人教版高中物理选修3-5课件19.8《粒子和宇宙》.ppt
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人教版高二物理选修课件：粒子和宇宙
强子结构的夸克模型
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）
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
人 教 版 高 二 物理选 修-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
宇宙的演化 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
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑 意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正 急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。 这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上， 似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚 好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大 爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
人马座礁湖星云
猎户座马头星云
天蛇座老鹰星云
麒麟座玫瑰星云
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
粒子和宇宙
基本粒子，基本？
分子
原子
电子 质子 中子
夸克
道尔顿（原子） 盖 尔 曼 （ 夸 克 ）
汤姆逊（电子）
卢瑟福（质子）
查 德 威 克 （ 中 子 ）
1995美国费米国家加速器实验室证 实了顶夸克(Top Quark)的存在
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
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）
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
人 教 版 高 二 物理选 修-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
宇宙的演化 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
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑 意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正 急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。 这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上， 似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚 好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大 爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
人马座礁湖星云
猎户座马头星云
天蛇座老鹰星云
麒麟座玫瑰星云
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
粒子和宇宙
基本粒子，基本？
分子
原子
电子 质子 中子
夸克
道尔顿（原子） 盖 尔 曼 （ 夸 克 ）
汤姆逊（电子）
卢瑟福（质子）
查 德 威 克 （ 中 子 ）
1995美国费米国家加速器实验室证 实了顶夸克(Top Quark)的存在
人 教 版 高 二 物理选 修3-5第 十九章 课件： 19.8粒 子和宇 宙(共 24张PP T)
人教版选修3-5 19.7核聚变 19.8粒子和宇宙(共30张PPT)
强子
轻子
媒介子
介子 重子
电子、电子中 光子，中间
微子、μ子、 玻色子、胶
π K 质子、中 μ子中微子、 子
介 介 子、超子 τ子、τ子中
子子
微子
4．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）。
盖 尔
• 1995美国费米国家加 曼
速器实验室证实了顶夸
磁约束 ——环流器
带电粒子运动时在均匀磁场中会由于洛仑兹力的 作用而不飞散，因此，有可能利用磁场来约束参 与反应的物质，这就是磁约束。环流器是目前性 能最好的一种磁约束装置，图19.7-3是其结构示 意图。
惯性约束
也可以利用聚变物质的惯性进行约束。由于聚变反应 的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散 就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个 方向照射参与反以反应的物质，使它们“挤”在一起 发生反应
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u
• 或反夸克d）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AD
（）
• A.π+由u和 d 组成
π+ π- u d u d
(3)1 s 内参与上述热核反应的质子数目．
解析：(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为 N，依据
能量关系PΒιβλιοθήκη N Δ4 E ，有N＝ 4m
p－m4αP－2mec2.
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．
人教版高中物理选修3-5课件第十九章7-8粒子和宇宙
（1）计算释放出的结合能； （2）若反应前两氘核的动能均为 Ek0＝0.35 MeV， 它们正撞发生聚变，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大？
解析：（1）核反应方程为21H＋21H→10n＋32He. 该反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.003 5 u. 由质能方程得释放出的核能ΔE＝Δm×931.5 MeV ＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV. （2）将两氘核作为一个系统，由动量守恒有 0＝mHevHe＋mnvn，① 由动能守恒有：12mHev2He＋12mnv2n＝ΔE＋2Ek0.② 由①②代入数据得 EkHe＝0.99 MeV，Ekn＝2.97 MeV. 答案：（1）3.26 MeV （2）0.99 MeV 2.97 MeV
小试身手 2.关于粒子，下列说法中不正确的是（ ） A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒 子 B.质子、中子本身也有复杂的结构 C.质子是带电的强子 D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：质子和中子是由不同夸克组成的，B对；不同的夸克组
答案：ABC
