(优选)粒子碰撞物理学第二章讲课稿
高中物理第2章波和粒子本章优化总结课件沪教版选修3
3．光电效应方程实质上是能量转化和守恒定律在光电效应 现象中的反映，根据能量守恒定律，光电子的最大初动能 跟入射光子的能量 hν 和逸出功 W 的关系为 hν＝W＋Ekm， 这个方程叫做爱因斯坦光电效应方程．
(1)“光电子的动能”可以介于 0～Ekm 的任意 值，只有从金属表面逸出的光电子才具有最大初动能，且 随入射光频率的增大而增大． (2)作为能量守恒的一种表达式，可以定性理解方程的意义： hν＝W＋12mv2，即入射光子的能量一部分转换为金属的逸 出功，剩余部分转化为光电子的动能．
光的波粒二象性、物质波和概率波 1．光的粒子性并不否定光的波动性． 现在提到的波动性和粒子性与 17 世纪提出的波动说和粒子 说不同．当时的两种学说是相互对立的，都试图用一种观 点去说明光的各种“行为”，并否定对方观点．这是由于 受传统观念的影响，这些传统观念是人们观察周围的宏观 物体形成的．波动性与粒子性在宏观世界中是相互对立的、 矛盾的，但对光子就不同了，光子属于微观粒子，光具有 波粒二象性．
功的信念比成功本身更重要，相信人生有挫折没 有失败，相信生命的质量来自决不妥协的信念，
考试加油。
光的波粒二象性在不同情况下的表现不同： (1)对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显 著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著． (2)光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体 现出粒子性．
(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性．下列事实中 突出体现波动性的是( ) A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样 B．β 射线在云室中穿过会留下清晰的径迹 C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构 D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构 [解析] 电子束通过双缝产生干涉图样，体现的是波动性， A 正确；β 射线在云室中留下清晰的径迹，不能体现波动性， B 错误；衍射体现的是波动性，C 正确；电子显微镜利用了 电子束波长短的特性，D 正确． [答案] ACD
物理学中的粒子碰撞与散射机制
物理学中的粒子碰撞与散射机制粒子碰撞和散射是物理学中的核心研究领域之一。
通过研究粒子之间的相互作用，我们可以深入了解物质的本质和宇宙的起源。
本文将讨论粒子碰撞和散射的基本概念和机制。
一、粒子碰撞和散射的基本概念粒子碰撞是指两个或更多粒子之间的物理触碰，其发生于宏观和微观尺度。
粒子可以是原子、分子或更小的基本粒子，如电子、质子等。
碰撞过程中，粒子之间会发生能量、动量和角动量的交换，从而导致速度和方向的改变。
粒子散射是指入射粒子与靶体（或其他粒子）之间的相互作用，使入射粒子偏离其原有的路径，并向不同的方向运动。
散射过程中，入射粒子的能量和动量也会改变，这取决于散射角度和散射截面。
二、粒子碰撞和散射的机制1. 电磁相互作用：粒子之间的电磁相互作用是粒子碰撞和散射的主要机制之一。
电荷粒子之间会相互排斥或吸引，这种相互作用力可导致粒子运动轨迹的改变。
2. 强相互作用：强相互作用是粒子碰撞和散射的另一个重要机制。
强相互作用牵涉到夸克之间的相互作用，构成了原子核和介子的结构。
在高能物理实验中，通过碰撞高能质子或重离子，研究夸克和胶子的行为成为了解强相互作用的有效手段。
3. 弱相互作用：弱相互作用负责放射性衰变和一些粒子之间的散射。
在粒子碰撞和散射实验中，研究弱相互作用可以揭示宇宙早期的物理条件。
4. 引力：在宏观尺度上，引力是粒子碰撞和散射的重要力量。
当质量较大的物体相互靠近时，它们之间会发生引力作用，导致轨迹的改变和散射。
三、粒子碰撞与散射的应用1. 研究物质结构：通过粒子碰撞和散射，科学家可以研究物质的内部结构和组成。
使用高能粒子加速器，可以将粒子加速到极高的速度，进行粒子对撞实验，进而观察粒子碰撞时所产生的新粒子，揭示物质的微观世界。
2. 了解宇宙起源：粒子碰撞和散射实验有助于解开宇宙起源和演化的奥秘。
通过模拟宇宙早期的条件和粒子之间的相互作用，科学家可以更好地理解大爆炸理论和暗物质等宇宙现象。
3. 医学应用：粒子碰撞和散射也在医学领域有重要应用。
粒子物理教案
