大学物理
第 1页 共 35页
同学们好 ！
大学物理
第 2页 共 35页
一、物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
宇
宙
学
、
粒
子
物
理
的
奇
妙
衔
接
第二章 物质世界的结构层次
大学物理
第 3页 共 35页
胀观, 1040m ~1016亿光年
实
物
物
质
微观, < 10-7m,原子、分子、基本粒子,
波粒二象性,服从统计规律。
量子力学描述 。
宏观, > 10-7 m,各种凝聚态，显示粒子性,
服从因果规律。 牛顿力学描述。
渺观, 10-35m
介观, 性质上介于微观与宏观
宇观, 天体物理
大学物理
第 4页 共 35页
二,宇宙中物体的质量量级 ——跨跃了约 80个数量级
科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到
的微小粒子组成的。
自然界的奥秘何在？
大学物理
第 5页 共 35页
三、物质世界的时间尺度
s1018?
宇宙年龄,
130 ~200亿年
星系形成,50亿年
地球年龄,
s10106.4 179 ?? 年
大学物理
第 6页 共 35页
大气形成, s10108 168 ??? 年
热电离层
对流层
中间层
平流层
外大气层
臭氧层
生命的诞生：约 40亿年
脊椎动物,约 6亿年
人类出现 年 614 103~s10 ?
大学物理
第 7页 共 35页
生
物
的
进
化
大学物理
第 8页 共 35页
地球公转 s103 7?
月球公转 s106.2 6?
地球自转 s105
中子寿命 s103
百米跑 10s
市电周期 s10 2?
介子寿命 s10~10 178 ??
中间玻色子寿命 s10 24?
s10~s10 2418 ?共计跨越了 42个数量级
大学物理
第 9页 共 35页
第一节 基本粒子及其相互作用
要点,三大家族、四种相互作用
基本粒子 特征,质量、电荷、自旋、寿命 ……
基本粒子, 人类迄今为止尚未
发现其内部结构的
,点”粒子，是一个
不断向更深层次转
移的动态概念。
标准模型, 1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直
线加速器中心电子 —— 核子撞击实验首次
验证，获当年诺贝尔物理奖。
大学物理
第 10页 共 35页
光子（ 20世纪 20年代） —— 传递电磁相互作用
中间玻色子 (3种 ) （ 20世纪 70~80年代）
—— 传递弱作用
胶子 (8种 ) （已有实验基础）
—— 传递强作用
引力子（尚未发现） —— 传递引力作用
1.规范粒子,
场粒子，传递相互作用的媒介,共 13种。
一、基本 粒子 分类
分类,三大家族
大学物理
第 11页 共 35页
规范粒子
名称 符号 静质量
MeV
电荷
e
自旋
? 寿命 s
传递的
相互作用
光子
中间
玻色子
胶子
引力子
?
0Z
W?
)(g
0
0
0
0 0
0
1
1
1
2
1
引力
?
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0
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电磁
弱
强
25
25
10)03.060.2(
10)18.093.2(
?
?
??
??
319 1 1 6 1
4 0 08 0 6 0 0
?
?
玻色子
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第 12页 共 35页
2,轻子,
不参与强相互作用的基本粒子,共 3代 12种。
电子
μ子
名 称 符号 静质量 MeV 电荷 e 自 旋
?
寿 命 s 代
电子中微子
μ子中微子
?子
?子中微子
一
二
三
e
e
?
??
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??
?
0.51
5105 ???
106
*1776.9
5.0?
160?
0
0
0
-1
-1
-1
21
21
21
21
21
21
?
?
?
?
610~ ?
1310~ ?
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
轻子必定以粒子 ——反粒子对的形式产生或湮灭。 总的轻子数
(轻子数减去反轻子数 )在已知的一切过程中保持不变。
大学物理
第 13页 共 35页
反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。
铅板
B?
?
? ?
?
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航
天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪 (AMS)
升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质 (反碳核和反氦
核 )。
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第 14页 共 35页
中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺
贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，
中微子通信，探测星球内部信息 …… ）
???? ?epn
?
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第 15页 共 35页
3.夸克,
组成参与强相互作用的强子,3代,6味、每味 3色，
共 36种。
名 称 符号 静质量
MeV
电荷
e
自旋
?
