高中物理 宇宙热历史概述粒子退耦原子复合过程微波背景辐射大爆炸核合成
高中物理 第4章 从原子核到夸克 4.4 粒子物理与宇宙的
4.4 粒子物理与宇宙的起源[先填空]1.对粒子的认识过程(1)“基本粒子”：知道原子核的组成之后，人们以为电子、质子、中子等是组成物质的最基本的粒子.(2)新粒子的发现①1912年，赫斯证实有射线从宇宙空间射来，之后，许多物理学家对宇宙射线研究发现了一些新粒子.②人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如1937年发现μ子，1947年发现了k介子和π介子，此后又发现了子，现在已发现的粒子总数达400多种.2.夸克模型(1)夸克：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；上夸克、下夸克带的电荷量分别为元电荷的＋23e或－13e.(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷，但人们还无法获得自由的夸克.3.粒子的类型(1)强子：参与强相互作用，包括质子、中子、介子和超子.(2)轻子：不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子以及与之相联系的三种中微子.(3)传递相互作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、传递弱相互作用的中间玻色子W±、Z 0，以及传递强相互作用的胶子.4.加速器和粒子物理：粒子物理学研究的工具是高能加速器和粒子探测器.高能加速器是指能使粒子能量达到3×109_eV 以上的加速器.[再判断]1.质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子.(×)2.质子和反质子的电量相同，电性相反.(√)3.按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元.(√) [后思考]1.为什么说基本粒子不基本？【提示】 一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的.2.什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？【提示】 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子.按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子.[核心点击]1.新粒子的发现及特点(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子.(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子.4.加速器的种类有：(1)回旋加速器，(2)直线加速器，(3)对撞机.1.关于粒子，下列说法正确的是( )A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B.强子中也有不带电的粒子C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位E.超子的质量比质子的质量还大【解析】 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 错误，B 正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e 和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确；超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E 正确.【答案】 BDE2.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出.中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在.(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H ―→10n ＋ 0＋1e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________.(填写选项前的字母) A.0和0 B.0和1 C.1和0D.1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即 0＋1e ＋ 0－1e ―→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg ，反应中产生的每个光子的能量约为________J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________.(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.【解析】 (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A 正确.(2)产生的能量是由于质量亏损.两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E ＝Δmc 2，故一个光子的能量为E 2，代入数据得E2＝8.2×10－14J.正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律.(3)物质波的波长为λ＝h p，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p ＝2mE k ，因为m n >m e ，所以p n >p e ，故λn <λe .【答案】 见解析处理新粒子问题的方法核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用.[先填空] 1.宇宙的演化宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始形成的.大爆炸之后随温度的降低，宇宙物质从密到疏，逐渐形成气态物质、气云、恒星体系，成为今天的宇宙天体.2.恒星的演化(1)形成：大量星际物质逐渐凝聚成星云，大块星云在引力作用下逐渐凝成原恒星. (2)演化①原恒星收缩，温度升高达7×106_K 时，开始氢聚变成氦的热核反应，产生的斥力与引力达到平衡，恒星进入相对稳定阶段，迄今90%的恒星处在该阶段，时间持续约100亿年左右.②随着氢的减少，核反应的能量不足，星体又开始收缩、温度随之上升，温度达到1×108K 时，发生“氦燃烧”形成碳，恒星演化为红巨星.③恒星核能耗尽就进入末期，其形态有白矮星、中子星和黑洞. [再判断]1.目前，太阳内的热核反应主要是氢核聚变为氦核的反应.(√)2.宇观世界和微观世界是彼此孤立的，没有任何相互联系.(×)3.宇宙将一直会膨胀下去.(×)[后思考]物理学家把自然界的力归结为哪几种相互作用？【提示】物理学家已经把自然界多得数不胜数的力，归结为强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用这四种作用.物理学家的进一步追求，就是把这四种各有特色的相互作用再综合在一个统一的理论体系中.[核心点击]1.恒星的诞生2.恒星的稳定期当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射.辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳定下来.恒星在这一阶段已停留了50亿年.太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段.3.