第二章粒子的分类及性质：轻子和强子2.1 四种相互作用一、四种相互作用概况①引力相互作用：天体，一切有质量的物体②电磁相互作用：带电物体③强相互作用：原子核的发现及核力的研究导致强相互作用的发现特点：力程短〜10-15米，作用时间短〜10-23秒反应过程中相互作用时间∝1/力的强度与电磁作用比较秒，比电磁相互作用强107倍170104.8)(−×=→γγπτ137Anderson 和Neddermeyer 所拍摄的两张置于强磁场中的云雾室照片，其中左图向上较粗径迹及右图向下径迹经分析为荷质比e/m 远大于质子荷质比的粒子所引起。
从其引致的电离程度看不可能为电子。
（C.D. Anderson and S.H. Neddermeyer, Phys.Rev .50(1936)263;S.H. Neddermeyer and C.D. Anderson ,Phys.Rev .51(1937)884.)S.H. Neddermeyer and C.D. Anderson ,Rev.Mod.Phys .11(1939)191eee m m m m 200400100~50<<m μ~ 105.7 MeVPhys.Rev,71(1947)209μνν≠e 实验证实在所有的反应中轻子数是守恒的，而且不同种类的轻子数分别守恒，且在所有的相互作用中都守恒,e L ,μL τL后来又发现了另外一类“V ”型事例，经过分析，其末态是π+和π−，其质量约为电子质量的1000倍，当时称为θ0介子，其寿命约为10−10秒−+→ππθ0以后，又发现了带电的θ介子ππθ++→1949年，发现了质量与θ接近另外的一个新粒子−+++→πππτ现在，我们知道θ和τ是同一种粒子，称为K 介子。
人教版高中物理选修碰撞课件
散射在粒子物理和核物理 碰前运动速度与两球心连线处于同一直线上
1、对心碰撞——正碰：
中，常常使一束粒子射入物体， 发生对心碰撞的两个物体，碰撞前后的速度都沿同一条直线，它们的动量也都沿这条直线，可以在这个方向上应用动量守恒。
早在1920年，在发现电子和质子之后不久，卢瑟就猜测，原子中可能还有一种电中性的粒子。
碰前运动速度与两球心连线不在同一直线上
以得到与物质微观结构有关的 弹性碰撞中没有机械能損失、于是可以列出另一个方程。
很多信息。
科学足迹
中子的发现
1932年，物理学历史上发生了一个重要的事件一一发现了 中子。早在1920年，在发现电子和质子之后不久，卢瑟就猜测， 原子中可能还有一种电中性的粒子。英国物理学家查德威克在 卡文迪许实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设法加速质 子，用它撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年， 他用高速质子轰击了原子核。
动量守恒： m vm vm v 我们的任务是得出用m1、m2、v1表达和v'1和v'2的公式。
2、非对心碰撞——斜碰： 失，碰撞过程能量守恒。
11 11
22
散射在粒子物理和核物理中，常常使一束粒子射入物体，粒子与物体中的微粒碰撞，研究碰撞后粒子的运动方向，可以得到与物质微
观结构有关的很多信息。
1 1 1 碰碰撞撞以 以后后两两个个物物体体在在一一起起，，成成为为一一个个质质量量为为222 mm的 的物物体体以以速速度度vv''继继续续2前前进进。。
碰權过程遵从动量守恒定律，据此可以列出包 含上述各已知量和未知量的方程。弹性碰撞中没有 机械能損失、于是可以列出另一个方程。两个方程 联立，把v'1和v'2作为未知量解出来就可以了。
高中物理 第2章 波和粒子 1 拨开黑体辐射的疑云课件 沪教选修35沪教高二选修35物理课件
第二页，共三十六页。
一、第二朵“乌云”——“紫外灾难”
1．热辐射：实验表明，物体在任何温度下，都会发射 ___电__磁__波_____，温度不同，所发射的___电__磁_波______的频率、
强度也不同，物理学中把这种现象叫做热辐射． 物体的温度较低时，热辐射的波长主要落在____红__外______ 区域；当温度升高时，辐射的___可__见_光_____所占的份额增大．
第2章 波和粒子(lìzǐ)
2．1 拨开黑体辐射的疑云
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第2章 波和粒子(lìzǐ)
1.了解什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑 体辐射．(难点) 2.了解黑体辐射的实验规律，了解黑体热 辐射的强度与波长的关系 ．(重点) 3.了解能量子的概 念．(重点)
