19.8粒子和宇宙

大爆炸开始时 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温 度。 大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒 10万亿度， 质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒 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 300亿度，中子 质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒 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13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳定原子核（化学元素） 形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止，尚不能形成中 性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作用使中性原 子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝 聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。
五、恒星的演化
1、宇宙演化过程的方框图： 大爆炸→夸克、轻 子、胶子等→强子时代→轻子时代→核合成时代 →电子与质子符合成氢原子→形成恒星和星系。
2、恒星的诞生
宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成 氦核→氢核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚 变反应、形成白矮星或中子星或黑洞 2、恒星最后的归宿 恒星质量小于太阳1.4倍 →白矮星 恒星质量是太阳1.4~2倍→中子星 恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞
第十九章 原子核 第八节 粒子和宇宙
比比谁小 原子 构成，不同原子构成 • 分子由______ 化合物 分子，相同原子构成_______ 单质 _______ 分子。 原子核 和核外高 • 原子是由位于中心的_______ 电子 构成的。 速旋转的______ 负 电，原子核带___ • （电子带___ 正 电） 质子 和_____ 中子 构成的。 • 原子核是由_____ 正 不带 电） • （质子带 ___电，中子_______ • 质子和中子都是由_____ 夸克 组成的。
爆炸之初，物质只能以中子、质子、 电子、光子和中微子等基本粒子形态 存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导 致温度和密度很快下降。随着温度降 低、冷却，逐步形成原子、原子核、 分子，并复合成为通常的气体。气体 逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各 种各样的恒星和星系，最终形成我们 如今所看到的宇宙。
从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力， 宙学家 们为我们勾画出这样一部宇宙历史：
顶夸克 t
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粲夸克 c 底夸克 b
夸克 d u s c 下夸克 上夸克 奇夸克 粲夸克
质量 0.008 0.004 0.15 1.5
电荷 e -1/3 2/3 -1/3 2/3
b
t
底夸克
顶夸克
4.7
174
-1/3
2/3
由于一种叫“夸 克禁闭”的现象， 夸克不能够直接 被观测到，或是 被分离出来，只 能够在强子里面 找到。对夸克的 所知大都是间接 的来自对强子的 观测。
宇宙大爆炸理论： (Big Bang)是一种学说,是根据天文观 测研究后得到的一种设想.大约在150亿年 前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有 着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸.大 爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了 今天我们看到的宇宙.现在，许多科学家都 支持这一说法，并产生了大量的科学证据 证明这一学说。
物理学中有一个非常有趣的现象：研 究微观粒子物理、量子理论、与研究宇宙 的理论竟然相互沟通，相互支持。正如诺 贝尔物理学奖学者格拉肖所说：“隐藏在 原子内心的，是宇宙结构的秘密。”，那 么宇宙到底从何而来呢？
大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生
大爆炸模型认为,最初的宇 宙是连10-25厘米也未充满的超高 温、 高密度的“一点”。大约180 亿年前,这“一点”突然爆炸了,仅 用10-36秒，伴随着真空相转移的过 冷却现象, “一点”做了瞬间几十 个数量级的膨胀,成为一个厘米规 模的宇宙。
2、按粒子与各种相互作用的关系 粒子的分类是： 强子(参与强相 轻子(不参与强 媒介子（传递 互作用) 相互作用) 相互作用） 介子 电子、电子中微 子、μ子、μ子 、K 质子、 中微子、τ子、 （+ - 中子及 τ子中微子（都 中性） 反粒子 有反粒子） 介子 超子 重子 光子（电磁）， 中间玻色子 （弱）、胶子 （强）
想像一下，在宇宙中存在着这样一种物质， 这种物质特别致密，且隐匿着巨大的引力场， 其引力场特别强以至于包括光子在内的任何物 质只能进去而无法逃脱。1783年，一位地质学 家提出了这一设想。设想本身的疯狂以及提出 者的身份，令世人都以为这是疯言疯语。很多 年后，数学领域的巨大发展，使黑洞理论逐渐 被人们接受。天文学的观测，如引力透镜和伽 玛射线爆发也侧面证实了黑洞的存在。
发现各种微粒的科学家
道尔顿 （原子） （盖 夸尔 克曼 ）
汤姆逊 （电子） （查 中德 子威 ）克
卢瑟福 （质子
一、“基本粒子”不基 本
1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福 提出原子的核式结构。继而又发现了光子， 并认为“光子、电子、质子、中子”是组成 物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基 本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们” 还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？
介子的静态质量介于轻子和重子之间， 超子是质量超过核子（中子、质子）的各种重子。
三、夸克模型
如果原子理论够疯狂，那么研究比原 子微粒更小的次原子微粒可以说是令人疯 狂至极。夸克被称为“基本粒子”，并属 于原子粒子（质子、中子）的组成要素。 19世纪60年代，这一理论问世，却仅仅作 为人们解释未知事物的抽象概念。经过几 十年后，进一步的研究以及挖掘到的证据 造就了夸克模型的产生，最终使人们信服 了这种理论的正确性。
“基本粒子不基本、基本电荷非整数
1995美国费米国家加速器实验室证实 了顶夸克(Top Quark)的存在
四、宇宙的演化
“疯狂”而正确的 宇宙理论：宇宙大爆炸！
从最初的地心论到日心说，再到现在 的宇宙大爆炸，我们对宇宙的认识越来越 深。而在这个漫长的过程中，有些理论看 似合理却被证明是错误的，而有些理论虽 然看上去非常疯狂，但却被证实是正确的。
高考链接
1．(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， 如图所示。下面给出的四幅图中，能正确表示出 各夸克所受静电作用力的是（ D ）
A
B
C
D
这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球 上发生在一个确定的点，然后向四周的空气 传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时 发生，从一开 始就充满整个空间的那种爆 炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒 子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。 "整个空间"可以指的是整个无限的宇宙， 或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到 原来位置的有限宇宙。
二、发现新粒子
1、人们在对宇宙研究的同时发现了一些新 的粒子。 （1）1932年发现正电子；1937年发现μ子； （2）1947年发现K介子与π介子。实验中发现 了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。 （3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷 磁矩等物理性质相反的粒子，叫做反粒子。 （4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为 三大类：强子、轻子和媒介子。
实验证明强子是有内部结构的，1964 年提出的夸克模型证明强子由更基本的粒 成分组成，这种成分叫做夸克。夸克由六 种模型：上夸克d、下夸克u 、奇异夸克s、 粲夸克c，底夸克b、顶夸克t。
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