恒星的衰老当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩.这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应.类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素.恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化.当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了.星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大.4.恒星的归宿恒星最终归宿与恒星的质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞.3.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )A.夸克B.质子C.轻子D.中子E.胶子【解析】 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A 、C 、E 正确，B 、D 错误.【答案】 ACE4.关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是( ) A.宇宙已经停止演化B.恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C.当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度增强D.恒星最终都会演化为黑洞E.恒星最终可能演化为中子星【解析】 目前宇宙的演化仍在进行，A 错.恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B 对.恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C 对.根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，D 错，E 对.【答案】 BCE5.已知从地球上的逃逸速度v ＝2GMR，其中G 、M 、R 分别为万有引力常量、地球的质量和半径 .已知G ＝6.67×10－11N·m 2/kg 2，光速c ＝2.99×108m/s ，逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量M ＝1.98×1030kg ，求它可能的最大半径.【导学号：67080040】【解析】 由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度v 2，对于黑洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即v 2>c ，所以R <2GMc2＝2.95 km ，即太阳成为黑洞时的最大半径为2.95 km.【答案】 2.95 km根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期.在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代.继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系.恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞.。
《大爆炸宇宙学》PPT课件
➢ 最终还会合成出少量的7Li和7Be
： ➢ 7Li的产生方式主要有两种
4He3T 7Li
➢
4He3He7Be
7Li与p相碰而部分转回4He
7
Li e
e
➢ 净效果是产生微量的7Li
➢ 铍的净产量则更低 7 Li p4He 4He
40
➢ 原初核合成只产生了元素周期表前三种元素及其同位素，第4和第5号元素也产生了一 点，不能生成6号元素碳及更重的元素
47
➢ 氘核合成开始，即核合成的开始与核子光子数之比η有关 ➢ 因此nn/np的数值与η有关，即核合成的产量与η有关
48
➢ 测量宇宙中各元素的丰度，然后推测出原初氦元素的丰度，就可以确定η的值 ➢ 恒星热核反应会改变各元素的丰度，生成氧、氮、碳等其它元素 ➢ 必须扣除恒星过程的影响 ➢ 天文观测：宇宙中某些气体云中氧、氮和碳的含量比太阳系低很多
理论进行试探性的研究
15
➢ 宇宙早期，各种粒子组份处于热平衡，就象一锅由各种粒子组成的“热汤” ➢ 各种粒子能通过热碰撞进行相互转换 ➢ 宇宙的膨胀，粒子密度和动能都会降低，将导致粒子碰撞次数的减少 ➢ 当某种粒子几乎不再有热碰撞的机会时，它就会退出热平衡，与其它组份失去物理联
系，称之为退耦
16
➢ 宇宙早期,宇宙物质形态以辐射物质为主 ➢ 光子等静质量为0的组份即为辐射物质 ➢ 粒子动能Ek远大于它的静能量E0=M0c2时,该粒子可以看作辐射粒子 ➢ 辐射物质的密度ρ与温度T和时间t的关系：
p e n e
p e n e 43
➢ 这个相互转化的过程非常频繁，使得质子和中子的数密度都满足玻尔兹曼分布 ➢ 由此可得到它们的比例是
Δ ➢ 中子质子质量差: m=mn-mp=1.29MeV
高中物理 宇宙热历史概述粒子退耦原子复合过程微波背景辐射大爆炸核合成
Non-flat Universe
中微子仅贡献很少的一部分暗物质（HDM）
原子复合
宇宙原初元素 H 及 He 为主, 复合过程
H e H , He e He , He e He
这里我们只考虑H 的复合. 当温度 T ~ 104 K, 质子、电子和氢原子 的热力学平衡统计分布满足非相对论 Boltzmann 分布
热平衡 对于一个粒子系统，当粒子间的相互 作用足够频繁时，系统处于热平衡状态。 在膨胀的宇宙中，当粒子间相互作用的时间 尺度短于宇宙膨胀的时间尺度时，热平衡状态 可以维持
n1n2 两体相互作用的频率 这里n1, n2 为两种粒子的数密度 则对于一个“1”类的粒子，它与“2”类粒子 相互作用的时间尺度 3
m 15.5 MeV
宇宙学限制 (e.g., Komatsu et al. 2010) WMAP7+BAO+H0 m 0.58 eV (95%CL)
WMAP7+LRG power spectrum+H0m
0.44 eV
Constraints from Planck
Flat
(without lensing)
gB
mT g 2
3/ 2
m exp T
g* n gB
2
30
T
4
mn
3 nT mn 2
g
*
2
30
T 4, 7 g 8 F
3
3
7 2 2 3 gF T 8 45
nT
g* gB
s
2 2 3 gB T 45
高三物理核聚变粒子和宇宙(课件)
发生聚变的条件:
使原子核间的距离达到10-15m 实现的方法有:
1、用加速器加速原子核； 不经济 ２、把原子核加热到很高的温度；
108～109K 聚变反应又叫热核反应
核聚变的利用——氢弹
弹体
三种炸药：
普通炸药
小 型
普通炸药
爆炸
铀235 外壳
原
子 Ｕ235 裂变
弹
氘、氚、重 氢化钾等
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
2 1H3 1H 4 2He0 1n
氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
m m D m T (m m n )0.0188u8
E m 2 c 0 .01 9 8.3 5 8 M 1 4 eV
A．
B．
C．
D．
核聚变普遍存在于宇宙中
第十九章 原子核 第八节 粒子和宇宙
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室 证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
