1、粒子物理學(xué)及其應(yīng)用,第三篇 粒子物理學(xué)及其應(yīng)用,一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的 分類 二、輕子 三、夸克 四、四種基本相互作用 五、粒子探測器 六、粒子物理的應(yīng)用,一、基本粒子概念的發(fā)展和粒子的分類,1、基本粒子概念的發(fā)展 古代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的猜想 我國夏朝：金、木、水、火、土五行學(xué)說 古希臘：水、火、土、空氣組成物質(zhì) （德謨克利特）提出了原子論（公元前3世紀(jì)） 近代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí) 道爾頓的原子論：每一種元素都代表一種特定的原子，不同元素的原子的性質(zhì)不同。, 現(xiàn)代對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的飛躍 1911年，盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型原子由原子核和電子組成； 1932年，確認(rèn)中子的存在原子核由中子和質(zhì)子組成；

2、（三種基本粒子） 1932年，安德森發(fā)現(xiàn)正電子；子、 介子和第一個(gè)奇異粒子被發(fā)現(xiàn)； 20世紀(jì)50年代以后，夸克的發(fā)現(xiàn)構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子共有12種，包括6種輕子和6 種夸克。至目前，尚未發(fā)現(xiàn)這12種粒子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,2、基本粒子的分類 輕子 夸克 規(guī)范粒子 Higgs粒子（未發(fā)現(xiàn)）,二、輕子,輕子不參與強(qiáng)相互作用的粒子。 6種輕子按其發(fā)現(xiàn)的年代和性質(zhì)，分為三代；輕子同一代之間才發(fā)生相互作用。,三代輕子的電荷和質(zhì)量,1、電子的發(fā)現(xiàn) 電子是最早發(fā)現(xiàn)的基本粒子。1897年湯姆遜在測定陰極射線粒子荷質(zhì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)。 電子的靜止質(zhì)量為 電子帶負(fù)電荷, 正電子的發(fā)現(xiàn) 1928年，狄拉克從理論上預(yù)言了正電子的存在

3、； 1932年安德森在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子。 正電子的質(zhì)量與電子相等。 正電子帶與電子等量的正電荷。,2、子和子的發(fā)現(xiàn) 子有帶負(fù)電的和帶正電的兩種，不參與強(qiáng)相互作用。質(zhì)量比質(zhì)子重207倍。 子和電子具有相同的性質(zhì)，但不可能以一種簡單的方式衰變成單個(gè)電子。 子是1975年在美國電子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。它的質(zhì)量比許多重子的質(zhì)量還要大得多。帶一個(gè)單位電荷。,3、中微子 在研究衰變時(shí)，對(duì)能量守恒定律產(chǎn)生懷疑時(shí)提出的。1931年，泡里認(rèn)為，在衰變過程中，同時(shí)發(fā)射了一個(gè)質(zhì)量很小（質(zhì)量為零或接近零）的中性粒子，后來費(fèi)米將它稱為中微子。這樣，原子核衰變過程中就保持了能量和動(dòng)量守恒。例如，中子的衰變過程可表示為,

4、1942年，我國物理學(xué)家王淦昌提出了探測中微子的方案。美國物理學(xué)家艾倫根據(jù)這個(gè)方案，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電子中微子存在。1956年，萊茵斯等人在實(shí)驗(yàn)上檢測到脫離了發(fā)射源的傳播中的電子中微子（這才是電子中微子存在的直接證據(jù)）。 后來又發(fā)現(xiàn)了子中微子。并有間接證據(jù)證明有子中微子。,三、夸克,1、強(qiáng)相互作用和強(qiáng)子 核子（中子和質(zhì)子）間存在著很強(qiáng)的吸引力強(qiáng)相互作用。強(qiáng)相互作用的特點(diǎn)是： 短程力（力程為 ） 很強(qiáng)（約為電磁力強(qiáng)度的100倍） 很快（作用時(shí)間約 ） 與電荷無關(guān) 具有飽和性,1935年日本物理學(xué)家湯川為了解釋強(qiáng)相互作用的傳遞方式，提出了介子理論。 介子的質(zhì)量約等于電子質(zhì)量的275倍。后來又發(fā)現(xiàn)了比

