大学物理,物质世界的结构层次 1

u,d,s
J /Ψ → c
Υ→b
t
1977年超导铌球实验 年超导铌球实验
1 2 ± e, ± e 3 3
色禁闭（ 色禁闭（找不到自由夸克）
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强子(核子、介子) 强子(核子、介子)的夸克模型
名称 质子 反质子 中子 符号 p 组 成 名称 符号
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组 成
2u + d 2u + d u + 2d
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大学物理
中微子之谜 1930年泡利为解释 β 衰变中能量不守恒，提出假设： 年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设：
n → p + e +ν
−
1933年费米建立弱作用理论。 年费米建立弱作用理论。 年费米建立弱作用理论 1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。 年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。 年王淦昌提出间接验证方案 1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995年诺 年美国雷尼斯完成探测中微子实验， 年诺 年美国雷尼斯完成探测中微子实验 贝尔物理奖。 贝尔物理奖。 1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。 年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。 年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零 尚存许多未解之谜， 地球断层扫描， 尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描， 中微子通信， 中微子通信，探测星球内部信息 ……）
实物 分子 原子 原子核 质子 夸克 中子 电子（轻子） 电子（轻子） 场
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规范粒子
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大学物理
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共同点： 共同点：
“场”与实物的比较
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1) 都是客观存在的 不以人的意志为转移 是可知的， 都是客观存在的, 不以人的意志为转移; 是可知的， 能够为人们的意识所反映。 能够为人们的意识所反映。 2) 与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的； 与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的； 如电磁场，引力场，核场等。 如电磁场，引力场，核场等。 3) 场也与实物一样具有质量、能量、动量和角动量； 场也与实物一样具有质量、能量、动量和角动量； 4) 与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守 与实物一样， 恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律； 能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律； 5) 与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一 与实物一样，场也不能创生、不难消灭， 种形式转变为另一种形式。 种形式转变为另一种形式。
玻色子 Z 0
±1 0
0 0
胶子 (g )
引力子 ?
0 0
∞
?
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2. 轻子： 轻子： 不参与强相互作用的基本粒子, 不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种。 代 种
代 名 称 电子 一 电子中微子 µ子 子 二 µ子中微子 子中微子 符号 静质量 MeV 0.51 电荷 e -1 0 -1 0 -1 0 自旋
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h
12 12 12 12
12Hale Waihona Puke 寿 命s∞e
νe µ νµ τ ντ
< 5 × 10 −5
106
∞ ~ 10 −6
< 0 .5
*1776.9
∞
~ 10 −13 ∞
τ子
三
τ子中微子
< 160
12
*：北京正负电子对撞机测量结果 费米子 轻子必定以粒子——反粒子对的形式产生或湮灭。 总的轻子数 反粒子对的形式产生或湮灭。 轻子必定以粒子 反粒子对的形式产生或湮灭 (轻子数减去反轻子数 在已知的一切过程中保持不变。 第12页 共35页 轻子数减去反轻子数)在已知的一切过程中保持不变 轻子数减去反轻子数 在已知的一切过程中保持不变。 页 页
2 3 −1 3 2 3 −1 3 2 3 −1 3
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自旋
h
12
u d c s t b
12 12 12 12 12
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费米子
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1964年 盖尔曼： 年 盖尔曼： 1974年 丁肇中： 年 丁肇中： 1977年 莱德曼： 年 莱德曼： 1995年 费米实验室： 年 费米实验室： 特点： 特点：分数电荷 渐近自由 红外奴役
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3.夸克: .夸克: 组成参与强相互作用的强子， 代 组成参与强相互作用的强子，3代、6味、每味 色， 味 每味3色 共36种。 种
代 一 名称 上夸克 下夸克 二 粲夸克 奇异夸克 奇异夸克 三 顶夸克 底夸克 符号 静质量 MeV ≈ 300 ≈ 300 ≈ 1500 ≈ 500 ≈ 180000 ≈ 5000 电荷 e
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分类： 分类：三大家族 基本粒子 粒子分类 一、基本粒子分类 1.规范粒子： .规范粒子： 场粒子，传递相互作用的媒介, 场粒子，传递相互作用的媒介,共13种。 种
