反氢原子

1. 反氢原子

2. 反氢原子

3. 基本粒子 世界是由什么组成的 ？ 世界是如何组成的 ？

4. 世界由什么组成？ 为什么世界上不同的物质具有相同的特征？ 因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的 ---简单、没有内部结构！ 从远古时代，人类就开始 这样想。比如认为世界是 由“水、火、土、气”组成。 “基本砖块”

5. 世界的基本砖块？原子 ？ • 今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。 • 在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。

6. “原子”是基本的吗？ • 人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类----〈元素周期表〉 • 这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。

7. 实验表明： “原子”是由带正电的、重 而小的“原子核”和围绕它 的带负电的“电子云”组成

8. “原子核”是基本的吗？ • “原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。 • 后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。

9. “质子”和“中子”是基本的吗？ 人们发现“质子”和“中子”并不基本， 是有更小的粒子---“夸克” 组成。 “夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的粒子

10. 现代的“原子”图像 注意： “原子”体积的99.999999999999% 是空的 ！

11. “原子”的大小

12. 众多的“复合粒子” • 人们一直在寻找粒子，目前已发现200 多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合 粒子”。 • 这些粒子的名称“五花八门”。 • 费米(Enrico Fermi) 对他的学生 莱德曼(Leon Lederman)说： "Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!" botanist n.植物学家

13. 标准模型 世界有什么组成？如何组成？ -----标准模型 • 6 种轻子 • 6 种夸克 • 传递力的粒子

14. 世界由什么组成？ • 世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。

15. “反物质”（“反粒子”） • 对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是 电荷反号。 • “粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”， 变成能量。

16. 夸克

17. “夸克”名称的由来 • 1964年 Murray Gell-Mann和 George Zweig建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作“Quark”。 • “Quark” 一词来自 James Joyce的小说 “Finnegan’s Wake” • 不同种类的“夸克”称作不同的“味道”

18. 两个最轻 的“夸克”称作 “上” （up) 和 “下” (down): 称为 “奇” (strange), 它组成的 粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命 称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现 称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现 称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现. 第三个 第四个 第五个 第六个

19. 强子（重子、介子） • 正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子” • 虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数 • 虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色 • 强子（Hadron） 有两类： 重子（Baryon） 介子（Meson）

20. 轻子（Lepton） 夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在 带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中 微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到

21. 带电轻子的衰变 → → →

22. 中微子 → → → →

23. 中微子的特点 • 不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱； • 绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用； • 可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）； • 由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。

24. 物质的“代” 第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什 么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi 叹道：“Who odered that ?”

25. 世界由什么组成？答案

26. 世界如何组成？ • 世界由夸克和 轻子组成。 • 是什么把夸克 和轻子组合成 物质？  四种作用！

27. 物质如何相互作用？ • 物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥 • 物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！

28. 电磁力 • 电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。 • 电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如 X—射线、可见光和无线电波。 • 光子没有质量，以光速传播。

29. 残余电磁力 • “原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！

30. 原子核如何形成 ？ “原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而 相互排斥，“中子”不带电，为什么它们不因排斥 而散开 呢？ 这个问题用电磁力无法回答 !

31. 强作用力 • 夸克带有“电荷” ，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。 • “强作用力”使夸克形成“强子” • “强作用力”的携带粒子叫“胶子” （“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！） • “强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”； • 虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。

32. 色荷 • 带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用 • 夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷 • 夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对“色荷-反色荷” • 组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的 • 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的 • 色荷在作用过程中是守恒的

33. 夸克禁闭 • 带色的粒子不能单独存在，夸克总是 和别的夸克囚禁在一起而形成色中性 的强子 • 强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强 作用，它们存在于由胶子组成的色场中： 当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克

