超巨星之后，其核心開始被重力壓縮，溫度和密度的上升會觸發(fā)一系列聚變反應。這些聚變反應會生成越來越重的元素，產(chǎn)生的能量會暫時延緩恒星的坍縮。 行星狀星云 最終，聚變逐步到達元素周期表的下層，硅開始聚合成鐵。在這之前，恒星通過這些核聚變獲得能量，但是鐵不能通過聚變釋放能量，相反，鐵聚變需要吸收能量。這會造成沒有能量來對抗重力，而核心幾乎立刻產(chǎn)生坍縮,在