代
一
二
三
上 夸克
粲 夸克
奇异 夸克
顶 夸克
底 夸克
下 夸克
u
d
c
s
t
b
≈ 300
≈ 300
≈ 500
≈ 1500
≈ 180000
≈ 5000
32
32
32
31?
31?
31?
21
21
21
21
21
21
费米子
大学物理
第 16页 共 35页
1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
s,d,u
c/ΨJ ?
bΥ ?
t
特点, 分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
ee 32,31 ??
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第 17页 共 35页
基本粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子 (引力子？ )
费米子
希格斯粒子（?）
62
种
强子 (核子、介子 )的夸克模型
名称 符号 符号 组 成 组 成 名称
质 子
中 子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
p
?K
?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc?
su?
du ?
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第 18页 共 35页
物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
物质存在的基本形式 ——实物和场
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第 19页 共 35页
大学物理
第 20页 共 35页
2) 与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；
如电磁场，引力场，核场等。
3) 场也与实物一样具有质量,能量、动量和角动量 ；
4) 与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守
恒,能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律 ；
5) 与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一
种形式转变为另一种形式。
“场”与实物的比较
共同点,
1) 都是客观存在的,不以人的意志为转移 ; 是可知的,
能够为人们的意识所反映。
大学物理
第 21页 共 35页
联系 -- 实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互
作用，场和实物可以相互转化。
现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发
态的表现 。
区别,
1) 实物质量密度大 (≈ 1000kg/m3),
场质量密度很小 (≈ 10-23kg/m3)，无静止质量；
2) 实物不能达到光速，场则以光速传播；
3) 实物受力产生加速度，场则不能被加速；
4) 实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作
参考系； 场 具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加
性，不能作为参考系。
大学物理
第 22页 共 35页
粒子和场的相互关系
1) 每种粒子都有相对应的场。
2) 某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直
接的物理效应。
3) 场处于激发态时，表现为相应的粒子。
4) 当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。
5) 无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与
其他的场相互作用。
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第 23页 共 35页
种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
作用距离
cm
?
< 1610?
?
< 1310?
相对强度
1310?( cm处 )
传递作用的
基本粒子
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310?
3810?
210?
1
)(?
)(g
迄今为止，人类了解得最多的是电磁力, 了解得最早
但最少的是引力。
二、基本相互作用
1,四种基本相互作用
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第 24页 共 35页
物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
麦克斯韦
电动力学
强力
格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大统一
理论
设想的
超对称
大统一
理论
2,相互作用的统一理论
由质子衰变实验预言，设想强、弱电统
一，其实是想统一夸克、轻子间的关系，
希望将它们统一成一个家族。
即把玻色子和费米子统
一成相互关联的粒子，
提出亚夸克模型。
第 1页 共 35页
同学们好 ！
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一、物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
宇
宙
学
、
粒
子
物
理
的
奇
妙
衔
接
第二章 物质世界的结构层次
大学物理
第 3页 共 35页
胀观, 1040m ~1016亿光年
实
物
物
质
微观, < 10-7m,原子、分子、基本粒子,
波粒二象性,服从统计规律。
量子力学描述 。
宏观, > 10-7 m,各种凝聚态，显示粒子性,
服从因果规律。 牛顿力学描述。
渺观, 10-35m
介观, 性质上介于微观与宏观
宇观, 天体物理
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二,宇宙中物体的质量量级 ——跨跃了约 80个数量级
科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到
的微小粒子组成的。
自然界的奥秘何在？
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三、物质世界的时间尺度
s1018?
宇宙年龄,
130 ~200亿年
星系形成,50亿年
地球年龄,
s10106.4 179 ?? 年
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大气形成, s10108 168 ??? 年
热电离层
对流层
中间层
平流层
外大气层
臭氧层
生命的诞生：约 40亿年
脊椎动物,约 6亿年
人类出现 年 614 103~s10 ?
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生
物
的
进
化
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地球公转 s103 7?
月球公转 s106.2 6?
地球自转 s105
中子寿命 s103
百米跑 10s
市电周期 s10 2?
介子寿命 s10~10 178 ??