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2．能量子 (1)定义：不可再分的最小能量值 E. (2) 关 系 式 ： E ＝ hν ， 式 中 ν 是振_子__(z_hè_n_zǐ_)的__频__率_ ， h 是 普朗克_常__量__(c_h_án_gl_ià_ng_)_，且 h＝____6_.6_3_×__1_0－__34_J·_s___． (3)能量的量子化：在微观世界中能量不能连续变化，只能 取分立值，这种现象叫做能量的量子化．
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解析：根据公式 ν＝cλ和 E＝hν 可知 400 nm 对应的能量子 E1＝hλc1＝6.63×10－34×430.00××1100－89 J≈4.97×10－19 J. 700 nm 对应的能量子 E2＝hλc2＝6.63×10－34×730.00××1100－89 J≈2.84×10－19 J. 答案：4.97×10－19 J 2.84×10－19 J
高中物理粒子对撞实验教案
高中物理粒子对撞实验教案教学内容：粒子对撞实验教学目标：1. 了解粒子对撞实验的基本原理。
2. 掌握粒子对撞实验中的仪器和工具的使用方法。
3. 能够进行简单的粒子对撞实验，并分析实验结果。
教学准备：1. 实验室教室2. 粒子对撞实验仪器和工具3. 实验指导书4. 计算机及相关软件教学步骤：1. 引入：介绍粒子对撞实验的背景和意义，引导学生思考粒子对撞实验与粒子物理研究之间的关系。
2. 理论讲解：讲解粒子对撞实验的原理和仪器，如加速器、探测器等。
对粒子对撞实验中的重要概念进行解释，如能量、动量等。
3. 实验操作：让学生进行粒子对撞实验的模拟操作，操作流程包括：a. 打开实验仪器，调节加速器参数。
b. 进行粒子对撞，记录实验数据。
c. 使用软件分析数据，得出实验结果。
4. 结果分析：让学生根据实验数据对实验结果进行分析，讨论实验中可能出现的误差及改进方法。
5. 总结：总结本次实验的目的、方法和结果，引导学生思考粒子对撞实验对物理学的意义和影响。
6. 作业：布置相关作业，如阅读相关文献、编写实验报告等。
教学环节：探究环节：让学生通过实际操作体验粒子对撞实验的过程，培养实验操作和数据分析能力。
引导讨论环节：引导学生思考粒子对撞实验对物理学和科学研究的意义，鼓励学生提出自己的看法和想法。
实验报告环节：让学生通过实验报告的撰写和展示，提高他们的表达能力和科学素养。
教学评价：通过学生的实验操作和数据分析能力，可以了解学生对粒子对撞实验的理解程度和实验技能水平，从而对教学效果进行评价和调整。
高中物理第2章波和粒子2.1拨开黑体辐射的疑云课件沪科版选修35
【解析】 由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强 度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反过来，故 A、C、D正确，B、E错误.
【答案】 ACD
第十四页，共27页。
2.下列叙述正确的是( ) 【导学号：67080015】
A.一切物体都在辐射电磁波 B.一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 C.一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关 D.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关 E.黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
第五页，共27页。
[再判断] 1.能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体.( √ ) 2.温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大.( √ ) 3.热辐射一定在高温下才能发生.( ×)
第六页，共27页。
[后思考] 黑体是指黑颜色的物体吗？ 【提示】 黑体不是指黑颜色的物体，是指能完全吸收电磁波的物体.
知
识
点
学
一
业
(
x
u
é
y
2.1 拨开黑体辐射的疑云
è) 分
层
知
测
识
评
点
二
第一页，共27页。
学习目标
1.了解什么是热辐射及热辐射的 特性，了解黑体与黑体辐射.(重 点) 2.了解黑体辐射的实验规律，了 解黑体辐射的强度与波长的关 系.(重点) 3.了解能量子的概念，理解能量 量子化.(难点)
知识脉络
第二页，共27页。
第二十一页，共27页。
[后思考] 为了得出同实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了什么样的观点？ 【提示】 普朗克提出了量子化的观点.量子化是微观世界的基本特点，其所 有的变化都是不连续的.
