8　粒子和宇宙教学实录

19.8

粒子和宇宙

江苏省梅村高级中学

李萍

一、发现各种微粒的科学家

道尔顿、汤姆逊、卢瑟福、查德威克、盖尔曼

现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么？

二、“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。继而我们发现了光子，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？

1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在。

20世纪后半期，科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构，于是基本粒子不再“基本”。

三、发现新粒子

20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。

(1)

新粒子：1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子；以后又发现了质量比质子大的叫做超子。

(2)

反粒子：实验中发现，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，叫做反粒子．例如，电子的反粒是正电子，质子的反粒子是反质子等。

(3)

粒子分类：按照粒子与各种相互作用的关系分为三大类：强子、轻子和媒介子。

强子：是参与强相互作用的粒子。

（强子又分为介子和重子）

轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。

媒介子：传递各种相互作用的粒子。

例：

强子：质子、中子…

轻子：电子、电子中微子

媒介子：光子、胶子…

四、夸克模型

1964年提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark）。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受。

(1)

什么是夸克：强子(质子、中子)有着自己复杂的结构，它们有更为基本的成

分组成，科学家认为这种成分叫夸克。

(2)

分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克共有六种，它们带的电荷分别为元电荷的＋2/3或－1/3。每种夸克都有对应的反夸克。

(3)

意义：夸克理论的最大突破是电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．

(4)

夸克禁闭：夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的禁闭。

强子结构夸克模型

(1964年

) ：

介子（夸克和反夸克组成）

重子（三个夸克组成）

五、宇宙的演化、恒星的演化

要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，这是因为在物理学中研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

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。

1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。

宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）：

恒星的演化：

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→（万有引力）

密集尘埃→

星云团→（温度升高）

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→

收缩→

氦聚合成碳→…

（类似）直到产生铁元素。

恒星最后的归宿：

恒星质量是太阳1~8倍→白矮星

恒星质量是太阳10~20倍→中子星

恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞

六、课堂练习

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（B ）

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