强子 轻子（共12种） 媒介子
强子分类
分类
粒子名称
介子
、 、 K介子等
自旋 整数
玻色 子
重子
核子 超子
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
宙 时 各大 间 处爆 的 同炸 零 时是 点 产在
生无 限 的 宇
五、恒星的演化
粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归
17．(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个 电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为 r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表 示出各夸克所受静电作用力的是:
物理高三选修知识点总结
物理高三选修知识点总结物理是一门涉及各种物质运动、能量转化和相互作用的学科，是理工类学生必修的科目之一。
在高三的学习中，物理选修课是一个重要的组成部分，它涉及了一些高级的物理知识和概念。
下面是对物理高三选修知识点的总结：1. 电磁感应与电磁波- 麦克斯韦方程组：总结了电磁现象的定律和规律，其中包括高斯定理、法拉第电磁感应定律等。
- 波动光学：讨论了光的干涉、衍射和偏振等现象，以及光的电磁本质和波粒二象性等方面的内容。
- 电磁波：介绍了电磁波的特性、传播和应用等方面的知识，包括电磁波谱和无线电通信等。
2. 热学与统计物理- 热力学定律与循环：包括热力学第一定律、热力学第二定律和卡诺循环等内容。
- 热平衡与热传导：介绍了热平衡的条件、热传导的基本原理和测量方法等方面的知识。
- 统计物理学：讨论了系统的微观状态与宏观性质之间的统计关系，包括玻尔兹曼熵和狄拉克物质统计等。
3. 粒子物理与宇宙学- 基本粒子：介绍了基本粒子的分类、性质和相互作用等内容，包括夸克、轻子、玻色子和费米子等。
- 核物理与放射性衰变：讨论了原子核的结构、核反应和放射性衰变等方面的知识。
- 宇宙学的基本概念：探讨了宇宙的起源、演化和结构等内容，包括宇宙微波背景辐射和宇宙的膨胀等。
4. 量子力学与固体物理- 波粒二象性：介绍了物质的波粒二象性和量子力学的基本原理，包括波函数、薛定谔方程和量子力学中的不确定性原理等。
- 量子力学的应用：讨论了量子力学在原子、分子和凝聚态物理等领域的应用，包括原子能级、电子结构和超导现象等。
- 固体物理学：涉及固体物理的各个方面，包括晶体结构、能带理论和半导体物理等知识。
以上是物理高三选修课中的一些重要知识点的总结。
通过学习这些内容，学生可以进一步加深对物理学的理解，为未来的研究和应用奠定基础。
希望这篇总结对你的学习有所帮助。
高中物理课件-核裂变核聚变粒子和宇宙
直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度
方向相同，求：
（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。
（2）生成的新核的速度大小和方向。
（3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场
中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？
解： （1）写出核反应方程式
6 3
Li
01n
13H 24He
生成的新核是氚核
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解 释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不 多的碎块。弗里斯把这类核反应定名为核裂变。
一、核裂变 铀核裂变的产物是多样的。 一种典型的裂变是：
U 235
92
+
01n
136 54
Xe
+
90 38
Sr
+
10
01n
一、核裂变 2、链式反应 由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一 代继续下去的过程，叫核裂变的链式反应。
（2）由题给条件可求得质量亏损为：
Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u ∴释放的核能为 ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV
、 例2
静止在匀强磁场中的
6 3
Li
原子核，俘获一个
速度为7.7×104 m/s 的中子而发生核反应放出α粒子后
变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
一、核裂变 STS 原子弹与科学家的责任
二、核电站
原子核的链式反应也可以在人工控制下进 行。 在第一个原子弹制成以前，科学家们已经 实现了核能的可控释放。 1942年，费米就主持建立了世界上第一个 称为“核反应堆”的装置，首次通过可控 制的链式反应实现了核能的释放。
宇宙大爆炸理论解析
宇宙大爆炸理论解析宇宙大爆炸理论是关于宇宙起源和演化的一个重要理论。
它提供了对宇宙由无到有、由密到疏、由热到冷的过程的解释。
这一理论的提出不仅影响了天体物理学的发展，也对人类对宇宙起源的认知产生了深远的影响。
1.理论概述宇宙大爆炸理论认为，宇宙在数十亿年前起源于一次巨大的爆炸，从此开始了其演化的历程。
在初始的瞬间，整个宇宙被认为是一个极度炽热、高密度的点状物体，称为“奇点”。
随着时间的推移，宇宙经历了膨胀、冷却和结构形成的过程。
2.爆炸后的宇宙在大爆炸发生后，宇宙开始迅速膨胀，这被称为宇宙膨胀。
温度和密度随着膨胀的进行而逐渐降低，宇宙的物质开始由高能量粒子逐渐转变为原子和分子。
这一过程称为宇宙冷却。
在宇宙初期，大量的氢和少量的氦被合成出来，这种合成被称为原初核合成。
随着时间的推移，宇宙中的物质逐渐形成了星系、星球和其他天体。
3.宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论的一大证据。
根据该理论，大爆炸发生后，宇宙中的物质经历了强烈的辐射，并持续膨胀至今。
这种辐射在宇宙膨胀过程中逐渐冷却，成为目前宇宙中存在的低温辐射。
宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。
4.理论证据和进一步研究除了宇宙微波背景辐射，宇宙大爆炸理论还得到了许多观测和实验的支持。
例如，宇宙的膨胀速度、宇宙背景辐射的空间分布以及宇宙的结构形成等方面的观测数据与该理论的预测相吻合。
科学家们还通过模拟实验和理论计算进一步验证了宇宙大爆炸理论的可行性。
然而，宇宙大爆炸理论仍然存在一些未解之谜和争议。
例如，关于宇宙什么时候和如何开始膨胀以及膨胀的原因仍然不太清楚。
宇宙的物质和能量构成的问题也是科学家们关注的焦点。
为了解决这些问题，科学家们正在进行进一步的研究，并提出了一些新的理论和模型来解释宇宙的起源和演化。
宇宙大爆炸理论提供了关于宇宙起源和演化的重要解释。
尽管仍然存在一些未解之谜和争议，这一理论通过观测数据和理论计算得到了广泛的支持。
宇宙的终极命运;热大爆炸和冷凝聚(宇宙的热膨胀)
宇宙的终极命运;热大爆炸和冷凝聚
宇宙的终极命运一直是人类探究的重要课题之一，而热大爆炸和冷凝聚则是关于宇宙演化的两种主要理论。
这些理论试图解释宇宙是如何形成、演化，以及最终可能走向何方。
热大爆炸理论认为，宇宙起源于一个极度高温、高密度的状态，随着时间的推移，宇宙经历了膨胀和冷却的过程。
大约138亿年前，整个宇宙被认为处于极端高温的状态，然后发生了一场剧烈的爆炸，即所谓的“热大爆炸”。
在这一瞬间，宇宙从一个微小的点迅速膨胀，创造出了时间、空间和物质。
随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，原子核和电子开始结合成原子，星体、星系等形成。