34. 夸克禁闭未被严格证明！ --Steven Weinberg

35. 夸克发射胶子 夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。 → → → →

36. 残余的强作用：原子核的形成 虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。

37. 弱作用 • 虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢? • 较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙 形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克 和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过 弱作用进行的。 • 弱作用的携带粒子是W+ ,W- ,Z • 标准模型把弱作用和电磁作用 统一到了一个理论框架中。

38. 电磁作用和弱作用的统一 • 标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论 • 在非常小尺度(10-18米）或非常大能标(100 GeV) 情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一 水平。 • 随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于 电磁作用。 • 弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短 距作用

39. 引力 • 引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。 • 引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。

40. 自然界基本作用力的总结

41. 量子力学 • 原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质 （波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。 量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。 常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋 量子力学 只能预言粒子在某 一时刻出现在某处 的几率 . "God doesn't play dice!” (Einstein was wrong.) 量子数： 几率：

42. 1928年1月和2月，狄拉克提出了描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程 ，将相对论、量子和自旋这些在从前看来似乎无关的概念和谐地综合起来，完成了相对论量子力学的创立工作。 狄拉克

43. 相对论量子力学与正电子预言 如何使量子力学与相对论相结合？思路很简单，只要使其波动方程满足体现相对性原理的洛伦兹变换不变性，并以相对论动力学的结论作为思考的出发点。 相对论动力学中的能量与动量关系式： 相应地出现正、负能态的波函数解。人们往往会将负能根以至负能态解舍去；狄拉克却非同寻常，他果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。

44. 对于负能态解如何理解呢？狄拉克以“近乎疯狂的想象力”设想：电子有正能级、还有负能级，分别对应于方程的彼此对称的正、负能态解；而且在无限多负能级上已占满了电子，形成为一片深不见底的“电子海”。对于负能态解如何理解呢？狄拉克以“近乎疯狂的想象力”设想：电子有正能级、还有负能级，分别对应于方程的彼此对称的正、负能态解；而且在无限多负能级上已占满了电子，形成为一片深不见底的“电子海”。

45. 正电子预言： 一旦电子海受到电磁辐射的激发，负能级电子获取能量便跃迁到正能级上，相应地负能级上出现空穴。狄拉克把这空穴解释成具有正能量的“正电子”，并认定它乃是电子的电荷共轭粒子，除电荷与电子电荷反号外，其质量、自旋等俱与电子相同。这就是狄拉克由其相对论量子力学所作出的正电子预言。

46. 正电子预言被证实： 正电子作为电子的反粒子，于1932年由安德森从宇宙线射入的云室中探测到（图为探测到的正负电子对的照片）。

47. 正电子被证实确认了反粒子概念： “电子海”图象拓展为囊括各种粒子的“粒子海”图象，任何粒子都有反粒子，那末，所谓的“真空”可真是有极为丰富的物质蕴藏；这“粒子海”可作为前述量子真空概念的一种形象化描绘，藉以可深化对真空本质的探讨。 正电子预言的证实揭开了客观世界物质性的另外一半涵义，反物质探索便成为一个活跃的研究领域 崇尚数学形式的对称性，确实是狄拉克的美学风格；他断定，美的东西总是真的。

48. 从真空中正负电子对产生实际为光子变成电子的转化过程：从真空中正负电子对产生实际为光子变成电子的转化过程： • 正能级上的电子掉入负能级上的空穴，便有电磁辐射放出，此即电子对湮灭、转化成光子的过程： • 从正电子预言起始，正、反粒子对的产生和湮灭，成为粒子物理的中心概念之一。可以认为，这正是相对论与量子理论相结合的重要产物；二者尽管有不同的概念基础，但就形式体系的内部结构而言还是逻辑相洽的。

49. We have answered the questions, "What is the world made of?" and "What holds it together?“ The world is made of 6 quarks and 6 leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces and there are force carrier particles associated with each force 世界由什么组成？如何组成？--最后答案 描述这些基本粒子的理论：标准模型

50. 粒子的衰变和湮灭 • 原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核 • 基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子 → → → → → →