第十一章 基本粒子 (Chapter 1 The Nuclear Structure of Atom) [教学内容]

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1 第十一章 基本粒子 (Chapter 1 The Nuclear Structure of Atom) [教学内容]
第十一章 基本粒子 (Chapter 1 The Nuclear Structure of Atom) [教学内容] §1.1　原子的质量和大小． §1.2　原子的核式结构模型． §1.3 同位素． [教学重点] 原子的核式结构; 卢瑟福散射理论. [教学难点] 库仑散射公式;卢瑟福散射公式的推导．

2 第十一章 基本粒子 [教学内容] [教学重点] 粒子的分类; 基本相互的作用；夸克模型.
第十一章 基本粒子 [教学内容] §10.1 粒子物理概况 §10.2 表征粒子特征和性质的物理量 §10.3 对称性和守恒定律 §10.4 强子结构模型 [教学重点] 粒子的分类; 基本相互的作用；夸克模型. [教学难点] 对称性和守恒定律;宇称守恒和宇称破坏-弱相互作用宇称不守恒；共振态和强子结构的夸克模型；宇宙射线．

3 § 11. 1 粒子物理概况 (The periodic variety of elementary property)
一、概况 第一代基本粒子（一） 1947年以前在研究原子核的结构和运动变化规律时所发现的粒子。 1897年J.J.Thomson(汤姆逊)通过测定阴极射线粒子的电荷质量比而发现了电子（记作e）。 1905年A.Einstein(爱因斯坦)为了解释光电效应，提出了光子（记作）概念。

4 第一代基本粒子（二） 1911年E.Rutherford(卢瑟福)在研究核反应时认为氢原子核也是组成别的原子核的一个基元称为质子（记作p）。
1932年C.D.Chaderweiker(查特威克)发现了中子（记作n）和C.D.Anderson(安德逊)发现了正电子（记作e+） 1932年前后，泡利为了解释原子核衰变过程中的连续能谱，从理论上预言了电子型中微子（e）的存在。

5 直到1956年才在实验上真正找到。后来又发现了伴随子和子存在的子型中微子（ ）和子型中微子（）。
1935年，日本汤川秀树在研究核力机制过程中，从理论上预言了介子的存在。直到1947年C.F.Powell(包威耳)在宇宙射线中发现了(±0)介子。 1937年在宇宙射线中发现了()轻子。 理论和实验证明，任何粒子都有反粒子。

6 粒子和反粒子之间存在如下关系 质量、自旋、寿命等都是相同的，但某个或某些性质相反。
电荷绝对值相等，符号相反。中性粒子的磁矩大小相等，符号相反。 相遇时互相湮灭而转化为多个光子或介子。 反中子+反质子——反原子核 反原子核+反电子——反原子 反原子——反物质——反星球 寻求反物质和暗物质是现代科学研究的重要课题。(阿尔法磁谱仪)

7 第二代基本粒子（奇异粒子） 1947年到60年代初期，利用加速器和宇宙射线发现了一批新粒子由于它们的特殊性质，被称为奇异粒子。
最早发现的是0和0粒子，它们同时产生于下列过程： -+p 0 + 0 这个过程在液氢气泡室中的径迹照片如下：

8 0 和 0的产生与衰变: 成对产生: 单独衰变: 0  ++  --

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10 人们发现: 所产生的0和0 可以单独衰变。例如 0  -+ + 0 p+ - 0和0 都不带电，前者质量约为1000me称为介子，后者约为2200me，称为超子

11 以后又陆续发现一组K介子: 另一组超子 K+、K-（它们互为反粒子） K0、 （它们互为反粒子） 除了0之外还有
： + - 0以及反粒子 (2400me) : 0  以及反粒子 (2600me ) 其中 是我国王淦昌等人于1959年发现。

12 2、奇异数S在强作用和电磁作用过程中守恒，弱作用过程中不 守恒
特点： 1.强作用产生，时间很短，约为10-23秒。 2.弱作用衰变时间较长，约为 秒。 3.成对产生，单独衰变。（矛盾） 盖尔曼、西岛1953年提出： 1、 重介子和超子是奇异粒子，并有一个新的量子数：奇异数S 2、奇异数S在强作用和电磁作用过程中守恒，弱作用过程中不 守恒 3、所有的非奇异粒子 S=0。奇异粒子的奇异数如表所示。 4、弱作用中奇异数改变规则 |△S|≤1。

