第13章科学背景下的微观世界ppt课件.ppt

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1、 粒子物理学的基本知识及动态,物理学是一门研究物质基本结构、基本相互作用及基本运动规律的科学,物质结构研究简介,宇宙中物体的质量量级:跨跃了约80个数量级,万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。,物质结构研究简介,研究能量、空间、时间等物质的基本属性的学科。,基本粒子物理学家的任务是探索物质的基本组元和支配组元的力。和所有的物理学 家一样，基本粒 子物理学家也探 索确定我们周围 物质世界的统一的原理和物理定律。,基本粒子物理学,基本粒子物理学,一、什么是基本粒子,什么是基本粒子,现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。,什么是基本粒子,什么是基本粒子,原子模型三步曲：,1903年

2、经典模型,1911年卢瑟福行星模型,20世纪20年代原子的量子模型,什么是基本粒子,(1)汤姆孙“葡萄干面包”模型,1903年，J.J.汤姆孙提出原子结构模型：原子里面带正电的部分均匀地分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在带正电的球体之中。带正电的球体与带负电的电子二者电量相等，故原子不显电性。,经典原子模型,1897年，汤姆孙发现了电子，指出“阴极射线”就是高速电子流。,什么是基本粒子,粒子散射,什么是基本粒子,原子由原子核和核外电子构成，原子核带正电荷，占据整个原子的极小一部分空间，而电子带负电，绕着原子核转动，如同行星绕太阳转动一样。,原子的核式模型：,1911年卢瑟福提出原子的“

3、有核结构模型”。,原子的量子模型,原子有结构：由原子核和电子组成。,什么是基本粒子,质子的发现,原子量始终是氢原子量的整数倍。,什么是基本粒子,用粒子轰击氮原子核，能释放氢核，用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核。,卢瑟福得出结论：每个原子核都由氢核构成。氢核定义为“质子”。,查德威克发现中子实验,什么是基本粒子,1935年查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理学奖。,原子核结构,1932年，前苏联伊凡年科与海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论。,质子(p)和中子(n)统称为核子(N)。,质子数和中子数一定的原子核组成一种核素。,同位素：Z相同，N不同的原子。,什么是基本粒子,核力是把质子

4、和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核的强大的束缚力。,迈入“基本粒子”世界,什么是基本粒子,20世纪60年代，人们认识到组成物理世界的原子并不是微观世界的最小单元，它们由更深层次的粒子组成。“基本粒子”是一个动态概念，随着人们对物理结构认识的发展，其所指具体对象不断向更深层次转移。,什么是基本粒子,二、基本粒子的种类,各种粒子分别有各自的内在属性，这些属性不随粒子产生和粒子运动状态而变化。一切内在属性的总和是判别和区分粒子种类的依据。,各种粒子的千差万别反映在粒子运动和相互作用性质的不同，通过反映粒子特征的许多物理量表现出来：,基本粒子的种类,质量、寿命、电荷、自旋、同位旋、重子数,基本粒

5、子的种类,标准模型理论：1964年美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线加速器中心电子核子撞击实验首次验证，同年获诺贝尔物理奖。要点：三大家族、四大作用力,宇宙间有多少不同种类的粒子？,怎样才能知道一个粒子是否是真正基本的呢？较大的粒子内部包含较小的粒子，较小的粒子内部又包含了更小的粒子，这种序列究竟会不会终止？,1990年8月，25届高能物理国际会议指出:“标准模型理论成功地经受住了所有实验的检验。超出标准模型的实验结果一个也没有得到。”,基本粒子的种类,标准模型中：基本粒子分为以下几类,物质通过四种基本相互作用结合在一起,基本粒子的种类,规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介 共13种。,基本

