教科版高中物理选修3-5：《粒子物理学简介(选学)》课件-新版

根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的．这说明我们发现 了一种全新的夸克．这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质 量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知 粒子的寿命长1 000倍．这意味着什么呢？大家知道，如果所有人 在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10 000岁，这就表示这些人可能有特别的性质．当然，有了这第四种 夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了 六种．
介子
超子
质量与相对应的 基本 粒子相同而电荷 特点 及其他一些物理
性质相反
比质子的 质量小
质量介于电 其质量比质
子与质子之 子大
间
粒子的分类
参与的相互
分类
发现的粒子
作用
备注
强子有内部结构，
质子、中子
强 参与强相互
由“夸克”粒子构
、介子、超
子 作用
成的；强子又可分
子
为介子和重子
电子、电子中微子、 轻 不参与强
第一期AMS(01)于1998年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10 天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西， 所以觉得现在的结果很奇怪，美国宇航局决定在2003年5月再次将 AMS升空，AMS将作为第一个科学实验搭载安装在空间站 上．AMS01原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大 幅度提高AMS探测能力，在太空中长时间运行并采集更多的数 据．它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙 是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成 的宇宙在什么地方？第二个问题是90%的宇宙是观察不到的，它 是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，实验到底会 发现什么呢？这是AMS实验要回答的问题．
第二个故事是关于新粒子家族的发现．到了20世纪年代，所 有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象 都可以用三种夸克来解释．我就问为什么宇宙中只有三种夸克？ 为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器．南京下雨 的时候，大概每秒钟有100亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它 找到．后来，在美国的布鲁克海文国家实验室用AGS′做了这个实 验．我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子．这 种粒子在正电子负电子质心系能量达到31亿电子伏特的时候，突 然就产生一个很高的峰．
为 A、D.
答案 AD
【变式】
目前普遍认为，质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两
类夸克组成的．u 夸克带电荷量为23e，d 夸克带电荷量为－13e，
e 为元电荷，下列论断可能正确的是
( )．
A．质子由 1 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
丁肇中：寻找宇宙中的基本粒子 如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍 一下，这些故事是我在过去的年里所亲自经历的．
第一个故事是测量电子的半径．现代电磁学的理论认为电子 的半径为零.1964年，美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个 当时最大的加速器，这个加速器周长为1 000英尺(1英尺为0.304 8 m)．当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在 这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动 力学是错误的，电子是有半径的．这是一个非常重要的实验.1966 年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的 半径确实小到不可测量，电子是没有半径的．实验的结果和理论 的预期的比值等于1，即是说电子的半径等于零，也就是说以前许 多专家所做的实验结果是错误的．
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 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 解析 题目中给出的信息是 u 夸克与 d 夸克的带电荷量，据质子11 H 带一个元电荷的电荷量及中子10n 不带电，分析可知 B 项正确． 答案 B
3种典型的粒子加速器 直线加速器 (1)粒子运动轨迹是 一条直线 ． (2)满足的条件：要保源自文库粒子与高频电场之间的 谐振 关系． (3)优点：粒子束的 强度高 ． 回旋加速器 (1)粒子运动轨迹：在磁场中的 匀速圆周 运动． (2)满足条件：高频电源的频率 等于 粒子回旋的频率． (3)优点：粒子被加速到的能量可达 40 MeV .
发现新粒子 (1)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． (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 ．
夸克模型 (1)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． (2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克； 它们带的电荷量分别为元电荷的 ＋23 或 －13 ，每种夸克都有对 应的 反夸克 ． (3)意义：元电荷不再是电荷的 最小单位 ，即存在分数电荷． (4)夸克的“禁闭” 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”．
7 粒子物理学简介(选学)
了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史．
粒子 “基本粒子”不基本 “基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、 电子 、 质 子 、 中子 是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数 以百计的新粒子，它们都不是由 中子 、质子、电子组 成 的 ； 另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结 构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称 粒子 ．
对撞机 能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫对撞机． 工作原理：粒子先在同步加速器 中 加 速 ， 然 后 射 入 对 撞 机 ， 反 向 回旋 在轨道交叉处相互 碰撞 ，获得较大能量．
对粒子的认识 新粒子的发现及特点
发现 时间
1932年
1937年
1947年 60年代后
新粒 子
反粒子
K介子与π μ子
μ子、μ子中微子、τ 未发现内部结构 子 相互作用
子、τ子中微子
媒介 子
传递各种 光子、中间玻色子、 相互作用 胶子
光子、玻色子、胶 子分别传递电磁、 弱、强相互作用
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，它们带的电荷分别为元电荷的＋23或－13.每种夸克都 有对应的反夸克．
第四个故事就是寻找反物质的宇宙．这在国际空间站上叫做 AMS.反物质的存在，是由玻尔·狄拉克在理论上推导出的，他因 此在1933年12月12日获得诺贝尔奖．他注意到，相对论的公式和 量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于m×m也 等于(－m)×(－m)．狄拉克问－m是什么意思？从这儿就推导出 反物质的理论．大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的 理论中，宇宙起源时的温度非常高，大爆炸中有一个电子则应该 有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸 的时候，物质和反物质应该是一样多．问题是经过150亿年之后， 由反物质组成的宇宙在什么地方？
B．π＋由 d 和 u 组成
C．π－由 u 和 d 组成
D．π－由 d 和 u 组成
解析 根据电荷量关系可知，由于 π＋介子带有＋e 的电荷量，又 由于 π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知 π＋
介子(＋e)应由一个夸克 u＋23e和一个反夸克 d ＋13e组成，A 正 确；同理 π－介子由夸克 d 和反夸克 u 组成，D 正确．故正确答案
对基本粒子的认识
【典例】 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，它们的带电量如
下表所示，表中 e 为元电荷.
π＋ π－ u
d
u
d
带电量 ＋e －e ＋23e －13e －23e ＋13e
下列说法正确的是
( )．
A．π＋由 u 和 d 组成
第三个故事是关于1979年胶子的发现．大家都知道在原子里 有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送．在质子里 不同的夸克和夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递．那时我 们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实 验．在做这个实验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如 果这样的话就会出现三个喷柱的现象．果然，当正负电子对撞的 时候，如果胶子能量很小，只有两个喷柱；当胶子的能量增大的 时候，就会出现三个喷柱现象．三个喷柱现象的存在就表示胶子 是存在的．当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍．虽然 最初这套实验仪器并非为这个实验设计的，但却获得了意外的结 果．