粒子和宇宙

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“基本粒子”不基本

在19世纪末,人们认为原子是组成物质不可再分的最小微粒,后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质不可再分的基本粒子,并称为“基本粒子”。

但随着科学的进一步发展,科学家们慢慢发现了数以百计的不同种类的新粒子,原子由质子、中子、电子组成,另外又发现质子、中子等本身也有基本的结构,所以从20世纪后半期起,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。

发现新粒子

人们在对宇宙研究的同时发现了一些新的粒子,它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现粒子相同,但电荷与其他性质相反,这些粒子叫做反粒子,例如,电子的反粒子就是正电子。

1932年发现正电子;1937年发现μ子

1947年发现K介子与π介子。实验中发现了许多反粒子,现在发现的粒子多达400多种。

许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子,叫做反粒子

按粒子与各种相互作用的关系,可分为三大类:强子、轻子和媒介子。

强子、轻子和媒介子对比

夸克模型

1964年提出的夸克模型,认为强子由更基本的夸克组成。夸克由六种模型:上夸克d、下夸克u 、奇异夸克s、粲夸克c,底夸克b、顶夸克t。

宇宙的演化

宇宙大爆炸理论
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 1000亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降。
大爆炸后0.1秒后 300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后 100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现,核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后13.8秒后 30亿度,氘、氦类稳定原子核(化学元素)形成。
大爆炸后35分钟后 3亿度,核过程停止,尚不能形成中性原子。
大爆炸后30万年后 3000度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块,直至恒星和恒星系统。

恒星的演化

恒星的诞生
宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氢核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应、形成白矮星或中子星或黑洞。

恒星最后的归宿
恒星质量小于太阳1.4倍→白矮星
恒星质量是太阳1.4~2倍→中子性
恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞

高中物理知识点总结

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