知识点二 粒子和宇宙
提炼知识 1．“基本粒子”不基本． (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、质子和 中子是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子 并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本 身也有复杂结构．
2．发现新粒子． (1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年发现了μ 子，1947 年发现了 K 介子和π介子及以后的超子等． (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系， 可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子． 3．夸克模型的提出：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．
解析：（1）核反应方程为21H＋21H→10n＋32He. 该反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.003 5 u. 由质能方程得释放出的核能ΔE＝Δm×931.5 MeV ＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV. （2）将两氘核作为一个系统，由动量守恒有 0＝mHevHe＋mnvn，① 由动能守恒有：12mHev2He＋12mnv2n＝ΔE＋2Ek0.② 由①②代入数据得 EkHe＝0.99 MeV，Ekn＝2.97 MeV. 答案：（1）3.26 MeV （2）0.99 MeV 2.97 MeV
小试身手 2.关于粒子，下列说法中不正确的是（ ） A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒 子 B.质子、中子本身也有复杂的结构 C.质子是带电的强子 D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：质子和中子是由不同夸克组成的，B对；不同的夸克组
答案：ABC
知识点二 粒子和宇宙
提炼知识 1．“基本粒子”不基本． (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、质子和 中子是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子 并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本 身也有复杂结构．
2．发现新粒子． (1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年发现了μ 子，1947 年发现了 K 介子和π介子及以后的超子等． (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系， 可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子． 3．夸克模型的提出：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．
人教版高中物理选修35课件：粒子与宇宙+(共25张PPT)
6、“教学的艺术不在于传授本领，而在于激励、唤醒、鼓舞”。2021年11月2021/11/92021/11/92021/11/911/9/2021 7、“教师必须懂得什么该讲，什么该留着不讲，不该讲的东西就好比是学生思维的器，马上使学生在思维中出现问题。”“观察是 思考和识记之母。”2021/11/92021/11/9November 9, 2021 8、普通的教师告诉学生做什么，称职的教师向学生解释怎么做，出色的教师示范给学生，最优秀的教师激励学生。 2021/11/92021/11/92021/11/92021/11/9
底夸克
顶夸克
3．夸克模型
1964年物理学家 盖尔曼提 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。
六种夸克：上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、粲夸克c、 底夸克b、顶夸克t。 夸克带电荷为元电荷的2/3或-1/3倍。每种夸克都有 对应的反夸克。
媒介子：传递各种相互作用的粒子。 如：光子、中间玻色子、胶子。 分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作 用。
媒介子
光子（传递电磁相互作用） 胶子（传递强相互作用）
电子 粒 轻子 电子中微子 子 (6种) μ子和μ子中微子
τ子和τ子中微子
强子
质子 中子 介子 超子
夸克
上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克
大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、 胶子等粒子。 大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和 中子等强子，成为强子时代。 再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而 自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时 代。 温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦 核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时 代。 大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和 氦核的混合电离气体组成。 温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。 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。
底夸克
顶夸克
3．夸克模型
1964年物理学家 盖尔曼提 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。
六种夸克：上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、粲夸克c、 底夸克b、顶夸克t。 夸克带电荷为元电荷的2/3或-1/3倍。每种夸克都有 对应的反夸克。
媒介子：传递各种相互作用的粒子。 如：光子、中间玻色子、胶子。 分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作 用。
媒介子
光子（传递电磁相互作用） 胶子（传递强相互作用）
电子 粒 轻子 电子中微子 子 (6种) μ子和μ子中微子
τ子和τ子中微子
强子
质子 中子 介子 超子
夸克
上夸克 下夸克 奇夸克 粲夸克