中间玻色子寿命 s10 24?
s10~s10 2418 ?共计跨越了 42个数量级
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第一节 基本粒子及其相互作用
要点,三大家族、四种相互作用
基本粒子 特征,质量、电荷、自旋、寿命 ……
基本粒子, 人类迄今为止尚未
发现其内部结构的
,点”粒子，是一个
不断向更深层次转
移的动态概念。
标准模型, 1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直
线加速器中心电子 —— 核子撞击实验首次
验证，获当年诺贝尔物理奖。
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光子（ 20世纪 20年代） —— 传递电磁相互作用
中间玻色子 (3种 ) （ 20世纪 70~80年代）
—— 传递弱作用
胶子 (8种 ) （已有实验基础）
—— 传递强作用
引力子（尚未发现） —— 传递引力作用
1.规范粒子,
场粒子，传递相互作用的媒介,共 13种。
一、基本 粒子 分类
分类,三大家族
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规范粒子
名称 符号 静质量
MeV
电荷
e
自旋
? 寿命 s
传递的
相互作用
光子
中间
玻色子
胶子
引力子
?
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引力
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10)18.093.2(
?
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319 1 1 6 1
4 0 08 0 6 0 0
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玻色子
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2,轻子,
不参与强相互作用的基本粒子,共 3代 12种。
电子
μ子
名 称 符号 静质量 MeV 电荷 e 自 旋
?
寿 命 s 代
电子中微子
μ子中微子
?子
?子中微子
一
二
三
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106
*1776.9
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610~ ?
1310~ ?
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
轻子必定以粒子 ——反粒子对的形式产生或湮灭。 总的轻子数
(轻子数减去反轻子数 )在已知的一切过程中保持不变。
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反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。
铅板
B?
?
? ?
?
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航
天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪 (AMS)
升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质 (反碳核和反氦
核 )。
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中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺
贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，
中微子通信，探测星球内部信息 …… ）
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3.夸克,
组成参与强相互作用的强子,3代,6味、每味 3色，
共 36种。
名 称 符号 静质量
MeV
电荷
e
自旋
?
代
一
二
三
上 夸克
粲 夸克
奇异 夸克
顶 夸克
底 夸克
下 夸克
u
d
c
s
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b
≈ 300
≈ 300
≈ 500
≈ 1500
≈ 180000
≈ 5000
32
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32
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费米子
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1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
s,d,u
c/ΨJ ?
bΥ ?
t
特点, 分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
ee 32,31 ??
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基本粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子 (引力子？ )
费米子
希格斯粒子（?）
62
种
强子 (核子、介子 )的夸克模型
名称 符号 符号 组 成 组 成 名称
质 子
中 子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
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?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc?
su?
du ?
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物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
物质存在的基本形式 ——实物和场
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2) 与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；
如电磁场，引力场，核场等。
3) 场也与实物一样具有质量,能量、动量和角动量 ；
4) 与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守
恒,能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律 ；
5) 与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一
种形式转变为另一种形式。
“场”与实物的比较
共同点,
1) 都是客观存在的,不以人的意志为转移 ; 是可知的,
能够为人们的意识所反映。
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联系 -- 实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互
作用，场和实物可以相互转化。
现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发
态的表现 。
区别,
1) 实物质量密度大 (≈ 1000kg/m3),
场质量密度很小 (≈ 10-23kg/m3)，无静止质量；
2) 实物不能达到光速，场则以光速传播；
3) 实物受力产生加速度，场则不能被加速；
4) 实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作
参考系； 场 具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加
性，不能作为参考系。
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粒子和场的相互关系
1) 每种粒子都有相对应的场。
2) 某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直
接的物理效应。
3) 场处于激发态时，表现为相应的粒子。
4) 当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。
5) 无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与
其他的场相互作用。
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种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
作用距离
cm
?
< 1610?
?
< 1310?
相对强度
1310?( cm处 )
传递作用的
基本粒子
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310?
3810?
210?
1
)(?
)(g
迄今为止，人类了解得最多的是电磁力, 了解得最早
但最少的是引力。
二、基本相互作用
1,四种基本相互作用
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物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
麦克斯韦
电动力学
强力
格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大统一
理论
设想的
超对称
大统一
理论
2,相互作用的统一理论
由质子衰变实验预言，设想强、弱电统
一，其实是想统一夸克、轻子间的关系，
希望将它们统一成一个家族。
即把玻色子和费米子统
一成相互关联的粒子，
提出亚夸克模型。