然而，热大爆炸并非宇宙的终点，根据当前的观测和理论，宇宙并不会永远持续膨胀下去。
相反，有一种与热大爆炸相对的理论，即“冷凝聚”理论。
据此理论，宇宙可能会在未来某个时刻停止膨胀，然后开始收缩，最终走向一个密度极高、温度极低的状态。
在这种情况下，整个宇宙将逐渐凝聚成一个无法想象的小点，甚至可能再次发生类似热大爆炸的事件，重新循环演化。
对于宇宙的终极命运，科学家们还没有达成一致的共识。
有些人认为宇宙会永远持续膨胀，直到无法观测，而有些人则认为宇宙会经历冷凝聚，最终归于静寂。
无论是哪种情况，宇宙的终极命运都充满了神秘与挑战，激发着人类对宇宙的好奇与探求。
在探究宇宙的终极命运的道路上，科学家们还需继续深入研究，利用先进的技术和观测手段，以期更好地理解宇宙的本质和演化规律。
或许在未来，我们能够揭示宇宙的终极命运，解开这个宇宙之谜，为人类带来更多关于宇宙奥秘的启示。
《热大爆炸宇宙模型》课件
探索热大爆炸宇宙模型，了解宇宙起源和演化历程。本课件将介绍理论基础、 证据、问题解决方案以及宇宙模型的意义。
1. 简介
热大爆炸宇宙模型
揭示宇宙起源和发展的理论框架，探索宇宙最初状态及其演化过程。
宇宙的起源
解开宇宙起源之谜，探寻宇宙在初始时刻的状态和演化过程。
2. 宇宙的演化历程
大爆炸前
探究宇宙在热大爆炸之前的状态和结构。
大爆炸后
揭示热大爆炸之后宇宙的演化和结构形成。
3. 热大爆炸理论基础
宇宙学原理
阐述宇宙学原理，了解宇宙的空 间结构和演化模式。
引力理论
探索引力理论理论对热大爆炸宇宙 模型的支持和影响。
4. 热大爆炸的证据
1
宇宙元素丰度
2
研究宇宙元素丰度，揭示宇宙演化的证据。
宇宙微波背景辐射
揭示宇宙起源的宇宙微波背景辐射的探测和 研究。
5. 热大爆炸的问题及解决方案
宇宙学常数问题
探讨宇宙学常数问题的研究和可能 的解决方案。
暗物质问题
解释暗物质在宇宙演化中的作用以 及相关的研究进展。
暗能量问题
探讨暗能量对宇宙演化的影响和研 究中的挑战。
6. 小结
1 热大爆炸模型的意义
总结热大爆炸模型对我们理解宇宙起源和演化的重要意义。
2 进一步研究的方向
探索进一步研究热大爆炸宇宙模型的方向和潜在问题。
7. 参考文献
1. 作者1. (年份). 文献1名称. 期刊名称, 卷号(期号), 页码。 2. 作者2. (年份). 文献2名称. 期刊名称, 卷号(期号), 页码。 3. 作者3. (年份). 文献3名称. 期刊名称, 卷号(期号), 页码。
热学知识点的历史演变
热学知识点的历史演变热学是物理学的重要分支之一，研究热能的性质、传递和转化等过程。
热学知识点的历史演变可以追溯到古希腊时期，随着科学的不断发展，人们对热学的认识也逐渐深化和完善。
本文将从古代到现代，介绍热学知识点的历史演变。
一、古代热学知识点的起源古希腊哲学家第阿那克西曼德认为，世界上最基本的物质是热。
他认为热是原始的物质，万物的起源。
古希腊物理学家狄摩克里特则提出了原子论，认为热是由微观粒子——原子的运动引起的。
这些古代哲学家和物理学家的观点为后世人们对热学的研究提供了基础。
二、近代热学知识点的建立17世纪，英国物理学家罗伯特·博义利通过一系列实验，提出了热是由物质的微观运动引起的观点。
他进一步发现了热的传递过程中存在的能量转化。
这一发现奠定了近代热学的基础。
18世纪，法国物理学家拉瓦锡提出了“一定量的热传导需要一定的时间和温度差”的热传导定律，进一步推动了热学知识点的发展。
三、热力学的确立与熵的概念19世纪初，法国物理学家卡诺提出了卡诺定理和卡诺循环，奠定了热力学的基础。
他的工作使热学知识点从简单的热传导和热转化扩展到了热力学系统的整体性质和热能转化效率的研究。
同时，德国物理学家克劳修斯首次提出了熵的概念，将热学系统的无序度量化，进一步完善了热学知识点。
四、热辐射和黑体辐射定律的发现19世纪末，德国物理学家麦克斯·普朗克提出了能量量子化的假设，解释了黑体辐射的分布规律，奠定了量子理论的基础。
这一发现开启了量子物理学的大门，也为热学知识点的发展提供了新的方向。
五、热力学的统计解释和微观基础20世纪初，奥地利物理学家卡尔·玻尔兹曼通过概率论和统计物理学的研究，将热力学规律用微观粒子的运动解释了起来。
他的工作为热学提供了微观基础，并建立了统计热力学的体系，进一步推动了热学知识点的发展。
六、现代热学的前沿研究随着科学技术的不断进步，现代热学的研究逐渐涵盖了更广泛的领域。
物理天体相关知识点总结
物理天体相关知识点总结宇宙学宇宙学是研究整个宇宙的科学，它包括宇宙的起源、结构、演化和性质等方面。
宇宙学主要研究以下几个方面的知识点：宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是指宇宙中天空中均匀分布着的微波辐射，它来自于宇宙大爆炸之后的宇宙辐射，是宇宙中最早的光子辐射。
它的存在是对宇宙大爆炸理论的强有力证据。
宇宙膨胀：宇宙膨胀是指宇宙中所有的天体都在远离地球，宇宙自身也在不断膨胀。
宇宙膨胀是由于宇宙中的物质在宇宙大爆炸后不断扩散而形成的。
宇宙的膨胀是由引力和宇宙学常数相互作用而产生的。
宇宙红移：宇宙红移是指宇宙中的天体由于宇宙膨胀而发生的光谱移动，即光谱中的波长会向红端移动。
宇宙红移是宇宙膨胀的重要证据之一，也是宇宙学研究中的重要现象。
星系星系是由恒星、行星、星云等天体聚集而成的天体系统，它包括了多种类型的天体和现象。
星系的研究重点主要有以下几个方面的知识点：星系形成：星系形成是指恒星、行星、行星带等天体根据引力相互作用而形成的天体系统。
星系形成是宇宙中天体演化的重要过程，它是恒星和行星形成的基础。
星系结构：星系结构是指星系中恒星、行星、星云等天体的组织结构。
它包括了星系的形状、大小、质量分布等各种特征。
星系结构是星系演化和形成的基础。
星系类型：根据不同的结构和形态，星系可以分为椭圆星系、螺旋星系和不规则星系等几种类型。
每种类型的星系都有不同的形态和特征，它们对宇宙的研究具有重要的意义。
恒星恒星是宇宙中巨大的恒定辐射能量的天体，它包括恒星的演化、结构和特征等方面的知识点。
恒星的研究重点主要有以下几个方面的知识点：恒星结构：恒星结构是指恒星中央核心、包层和光球等各部分组织结构。
恒星结构的研究可以揭示恒星内部的物理过程和性质。
恒星演化：恒星演化是指恒星从形成到死亡的整个过程。
在恒星演化过程中，恒星经历了不同的阶段，包括主序星、红巨星、超新星等几个重要阶段。
恒星分类：根据恒星的质量、半径、光谱等性质，恒星可以分为几种不同的类型，包括巨星、超巨星、白矮星等。
科普宇宙物理知识点总结
科普宇宙物理知识点总结一、宇宙的起源宇宙的起源一直是人类探索的焦点之一，现在主流的宇宙起源理论是大爆炸理论。
大爆炸理论认为，宇宙在138亿年前由一个极小、极热、极密的状态开始，然后迅速膨胀，形成了宇宙的起源。
在最初的极端条件下，所有的物质和能量都处于异常高的密度和温度，宇宙中的所有物质都被混合在一起，并且没有形成任何稳定的结构。
然后，在几秒钟之内，宇宙开始膨胀，温度急剧下降，这使得粒子开始逐渐凝聚，形成了氢、氦等原子核，并且逐渐形成了原子。
这个过程持续了几分钟，宇宙中的原子核逐渐稳定下来，形成了宇宙中物质的基本构成。
在之后的数十亿年中，宇宙持续膨胀，并且经历了星系的形成和演化，形成了我们所看到的宇宙。
二、宇宙的演化宇宙的演化是一个复杂的过程，包括了宇宙的膨胀、星系的形成和演化、宇宙辐射的产生和演化等。
在大爆炸之后，宇宙开始膨胀，并且物质逐渐凝聚形成了星系和星际物质。
随着宇宙的演化，星系之间的引力相互作用，形成了星系团、星系超团等大尺度的结构。
在宇宙演化的过程中，宇宙中的物质逐渐凝聚形成了恒星、行星、卫星等天体，同时也产生了宇宙射线、宇宙微波背景辐射等现象。
三、宇宙的结构宇宙的结构是宇宙物理研究的重要课题之一，宇宙中存在着各种不同尺度的结构。
从小尺度来看，宇宙中存在着恒星、行星、卫星等天体，它们通过引力相互作用形成了星系、星系团等大尺度的结构。
在更大的尺度上，宇宙中的结构包括了宇宙大尺度结构、星系团、星系超团等。
