粒子物理学及其应用优质课件PPT
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粒子物理学及其应用PPT课件
理论的统一，以解决当前物理学面临的基本问题。
发展更精确的实验技术和方法
升级和建设高能物理实验设施
为了探测更小的粒子和更弱的相互作用力，需要更高的实验能量和更精确的探测器技术。 未来的研究将致力于升级和建设更先进的高能物理实验设施，以提高实验的精度和灵敏度 。
发展新的实验方法和数据分析技术
随着技术的发展和数据的积累，需要发展新的实验方法和数据分析技术，以更有效地提取 实验数据中的有用信息，并提高实验结果的可靠性和精确度。
量子场论是描述微观粒子（如电子、光子、夸克等）行为的物理学理论框架。 它基于量子力学和狭义相对论，通过引入场的概念，描述了粒子之间的相互作 用。
相对论
相对论是爱因斯坦提出的经典理论，包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对 论解释了没有引力作用的时空观念，而广义相对论则描述了引力的本质是由物 质引起的时空弯曲。
利用粒子物理学原理，研究核聚变和 核裂变等新能源技术。
医学影像技术
利用粒子物理学原理，发展医学影像 技术和放射治疗技术。
粒子物理学与其他学科的交叉研究
宇宙学
研究宇宙起源、演化等问题的学 科，与粒子物理学在基本理论和
实验技术上有很多交叉。
生物学
研究生物大分子的结构和功能，与 粒子物理学在蛋白质结构和药物设 计等方面有交叉。
实验方法包括散射实验、衰变实验、对撞机实验等，这些实 验方法为粒子物理学的发展提供了重要的实验证据和理论支 持。
基本粒子及其性质
02
物质粒子和传播子
物质粒子
物质粒子是组成物质的基本单位 ，包括电子、质子、中子等。它 们具有电荷和质量，是构成原子 和分子的基础。
传播子
传播子是传递力的粒子，如光子 、介子和胶子等。它们负责传递 电磁力、强核力和弱核力等基本 相互作用力。
高二物理选修3-5 17.3：粒子的波动性(共27张PPT)
这种波叫做物质波
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现 象，所以宏观物体运动时不具有波动性
4．在光电效应实验中，如果需要增大 光电子到达阳极时的速度，可采用哪种 方法？（ ）
A．增加光照时间 B．增大入射光的波长 C．增大入射光的强度 D．增大入射光频率
金属钠产生光电效应的极限频率是 6.0×1014Hz．根据能量转化和守恒守律， 计算用波长0.40μm的单色光照射金属钠时， 产生的光电子的最大初动能是多大？
电子束穿过铝箔后的衍射图像
1、光学显微镜的原理 使用无限远光学系统的显微镜主要由物
镜、管镜和目镜组成。标本经物镜和管镜放 大后，形成放大倒立的实象；实象经目镜再 次放大后，形成放大的虚象。
2、电子显微镜的原理 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子
束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质 的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪 器。
所产生的光电子的最大初动能为hv
C.当照射光的频率v大于v0时，若v增大，
则逸出功增大
D.当照射光的频率v大于v0时，若增大一
倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
3、下列说法正确的是（ ） A．只有大量电子才能表现波动性
B．只有像电子、质子、认为，任何一个运动着的物体，小 到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对应，
课堂小结
光是一种波，同时也是一种粒子，光 具有波粒二象性。 光子的能量与动量之间的关系： ε=hγ P=h/ λ
两式的物理量ε和p描述光的粒子性， γ和 λ描述光的波动性。
实物粒子也具有波动性
一个能量为E、动量为 p 的实物粒子 同时具有波动性，动量为 P 的粒子
波长： h P
频率:
导入新课
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现 象，所以宏观物体运动时不具有波动性
4．在光电效应实验中，如果需要增大 光电子到达阳极时的速度，可采用哪种 方法？（ ）
A．增加光照时间 B．增大入射光的波长 C．增大入射光的强度 D．增大入射光频率
金属钠产生光电效应的极限频率是 6.0×1014Hz．根据能量转化和守恒守律， 计算用波长0.40μm的单色光照射金属钠时， 产生的光电子的最大初动能是多大？
电子束穿过铝箔后的衍射图像
1、光学显微镜的原理 使用无限远光学系统的显微镜主要由物
镜、管镜和目镜组成。标本经物镜和管镜放 大后，形成放大倒立的实象；实象经目镜再 次放大后，形成放大的虚象。
2、电子显微镜的原理 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子
束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质 的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪 器。
所产生的光电子的最大初动能为hv
C.当照射光的频率v大于v0时，若v增大，
则逸出功增大
D.当照射光的频率v大于v0时，若增大一
倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
3、下列说法正确的是（ ） A．只有大量电子才能表现波动性
B．只有像电子、质子、认为，任何一个运动着的物体，小 到电子、质子，大到行星、太阳都有一种波和它对应，
课堂小结
光是一种波，同时也是一种粒子，光 具有波粒二象性。 光子的能量与动量之间的关系： ε=hγ P=h/ λ
两式的物理量ε和p描述光的粒子性， γ和 λ描述光的波动性。
实物粒子也具有波动性
一个能量为E、动量为 p 的实物粒子 同时具有波动性，动量为 P 的粒子
波长： h P
频率:
导入新课
《粒子物理简介》PPT课件
.