大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、 胶子等粒子。 大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和 中子等强子，成为强子时代。 再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而 自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时 代。 温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦 核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时 代。 大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和 氦核的混合电离气体组成。 温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。 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。
人教版高中物理选修3-5 19.8 粒子和宇宙教学课件共36张PPT
下列说法正确的是（） A原子是组成物质的不可再分的最小微粒 B原子是最大微粒 C原子有原子核和核外电子构成，质子和 中子组成了原子核 D质子属于强子，光子属于轻子
二、夸克模型:
夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格 于1964年独立地提出，现代粒子物理学认为， 夸克共有6种，分别称为上夸克、下夸克、 奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组
查德威克于1932年发现了中子
于是许多人认为光子、电子、质子和中子 是组成物质的不可再分的粒子并把它们叫 做“基本粒子”。
然而！ 1、科学家发现新粒子不是电子、质子和中 子组成的： 2、科学家还发现质子、中子等本身也有自 己的复杂的结构。 所以20世纪后半期起，就将“基本”二字去 掉，统称为粒子
发现新粒子
1、正电子
1930年，安德森开始通过拍摄宇宙射线穿过云
室的径迹来研究宇宙射线。他发现一种带正电的 粒子几乎和那些带负电的粒子一样频繁地出现。 这种带负电的粒子很明显就是电子，但那些带正 电的粒子显然不是质子(质子是当时所知唯一的带 正电的粒子)，因为它们在云室中不能充分电离。 最后，安德森推断“合乎逻辑的答案只有一个:这种 粒子和普通的带负电的自由电子相比，它们带有 等量的正电荷并且质量同数量级”。事实上，这种 粒子就是正电子，安德森在1932年9月宣布了它 的存在。
三、宇宙的演化: 微观与宏观相互沟通、相互支撑 诺奖获得者格拉肖：“隐藏在原子内心的， 是宇宙结构的秘密”
宇宙大爆炸理论: 宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前 一次大爆炸后膨胀形成的。 1927年，比利时 天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙
大爆炸假说。
宇宙的演化:
宇宙的演化:
32
大爆炸后10^-44秒宇宙，温度10 K夸克、
高中物理人教版选修3-5课件第十九章7~8核聚变粒子和宇宙
规律总结核聚变反应方程的书写与核能的计算
(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损,然后根据爱因斯
坦质能方程求解。
探究一
探究二
粒子与宇宙
问题探究
(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?
要点提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都
粒子。 (
)
解析:随着科学的发展,科学家们发现质子、中子等本身也有复
杂结构。
答案:×
(2)太阳辐射的巨大能量来自太阳中本身储存的大量内能。
(
)
解析:太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时
释放的能量。
答案:×
(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 (
)
解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服
(2)此反应过程的质量亏损为
Δm=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u,
ΔE=Δmc2=0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV。
1
13
12
12
应方程为 1 H+6 C→ 7 N+Q1,11 H+15
7 N→6 C+X+Q2。
方程中 Q1、Q2 表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:
1
原子核
3
4
12
13
15
H
He
He
C
N
N
2
2
6
7
(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损,然后根据爱因斯
坦质能方程求解。
探究一
探究二
粒子与宇宙
问题探究
(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?
要点提示:(1)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都
粒子。 (
)
解析:随着科学的发展,科学家们发现质子、中子等本身也有复
杂结构。
答案:×
(2)太阳辐射的巨大能量来自太阳中本身储存的大量内能。
(
)
解析:太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时
释放的能量。
答案:×
(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 (
)
解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服
(2)此反应过程的质量亏损为
Δm=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u,
ΔE=Δmc2=0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV。
1
13
12
12
应方程为 1 H+6 C→ 7 N+Q1,11 H+15
7 N→6 C+X+Q2。
方程中 Q1、Q2 表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:
1
原子核
3
4
12
13
15
H
He
He
C
N
N
2
2
6
7
人教版高中物理选修35课件：第19章19.8+粒子和宇宙+(共24张PPT)
粒子的分类
1、按自旋分类
分类
自旋
泡利不相容原 理
统计规律
费米子 (电子 质子 中子 各
种重子)
半整数 1/2，3/2，…
服从
费米—狄拉克统计分 布
玻色子 ( 光子 介子 K介子、介子 )
整数 0或1等
不服从
玻色— 爱因斯坦统计 分布
2、共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
3、正粒子、反粒子
正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物
（ 夸 克 ）
盖 尔 曼
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
1、所有高尚教育的课程表里都不能没有各种形式的跳舞：用脚跳舞，用思想跳舞，用言语跳舞，不用说，还需用笔跳舞。 2、一切真理要由学生自己获得，或由他们重新发现，至少由他们重建。 3、教育始于母亲膝下，孩童耳听一言一语，均影响其性格的形成。 4、好的教师是让学生发现真理，而不只是传授知识。 5、数学教学要“淡化形式，注重实质.
