高三物理粒子物理学及其应用

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1、第三篇粒子物理学及其应用更多资源xiti123.taobao.com第三篇粒子物理学及其应用一、基本粒子概念的发展和粒子的分类二、轻子三、夸克四、四种基本相互作用五、粒子探测器六、粒子物理的应用一、基本粒子概念的发展和粒子的分类1、基本粒子概念的发展⑴古代对物质结构的猜想我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说古希腊：水、火、土、空气组成物质（德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪）⑵近代对物质结构的认识道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特定的原子，不同元素的原子的性质不同。⑶现代对物质结构认识的飞跃1911年，卢瑟福的原子核式结构模型——原子由原子核和电子组成；1932年

2、，确认中子的存在——原子核由中子和质子组成；（三种基本粒子）1932年，安德森发现正电子；µ子、л介子和第一个奇异粒子被发现；20世纪50年代以后，夸克的发现——构成物质的基本粒子共有12种，包括6种轻子和6种夸克。至目前，尚未发现这12种粒子有内部结构。2、基本粒子的分类⑴轻子⑵夸克⑶规范粒子⑷Higgs粒子（未发现）二、轻子轻子——不参与强相互作用的粒子。6种轻子按其发现的年代和性质，分为三代；轻子同一代之间才发生相互作用。三代轻子的电荷和质量1、电子的发现⑴电子是最早发现的基本粒子。1897年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时发现。电子的静止质量为电子带负电荷⑵正电子

3、的发现1928年，狄拉克从理论上预言了正电子的存在；1932年安德森在宇宙射线中发现了正电子。正电子的质量与电子相等。正电子带与电子等量的正电荷。2、μ子和τ子的发现μ子有带负电的和带正电的两种，不参与强相互作用。质量比质子重207倍。μ子和电子具有相同的性质，但不可能以一种简单的方式衰变成单个电子。τ子是1975年在美国电子对撞机上发现的。它的质量比许多重子的质量还要大得多。带一个单位电荷。3、中微子在研究β衰变时，对能量守恒定律产生怀疑时提出的。1931年，泡里认为，在β衰变过程中，同时发射了一个质量很小（质量为零或接近零）的中性粒子，后来费米将它称为中微子。这样，

4、原子核β衰变过程中就保持了能量和动量守恒。例如，中子的衰变过程可表示为1942年，我国物理学家王淦昌提出了探测中微子的方案。美国物理学家艾伦根据这个方案，从实验上证实了电子中微子存在。1956年，莱茵斯等人在实验上检测到脱离了发射源的传播中的电子中微子（这才是电子中微子存在的直接证据）。后来又发现了μ子中微子。并有间接证据证明有τ子中微子。三、夸克1、强相互作用和强子核子（中子和质子）间存在着很强的吸引力——强相互作用。强相互作用的特点是：①短程力（力程为）很强（约为电磁力强度的100倍）很快（作用时间约）②与电荷无关③具有饱和性1935年日本物理学家汤川为了解释强相互作

5、用的传递方式，提出了π介子理论。π介子的质量约等于电子质量的275倍。后来又发现了比核子还要重得多的介子，连同核子称为重子。介子和重子统称强子。Π介子理论认为：核子之间存在一种核力场，强相互作用是通过交换介子传递的。汤川由相对论波动方程出发，给出了两核子之间的相互作用势能公式：V(r)称为汤川势，式中m为介子质量，g代表核力强度，r是两核子之间的距离2、强子超多重态（略）3、夸克模型重子由三个夸克组成，介子由一个夸克和一个反夸克组成；反重子由三个反夸克组成。夸克有三种：上夸克、下夸克和奇异夸克，以及它们的反夸克。夸克必须是费米子。夸克模型对许多实验结果作出了满意的解释。4

6、、夸克的颜色夸克具有不同的颜色——红、黄、蓝（不是实际的颜色，仅是借用），颜色实际上是一种量子数，三种颜色代表夸克的三种状态。5、c、b、t夸克的发现（略）四、四种基本相互作用1、弱相互作用微观粒子间除了存在电磁作用和强作用外，还存在着一种弱相互作用。关于弱相互作用的研究：1934年费米提出β衰变理论；1956年李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作用的本质。2、四种基本相互作用的比较3、量子电动力学与规范理论量子电动力学（QED）是关于带电粒子通过电磁场发生电磁相

7、互作用的理论学说，是在经典电磁场理论、狭义相对论和量子力学的基础上建立起来的。自由粒子Dirac方程在QED中，运动方程在带电粒子波函数的定域相位变换下保持不变，称为规范不变性，在数学上属于Abel群，用U（1）表示。1954年，杨振宁和Mills将Abel群的规范不变理论推广到非Abel规范场中，得到称为SU（2）非Abel场，后来人们称之为杨-Mills场。规范场理论已发展成为现代粒子物理基础理论的具有普遍性的重要组成部分。4、弱电统一理论1967—1968年温伯格和萨拉姆在格拉肖工作的基础上，提出弱电统一理论：像电磁作用