19
一. 对称性和守恒定律
对称性：物体状态在一定变换下具有的不变性
物理学中的对称性
• 状态的对称性
• 规律的对称性
.
20
所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性。即某种物理状态或过程 在一定的变换下（例如转动、平移等等）， 它所服从的物理规律不变。
研究物理规律的对称性的意义： • 在探索未知的物理规律的时候，可以以普
▲ 精确测定 m 的意义：
电磁作用耦合常数是 e
弱作用耦合常数是 g 按92年以前数据得到 g(e,)
g(e,) g(,)
1992年BEPC结果：mτ 17.776 80 0..6 63 7
这样三个 g 就一致了，支持了粒子的标准模型。
.
5
李政道： 1991—1992年高能物理最重要的
结果就是m 的精确测量。 ▲ m 是否为0 ？ 这涉及宇宙前途！ 1982年苏联实验发现：14eV< m <40eV 后来曾公认： m 7.3 eV ，无下限
●+e 1995年9月 欧洲核子研究中心，制 -e ●p 造了9个反氢原子，存在了4×10-8s 。
2002年8月欧洲核子研究中心成功地 反氢原子 制造出了约5万个低能状态的反氢原子，
这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。
.
11
§5.3 场和媒介子
Dirac的空穴理论并不完整（对玻色子），
但有启发 —— 真空是场的基态。 按照量子场论：每种粒子都相应一种物质场
.
21
• 物理规律的每一种对称性（即不变性） 通常都相应于一种守恒定律。
空间平移不变性 ……………
空间转动不变性 …………… 角动量守恒
粒子物理基础 ppt课件
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10
世界由什么组成？如何组成？最后答案
We have answered the questions, "What is the world made of?" and
"What holds it together?“
The world is made of 6 quarks and 6 leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces and there are force carrier particles associated with each force
Electromagnetic
45
相互作用的统一理论
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什么是对称性
经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是 物理规律的对称性。
如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之 等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我 们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作 叫作这系统的一个对称操作.
二十世纪的主要成就
➢ 相对论与时空观念 狭义相对论,高速运动粒子 广义相对论,引力理论，宇宙学
➢ 量子力学 波粒二象性,微观粒子
➢ 量子场论 描述物理世界的基本语言
➢ 标准模型 物质的基本组成和基本相互作用
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40
基本相互作用
➢引力相互作用 ➢电磁相互作用 ➢强相互作用
强大的核力维持原子核的稳定性 ➢弱相互作用
• 诗曰：君不见黄河之水天上来， 奔流到海不复回？
君不见高堂明镜悲白发， 朝如青丝暮成雪？
粒子物理简介PPT课件
二. 宇称守恒定律
镜
左手
右手
物 像
物和其镜面反演象不同，所以不具有镜面反演对称性 。
第8页/共20页
第9页/共20页
都
可
以
实
镜面反演
现
任意物理过程 A
过程 B
A、B 过程 遵守的规律相同
宇称守恒定律
第10页/共20页
粒子都有特定的宇称， 称为 “内禀宇称”，简称 宇称P P = 1（偶宇称） P = -1（奇宇称）
第2页/共20页
中微子的自旋方向
（按右螺旋法则）与
运动方向相反；反中
微子的自旋方向与运
动方向一致。
v
v
v v
• 强子分类
分类
粒子名称
自旋
介子 核子
重子 超子
、 、 K介子等
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
整数
1/2 (Ω超子 3/2)
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
第3页/共20页
第1页/共20页
• 轻子（共12种）
分类
电子 μ子
轻 τ子 子中
微 子
说明
正反 自旋
粒子