类别 强作用 电磁作用 弱作用 引力作用
相对强度 1
~10-2 ~10-13 ~10-39
力程(m) < 10-15 长程 < 10-17 长程
作用时间(s) 10-23
10-20 ~ 10-16 ~ 10-8
参与离子 强子
强子 轻子 光子 强子 轻子 一切物质
相互作用是通过交换一定粒子实现的
作用类型 引力作用 电磁作用 交换粒子 引力子 光子
u 上夸克
0.00 4
2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2
1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 1/2 1/3
1、按自旋分类
分类
自旋
泡利不相容原 理
统计规律
费米子 (电子 质子 中子 各
种重子)
半整数 1/2，3/2，…
服从
费米—狄拉克统计分 布
玻色子 ( 光子 介子 K介子、介子 )
整数 0或1等
不服从
玻色— 爱因斯坦统计 分布
2、共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
3、正粒子、反粒子
正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物
（ 夸 克 ）
盖 尔 曼
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
1、所有高尚教育的课程表里都不能没有各种形式的跳舞：用脚跳舞，用思想跳舞，用言语跳舞，不用说，还需用笔跳舞。 2、一切真理要由学生自己获得，或由他们重新发现，至少由他们重建。 3、教育始于母亲膝下，孩童耳听一言一语，均影响其性格的形成。 4、好的教师是让学生发现真理，而不只是传授知识。 5、数学教学要“淡化形式，注重实质.
类别 强作用 电磁作用 弱作用 引力作用
相对强度 1
~10-2 ~10-13 ~10-39
力程(m) < 10-15 长程 < 10-17 长程
作用时间(s) 10-23
10-20 ~ 10-16 ~ 10-8
参与离子 强子
强子 轻子 光子 强子 轻子 一切物质
相互作用是通过交换一定粒子实现的
作用类型 引力作用 电磁作用 交换粒子 引力子 光子
u 上夸克
0.00 4
2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2
1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 1/2 1/3
人教版高中物理选修3-5课件19.7、8核聚变粒子和宇宙
组成
B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克
组成
C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克
组成
D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克
组成
【思路点拨】题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量，
据质子11H带一个元电荷的电荷量及中子10n不带电进行判断.
3.
（1）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重 核裂变释放更多的能量
特 （2）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能 量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去
点 （3）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行 着，太阳就是一个巨大的热核反应堆
【特别提醒】常见的聚变反应：21H+21H→31H+11H+4MeV， 21H+31H→42He+10n+17.6MeV.在这两个反应中，前一反应的材料 是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物， 所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分， 在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的.从这个意义 上讲，轻核聚变是能源危机的终结者.
【典例1】太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变 成一个α 粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功 率为P，质子11H、氦核42He、正电子01e的质量分别为mp、mα 、 me，真空中的光速为c，求： (1)写出核反应方程. (2)核反应所释放的能量Δ E. (3)1s内参与上述热核反应的质子数目.
一、核聚变 1.定义:两个轻核结合成_质__量__较__大__的原子核的反应.
2.核反应举例：21H+31H→_42_H_e_+10n+17.6MeV 3.条件：(1)轻核的距离要达到__1_0_-_15_m__以内. (2)聚变可以通过高温来实现,因此又叫_热__核__反__应__.
人教版物理选修3-5课件 第十九章 原子核 7-8粒子和宇宙
解析：根据质子和中子所带的电荷量，经验证： 质子11H 带电荷量为 2×23e＋－13e＝e.
中子10n 带电荷量为23e＋2×－13e＝0.故 B 项正确． 答案：B
名师点评 (1)明确各种粒子的信息，是解决这类问题的关键． (2)粒子具有对称性，一个粒子必存在一个其反粒子， 所以每种夸克都有对应的反夸克．
解析：聚变的核反应式为 221H→42He. 根据不同的已知条件，通常可以有两种计算方法．
法一：先查出氘核和氦核的质量 mD＝2.014 102 u，mHe＝4.002 603 u. 然后根据反应前后的质量亏损，用质能方程计算出释 放的核能． 法二：先查出氘核和氦核的结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV.
2．粒子的分类 及宇宙演化.
恒星的演化.
知识点一 核聚变
提炼知识 1．核聚变． (1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出 能量的反应． (2)举例：21H＋31H→_42_H__e_＋10n＋17.6 MeV.
