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19.8 粒子和宇宙 ——高中物理新课标教材选修3-5 第十九章第八节 比比谁小 分子由______构成，不同原子构成_______分子，相同原子构成_______分子。 原子是由位于中心的_______和核外高速旋转的______构成的。 （电子带___电，原子核带___电） 原子核是由_____和_____构成的。 （质子带___电，中子_______电） 质子和中子都是由_____组成的。 发现各种微粒的科学家 “基本粒子”不基本 直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不开再分的最小微粒。后来发现了电子、质子和中子。并且知道原子核和的电子组成了原子，质子和中子组成了原子核。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最基本的粒子，并把它们叫做“基本粒子”。 然而，随着科学的进一步发展，科学家们认识到这些粒子并不“基本”。这是因为，一方面，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的；另一方面，科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以，从20世纪后半期起，就将“基本”去掉，统称为粒子。 发现新粒子 从20世纪30年代以来，人们在对宇宙线的研究中发现了一些新粒子。1932年发现了正电子，1937年发现了ｕ子，1947年发现了K介子和π介子。后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。 1932年发明的加速器，能使带电粒子加速到很高能量。人们用它进行了许多核物理实验而不再依赖天然的宇宙射线，于是发现了更多的粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫做反粒子。 例如：电子的反粒子是正电子，它的电荷量与电子相同，但带的是正电荷；质子的反粒子是反质子，它的电荷量与质子相同，但带的是负电荷。 现在已经发现的粒子达400多种。按照粒子与各种相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。 强子：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两类。 轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。最早发现的轻子是电子。 媒介子：媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递热相互作用，胶子传递强相互作用。 夸克模型 许多事实表明，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。 夸克模型经过几十年的发展，已经被许多物理学家接受。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+2/3或-1/3。每种夸克都有对应的反夸克。到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。 宇宙的演化 物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、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。 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 大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生 时间的零点 大爆炸宇宙论 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。 1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。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，从一开时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。 根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。 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，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史： 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 1