粒子物理学中的粒子对撞与碰撞实验
粒子物理学中的粒子对撞与碰撞实验粒子物理学是研究构成宇宙的基本粒子以及它们之间相互作用规律的科学领域。
在这个领域中，粒子对撞与碰撞实验被广泛应用，以揭示物质的本质和宇宙的起源。
本文将介绍粒子对撞与碰撞实验的基本原理和应用。
一、粒子对撞实验的基本原理粒子对撞实验是指将粒子加速器中的两束高能粒子相互碰撞，通过观察和记录碰撞过程中产生的新粒子来研究基本粒子及其相互作用规律。
粒子对撞实验通常采用环形加速器，如 Large Hadron Collider （LHC）等。
在粒子对撞实验中，两束粒子沿着相对运动方向进入碰撞点，在高能碰撞过程中，部分入射粒子的能量转化为新粒子的能量和动量。
这些新粒子会通过探测器进行探测和测量。
二、粒子对撞实验的应用1. 发现新粒子：通过粒子对撞实验，科学家可以在高能碰撞中发现新的基本粒子。
例如，在LHC的实验中，科学家们于2012年发现了希格斯玻色子，这是验证希格斯场存在的关键粒子，并为粒子物理的标准模型提供了重要支持。
2. 研究粒子的性质和相互作用：通过观察碰撞产生的新粒子的特性和行为，科学家可以研究粒子的质量、自旋、电荷等性质，以及粒子之间的相互作用规律。
这有助于揭示物质的组成和宇宙的起源。
3. 探测暗物质：通过粒子对撞实验，科学家还希望能够找到暗物质的痕迹。
暗物质是构成宇宙大部分物质的一种未知物质，它不与电磁波相互作用，难以直接观测。
通过高能碰撞实验，科学家们期望可以间接探测到暗物质的存在或痕迹。
4. 研究宇宙起源和演化：通过模拟宇宙大爆炸的条件，粒子对撞实验可以帮助科学家们研究宇宙的起源和演化过程。
通过观察高能碰撞时产生的粒子和物质，可以了解宇宙的早期状态，进而推断宇宙的演化规律。
三、碰撞实验的挑战与发展随着科学技术的不断进步，粒子对撞与碰撞实验在各个方面都取得了重要进展。
然而，碰撞实验仍面临着一些挑战。
首先，高能粒子的加速需要庞大而复杂的加速器设施，这对于实验的开展需要巨大的资金和技术支持。
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Z1Z
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1 r
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3
1/
2
加入了修正函数，比较适用于能量在104～105eV的各种注入离子。
§2.1原子间的相互作用势
6、林哈德势（Lindhard）：
V
r
Z1Z 2e 2 r
0
(r) a
0
(r) a
ks s
(a
/
r ) S 1
同样采用了修正函数，取不同的S值（S=1,2,3,4，……）可适用于不同的 作用距离。
d [( p dp)2 p2 ] 2pdp d (p2 )
由于T取决于φ角，所以能量传递T+dT也由φ+dφ决定，因此上述微分截面也可称为 T+dT范围内能量传递微分截面。
§2.3 散射角与散射截面
这一节我们来求两体碰撞过程中的散射角φ及一般的散射截面。
讨论这类碰撞问题，比较方便的做法是同时应用两个坐标系：实验室系和质心系。在碰撞之前，在 实验室系内，入射粒子以v0运动，靶原子M2可当作静止不动。碰撞以后，两个粒子分别以速度V1 和V2向φ和ψ方向散射。（如图所示）
一束均匀而平行的离子束射向静止的原子，根据硬球模型，只有那些碰 撞参数在P≤2R0的入射离子发生散射，因而面积4πR02决定了碰撞总截 面。
具有碰撞参数为P的所有离子都将会偏离φ角，进入一个以被碰撞原子为中心， 半角为φ的锥体面上，同理，以被碰撞参数为P+dp入射的离子，将进入半角为 φ+dφ的锥面上。dp取极限小时，可以认为处于p+dp面积元的所有入射离子有相 同的碰撞参数P。这个环形的面积元我们就称之为碰撞参数为P，散射角为φ的 微分散射截面dσ。它的物理意义是粒子碰撞的散射角为φ的几率。
§2.2弹性散射和微分散射截面
我们先从硬球模型入手来讨论弹性散射和微分散射截面。可以说采用 相互作用势的硬球模型来讨论离子同固体的相互作用问题在一定程度 上也是有它合理性的。