(3)条件： ①轻核的距离要达到 10－15 以内． ②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应． 2．受控热核反应． (1)聚变与裂变相比有很多优点 ①轻核聚变产能效率高． ②地球上聚变燃料的储量丰富． ③轻核聚变更为安全、清洁． (2)约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束．
4．宇宙的演化． 宇宙大爆炸约―1―0－→44 s温度为 1032 k，产生了夸克、轻 子、胶子等粒子约―10―－6→s后温度下降到 1013 K 左右，强子 时代→温度下降到 1011 K 时，轻子时代→温度下降到 109K 时，核合成时代一―万―年→后温度下降到 104，混合电离 态→温度下降到 3 000 K 时，中性的轻原子继―续―冷→却恒星 和星系．
中子10n 带电荷量为23e＋2×－13e＝0.故 B 项正确． 答案：B
名师点评 (1)明确各种粒子的信息，是解决这类问题的关键． (2)粒子具有对称性，一个粒子必存在一个其反粒子， 所以每种夸克都有对应的反夸克．
解析：聚变的核反应式为 221H→42He. 根据不同的已知条件，通常可以有两种计算方法．
法一：先查出氘核和氦核的质量 mD＝2.014 102 u，mHe＝4.002 603 u. 然后根据反应前后的质量亏损，用质能方程计算出释 放的核能． 法二：先查出氘核和氦核的结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV.
2．粒子的分类 及宇宙演化.
恒星的演化.
知识点一 核聚变
提炼知识 1．核聚变． (1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出 能量的反应． (2)举例：21H＋31H→_42_H__e_＋10n＋17.6 MeV.
(3)条件： ①轻核的距离要达到 10－15 以内． ②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应． 2．受控热核反应． (1)聚变与裂变相比有很多优点 ①轻核聚变产能效率高． ②地球上聚变燃料的储量丰富． ③轻核聚变更为安全、清洁． (2)约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束．
4．宇宙的演化． 宇宙大爆炸约―1―0－→44 s温度为 1032 k，产生了夸克、轻 子、胶子等粒子约―10―－6→s后温度下降到 1013 K 左右，强子 时代→温度下降到 1011 K 时，轻子时代→温度下降到 109K 时，核合成时代一―万―年→后温度下降到 104，混合电离 态→温度下降到 3 000 K 时，中性的轻原子继―续―冷→却恒星 和星系．
人教版高中物理选修3-5第十九章 19.8粒子和宇宙：21张PPT
0.003Gev/c2
反下夸克
+1/3e
0.006Gev/c2
第二代
第三代
粲(cὰn)夸克 c（charm） 顶夸克 t （top）
+2/3e
1.3Gev/c2 +2/3e
175Gev/c2
奇夸克 s （strange） 底夸克 b（bottom）
-1/3e
0.1Gev/c2 -1/3e
4.3Gev/c2
粒子与物质构成
•根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和媒介子三大类。 •质强子子：中子参与分强子相互原作子用，光如子质子、媒中介子子、介子等，轻由子夸克构成， •轻子： 不参与强相互作用，如电子、μ子、τ子等，不可再分， 重子 介子轻子胶的子质量强不子一定夸小克于强子中；间玻色子 电子、μ子、τ子、中微子 •媒介子：传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子。
1万年后 104 K 10万年后 3000 K
电子、质子、氦核构成混合电离气体 电子、质子组合成氢原子
4亿年
第一批恒星形成
46亿年
太阳系形成
138亿年 2.7K 今天
强子时代 轻子时代 核合成时代
大爆炸理论
大爆炸理论（Big Bang）是天体物理学关于宇宙起源的理 论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约138亿年前由一个密度 极大且温度极高的状态演变而来的。
美国加尼福尼亚大学发现反中子
1947年 鲍威尔（英)发现π介子
1897年 汤姆逊（英）发现电子
4 3
1932年 查德威克（英）发现中子
2 1
1910年 卢瑟福（英）提出原子核式结构
180卫星
观察宇宙射线
建立地表观测站
“撒网捕鱼”
人教版高中物理选修3-5第十九章 原子核19.8粒子和宇宙教学课件 (共16张PPT)
1.观念的突破
2.研究方法的不断完善
3.研究工具的不断进步
粒子
同步
加速器
直线加速器装置示意图
直线
国家同步辐射实验室能量为800M℮V的电子存储环
粒子
对撞机
北京正负电子对撞机鸟瞰图
1988 年北京正负电子对撞机首次 对撞成功时的情景
欧洲LHC 的鸟瞰示意图，它的周长高达27 km．
视频-人与宇宙
质子
禁闭
中子
盖尔曼
2012年3月8日，我国大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中国科 学院高能物理研究所所长王贻芳宣布，他们发现了中微子第三种振荡。
粒子
1964 年美国物理学家盖尔曼（Murray GellMann）提出了强子结构的夸克模型，夸克模型 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。