5、核子還要重得多的介子，連同核子稱為重子。 介子和重子統(tǒng)稱強(qiáng)子。,介子理論認(rèn)為： 核子之間存在一種核力場，強(qiáng)相互作用是通過交換介子傳遞的。 湯川由相對(duì)論波動(dòng)方程出發(fā)，給出了兩核子之間的相互作用勢能公式： V(r)稱為湯川勢，式中m為介子質(zhì)量，g代表核力強(qiáng)度，r是兩核子之間的距離,2、強(qiáng)子超多重態(tài)（略） 3、夸克模型 重子由三個(gè)夸克組成，介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成；反重子由三個(gè)反夸克組成。 夸克有三種：上夸克、下夸克和奇異夸克，以及它們的反夸克。 夸克必須是費(fèi)米子。 夸克模型對(duì)許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出了滿意的解釋。,4、夸克的顏色 夸克具有不同的顏色紅、黃、藍(lán)（不是實(shí)際的顏色，僅是借用），顏色實(shí)際上是

6、一種量子數(shù)，三種顏色代表夸克的三種狀態(tài)。 5、 c、b、t夸克的發(fā)現(xiàn)（略）,四、四種基本相互作用,1、弱相互作用 微觀粒子間除了存在電磁作用和強(qiáng)作用外，還存在著一種弱相互作用。 關(guān)于弱相互作用的研究： 1934年費(fèi)米提出衰變理論；1956年李政道、楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒理論；1958年費(fèi)曼等人提出了弱作用V-A理論；格拉肖-溫伯格-薩拉姆提出弱電統(tǒng)一理論，進(jìn)一步揭示弱相互作用的本質(zhì)。,2、四種基本相互作用的比較,3、量子電動(dòng)力學(xué)與規(guī)范理論 量子電動(dòng)力學(xué)（QED）是關(guān)于帶電粒子通過電磁場發(fā)生電磁相互作用的理論學(xué)說，是在經(jīng)典電磁場理論、狹義相對(duì)論和量子力學(xué)的基礎(chǔ)上建立起來的。 自由粒子D

7、irac方程,在QED中，運(yùn)動(dòng)方程在帶電粒子波函數(shù)的定域相位變換下保持不變，稱為規(guī)范不變性，在數(shù)學(xué)上屬于Abel群，用U（1）表示。 1954年，楊振寧和Mills將Abel群的規(guī)范不變理論推廣到非Abel規(guī)范場中，得到稱為SU（2）非Abel場，后來人們稱之為楊-Mills場。 規(guī)范場理論已發(fā)展成為現(xiàn)代粒子物理基礎(chǔ)理論的具有普遍性的重要組成部分。,4 、弱電統(tǒng)一理論 19671968年溫伯格和薩拉姆在格拉肖工作的基礎(chǔ)上，提出弱電統(tǒng)一理論：像電磁作用是通過規(guī)范場電磁場（光子）來傳遞一樣，弱相互作用也是由規(guī)范場來傳遞的?？梢杂肧U（2）2U（1）群作為統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁作用的規(guī)范群。,5、

8、量子色動(dòng)力學(xué)（QCD） 量子色動(dòng)力學(xué)是解釋強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論。 QCD理論認(rèn)為：夸克特有的顏色可以看作夸克之間強(qiáng)相互作用的荷，稱為色荷?？淇酥g的強(qiáng)相互作用是通過交換8種電中性而帶色的無質(zhì)量的膠子來傳遞的。色荷和膠子在強(qiáng)相互作用中的地位分別相當(dāng)于電磁作用中的電荷和光子。 近年來，已有一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持量子色動(dòng)力學(xué)。,6、標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論 標(biāo)準(zhǔn)模型是以三代輕子和夸克為基本組元，以弱電統(tǒng)一和QCD為基礎(chǔ)理論，具有SU（3）*SU（2）*SU（1）對(duì)稱性的規(guī)范場論。 標(biāo)準(zhǔn)模型雖取得很大成功，理論與實(shí)驗(yàn)很好相符，但它所預(yù)言的Higgs粒子至今尚未發(fā)現(xiàn)。這是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型正確與否的關(guān)鍵。 大統(tǒng)一理論是

