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反氢原子

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反氢原子

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  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 → → → → → →