粒 子
1930 年，有科学家在核反应实验中发现，中子在衰变成一个质子和 电子的时候，轨迹和能量都有点变化，有一小部分能量不知所踪．3 年后， 奥地利著名物理学家泡利（Wolfgang E.Pauli）认为是一个探测不到的 粒子带走了能量，预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。
中微子个头小，不带电，以接近光速运动可自由穿过地球，与其他 物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它 的存在到发现它，用了20多年的时间。
宇宙
π介子就是汤川秀树在1935年 提出的介子（.质子和质子间，质 子和中子间，中子和中子间，都 有一种由于交换介子而交互吸引 的作用力.）从汤川秀树的核力理 论提出,到π介子的发现,标志着人 类对物质的认识向前跨进了一步, 开辟了一个新的领域,即从认识原 子核深入到认识基本粒子的领域
汤川秀树
2.研究方法的不断完善
3.研究工具的不断进步
粒子
同步
加速器
直线加速器装置示意图
直线
国家同步辐射实验室能量为800M℮V的电子存储环
粒子
对撞机
北京正负电子对撞机鸟瞰图
1988 年北京正负电子对撞机首次 对撞成功时的情景
欧洲LHC 的鸟瞰示意图，它的周长高达27 km．
视频-人与宇宙
质子
禁闭
中子
盖尔曼
2012年3月8日，我国大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中国科 学院高能物理研究所所长王贻芳宣布，他们发现了中微子第三种振荡。
粒子
1964 年美国物理学家盖尔曼（Murray GellMann）提出了强子结构的夸克模型，夸克模型 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。
粒 子
1930 年，有科学家在核反应实验中发现，中子在衰变成一个质子和 电子的时候，轨迹和能量都有点变化，有一小部分能量不知所踪．3 年后， 奥地利著名物理学家泡利（Wolfgang E.Pauli）认为是一个探测不到的 粒子带走了能量，预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。
中微子个头小，不带电，以接近光速运动可自由穿过地球，与其他 物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它 的存在到发现它，用了20多年的时间。
宇宙
π介子就是汤川秀树在1935年 提出的介子（.质子和质子间，质 子和中子间，中子和中子间，都 有一种由于交换介子而交互吸引 的作用力.）从汤川秀树的核力理 论提出,到π介子的发现,标志着人 类对物质的认识向前跨进了一步, 开辟了一个新的领域,即从认识原 子核深入到认识基本粒子的领域
汤川秀树
高中物理新课标版人教版选修3-5精品课件：19.8《粒子和宇宙》
底 数
顶 数
d 下夸克
0.00 8
-1/3
u 上夸克
0.00 4
2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2
1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3 1/2 1/3
-1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5 2/3 b 底夸克 4.7 -1/3
00
0 +1/3 +1 0 0 0 +1/3 0 +1 0
整数 0或1等
不服从
玻色— 爱因斯 坦统计分布
2. 共振态粒子— 寿命极短 （约10-23s）
3. 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。
4. 按相互作用分类(＋ —— 参与)
万有引力 电磁力 弱相互作用 强相互作用
引力子
＋
光子
＋
＋
轻子
＋
t 顶夸克 174 2/3
0 +1/3 0 0 +1
d
1/3
1/2
1/3
1/2
3.π+ 介子 电荷 Q 2 e 1 e e
33
(ud) 重子数 B 1 1 0
33
0
奇异数 S 0 自旋 J 1/ 2
同位旋分量 Iz 1
四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
类别 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 参与离子
强作用
1
< 10-15
10-23
强子
电磁作用 ~10-2
长程
10-20 ~ 10- 强子 轻子 光
人教版选修3-5 第十九章 第8节 粒子和宇宙(共30张PPT)
• 引力子 由于自旋为2，无法量子化，尚未囊括进标准模型、 静止质量和电荷为零，以光速运动。 • 光子 自旋为1，是玻色子
强子分类
分类 介子 核子 重子 粒子名称 、 、 K介子等 自旋 整数 玻色子
质子、中子及其反粒 子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
超子
1/2 (Ω超子 3/2)
费密子
轻子（共12种）
恒星的演化
• 恒星演化就是一颗恒星诞 生，成长成熟到衰老死亡 的过程，恒星演化是十分 缓慢的过程。天文学家根 据对各种各样的恒星的观 测和理论研究，弄清楚了 恒星的一生是怎样从孕育 到诞生，再从成长到成熟 ，最后到衰老、死亡的整 个过程。恒星演化论，是 天文学中，关于恒星在其 生命期内演化的理论。