9、一種希望統(tǒng)一描述弱、電和強(qiáng)相互作用的規(guī)范理論。但目前尚未成功，原因是理論的預(yù)言尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,五、粒子物理學(xué)的應(yīng)用,1、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 2、在軍事和通信上的應(yīng)用 3、在工業(yè)上的應(yīng)用,1、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 粒子物理學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用可分為兩種：成象和治療。本節(jié)只介紹治療方面的一個(gè)重要應(yīng)用粒子手術(shù)刀。 粒子手術(shù)刀是本質(zhì)上是把能量會(huì)聚到具有確定邊界的小體積內(nèi)，把該體積損毀。 粒子手術(shù)刀有許多優(yōu)點(diǎn)： 手術(shù)無創(chuàng)傷，病人無痛苦，不出血，因此無感染，無并發(fā)癥； 精確度高，誤差只有0 .1mm； 簡便、省時(shí)，不必住院； 治療全部自動(dòng)化，病人醫(yī)生護(hù)士無思想負(fù)擔(dān)。 光子、質(zhì)子、粒子都可以成為粒子手術(shù)刀。,2、在軍事

10、和通信上的應(yīng)用 粒子束武器 利用高能強(qiáng)流亞原子摧毀飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)或使之失效的定向武器，叫做粒子束武器。 粒子束武器的組成： 由粒子源、粒子加速器以及探測、瞄準(zhǔn)、跟蹤、指揮、通信等設(shè)備組成。, 粒子束武器的工作原理是： 用高能強(qiáng)流加速器將粒子源產(chǎn)生的電子、質(zhì)子或離子加速到接近光速；并用磁場聚焦成密集的粒子束流，使之射擊向目標(biāo)；依靠粒子束流的多種效應(yīng)來摧毀目標(biāo)或使之失效。 粒子束武器的主要特點(diǎn)是： 粒子束流的能量高度集中，穿透力強(qiáng)，脈沖發(fā)射率高，能快速改變發(fā)射方向等。, 粒子束武器的分類： 一是在大氣中使用的帶電粒子束武器； 二是在外層空間使用的中性粒子束武器。 粒子束武器對(duì)目標(biāo)的摧毀或使

11、之失效的三種途徑： 一是破壞結(jié)構(gòu)； 二是使引爆藥早爆； 三是使電子設(shè)備失效。, 中微子通信 中微子通信主要利用中微子的如下特點(diǎn)：中微子的靜止質(zhì)量極?。赡転榱悖?，能以約等于光速的速度作直線運(yùn)動(dòng)，一般不反射、不折射也不散射，穿透能力強(qiáng)，能輕而易舉地穿過地球。 同時(shí)，中微子通信有良好的抗干擾性和保密性。,3、在工業(yè)上的應(yīng)用 中子測井 利用中子和物質(zhì)相互作用的一些特點(diǎn)，可以進(jìn)行中子測水勘探石油、煤礦等。其方法一般是將中子沿井管下降到各地層，測量快中子和地層中物質(zhì)作用后產(chǎn)生的慢中子或次級(jí)光子，以判斷該地層中有關(guān)物質(zhì)的含量。, 同步輻射與光刻 當(dāng)高能電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同步輻射。由幾個(gè)Gev的電子

12、同步回旋加速器和儲(chǔ)存環(huán)產(chǎn)生的同步輻射是最好的光刻用的X射線源。,九寨風(fēng)光,謝謝！,如你看后滿意，請(qǐng)把此頁面刪掉，以免打擾你正常使用，我們?nèi)f分感謝！ 本站敬告： 一、本課件由“半島教學(xué)資源（）”提供下載, 官網(wǎng)是http:/，網(wǎng)站創(chuàng)辦人楊影，系廣東省徐聞縣徐城中學(xué)語文教 師，兼任電腦課，擁有多年網(wǎng)站和課件制作經(jīng)驗(yàn)，歡迎查實(shí)。 二、此課件為作者原作，如你看后有不滿意的地方，我們提供專業(yè)技術(shù)修改，具體如下： 1、修改最低起點(diǎn)15元，負(fù)責(zé)給你修改4個(gè)以內(nèi)頁面，24小時(shí)內(nèi)完成，不完成全額退款； 2、修改4個(gè)頁面以上的，每加1個(gè)頁面收5元，插入你發(fā)來圖片并制作動(dòng)畫特效每張1元； 3、幫你制作一個(gè)動(dòng)畫或一個(gè)

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