19.8、粒子和宇宙

1.“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

2.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)1932年发现正电子；1937年发现μ子；

1947年发现K介子与π介子，后来又发现了超 子 (2)实验中发现了许多反粒子，现在发现的 粒子多达400多种。

什么是反粒子？ 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。

粒子分类按粒子与各种相互作用的关系分 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…

3.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。

盖 尔 曼

(1)上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、

底夸克、顶夸克。 (2)夸克带电荷为元电荷的2/3或-1/3倍 科学家们还未捕捉到自由的夸克。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)

例：已知π+介子、π-介子都是由一个夸克

(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或 反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所 示，表中e为元电荷。下列说法正确的是( ) A.π+由u和 d 组成 π + π- u d u d B.π+由 和d组成 u C.π-由u和 d 组成 带 2 1 1 2e e e e 电 +e -e D.π-由 和d组成 3 3 3 3 u量

AD

媒介子粒 子轻子(6种)

光子(传递电磁相互作用) 胶子(传递强相互作用)电子 电子中微子 μ子和μ子中微子 τ子和τ子中微子

强子参与强作用

质子 中子 介子 超子

夸克

上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 顶夸克

4.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

时 间 的 零 点

宙 各大 处爆 同炸 时是 产在 生无 限 的 宇

大爆炸宇宙论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): 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→

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。 恒星收缩升温→

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： 恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星 恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性 恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞

课堂练习1、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 ( ) 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 B

课堂练习 介子衰变方程为：K-→π-+πo其中介子和π-介

子带负的基元电荷，πo介子不带电，如图所 示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强 磁场中，其轨迹为圆弧Ap,衰变后产生的π介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p点相切，它 们半径Rk-与Rπ-之比为2:1(πo介子的轨迹 未画出)由此可知π-的动量大小与πo的动量 大小之比为( ) A.1:1 B.1:2 C.1:3 D.1:6C