所谓“上帝粒子”
建造LHC一个最为重要的目 的是为了验证英国物理学家彼 得希格斯关于一种规范玻色子 的理论，由于在此机制下，这 种粒子将赋予万质量，所以 人们称其为“上帝粒子”。
新粒子的发现！
2012年7月4日，位于瑞士日 内瓦的欧洲核子中心在发布会上 向全球宣布，在双光子道和轻子 道分别以6个西格玛的标准差探测 到了希格斯玻色子（Higgs） 人们发现并证实了标准模型 预言中最后一种粒子，这是现代 物理学的一大步！
反粒子：所有的粒子，都有与其质量、寿命、 自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、 奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒 子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子与 反粒子是两种不同的粒子。 一切粒子均有其相应的反粒子，如电子e-的 反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子， 中子n的反粒子是反中子，一些中性玻色子如 光子、π0介子等，其反粒子就是它们自己。
• 大爆炸后0.01秒：约1000亿度，光 子、电子、中微子为主，质子中子 仅占10亿分之一，热平衡态，体系 急剧膨胀，温度和密度不断下降。 • 大爆炸后0.1秒后：约300亿度，中 子质子比从1.0下降到0.61。 • 大爆炸后1秒后：约100亿度，中微 子向外逃逸，正负电子湮没反应出 现，核力尚不足束缚中子和质子。 • 大爆炸后10秒后：约30亿度，核时 期，氢、氦类稳定原子核（化学元 素）形成。当宇宙冷却到10^9开尔 文以下（约100秒后），粒子转变不 可能发生了。核合成计算指出，重 子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的 2%~5%，强烈暗示了其他物质能量 的形式（非重子暗物质和暗能量） 充满了宇宙
人教版高中物理选修3-5课件 19 粒子和宇宙课件
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一、“基本粒子”不基本
•
正电子 子
• μ
•
K介子、 介子
基本粒子
……
0 1
1 1
•
• • •
电子——
质子—— 中子—— 光子——
e
新粒子
H
1 0
n
“基本粒子”不基本
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介子
质量介于质子、电子之间 宇宙射线中 介子、K介子
的宇宙射线，于是发现了更多的粒子。
• 现在已经发现的粒子达400多种。
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二、粒子的分类
——按照粒子与各种相互作用的不同关系
强子
是参与强相互作用的粒子。质子是最早发现的强子。强子 又分为介子和重子
轻子
是不参与强相互作用的粒子。电子是最早发现的轻子。现 在还没发现轻子的内部结构
粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归
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未来已经来临 只是还未惠及所有人
的，科学家们直到今天都还未捕捉
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”
能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理 学面临的重大课题之一
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研究微观世界的粒子物 理、量子理论，与研究 宇宙的理论相互沟通、 相互支撑。
正如诺贝尔物理学 奖获得者格拉肖所说： “隐藏在原子内心的， 是宇宙结构的秘密。”
10-23
强子
10-20 ~ 10-16 强子 轻子 光子 ~ 10-8 强子 轻子 一切物质
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(1)夸克的提出
二、夸克模型
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。
3. 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。
4. 按相互作用分类
万有引力
电磁力
弱相互作用
强相互作用
引力子
＋
光子
＋
＋
轻子
＋
＋
＋
强子
＋
＋
＋
＋
• 引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。 • 光子 自旋为1，是玻色子。
轻子（共12种）
一、“基本粒子”不基本
1.“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．
2. 粒子的分类 （1）按自旋分类
分类
自旋
费米子 (电子、质子、中子 等各种重子)
玻色子
( 光子、 介子 K介子、介子 )
整数 0 或1 等
泡利不相容原 理
统计规律
服从
费米—狄拉克统计 分布
不服从
玻色— 爱因斯坦统 计分布
3.共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