这些大尺度结构的形成和演化，揭示了宇宙中物质的分布、形成和演化规律，为我们理解宇宙的结构提供了重要的线索。
四、宇宙的组成宇宙的组成是宇宙物理研究的一个重要方面，宇宙中的组成包括了各种物质、能量和物质的状态。
根据现有的观测和理论，宇宙的组成主要包括了普通物质、暗物质、暗能量等。
其中，普通物质包括了我们所熟悉的原子、分子等物质，它们占据了宇宙中大部分的物质。
而暗物质是一种神秘的物质，它不发出电磁辐射，也不与普通物质发生相互作用，但是对于宇宙的结构和演化有着重要的影响。
高中物理第十九章原子核核聚变粒子和宇宙教材梳理素材新人教选修
7 核聚变8 粒子和宇宙疱丁巧解牛知识·巧学一、核聚变1.定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变.例如H 21+H 31→He 42+n 12.聚变发生的条件(1)要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15m ，但是原子核是带正电的，要使它们接近10-15m 就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求原子核具有足够的动能.要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万摄氏度的高温.(2)在高温下，原子已完全电离，形成物质第四态——等离子态，等离子体的密度及维持时间达到一定值时，才能实现聚变.3.轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量，由于温度较高，所以聚变也称为热核反应. 联想发散 原子弹爆炸时，能产生这样的高温，然后引起轻核的聚变，氢弹就是根据这一原理制成的.太阳等许多恒星内部都进行着剧烈的核聚变，温度高达107 K 以上，向外释放大量的能量，地球只接收了其中的二十亿分之一左右.4.聚变与裂变的比较(1)能用于热核反应的原料极其丰富，裂变的原料比较稀缺.(2)同样情况下聚变放出的能量比裂变大.(3)热核反应后的遗留物对环境污染小，这一点裂变无法相比.二、受控热核反应1.热核反应的优点(与裂变相比)(1)产生的能量大；(2)反应后生成的放射性物质易处理；(3)热核反应的燃料在地球上储量丰富.2.实现核聚变的难点地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，为解决这个难题，目前有3种方法对等离子体进行约束，即引力约束、磁约束和惯性约束.3.热核反应的两种方式爆炸式热核反应；受控式热核反应，目前正处于探索、试验阶段.三、“基本粒子”不基本1.19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子.2.从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成.3.科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构.4.粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具.四、发现新粒子1.超子：质量比质子的质量大的粒子.2.反粒子(反物质)实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子，例如电子和正电子，质子和反质子等.由反粒子构成的物质叫反物质.反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子.3.按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子.(1)强子：强子是参与强相互作用的粒子，如质子是最早发现的强子，强子又分为介子和重子两类.(2)轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子，如电子、中微子、μ子、τ子等.(3)媒介子：媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子.五、夸克模型实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受.根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克(u)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、下夸克(d)、底夸克(b)和顶夸克(t).它们带的电荷分别为元电荷的±31或±32.到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克存在的证据.夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷.六、宇宙的演化用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化，根据大爆炸理论在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，在大爆炸的瞬间(约10-14 s ，温度为1032 K)产生夸克、轻子、胶子等粒子.大爆炸后约10-6 s ，温度下降到1013 K 左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代，当温度下降到1011 K(10-2 s)，只剩下少量的强子，而主要是光子、中微子和电子等轻子，此时称为轻子时代，当温度下降到109 K(102 s)，少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氘核、氦3等轻核及其他轻核等生成，此时称为核合成原子，此时称为合时代.继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系.七、恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3 000 K 左右，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃.由于万有引力作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得动力势能转化为内能，温度升高，温度升到一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了.这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过107 K 时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞. 典题·热题知识点一 核聚变例1 下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是( )A.P 3015→Si 3014+e 01B.H 21+H 31→He 42+n 1C.C 146→N 147+e 01D.U 23892→Th 23490+He 42 解析：因为轻核结合成质量较大的核叫聚变.此题关键在一个“聚”字，即变化之前应至少有两种核，四个选项中只有选项B 符合要求.答案：B例2 使两个氘核发生聚变生成一个氦核，放出多少核能？解析：聚变的核反应式为2H 21→He 42，先查出氘核和氦核的质量m D =2.014 102 u ，m He =4.002 603 u ，然后根据核反应前后的质量亏损，用质能方程算出释放的核能.答案：核反应前后的质量亏损为Δm=2m D -m He =2×2.014 102 u -4.002 603 u=0.025 601 u ，释放的核能为ΔE=0.025 601×931.5 MeV=23.84 MeV.