在离子注入中，入射离子和靶原子之间发生碰撞的最远距离，不超过晶体靶中原子点阵 间距的一半（大约是1～3Å之间）。而最小的碰撞间距不会小于0.1Å，整个间距很小。 如果我把这个间距忽略掉，那么可以设想，有一个半径为R0的硬球来代替被碰撞的原 子。即把每个原子当成一个半径为R0的理想弹性硬球。弹性碰撞只发生在r= 2R0处，在 r>2R0处则不发生相互作用，这种碰撞称为硬球碰撞。实验上在弹性相互作用时，硬球 模型是一种相当合理的近似，且处理方法又很简便。我们在这里用这种模型来引入微分 散射截面这个概念。当然在实际的离子注入过程中，入射离子跟靶原子之间的实际相互 作用势比这要复杂的多，以此推出的结论自然也会有些不一样。
碰撞后两者的速度分别为V1和V2，从能量守恒出发，有
E0
1 2
M 1v0 2
1 2
M
1v12
1 2
M
2
v2
2
E1
E2
根据动量守恒，平行于中心连线的动量分量为：
M1v0 cos M1v1 cos( ) M 2v2
垂直于中心线的动量： M1v0 sin M1v1 sin( )
利用上式可得到：
E0,v0
碰撞参数
E1 φ
ψ T=E2
在图上，考虑两个半径为R0的硬球碰撞，入射球的质量和能量分别为M1和E0，而开 始处于静止状态，被碰撞原子的质量为M2，碰撞时两球心间距为2R0，碰撞前入射球前 进线与被碰撞原子之间的距离为P，我们称之为碰撞参数（这是一个很重要的物理参量）。 碰撞的结果，入射球由原来的运动方向被偏离了φ角，而将能量T=E2移交给被碰球，也 就是靶原子，使其偏移ψ角。对于给定的子弹和靶原子核而言，决定传输能量T的因素， 是入射离子的初始能量E0，碰撞参数P和碰撞中起作用的几种力学性质。对于弹性碰撞， 利用经典力学理论就可以算出T与P，E的函数关系。
也称作负幂势，其缺点是不能用一个单一的解析式表达所有范围内的势函 数。
§2.1原子间的相互作用势
7、韦尔森（Welson）势 ：
V r 0.18818 e3.2r 0.5099 e0.94235r 0.2802 e0.4026r 0.02817 e0.2016r
适用于高能和低能离子注入，属于比较精确的分析势。
r
a
a
a0
(Z12 / 3
Z
2 2
/
3
) 1 /
2
o
a0 0.53
考虑到原子结构，也就是考虑到核外电子结构对库仑势的屏蔽作用，所以 引入屏蔽因子。使用范围介于原子K层半径和点阵间距之间。 并不是一个很好的势函数。
§2.1原子间的相互作用势
5、托马斯—费米势（Thomas—Fermi） ：
V
r
§2.1原子间的相互作用势
以上这些作用势都是一定程度的近似表达法。目前还未找到一个 很确定的相互作用势来适合于所有离子原子对之间的通用相互作 用势。也就是说，这些相互作用势中的任一种势都不可能在离子 的全部能区，全部范围内都适用。
由于固体中原子的间距是很小的，因此检验这些相互作用势的实 验做起来相当困难。所以只能间接地用离子的散射实验，以及注 入离子在固体中的统计分布和计算机模拟来修正这些作用势（加 不同的修正系数）。因为一般来讲，仅对表达式中系数做一定的 修正，这比建立一个新的表达式方便容易得多。
例如，以测得的入射离子在固体中的统计分布为实验根据，确定 入射离子的初始条件（包括能量和位置参数），然后确定离子原 子间相互作用势和原子结构即可计算出离子在固体中的最终分布 （就像咱们下面几节课要做的一样）。
将多次碰撞进行统计平均，然后与实验比较，根据二者的差别反 述来修正相互作用势，比如对修正系数或修正函数进行修正，多 次的反复修正直到理论与实际的相互作用势和统计分布参数符合 到满意为止。
v12
v02
M1
c
os
M
2 2
M12
M1 M2
sin2
1/ 2
等式两边各乘以M1/2进而可得出： E1=kE0
其中
k
E1 E0
v12 v0 2
M1
c
os
M 22 M12 sin2
M1 M2
1/ 2
（为入射离子弹性碰撞后与碰撞前能量之比，称为运动学因子，在离子束分析技术中，我们要经 常用这个参数。）
（优选）粒子碰撞物理 学第二章讲课稿
§2.1原子间的相互作用势
3.Born-Mayer势： V r Aexp( r )
常数A和ρ可用弹性模量和晶格常数等物理量来确定。
V r Z1Z2e2
r
§2.1原子间的相互作用势
4.玻恩（Born）屏蔽库仑势：
V r Z1Z2e2 exp( r )