遼寧省大連市高中物理 第十九章 原子核 19.8 粒子和宇宙課件 新人教版選修3-5.ppt

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1、宇宙的起源一直是天文學(xué)中困難而又有啟發(fā)性的問題。宇宙學(xué)中大爆炸論的基本觀點(diǎn)使得宇宙正在膨脹,要了解宇宙更早期的情況,我們必須研究組成物質(zhì)的基本粒子。那么,宇宙到底是怎樣變化的?宇宙是有什么組成的呢?,想一想,宇宙,宇宙,星空,第十九章 原子核,第一節(jié)原子核的組成,1、知識(shí)與技能,了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史 。 初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。,2、過程與方法,感知人類(科學(xué)家)探究宇宙奧秘的過程和方法 。 能夠突破傳統(tǒng)思維重新認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界。,3、情感態(tài)度與價(jià)值觀,讓學(xué)生真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知?jiǎng)?chuàng)建和諧社會(huì)的必要性。 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。,重點(diǎn)

2、 了解構(gòu)成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程 難點(diǎn) 各種微觀粒子模型的理解,二、發(fā)現(xiàn)新粒子,三、夸克模型,四、宇宙的演化,一、“基本粒子”不基本,五、行星的演化,一、“基本粒子”不基本,1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子,1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而又發(fā)現(xiàn)了光子,并認(rèn)為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子,所以把它們叫“基本粒子”。那么隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢?,1、基本粒子的組成 分子由原子構(gòu)成,不同原子構(gòu)成化合物分子,相同原子構(gòu)成單質(zhì)分子。 原子是由位于中心的原子核和核外高速旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成的。 (電子帶負(fù)電,原子核帶正電) 原子

3、核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。 (質(zhì)子帶正電,中子不帶電),二、發(fā)現(xiàn)新粒子,1、人們?cè)趯?duì)宇宙研究的同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。 (1)1932年發(fā)現(xiàn)正電子;1937年發(fā)現(xiàn)μ子; (2)1947年發(fā)現(xiàn)K介子與π介子。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達(dá)400多種。 (3)許多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反的粒子,叫做反粒子。 (4)按粒子與各種相互作用的關(guān)系,可分為三大類:強(qiáng)子、輕子和媒介子。,2、按粒子與各種相互作用的關(guān)系粒子的分類是:,,,湯姆遜—電子,盧瑟?!|(zhì)子,查德威克—中子,蓋爾曼—夸克,,,,發(fā)現(xiàn)各種微粒的科學(xué)家,道爾頓—原子,三、夸克模型,試驗(yàn)證明強(qiáng)子是

4、有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的,1964年提出的夸克模型正明強(qiáng)子由更基本的粒成分組成,這種成分叫做夸克??淇擞闪N模型:上夸克d、下夸克u 、奇異夸克s、粲夸克c,底夸克b、頂夸克t。,1995美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克(Top Quark)的存在,四、宇宙的演化,物理學(xué)中有一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象:研究微觀粒子物理、量子理論、與研究宇宙的理論竟然相互溝通,相互支持。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)學(xué)者格拉肖所說:“隱藏在原子內(nèi)心的,是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?!?,那么宇宙到底從何而來呢?,大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生,宇宙大爆炸理論: 早在1929年,埃德溫哈勃作出了一個(gè)

5、具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn),即不管你往哪個(gè)方向看,遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之,宇宙正在不斷膨脹。這意味著,在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上,似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻,它們剛好在同一地方,所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻,當(dāng)時(shí)宇宙無限緊密。,1950年前后,伽莫夫第一個(gè)建立了熱大爆炸的觀念。這個(gè)創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習(xí)見于地球上發(fā)生在一個(gè)確定的點(diǎn),然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸,而是一種在各處同時(shí)發(fā)生,從一開時(shí)就充滿整個(gè)空間的那種爆炸,爆炸中每一個(gè)粒子都離開其它每一個(gè)粒子飛奔。事實(shí)上應(yīng)該理解為空間的急劇膨脹。"整個(gè)空間"可以指的是整個(gè)無限的宇宙,或者指的是

6、一個(gè)就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。,根據(jù)大爆炸宇宙論,甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體,溫度極高,密度極大,且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當(dāng)時(shí)宇宙狀態(tài)的重要標(biāo)志,因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低,使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。,從1948年伽莫夫建立熱大爆炸的觀念以來,通過幾十年的努力,宇宙學(xué)家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史: 大爆炸開始時(shí) 150-200億年前,極小體積,極高密度,極高溫度。 大爆炸后10-43秒 宇宙從量子背景出現(xiàn)。 大爆炸后10-35秒 同一場(chǎng)分解為強(qiáng)力、電弱力和引力。,大爆炸后10-5

7、秒 10萬億度,質(zhì)子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 1000億度,光子、電子、中微子為主,質(zhì)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 300億度,中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100億度,中微子向外逃逸,正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn),核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。,大爆炸后13.8秒后 30億度,氘、氦類穩(wěn)定原子核(化學(xué)元素)形成。 大爆炸后35分鐘后 3億度,核過程停止,尚不能形成中性原子。 大爆炸后30萬年后 3000度,化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì),并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊,