提出了宇宙演化的大爆炸假说．它的主要观点是，宇宙是由一个 超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始的．然后经 历了从热到冷的演化，在这个时期里，宇宙不断地膨胀(也称暴 胀)，宇宙物质从密到稀．当温度下降到几千摄氏度时，宇宙间 主要是气态物质．后来气体逐渐凝聚成气云，并且进一步收缩形 成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙天体． 2．恒星的演化
1/2 1/3 2/3
0 +1/3 +1 0 0
b 底夸克 4.7 -1/3
00
0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3
0 +1/3 0 0 +1
例如 ：质子 奇异粒子 π+ 介子
1. 质子 (uud)
电荷: 重子数: 奇异数:
自旋: 奇异数:
A．1∶1 B．1∶2
C．1∶3 D．1∶6
答案：C
➢ ➢
三、宇宙的演化 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
宇 时 宙大 间 各爆 的 处炸 零 同是 点 时在
产无 生限
的
1．宇宙的演化 20世纪40年代，在大量天文学家观测的基础上，物理学家
媒介子
轻子 强相互作用
夸克 底夸克
顶夸克
μ子 各种相互作用
4．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。
5．恒星的演化
当温度降到__3_0_0_0_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___。
密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力作用 而收缩逐渐凝成原恒星．
原恒星继续收缩，温度不断升高，发生热核反应， 当热核反应产生的斥力和引力作用达到平衡时，恒星不 再收缩，进入相对稳定阶段．
当核能源供应不足时，恒星的稳定状态遭到破坏， 引力作用又开始大于斥力，星体又开始收缩，温度升高， 发光能力增强，光度增加，外部膨胀，表面积增大，但 表面温度降低，看上去呈红色，这时恒星便演化为红巨 星或新星．
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__．
2．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．
粒子名称
、 、 K介子等 质子、中子及其反粒子
ΩΣΛΞ超子及反粒子
自旋
整数
玻色子 费密子
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象。 • 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。
•奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强相互作用下进行的； 而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。
夸克
质量
电荷 e
自 旋
重 同 同位 子 位 旋分 数旋 量
奇 异 数
顶
超荷
粲 数
底数 数
d 下夸克 0.008 -1/3 u 上夸克 0.004 2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2
1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3
-1 -2/3 0 0 0
c 粲夸克 1.5
自旋:
3.π+ 介子(ud)
电荷: 重子数: 奇异数:
自旋: 同位旋分量:
例1．K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π －介子带负的基元电荷，π0介子不带电．一个K－介子沿垂直于 磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为右下图中圆弧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，它们的 半径RK－与Rπ－之比为2∶1。π0介子的轨迹未画出．由此可知π－ 的动量大小与π0的动量大小之比为
当恒星核能耗尽时，就进入末期．恒星的末期形态 主要有三种：白矮星、中子星或黑洞．
分类
正反粒 自旋
子
电子、 e e μ子、τ
子 轻 子
中
微
子
e e
说明
电荷量 e
-1 +1 -1 +1 -1 +1
0 0 0
重子数B 0
轻子数
Le L L 寿命10-6s
稳定 2.2 <2.3 -1 +1
稳定
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
强子分类
分类
介子
重子
核子 超子
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1、了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史； 2、初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。
预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过 程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。
通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。
1．“基本粒子”不基本