13 普通强子 奇异粒子 重子 p n  + - 0 0  - 奇异数 0 0 -1 -1 -1 -1 -2 -2
普通强子与奇异粒子的奇异数 普通强子 奇异粒子 重子 p n  + - 0 0  - 奇异数 介子 - +  K+ K0 K- 奇异数

14 { 分类： 第三代基本粒子(共振态粒子) 介子共振态:自旋为零或整数，衰变产物是介子 重子共振态:自旋为1/2的奇数倍，衰变产物是重子
基本粒子相互碰撞，可以产生一种状态，即由二、三个粒子短时结合在一起，形成一个粒子，它很快又衰变成别的粒子。这种短时结合成的粒子，具有一定的质量、电荷、自旋及寿命等性质，称为共振态粒子。 分类： { 介子共振态:自旋为零或整数，衰变产物是介子 重子共振态:自旋为1/2的奇数倍，衰变产物是重子

15 历史上最早发现的共振态粒子是粒子（1952年由费米等人用高能介子在质子上散射时得到的。其静止质量约为1236MeV，共有四种不同的带电状态， ++， +， 0， -。此后，特别是进入60年代，这种共振态粒子大批涌现，若把它们也算做“基本”粒子，那么，粒子的总数就约有400多种。 介子共振态有：（770）、（7831）、（958）、  （829）等。

16 1974年，丁肇中和利克特同时独立发现的J/，T=10-20秒，M=3.11GeV。
1975年，又发现了´粒子也是介子共振态， T=10-20秒， M=3.7GeV。而一般的共振态粒子，T=10-23—10-24秒。 （享寿—一万岁的新人种）。 同获1976年诺贝尔物理奖。

17 共振态粒子

18 二、基本粒子的分类 1. 规范粒子：是传递相互作用的媒介。 光子、胶子g、中间玻色子 W±和Z0 。（玻色子J=1）
2. 轻子：参与弱相互作用,带电的粒子也参与电磁作 用。 3. 强子：参与强相互作用的粒子。也参与弱相互作用、电磁作用。

19  ( ) 基本粒子分类（一） 光子 介 子 轻子 离子类别 粒子符号 静止质量 寿命 电荷 自旋 轻子数 重子数 内禀宇称 超荷 同位旋
介 子 轻子 离子类别 粒子符号 静止质量 寿命 电荷 自旋 轻子数 重子数 内禀宇称 超荷 同位旋 同位旋分量I 奇异数 (秒） Q J B z S Y Lo La （MeV)  1 稳 奇 +1+1 0e-- 稳稳稳 0.511 105.7 00 1/21/21/21/2 0000 +1+1 -1 2.2×10-8 +0-+00-0- 2.6* * * * * * * *10-10 >10-21 奇奇奇奇奇奇奇奇奇 /21/21/21/20 0 /2-1/2 +1/2-1/  ( )

20 基本粒子分类（二） 稳 P n 0+0-0-- 938.3939.61116118911921197131513211672
1/21/21/21/2 1/21/21/21/23/2 偶偶偶偶偶偶偶偶偶 1/21/ /21/20 +1/2-1/ /2-1/2 0 * *10-11 < * * * *10-10 重 子

21 三、基本粒子间的相互作用 四种相互作用比较 1、可分为四种：引力（万有引力）、电磁作用、强作用和弱作用。 名称 引力作用 弱相互作用
电磁相互作用 作用力程 举例 相对强度 传播子 被相互作用 特征时间（秒） 天体之间 引力子 一切物体 10-14厘米 衰变 中间波色子 强子、轻子 10-10 原子结合 e2  1/137 光子 强子 e   10-16—10-20 10-1310-14厘米 核力 介子 强子  G牛顿10-39 G费米10-5 g21 › ‹10-23

22 四种相互作用 1.在自然界有四种基本的相互作用，就是：引力相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。
2.发现最早的是引力相互作用，它的强度最小，但是，因为它是长程力，而且随着质量的增加而增加，所以在有很大质量的物体之间，引力是很大的。 电磁作用力虽然也是长程力，但宏观物体一般都是电中性的所以在宏观物体之间，电磁作用力并不占重要地位。强相互作用和弱相互作用都是短程力，只在短距离内起作用，所以在宏观物体间也不会显示出来。