8、直至恒星和恒星系統(tǒng)。,五、恒星的演化,1、恒星的誕生 宇宙塵?!窃茍F(tuán)→恒星誕生→氫核聚合成氦核→氫核聚合成碳核→其他聚變過程→無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞 2、恒星最后的歸宿: 恒星質(zhì)量小于太陽1.4倍→白矮星 恒星質(zhì)量是太陽1.4~2倍→中子性 恒星質(zhì)量更大時(shí)(無法抵抗)→黑洞,粒子物理和宇宙學(xué)殊途同歸,光子:傳遞電磁相互作用,膠子:傳遞強(qiáng)相互作用,電子 電子中微子 μ子和μ子中微子 τ子和τ子中微子,質(zhì)子 中子 介子 超子,,夸克,,上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克 底夸克 頂夸克,2、宇宙演化過程的方框圖: 大爆炸→夸克、輕子、膠子等→強(qiáng)子時(shí)代→輕子時(shí)代→

9、核合成時(shí)代→電子與質(zhì)子符合成氫原子→形成恒星和星系。 3、恒星演化過程的方框圖: 宇宙塵?!窃茍F(tuán)→恒星誕生→氫核聚合成氦核→氫核聚合成碳核→其他聚變過程→無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞。,1.(2004天津) 中子內(nèi)有一個(gè)電荷量為+2e/3 的上夸克和兩個(gè)電荷量為的 -1e/3 下夸克,一簡(jiǎn)單模型是三個(gè)夸克都在半徑為r 的同一圓周上,如圖所示。下面給出的四幅圖中,能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是( ),D,A,B,C,D,B,解析:聚變反應(yīng)時(shí)將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核,聚變過程會(huì)有質(zhì)量虧損,要放出大量的能量。但目前核電站都采用采用鈾核的裂變反應(yīng)。因此B正確。,1、現(xiàn)

10、在,科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”。所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的,“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同質(zhì)量和相同電荷量,但電荷的符號(hào)相反.據(jù)此,若有反α粒子,它的質(zhì)量數(shù)為 ,電荷數(shù)為 ,4,-2,2、1956年李政道和楊振寧提出在弱相互作用中宇稱不守恒,并由吳健雄用云6027Co放射源進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.次年,李、楊二人為此獲得諾貝爾物理獎(jiǎng).6027Co的衰變方程是 6027Co→AZNi+0-1e+ve其中ve是反中微子,它的電荷為零,靜止質(zhì)量可認(rèn)為是零。,(1)Co與Fe同周期,它應(yīng)在周期表的第__ 周期,6027Co的核外電子數(shù)為 。在上述衰變方程中,衰變產(chǎn)物AZNi的質(zhì)量數(shù)A是

11、 ,核電荷數(shù)z是 ; (2)在衰變前6027Co核靜止,根據(jù)云室照片中可以看出,衰變產(chǎn)物Ni和0-1e的運(yùn)動(dòng)軌跡不在一條直線上。如果認(rèn)為衰變產(chǎn)物只有Ni和0-1e,那么衰變過程將違背 守恒定律。,4,27,60,28,動(dòng)量,3、目前普遍認(rèn)為,質(zhì)子和中子都由被稱為μ夸克和d夸克的兩類夸克組成,μ夸克帶電量為2e/3,d夸克帶電量為-e/3,e為元電荷,則下列論斷可能的是( ) A.質(zhì)子由1個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成,中子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成 B.質(zhì)子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成,中子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成 C.質(zhì)子由1個(gè)μ夸克和2個(gè)d夸克組成,中子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)

12、d夸克組成 D.質(zhì)子由2個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成,中子由1個(gè)μ夸克和1個(gè)d夸克組成,B,4、K-介子衰變方程為:K-→π-+πo其中K-介子衰變方程為:K-→π-+πo其中K-介子和π-介子帶負(fù)的基元電荷,πo介子不帶電,如圖所示,一個(gè)K-介子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,其軌跡為圓弧Ap,衰變后產(chǎn)生的π-介子的軌跡為圓弧pB,兩軌跡在p點(diǎn)相切,它們半徑Rk-與Rπ-之比為2:1(πo介子的軌跡未畫出)由此可知π-的動(dòng)量大小與πo的動(dòng)量大小之比為 ( ) A.1:1 B.1:2 C.1:3 D.1:6,C,1、粒子的分類,2、答:宇宙演化過程的方框圖: 大爆炸→夸克、輕子、膠子等→強(qiáng)子時(shí)代→輕子時(shí)代→核合成時(shí)代→電子與質(zhì)子符合成氫原子→形成恒星和星系 恒星演化過程的方框圖:宇宙塵?!窃茍F(tuán)→恒星誕生→氫核聚合成氦核→氫核聚合成碳核→其他聚變過程→無聚變反應(yīng)、形成白矮星或中子星或黑洞,

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