e e
1/2 e e
电荷量 e
-1 +1 -1 +1 -1 +1
0 0 0
重子数 轻子数
B
Le L L
0 -1 +1
寿命 10-6s 稳定
2.2 <2.3
稳定
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
2. 奇异粒子 （uus）
电荷 Q 2 e 2 e 1 e e 333
重子数
粒子物理学的课件
粒子物理学的课件**粒子物理学的课件**粒子物理学是研究物质构成和相互作用的一门科学领域。
通过对基本粒子的研究，我们可以更深刻地理解宇宙的起源和演化。
本文将介绍粒子物理学的基本概念、重要实验以及一些前沿研究成果，帮助读者深入了解这一引人入胜的学科。
### 一、基本概念粒子物理学的研究对象是构成物质的基本粒子，这些粒子包括了夸克、电子、中微子等。
夸克是构成质子、中子等强子的基本组成单元，而电子则是构成原子的基本粒子之一。
中微子是一类质量极小、几乎不与物质相互作用的粒子，它们在宇宙中扮演着重要的角色。
### 二、重要实验#### 1. 大型强子对撞机（LHC）大型强子对撞机是目前世界上能量最高、探测精度最高的粒子加速器。
位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）内，它可以将质子加速到接近光速，并让它们在环形管道内相撞。
这些高能碰撞能够模拟宇宙大爆炸后的早期宇宙条件，从而帮助科学家们了解宇宙的起源。
#### 2. 希格斯玻色子的发现2012年，CERN的ATLAS和CMS两个实验组相继宣布发现了希格斯玻色子，这是一种被认为赋予其他基本粒子质量的粒子。
这一发现在科学界引起了轰动，也为理解基本粒子的质量提供了重要线索。
#### 3. 中微子振荡实验证明20世纪末，科学家们通过实验证明，中微子具有质量，并且能够在不同类型之间发生振荡。
这一发现颠覆了早期对中微子性质的理解，也为粒子物理学的发展开辟了新的方向。
### 三、前沿研究成果#### 1. 超对称理论超对称理论是粒子物理学中的一个重要理论框架，它提出了一种将费米子和玻色子统一起来的假设。
通过引入超对称性，科学家们希望解决一些标准模型无法解释的问题，并寻找新的物理现象。
#### 2. 暗物质研究暗物质是构成宇宙大部分质量的一种未知物质，它不会与电磁波相互作用，因此无法直接观测到。
粒子物理学家们正在进行一系列实验，试图探测暗物质的存在，以揭示它的性质和作用。
高二物理带电粒子在匀强电场中的运动PPT课件一等奖新名师优质课获奖比赛公开课
此粒子能从C处射出,则A、B间旳电压应为
(A )
d 2mv02
A. ql 2
lmv0
C. qd
l 2mv02
B. qd 2
D.
qmv0 ql
A ++++++++
O
d
Vo
--------
B
C
三、 加速和偏转一体
例6.如图所示，在真空中竖直放置一对金属板x
和x’,加电压U1;水平放置一对金属板Y和Y’，板 间距离为d。加电压U2，一电荷量为-q质量为m 旳带电粒子从x极板由静止出发。试分析带电粒
1 2
mv
2
0
qU
例题1：火热旳金属丝能够发射电子。在金属 丝和金属板间加以电压U=2500V，发射出旳电 子在真空中被加速后，从金属板旳小孔穿出。 电子射出后旳速度有多大？设电子刚从金属丝 射出时旳速度为零。
解:电子电荷量为e,根据动能定理可得
1 mv2 qU 2 v 2eU
me
2 1.6 1019 2500
Y+ + + + + + 1、受力分析：
粒子受到竖直向下旳
q
d
v0
U 电场力F＝Eq=qU/d
2、运动规律分析:
-Y′ - -L - - -
粒子作类平抛运动。
Y+ + + + + +
x方向：匀速直线运动
vx v0 L v0t
q
d
v0
U
Y方向：初速度为零旳
y
匀加速直线运动
- - - - - - Y′ L
人教版高中物理选修光的粒子性教学精品课件
人教版高中物理选修光的粒子性教学 精品课 件
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光电效应实验表明：饱和电流不仅与光 强有关而且与频率有关，光电子初动能也 与频率有关。只要频率高于极限频率，即 使光强很弱也有光电流；频率低于极限频 率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量
会变大。。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
定义： 在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电
子的现象叫做光电效应。 发射出来的电子叫做光电子
一、光电效应
1.什么是光电效应
当光线照射在金属表面时，金属 中有电子逸出的现象，称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。
2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝 尔物理学奖