23 2、说明： （1）作用力越弱，参与作用的粒子数越多。
（2）各种相互作用，由于强弱不同，引起各种粒子的反应时间也不同。作用越强衰变过程越烈，粒子寿命就越短。

24 （3）不单是带电粒子才参与电磁相互作用。中性粒子0，0，0都可以按照电磁相互作用发生衰变：
（4） 中微子只参与弱相互作用；奇异粒子的产生过程是强作用，衰变过程是弱作用；核子组成原子核时是强作用，衰变都是弱作用过程。 0+ 0 +  0  

25 3、大统一理论： （1）电与磁的统一。 （2）引力与电磁力的统一。 （3）弱电统一理论。 （4）弱、电磁、强作用统一 理论。

26 三、 课堂反馈 思考与讨论： １．为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性 的变化？ ２．为什么每个周期的元素为２，８，８，１８， １８…
１．为什么元素性质按周期表顺序会出现出现周期性 的变化？ ２．为什么每个周期的元素为２，８，８，１８， １８… ３．为什么有过渡族元素和稀土元素？ 这些问题都必须从原子结构去了解．只有对原子结构有了彻底的认识，才能从本质上认识元素周期表。

27 四、 课堂小结 五、布置作业 元素周期表的排布原则 元素性质的周期性变化 小论文：元素周期表对发现新元素有何作用？ 预习下一节，思考
（1）一个电子的状态需由几个量子数确定？如何确定电子状态的量子数？ （2） 泡利不相容原理与能量最低原理的物理意义。

28 §8.2 粒子分类和相互作用 一.相互作用

29 二．粒子分类

30 三．粒子的观测 1、反粒子 光子转化为正负电子对 正负电子对湮没-两个相反方向的 光子 安德森观察到了正电子的径迹
通常称电子为粒子，正电子为反粒子，正电子是人类第一次在实验上发现的“反粒子”，而正、反粒子的成对存在是自然界的普通现象。从1955年起陆续发现了反质子、反中子、反中微子、反介子、反超子等。

31 2.中微子 中性粒子，其静止质量几乎为0 3.子和介子的发现 子 这种粒子与核子的相互作用很弱 的发现( )

32 四.守恒量

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34 §8.2 轻子与弱相互作用 一、三代轻子： 中微子与反中微子不是同种粒子： 和e不是同种粒子。

35 二、宇称不守恒： １.-之谜(两个重介子) 矛盾-上式如宇称守恒则和具有不同的宇称-不同粒子 而它们有相同的质量和寿命及各种其他性质
2.宇称不守恒—弱相互作用过程中宇称不守恒 1956年李政道和杨振宁提出并建议如下实验来进行验证

36 衰变是宇称守恒,则沿自旋方向相同和相反方向发射的 粒子数目都是一样.
3、吴健雄等的实验 向与钴核自旋相反方向飞出的电子比与钴核自旋相同方向飞出的电子多40% 宇称在弱相互作用中不守恒

37 三．中间玻色子与弱电统一

38 §8.2 强子与强相互作用

39 二、夸克模型 重子都是由三种夸克组成,反重子都是由三种反夸克组成 介子都是由一种夸克和一种反夸克组成 夸克的特点—夸克是自旋为1/2的费米子,重子数为1/3.每个夸克都有相应的反夸克,电荷是e/3的整数倍

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42 三、胶子 四、渐近自由理论 当代物理学前沿的两大世界难题 其是强相互作用的媒介了
　　夸克间的距离越近，强作用力越弱。当夸克间彼此非常接近时，强作用力是如此之弱，以至它们的行为完全就像自由粒子。物理学家们将这种现象称为“渐近自由”，反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时，强作用力就越强。 当代物理学前沿的两大世界难题 看不见夸克 对称性破缺

43 五、夸克层次的粒子分类 １.规范玻色子-13种 2.费米子-48种

44 五、激光冷却与原子搏陷 　 被激光囚禁的铷原子云。表面温度越低，被囚禁的铷原子云的尺寸越小，更多的铷原子云处在同一的量子态。