6、粒子的种类,规范粒子,轻子:不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种,轻子必定以粒子反粒子对的形式产生或湮灭。总的轻子数(轻子数减去反轻子数)在我们已知的一切过程中保持不变。,夸克:组成参与强相互作用的强子 3代、6味、每味3色，共36种,强子(重子、介子)的夸克模型,基本粒子的种类,三、基本粒子与基本作用力,基本粒子靠相互作用结合在一起，粒子间相互作用靠交换媒介粒子实现，物质世界千变万化的现象归根到底通过四种基本力起作用。,基本粒子与基本作用力,这些表面上看起来不同的力是否只不过是一个普遍力的不同表现形式呢？,相互作用的统一理论 四种相互作用之间存在什么联系，它们是否可以从更深刻的角度统一起

7、来，一直是粒子物理学家关心的问题。,？,基本粒子与基本作用力,物理理论的发展趋向统一,超 弦,基本粒子与基本作用力,大统一理论：由质子衰变实验预言，设想强、弱电统一，其实统一夸克、轻子间的关系，希望将它们统一成一个家族。,超对称大统一理论：设想统一四种相互作用力，即把玻色子和费米子统一成相互关联的粒子，提出亚夸克模型。,超对称统一理论 超弦,基本粒子与基本作用力,（1）宇宙万物由弦构成，弦的特征尺度是普朗克长度10-35m，弦比操作仪器分辨率小得多时就显得象“点”粒子。,超弦理论的基本思想：,（3）弦理论要在10维时空中才能自洽。通过“空间紧化”观点，弦理论可以与日常生活经验一致。,（2）基本

8、粒子 振荡弦，弦振动方式不同就显示为不同粒子。,弦 一条细线 超弦 一条超乎寻常细小的线性结构,基本粒子与基本作用力,超弦理论声称能统一地描写所有的力、构成物质的所有基本粒子和时空。,基本粒子与基本作用力,人们希望实现的超统一的梦想,争论 支持者 投入：温伯格、萨拉姆 1996年8 月22日人民日报 光明日报发表文章指出“美国科学家认为物理学领域第三次革命最重要的标准是一种全新的理论弦论的提出。”怀疑者 反对：费曼、格拉肖都是诺贝尔奖获得者,基本粒子与基本作用力,四、研究基本粒子的手段与工具,对“基本粒子”检测 利用实验，看它能否被分裂，通过研究确定内部结构或基本结构成分。,1.手段：碰撞与衰

9、变 基本粒子如此之小，且寿命很短，只能进行间接研究。,利用加速器和对撞机使高能粒子相撞，让它们的能量和质量聚集到一个很小的区域中；而这种聚集是不稳定的，很快会产生出一些新粒子。对这些新产物进行认定，就能确定原来粒子的成分，或者发现新粒子、或者发现新的作用力类型。,研究基本粒子的手段与工具,粒子的自发衰变：许多基本粒子都是不稳定的，即使脱离了任何外力也一样,它们最终要衰变成具有较小质量的粒子。,通过衰变可产生新粒子，也可发现新的相互作用类型。,研究基本粒子的手段与工具,2.工具 加速器和对撞机,为实验提供所需的高能粒子，它们的建造和运行费用是粒子物理研究的最大开支项目。,加速器是怎样工作的：,加速器：亮度高，但可用能低，部分能量损失在质心运动上了。,研究基本粒子的手段与工具,加速器可以是直线型的，也可以是环型的。,加速电极,直线加速器,研究基本粒子的手段与工具,研究基本粒子的手段与工具,对撞机：大大提高可用能，但亮度不如固定靶加速器。,研究基本粒子的手段与工具,研究基本粒子的手段与工具,探测器,基本粒子不能直接看到，为此当它们从一个加速器或一个碰撞中跑出来时，它们的能量和路径必须间接确定。用于辨认出粒子类型、能量，并决定轨迹的仪器称为探测器。,研究基本粒子的手段与工具,通常探测器的构造是非常复杂的：,研究基本粒子的手段与工具,研究基本粒子的手段与工具,研究基本粒子的手段与工具,