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光子（ 世纪 年代） 世纪20年代 光子（20世纪 年代） —— 传递电磁相互作用 中间玻色子(3种 世纪70~80年代） 年代） 中间玻色子 种) （20世纪 世纪 年代 —— 传递弱作用 已有实验基础） 胶子 (8种) （已有实验基础） 种 —— 传递强作用 引力子（尚未发现） —— 传递引力作用 引力子（尚未发现）
反粒子的发现 1930年狄拉克预言其存在； 年狄拉克预言其存在； 年狄拉克预言其存在 1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。 年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。 年安得森在宇宙射线实验中发现正电子
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× ×
× ×
r B
铅板
粒子从何方穿入？ 粒子从何方穿入？ 粒子带何种电荷？ 粒子带何种电荷？ 由径迹算出荷质比与电子相同
生命的诞生： 生命的诞生：约40亿年 亿年 脊椎动物： 脊椎动物： 约6亿年 亿年 人类出现1014 s ~ 3 × 10 6 年
热电离层 平流层 臭氧层 中间层 对流层
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生 物 的 进 化
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地球公转 3 ×107 s 月球公转 2.6 × 10 6 s 地球自转 105 s 百米跑 10s
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跨跃了约80个数量级 二、宇宙中物体的质量量级——跨跃了约 个数量级 宇宙中物体的质量量级 跨跃了约
自然界的奥秘何在？ 自然界的奥秘何在？ 科学的基本原理之一： 科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到 的微小粒子组成的。 的微小粒子组成的。
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粒子和场的相互关系 1) 每种粒子都有相对应的场。 每种粒子都有相对应的场。
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2) 某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直 某种场能量最低的状态称为该场的基态， 接的物理效应。 接的物理效应。 3) 场处于激发态时，表现为相应的粒子。 场处于激发态时，表现为相应的粒子。 4) 当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。 当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。 5) 无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与 无论是处于基态的场，还是处于激发态的场， 其他的场相互作用。 其他的场相互作用。
∞
< 10 −16
∞
< 10 −13
10 −2
1
迄今为止，人类了解得最多的是电磁力，了解得最早 迄今为止，人类了解得最多的是电磁力， 但最少的是引力。 但最少的是引力。
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2. 相互作用的统一理论 物理理论的发展趋向统一 天体引力 地球引力 电 磁 光 弱力 强力
牛顿 爱因斯坦
1999年6月3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航 年 月 日 美国肯尼迪航天中心“发现者” 天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪(AMS) 天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪 升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质(反碳核和反氦 升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质 反碳核和反氦 核)。 。
三、物质世界的时间尺度 宇宙年龄： 宇宙年龄： ≈ 1018 s 130 ~200亿年 亿年 地球年龄: 地球年龄
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星系形成： 亿年 星系形成：50亿年
4.6 × 109 年 = 1017 s
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大气形成: 大气形成 ≈ 8 ×108 年 = 1016s
外大气层
正π介子 正K介子 J/Ψ介子 Ψ
π
+
u+d
u+s
p
n
K+
J/Ψ Ψ
c+c
规范粒子13种 规范粒子 种 基本粒子 轻子12种 轻子 种 夸克36种 夸克 种
玻色子(引力子？ 玻色子 引力子？) 费米子 希格斯粒子（ ） 希格斯粒子（?）
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62 种
物质存在的基本形式——实物和场 实物和场 物质存在的基本形式 物质结构层次
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区别： 区别： 1) 实物质量密度大 1000kg/m3), 实物质量密度大(≈ 场质量密度很小(≈ 场质量密度很小 10-23kg/m3)，无静止质量； ，无静止质量； 2) 实物不能达到光速，场则以光速传播； 实物不能达到光速，场则以光速传播； 3) 实物受力产生加速度，场则不能被加速； 实物受力产生加速度，场则不能被加速； 4) 实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作 实物具有不可入性，以空间间断形式存在， 参考系； 具有可入性，以连续形式存在， 参考系；场具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加 不能作为参考系。 性，不能作为参考系。 联系 -- 实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互 实物周围存在相关的场， 作用，场和实物可以相互转化。 作用，场和实物可以相互转化。 现代物理认为，场是更基本的， 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。 态的表现。