巧解提示 也可先查出氘核和氦核的平均结合能，E D =1.11 MeV ，E He =7.07 MeV ，采用先拆散后结合的方法，即先把2个氘核分解成4个自由核子(2个中子和2个质子)需提供的能量为E 1=4×1.11 MeV=4.44 MeV，再使4个自由核子结合成氦核时释放出的能量为E 2=4×7.07 MeV=28.28 MeV，比较前后两个过程中释放的结合能，则两个氘核发生聚变生成一个氦核时，放出的核能为ΔE=E 2-E 1=28.28 MeV-4.44 MeV=23.84 MeV.知识点二 核聚变与其他知识综合例3 太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射源，而且也包括像所有矿物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，还应包括绿色植物的光合作用固定下来的能量，即生物能，严格地说，除了地热能和原子核能以外，地球上所有其他能源全部来自太阳能，这也称为“广义太阳能”，以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别.(1)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这种核反应释放出的能量就是太阳能的能源，其核反应方程是_______________________________；若ｍH =1.007 3 u ，ｍHe =4.002 6 u ，ｍe =0.000 55 u ，则该反应中的质量亏损是________________u ；如果1 u 相当于931.5 Me Ｖ的能量，由该反应中释放的能量是___________________Me Ｖ.由于核反应中的质量亏损，太阳的质量缓慢减少，与现在相比，在很久很久以前，地球转的周期___________________.(填“较长”“较短”“没有变化”)(2)利用光电转换可以将太阳能转化为电能.若地球附近某太空站上的太阳能电池接收板的面积是S ，光电转化效率为η.已知太阳辐射的总功率为P ，太阳辐射穿过太空的能量损失忽略不计，光速为c ，太阳光射到地球上经历的时间为t ，试求该太阳能电池能够输出的最大电功率.解析：(1)4H 11→He 42+2e 01+，核反应的质量亏损为Δｍ=4ｍH -ｍHe -2ｍe =4×1.007 3 u -4.002 6 u-2×0.000 55 u=0.025 5 u. 该核反应释放的能量为ΔE=0.025 5×931.5 Me Ｖ=23.75 Me Ｖ.在很久很久以前，太阳的质量比现在大，太阳和地球间的万有引力比现在的大，由F=m(T π2)2r ，可知很久很久以前，地球公转的周期较短.(2)以太阳为中心，日地间距离r 为半径做一个球面.其表面积S 球=4πr 2，r=ct.设接收板上获得的辐射功率为P′，当其正对太阳光时，获得功率最大，则P′/P=S/S 球联立求解可得P′=224t c PS π， 太阳能电池能够输出的最大电功率为P m =ηP′=224t c PS πη. 答案：(1)4H 11→He 42+2e 01+ 0.0255 u 23.75 MeV 较短 (2)以太阳为中心，日地间距离r 为半径做一个球面.其表面积S 球=4πr 2，r=ct.设接收板上获得的辐射功率为P′，当其正对太阳光时，获得功率最大，则p′/p=S/S 球联立求解可得P′=224t c PS π. 太阳能电池能够输出的最大电功率为P m =ηP′=224tc PS πη. 巧解提示 构建物理模型，将太阳辐射的能量看作照射到以太阳为中心，以日地之间距离为半径的球面上，太阳能接收板只是接收其中的一部分.例4 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素).已知氘核的质量ｍD =2.013 6 u ，氦核质量m He =3.015 u ，中子质量m n =1.008 7 u.(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(2)若反应前两氘核的动能均为E kD =0.35 MeV ，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多少？解析：根据题中给出的条件，可算出质量亏损，运用质能方程可求出，也可由1 u 相当的能量求出.把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒.由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量为零.对撞前后总能量也是守恒的.根据反应前后系统的总动量守恒、总能量守恒可求出氦核和中子的动能.(1)聚变的核反应方程为 2H 21→He 32+n 10.这个核反应中的质量亏损为：Δm =2m D -(m He +m n )=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u=0.003 5 u.释放的核能为ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV.(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒.由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即0=m He v He +m n v n ①又由于反应前后总能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为： 21m He v He 2+21m n v n 2=ΔE+2E kD ② 因为m He ∶m n =3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：v H e /v n =1/3.把这两个关系式代入②式得ΔE+2E kD =4×21m He v He 2=4E kHe . 即(3.26 + 2×0.35)MeV=4E kHe .得氦核的动能和中子的动能分别为：E kHe =41(3.26+2×0.35)MeV=0.99 MeV， E kn =3E kHe =2.97 MeV.误区警示 该题常犯错误在于运用能量守恒定律解题时没有将核反应过程中与原子核质量增减对应的能量吸收考虑进去，而认为作用后的总动能等于作用前的总动能.问题·探究思维发散探究问题1 聚变与裂变的区别有哪些？探究思路：可以从原理、放出能量的大小、废料处理、两种反应的可控制性等方面比较得出.1.原理不同重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量.2.放出能量的大小不同重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1 MeV ，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3 MeV 以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量.3.废料处理难度不同裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多.4.“燃料”的丰富程度不同热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1 L 海水中大约有0.03 g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300 L 汽油相当，而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7%，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多，我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多.5.