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中困難而又有啟發(fā)性的問題。宇宙學中大爆炸論的基本觀點使得宇宙正在膨脹，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)思維重新認識客觀物質(zhì)世界。,3、情感態(tài)度與價值觀,讓學生真正感受到自然的和諧統(tǒng)一并深知創(chuàng)建和諧社會的必要性。 培養(yǎng)學生的科學探索精神。,重點

2、 了解構(gòu)成物質(zhì)的粒子和宇宙演化過程 難點 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、人們在對宇宙研究的同時發(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。實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的粒子多達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)各種微粒的科學家,道爾頓—原子,三、夸克模型,試驗證明強子是

4、有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，1964年提出的夸克模型正明強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美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克(Top Quark)的存在,四、宇宙的演化,物理學中有一個非常有趣的現(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。正如諾貝爾物理學獎學者格拉肖所說：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！保敲从钪娴降讖暮味鴣砟?？,大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個“奇點”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

5、具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。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。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。,1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習見于地球上發(fā)生在一個確定的點，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發(fā)生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹。"整個空間"可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是

6、一個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)一的溫度是當時宇宙狀態(tài)的重要標志，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，宇宙學家們?yōu)槲覀児串嫵鲞@樣一部宇宙歷史： 大爆炸開始時 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 同一場分解為強力、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，正負電子湮沒反應出現(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→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、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(無法抵抗)→黑洞,粒子物理和宇宙學殊途同歸,光子：傳遞電磁相互作用,膠子：傳遞強相互作用,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→強子時代→輕子時代→

9、核合成時代→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→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、形成白矮星或中子星或黑洞。,1．(2004天津) 中子內(nèi)有一個電荷量為+2e/3 的上夸克和兩個電荷量為的 -1e/3 下夸克，一簡單模型是三個夸克都在半徑為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：聚變反應時將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會有質(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。因此B正確。,1、現(xiàn)

10、在，科學家們正在設法尋找“反物質(zhì)”。所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同質(zhì)量和相同電荷量，但電荷的符號相反．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放射源進行了實驗驗證．次年，李、楊二人為此獲得諾貝爾物理獎．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)量可認為是零。,（1）Co與Fe同周期，它應在周期表的第__ 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的運動軌跡不在一條直線上。如果認為衰變產(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,動量,3、目前普遍認為，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μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和2個d夸克組成 B．質(zhì)子由2個μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和2個d夸克組成 C．質(zhì)子由1個μ夸克和2個d夸克組成，中子由2個μ夸克和1個

12、d夸克組成 D．質(zhì)子由2個μ夸克和1個d夸克組成，中子由1個μ夸克和1個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-介子帶負的基元電荷，πo介子不帶電，如圖所示，一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，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-的動量大小與πo的動量大小之比為 （ ） 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→強子時代→輕子時代→核合成時代→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→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、形成白矮星或中子星或黑洞,