人教版高中物理选修光的粒子性教学 精品课 件
4.光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器 可以用于自动控制， 自动计数、自动报警、 自动跟踪等。
放大器
2.光电倍增管
可对微弱光线进行放 大，可使光电流放大 105~108 倍，灵敏度 高，用在工程、天文、 科研、军事等方面。
分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的
积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量
子假说的基础上提出光子理论，提出了光
人教版高中物理选修光的粒子性教学 精品课 件
量子假设。
人教版高中物理选修光的粒子性教学 精品课 件
3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的 光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光
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光电效应实验表明：饱和电流不仅与光 强有关而且与频率有关，光电子初动能也 与频率有关。只要频率高于极限频率，即 使光强很弱也有光电流；频率低于极限频 率时，无论光强再大也没有光电流。
光电效应具有瞬时性。而经典认为光能量
会变大。。
表明锌板在射线照射下失去电子而带正电
定义： 在光(包括不可见光)的照射下，从物体发射电
子的现象叫做光电效应。 发射出来的电子叫做光电子
一、光电效应
1.什么是光电效应
当光线照射在金属表面时，金属 中有电子逸出的现象，称为光电效应。 逸出的电子称为光电子。
2.光电效应的实验规律
1. 光电效应实验
密立根由于研究基本电荷和 光电效应，特别是通过著名 的油滴实验，证明电荷有最 小单位。获得1923年诺贝 尔物理学奖
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4.光电效应在近代技术中的应用
1.光控继电器 可以用于自动控制， 自动计数、自动报警、 自动跟踪等。
放大器
2.光电倍增管
可对微弱光线进行放 大，可使光电流放大 105~108 倍，灵敏度 高，用在工程、天文、 科研、军事等方面。
分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的
积累过程。
为了解释光电效应，爱因斯坦在能量
子假说的基础上提出光子理论，提出了光
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量子假设。
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3.爱因斯坦的光量子假设
1.内容
光不仅在发射和吸收时以能量为h的微粒形式出现， 而且在空间传播时也是如此。也就是说，频率为 的 光是由大量能量为 =h 光子组成的粒子流，这些光
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8
1、电子的发现 ⑴ 电子是最早发现的基本粒子。1897
年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时 发现。
电子的静止质量为
m e9.109 1 5 0 3 3k 14g
电子带负电荷
e1.6024 1 7 917 1 0c 9 33
2021/02/01
9
⑵ 正电子的发现
1928年，狄拉1/02/01
17
4、夸克的颜色
夸克具有不同的颜色——红、黄、蓝 （不是实际的颜色，仅是借用），颜色 实际上是一种量子数，三种颜色代表夸 克的三种状态。
5、 c、b、t夸克的发现（略）
2021/02/01
18
四、四种基本相互作用
1、弱相互作用
微观粒子间除了存在电磁作用和强作用 外，还存在着一种弱相互作用。
2021/02/01
13
三、夸克
1、强相互作用和强子
核子（中子和质子）间存在着很强的吸 引力——强相互作用。强相互作用的特 点是： ① 短程力（力程为 1015m）
很强（约为电磁力强度的100倍）
很快（作用时间约 1023s ）
② 与电荷无关 ③ 具有饱和性
2021/02/01
14
1935年日本物理学家汤川为了解释强相互 作用的传递方式，提出了π介子理论。
关于弱相互作用的研究：
1934年费米提出β衰变理论；1956年
李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称
不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱
作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提