两种反应的可控制性不同裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术.我国可控热核反应的研究情况是：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动.1994年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT7超导托卡马克”已安装调试成功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力.探究结论:观点一：原理不同观点二：放出能量的大小不同观点三：废料处理难度不同观点四：“燃料”的丰富程度不同观点五：两种反应的可控制性不同交流讨论探究问题2 为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量?探究过程:孙雷：可以从核子的平均结合能上看，如图19-7-1.图19-7-1 核平均结合能随质量数从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大.因此可知两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量.李扬：也可以根据核子的平均质量图分析，如图19-7-2.由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A裂变成B或C，或者原子序数较小的D和E结合成F核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量.图19-7-2探究结论:从以下两个角度：核子的平均结合能，根据核子的平均质量都可以说明轻核聚变和重核裂变都会释放能量.高考理综物理模拟试卷注意事项：1. 答题前，考生先将自己的姓名、准考证号填写清楚，将条形码准确粘贴在考生信息条形码粘贴区。
物理学历史知识点汇总高一
物理学历史知识点汇总高一物理学是一门探究自然现象和物质运动规律的科学，它积累了许多有关物理现象的基本知识。
在高一的学习中，我们将接触到一些重要的物理学历史知识点。
下面是对这些知识点的汇总和介绍。
1. 瓦特的蒸汽机18世纪末，詹姆斯·瓦特改进了蒸汽机的设计，使之更加高效。
蒸汽机的发明和改进在工业革命中起到了关键作用，推动了现代工业的发展。
2. 牛顿的运动定律艾萨克·牛顿在17世纪提出了三个运动定律，被称为牛顿运动定律。
这些定律描述了物体在外力作用下的运动规律，奠定了经典物理力学的基础。
3. 波尔的原子模型尼尔斯·波尔于20世纪初提出了原子的行星模型。
他认为原子由一个中心核和围绕核运动的电子组成，并且电子只能处于特定的能量级，这些能量级间存在不连续的跃迁。
4. 爱因斯坦的相对论阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初提出了相对论，包括狭义相对论和广义相对论。
相对论揭示了时间和空间的相对性，重新定义了物理学的基本概念。
5. 量子理论量子理论是20世纪初发展起来的一种物理学理论，用于描述微观世界中的粒子行为。
它的发展对于解释微观现象和开拓新的科学领域具有重要意义。
6. 干涉与衍射干涉和衍射是波动现象中的重要现象。
干涉是指两个或多个波的叠加产生的干涉条纹，而衍射是波在物体边缘或孔径处发生弯曲和扩散。
7. 麦克斯韦方程组詹姆斯·麦克斯韦在19世纪提出了电磁场的基本方程组，被称为麦克斯韦方程组。
这些方程描述了电磁场的行为和相互作用，是电磁学的基础。
8. 热力学定律热力学定律是描述热力学过程的基本规律。
其中最著名的是热力学第一定律（能量守恒定律）和热力学第二定律（熵增定律）。
9. 巴内特电池巴内特电池是第一个可重复使用的原电池，由朱尔斯·巴内特于19世纪初发明。
它的发明标志着现代电池技术的起源。
10. 达尔文的演化论查尔斯·达尔文在19世纪提出了进化论，认为物种的形成和演化是自然选择的结果。
宇宙物理学知识点
宇宙物理学知识点宇宙物理学是研究宇宙的起源、演化和结构的科学领域。
随着科学技术的不断发展，人们对宇宙物理学的认识也越来越深入。
本文将从宇宙的起源、宇宙演化以及宇宙结构三个方面，介绍宇宙物理学的一些重要知识点。
一、宇宙的起源宇宙的起源是宇宙物理学研究的核心问题之一。
根据大爆炸理论，宇宙起源于约138亿年前的一次巨大爆炸，即大爆炸。
大爆炸后，宇宙开始膨胀，物质和能量不断扩散，形成了宇宙的基本结构。
1. 大爆炸理论大爆炸理论认为，宇宙起源于一个极其高温高密度的初始状态，随着时间的推移，宇宙不断膨胀。
在大爆炸的瞬间，宇宙中的所有物质和能量都集中在一个极小的点上，被称为“奇点”。
大爆炸后，宇宙开始膨胀，物质和能量逐渐分散。
2. 宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的重要证据之一。
宇宙微波背景辐射是宇宙中剩余的辐射能量，它是由大爆炸后的宇宙膨胀过程中产生的。
这种辐射呈现出均匀的分布，温度约为2.7K，是宇宙学研究的重要依据之一。
二、宇宙的演化宇宙的演化是宇宙物理学的另一个重要研究方向。
宇宙的演化包括宇宙的膨胀、星系的形成和演化以及恒星的生命周期等过程。
1. 宇宙膨胀宇宙膨胀是宇宙演化的基本过程。
根据观测数据，宇宙膨胀的速度正在加快，这被称为宇宙加速膨胀。
宇宙加速膨胀的原因尚不清楚，被称为“暗能量”。
2. 星系的形成和演化星系是宇宙中最大的天体结构，它们由恒星、星际物质和暗物质组成。
星系的形成和演化是宇宙物理学的重要研究内容之一。
根据观测数据，星系的形成和演化与宇宙的膨胀密切相关。
3. 恒星的生命周期恒星是宇宙中最基本的天体，它们通过核聚变反应产生能量。
恒星的生命周期包括诞生、演化和死亡三个阶段。
恒星的生命周期与恒星的质量密切相关，质量较大的恒星通常寿命较短。
三、宇宙的结构宇宙的结构是宇宙物理学研究的另一个重要方面。
宇宙的结构包括星系团、星系和恒星等天体结构。
1. 星系团星系团是由多个星系以及星系间的星际物质组成的庞大天体结构。
高中物理史实总结
高中物理史实(shǐshí)总结高中物理史实(shǐshí)总结一、原子结构与原子核1、贝克勒尔：首次(shǒu cì)发现了铀的天然放射现象，开始认识原子核结构是复杂的。
2、居里夫妇：研究天然放射现象。
3、汤姆孙：研究阴极射线，发现电子，测得了电子的比荷e/m；提出(tí chū)了“枣糕模型〞，在当时能解释一些(yīxiē)实验现象。
4、密立根：油滴实验，侧得了电子的电荷量，提出了电荷量子化5、卢瑟福：通过α粒子的散射现象，提出原子的核式结构；首先实现了人工核反响，用α粒子轰击N原子核，发现了质子。
6、查德威克：从原子核的人工转变实验研究中，发现了中子。
7、巴耳末系：H原子光谱中可见光局部规律。
8、波尔原子理论：解释H原子光谱图二、波粒二象性1、普朗克：提出量子概念电磁辐射〔含光辐射〕的能量是不连续的，E与频率υ成正比。
2、爱因斯坦：提出了光子说并圆满的解释了光电效应。
3、康普顿：康普顿效应，光子除了具有能量之外还具有动量。
4、德布罗意：提出物质波概念，任何一种运动的物体都有一种波与之对应。
三、力1、牛顿：动力学的奠基人，他总结和开展了前人的发现，得出牛顿定律及万有引力定律，奠定了以牛顿定律为根底的经典力学。
2、开普勒：发现了行星运动规律的开普勒三定律，奠定了万有引力定律的根底。
3、卡文迪许：巧妙的利用扭秤装置测出了万有引力常量。
4、爱因斯坦：建立了狭义相对论及广义相对论。
提出了“质能方程〞。
四、电与磁1、焦耳：测定了热功当量J=4.2焦/卡，为能的转化守恒定律的建立提供了坚实的根底。
研究电流通过导体时的发热，得到了焦耳定律。
2、库仑：巧妙的利用“库仑扭秤〞研究电荷之间的作用，发现了“库仑定律〞。
3、欧姆：在实验研究的根底上，欧姆把电流与水流等比拟，从而引入了电流强度、电动势、电阻等概念，并确定了它们的关系。
