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1、第十九章 原子核,第八节 粒子和宇宙,道尔顿（原子）,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,一、“基本粒子”不基本,二、发现新粒子,从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,超子,加速器,对应着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反粒子,粒子的分类,1. 按自旋分类,3. 按相互作用分类( 参与),正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、磁矩等 ) 的符号相反。,2. 正粒子、反粒子,轻子,中
2、微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。,说明,强子分类,介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）,粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t,三、夸克模型,强子结构夸克模型 (1964年 ) ：,每种夸克都有对应的反夸克,四、宇宙的演化,宇宙从何而来？,大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 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,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
3、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
4、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。,宇宙大爆炸论,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 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后10-44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10-6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。
5、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。,强子时代,轻子时代,核合成时代,四、宇宙的演化,宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）：,10-44秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等,10-6秒后温度1013K，夸克构成了质子和中子等（强子时代）,温度为1011K时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在（轻子时代）,温度109K时进入核合成时代,温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子,冷却，出现了宇宙尘埃,密集尘埃,星云团,开始发光,一颗恒星诞生,五、恒星的演化,冷却，出现了宇宙尘埃,密集尘埃,星云团,开始发光,一颗恒星诞生,恒星收缩升温,热核反应成氦,氢大部分聚变为氦,氦聚合成碳,（类似）直到产生铁元素,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1.42倍中子星,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,