出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作
用的本质。
2021/02/01
19
2、四种基本相互作用的比较
2021/02/01
20
3、量子电动力学与规范理论 量子电动力学（QED）是关于带电粒子 通过电磁场发生电磁相互作用的理论学 说，是在经典电磁场理论、狭义相对论 和量子力学的基础上建立起来的。 自由粒子Dirac方程
( i i c m 2 ) c 0 t
2021/02/01
21
在QED中，运动方程在带电粒子波函 数的定域相位变换下保持不变，称为规 范不变性，在数学上属于Abel群，用U （1）表示。
1954年，杨振宁和Mills将Abel群的规 范不变理论推广到非Abel规范场中，得 到称为SU（2）非Abel场，后来人们称 之为杨-Mills场。
规范场理论已发展成为现代粒子物理基 础理论的具有普遍性的重要组成部分。
2021/02/01
22
4 、弱电统一理论
1967—1968年温伯格和萨拉姆在格拉 肖工作的基础上，提出弱电统一理论： 像电磁作用是通过规范场——电磁场 （光子）来传递一样，弱相互作用也是 由规范场来传递的。可以用SU（2） ×2U（1）群作为统一描述弱相互作用和 电磁作用的规范群。
2021/02/01
11
3、中微子
在研究β衰变时，对能量守恒定律产生 怀疑时提出的。1931年，泡里认为，在 β衰变过程中，同时发射了一个质量很小 （质量为零或接近零）的中性粒子，后 来费米将它称为中微子。这样，原子核β 衰变过程中就保持了能量和动量守恒。 例如，中子的衰变过程可表示为
n p e e
1932年安德森在宇宙射线中发现了正 电子。
正电子的质量与电子相等。
正电子带与电子等量的正电荷。
2021/02/01
10
2、μ子和τ子的发现
μ子有带负电的和带正电的两种，不参 与强相互作用。质量比质子重207倍。 μ 子和电子具有相同的性质，但不可能以 一种简单的方式衰变成单个电子。
τ子是1975年在美国电子对撞机上发现 的。它的质量比许多重子的质量还要大 得多。带一个单位电荷。
定的原子，不同元素的原子的性质不同。
2021/02/01
4
⑶ 现代对物质结构认识的飞跃
1911年，卢瑟福的原子核式结构模 型——原子由原子核和电子组成；
1932年，确认中子的存在——原子核 由中子和质子组成；（三种基本粒子）
1932年，安德森发现正电子；µ子、 л 介子和第一个奇异粒子被发现；
20世纪50年代以后，夸克的发现—— 构成物质的基本粒子共有12种，包括6种 轻子和6 种夸克。至目前，尚未发现这12 种粒子有内部结构。
2021/02/01
5
2、基本粒子的分类 ⑴ 轻子 ⑵ 夸克 ⑶ 规范粒子 ⑷ Higgs粒子（未发现）
2021/02/01
6
二、轻子
轻子——不参与强相互作用的粒子。
6种轻子按其发现的年代和性质，分 为三代；轻子同一代之间才发生相互作 用。
2021/02/01
7
三代轻子的电荷和质量
2021/02/01
r
V(r)称为汤川势，式中m为介子质量，g 代表核力强度，r是两核子之间的距离
2021/02/01
16
2、强子超多重态（略）
3、夸克模型
重子由三个夸克组成，介子由一个夸 克和一个反夸克组成；反重子由三个反 夸克组成。
夸克有三种：上夸克、下夸克和奇异 夸克，以及它们的反夸克。
夸克必须是费米子。
夸克模型对许多实验结果作出了满意 的解释。
2021/02/01
12
1942年，我国物理学家王淦昌提出了探 测中微子的方案。美国物理学家艾伦根 据这个方案，从实验上证实了电子中微 子存在。1956年，莱茵斯等人在实验上 检测到脱离了发射源的传播中的电子中 微子（这才是电子中微子存在的直接证 据）。
后来又发现了μ子中微子。并有间接证 据证明有τ子中微子。
π介子的质量约等于电子质量的275倍。 后来又发现了比核子还要重得多的介子， 连同核子称为重子。
介子和重子统称强子。
2021/02/01
15
Π介子理论认为： 核子之间存在一种核力场，强相互作用 是通过交换介子传递的。 汤川由相对论波动方程出发，给出了两 核子之间的相互作用势能公式：
Vrg2 em r
2021/02/01
1
第三篇 粒子物理学及其应用
2021/02/01
2
第三篇 粒子物理学及其应用
一、基本粒子概念的发展和粒子的 分类
二、轻子 三、夸克 四、四种基本相互作用 五、粒子探测器 六、粒子物理的应用
2021/02/01
3
一、基本粒子概念的发展和粒子的分类
1、基本粒子概念的发展 ⑴ 古代对物质结构的猜想 我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说 古希腊：水、火、土、空气组成物质 （德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪） ⑵ 近代对物质结构的认识 道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特