4、奥斯特：通过试验发现了电流能产生磁场。
5、安培：提出了著名的分子电流假说。
2024年高考物理：高中物理粒子和宇宙的详解
2024年高考物理：高中物理粒子和宇宙的详解“基本粒子”不基本直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，又认为它们是组成物质的基本粒子．现在已发现粒子有400余种，有些也具有复杂的内部结构。
发现新粒子(1)新粒子：20世纪30年代人们对宇宙射线的研究发现一些新粒子，人们用高能加速器进行实验发现更多新粒子，1932年发现了正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子及以后的超子、反粒子等。
夸克模型宇宙的演化研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论是相互沟通，相互支撑的，从大爆炸开始的不同时间里，对应的温度不同，组成宇宙的物质不相同。
恒星的演化当温度降到3000 K时，中性原子组成的宇宙尘埃在万有引力作用下，尘埃收缩凝集，引力势能转化为内能，温度升高，开始发光形成了恒星，当恒星核能耗尽时，进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或黑洞。
“基本粒子”不基本(1)19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子．(2)从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成的．(3)科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构．(4)研究粒子的主要工具粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具。
粒子的分类（1）按自旋分类3.共振态粒子—寿命极短（约10-23s）正粒子、反粒子正、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。
按相互作用分类轻子（共12种）强子分类夸克模型(1)夸克的提出许多实验事实表明，强子是有内部结构的.1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。
(2)夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。
每种夸克都有对应的反夸克。
(3)夸克模型的意义夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
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mp
c 2 105 g 1019 GeV G
lp
1GeV 1.78271024 g
tp G 1043 s 5 c
对应的长度及时间
hG 33 cm 3 10 c
现有的大爆炸理论(+inflation) 只能够描述
相对论极限：
E p, P /3
非相对论极限： m n,
P nT
早期宇宙玻色、费米混合气体
相对论 玻色 相对论 费米
3 (3) 3 gF T 4 2
7 2 4 gF T 8 30
非相对论
n g* n
(3) 3 T , 2
3 g 4 F
n ρ P
(3) 3 gB T 2
0
~ 105
宇宙早期，当 星系不可能存在
105 0
原子、分子为宇宙演化的产物 考虑氢原子 H 的结合能为 E=13.6 eV 当宇宙的温度接近 E 时，光子的能量分布中 高能光子数目足够多，H 原子被完全电离， 即物质不可能以原子的形式存在 只有当宇宙冷却到温度足够低，物质才能 以原子、分子状态存在
1 / n2 R
另一方面，宇主的宇宙， R则
t ~ R2
可以看出，在宇宙的早期，相互作用的时间 尺度小于宇宙膨胀的时间尺度，热平衡为很好的近似。 不同的粒子其相互作用是不同的。随着宇宙的膨胀， 它们在不同的时期脱离热平衡 退耦
化学元素是宇宙演化的产物
原子核由质子和中子 （统称为核子）组成， 核子的平均结合能为 1 MeV 当宇宙温度 T > 1010 K (1 MeV)时，宇宙中的物质 不可能以原子核的状态存在
宇宙早期，物质只能以基本粒子的状态存在 夸克、轻子、规范粒子 其他的状态是宇宙膨胀、冷却演化的产物
宇宙演化热历史
1 1/ 2 R T t 宇宙膨胀早期辐射为主，
H
则有
T3 H
1 T2 2t
随着宇宙的膨胀，温度的降低，中微子退耦, 退耦温度为 T ~ 1MeV 其后，宇宙间中微子数目不再变化，构成中微子背景
中微子背景温度 中微子退耦温度 T ~ 1MeV, 电子质量 m ~ 0.5MeV 在中微子退耦后，正负电子湮灭
量子引力极限
宇宙极早期，粒子的性质用量子理论所描述。 对于一个质量为 m 的微观粒子，其尺度用de Broglie 波长来表征 l d 其中 h 为 Planck 常数，c 为光速。 另一方面，粒子的Schwarzschild 半径为 ls
2Gm c2
2h mc
当de Broglie 波长小于 Schwarzschild 半径时，量子理论无法在经典 广义相对论的框架下建立，经典物理不再适用 量子引力
~ H
不同的粒子与其他粒子间的相互作用是不同的，因此退耦时间不同
中微子退耦 只参与弱相互作用
ee , e e
GF ~ 105 GeV 2 GF: 弱相互作用Fermi耦合常数
2 5
2 2 相互作用截面 GF T
对于中微子，v=1 （光速），n~T3 ~ GF T
e e
湮灭前
, 系统的熵密度 e
s (e )
s(e )
[ g 2 * (7 / 8) ge ] g
s( )
我们知道 g g 2 e
11 s ( ) 4
正负电子湮灭后，其熵转移至光子中。因此 光子温度 T 较湮灭前 0 有一变化
3 4
3
粒子退耦
考虑一种粒子与其他的粒子的相互作用 假设其相互作用率为 ，即一个粒子单位时间内与其他粒子的碰撞次数
n | v |
n: 靶粒子数密度, σ：相互作用截面,
宇宙在膨胀，膨胀的时间尺度为 t ~
R R
v: 粒子相对速度
H 1
当 t 时，粒子的相互作用足够频繁，其处于热平衡状态。 1 而当 t， 粒子间的相互作用慢于宇宙的膨胀，粒子不再处于热平衡状态 1 粒子退耦 : 退耦时刻
热平衡 对于一个粒子系统，当粒子间的相互 作用足够频繁时，系统处于热平衡状态。 在膨胀的宇宙中，当粒子间相互作用的时间 尺度短于宇宙膨胀的时间尺度时，热平衡状态 可以维持
n1n2 两体相互作用的频率 这里n1, n2 为两种粒子的数密度 则对于一个“1”类的粒子，它与“2”类粒子 相互作用的时间尺度 3
温度随着宇宙膨胀的变化
2 2 3 sg T 45
*
熵守恒
2 2 3 3 R sg T R const T R 1 45
3 *
今天的统计量
T 3 n 422 cm 2.75k T 3 8.09 1034 g cm 2.75k T 3 s 2970 cm 2.75k
gB
mT g 2
3/ 2
m exp T
g* n gB
2
30
T
4
mn
3 nT mn 2
g
*
2
30
T 4, 7 g 8 F
3
3
7 2 2 3 gF T 8 45
nT
g* gB
s
2 2 3 gB T 45
宇宙热历史
概述 粒子退耦 原子复合过程 微波背景辐射 大爆炸核合成
概述
观测事实：宇宙膨胀，微波背景辐射， 宇宙元素丰度（4He) 大爆炸理论 （Gamow 1948） 宇宙在膨胀==〉宇宙早期密度高，温度高
宇宙间万物的产生均是宇宙演化的结果
宇宙中的结构只能在宇宙演 化到一定程度才能产生 星系：今天
t t p 1043 s
的物理过程。
量子引力理论：时空量子化
绝热膨胀
宇宙中不可能存在净能流：违背对称性假设 如果宇宙的膨胀是可逆的 绝热，熵守恒 宇宙中存在着各种不可逆的过程。但是宇宙间总的熵非常大，不 可逆的过程不可能对宇宙的熵有大的影响 宇宙的膨胀可以 近似用绝热膨胀来描述。