夸克-----一个未解之谜
夸克对于我们现代的人来说可谓是家喻户晓，随意找一位高中生，甚至是以为初中生，他们也能说出构成质子中子的更小的微粒---夸克。当然现代的物理学家至今还不能一睹夸克的风采，但是夸克的存在性，在当今的科学界已经不在是一个问题了。虽然这已经不是问题了，但是每个人有他自己的观点。你能说它是存在的，因为你有世界上最权威的的科学家的论证，但是每一个理论都少不了实验的验证，缺少了实验，总感觉这个理论还缺少着些什么。所以科学家们还在坚持不懈的追寻着它的足迹。当然作为物理学的学生，我当然是希望自己能在这些方面有所贡献，哪怕是一点点微不足道的努力。希望在不久的将来人们就能真正的见到夸克。并且让这位宇宙的起源能提供一点证据。
夸克的提出到，理论发展，到一种一种的夸克被科学家所寻找到，再到后来夸克被科学界所接受，最后到不久的将来夸克真正的被人们所亲眼观察到。人们对夸克的认识道路是曲折的。
在JJ.汤姆逊发现电子之前，人们一直认为原子是构成物质的最小微粒。1897年，汤姆逊运用的一个阴极射线管，外加上电场和磁场，发现了电子的偏移，从而发现了这种由原子发出的，带有负点的，质量为原子核的1836分之一的微小粒子。于是，原子再也不是不可再分的了。之后人们就对原子内部进行了进一步的了解。从汤姆逊本人提出的电子均匀镶嵌在原子内部（又可以叫做枣糕模型）。到卢瑟福的a粒子散射实验后提出的，卢瑟福核式模型，到波尔的轨道量子化，再到最后的电子云模型（我觉得是由于不确定关系造成的）。人们开始越来越了解原子核内部的事情，知道了原子是
由原子核（内部有质子和中子）和核外电子组成。但是质子和中子是不是最小的粒子了呢？有没有比这更加小的粒子了呢？问题又再一次摆在了人类的面前。由于前面的借鉴，人们不再轻易的做出结论，他们想通过实验来证明。当然想知道是不是有更小的粒子，自然是看如果将原子在一些极端的情况下，发生碰撞，看看碰撞完后，会产生哪些粒子。
20世纪30年代中期，人们发明了粒子加速器，就是一种环形的磁场，带点的粒子就能在磁场中作圆周运动，在两个半圆形磁场中间加上加速电场，是电子在减速电场的作用下不断加速，一直接近光速（所有粒子的相速度是无法超越光速的）。然后让两个或者更多的粒子相向而行，直到相撞。科学家们通过撞击能够把粒子打碎，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德〃格拉泽发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。这就是人们最早观察到的夸克吧。只不过人们只能观察到的是夸克的运动的轨迹，而没有真正的看见它。
说到夸克的发现，不得不提一个人，那就是盖尔曼。1929年9月15日盖尔曼出生于纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣，少年才俊，14岁从进入耶鲁大学，1948年获学士学位，继转麻省理工学院，三年后获博士学位，年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师．参加到以费米为核心的研究集体之中，1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授，年后升正教授，成为
加州理工学院最年轻的终身教授。虽然他本人在沟通上是有些问题的，但是可能正是一些方面的缺陷造就了其在其他方面的能力高人一等，他有着别人没有的远见和认识。1962年，斯坦福大学开始建造加速器，1964年，通过自己的一些实验，他预言了夸克的存在。当时，盖尔曼把流代数引进场论，抛弃了场论中的某些错误而保持了流代数的对易关系．其中又经过了许多科学家的努力（比如阿德勒比约）。之后他又用了许多并行的方法，其中最具有思辩性的是点状结构．流代数的求和规则暗示了点状结构，但并不是非要求点状结构不可．然而比约肯根据这种暗示，结合雷吉极点等其它一些使求和规则收敛的强相互作用概念，自然地得出了结构函数标定无关性．
标定无关性提出后，很多人不相信．正如弗里德曼所说：“这些观点提出来了，我们并不完全确认．他是一个年青人，我们感到他的想法是惊人的．我们预料看不到点状结构，他说的只是一大堆废话．”可见一个理论的提出到被接受需要很长的时间，而一个理论的理出也是非常需要勇气的。1967,1967,1970年一系列的实验完成了。到后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克相互作用．所有这些都强有力地证明了强子的夸克结构。
当然不得不提一下，盖尔曼在2010年受华中师范大学物理粒子研究所邀请还来过我们学校讲课，并成为了我们学校的荣誉教授，对此我感到十分的自豪。当然了，正如老师所说的永远的真理是不存在的。不知道今天的发现会不会成为明天的错误，我们只能静静的等待时间的车轮带领我们前进。
如果存在两个都和观测相符的模型，正如金鱼（眼中）的图像和我们（眼中）的图像，那么人们不能讲这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下，哪个更方便就用哪个。 从金鱼的视角看 几年前，意大利蒙札市议会禁止宠物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释此提案的部分理由是，因为金鱼向外凝视时会得到实在的歪曲景色，将金鱼养在弯曲的缸里是残酷的。 然而，我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在图像？难道我们自己不也可能处于某个大鱼缸之内，一个巨大的透镜扭曲我们的美景？金鱼的实在的图像和我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？ 金鱼的实在图像和我们自己的不同，但金鱼仍然可以表述制约它们观察到的在鱼缸外面物体运动的科学定律。例如，由于变形，我们观察到的在一根直线运动的一个自由物体会被金鱼观察成是沿着一根曲线运动。尽管如此，金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律，这些定律总是成立，而且使它们能预言鱼缸外的物体的未来运动。它们的定律会比我们参考系中的定律更为复杂，但简单性只不过是口味而已。如果一条金鱼表述了这样的一个理论，我们就只好承认金鱼的风景是实在的一个正确的图像。 2010年6月20日，加拿大滑铁卢，霍金造访圆周理论物理研究所（Perimeter Institute），发表了关于生命和时光研究的演讲。 哥白尼对，托勒密错？ 托勒密（约公元85年-约公元165年）在公元150年左右提出一个描写星体运动的模型，这是一个实在的不同图像的著名例子。托勒密的研究发表在一部十三册的论文中，这部论文通常以阿拉伯文题目《天文学大成》而众所周知。《天文学大成》从解释为何认为地球是一个球形的静止的位于宇宙中心，并与星空的距离相比是小到可以忽略开始。虽然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亚里士多德时代开始，大多数希腊有教养的人都持有这些信仰，亚里士多德由于神秘的原因相信地球应该是位于宇宙的中心。 天主教会采用托勒密的宇宙模型当作正式教义达十四世纪之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋论》中提出一个另外的模型。虽然他已花了几十年来研究此理论，该书在他逝世那年才出版。正如大约早十七世纪的阿利斯塔克，哥白尼描写其中太阳处于静止，而行星以圆周轨道围绕着它运转的一个世界。尽管这个思想并不新，其复活却遭到激烈的抵制。哥白尼模型引起关于地球是否静止不动的狂烈辩论。这个辩论于1633年因伽利略受到异端审判而达到高峰。 那么，托勒密系统或哥白尼系统，哪个是真实的？尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错的，但那不是真的。正如在我们的正常观点和金鱼的观点相比较的情形下，人们可以利用任一种图像作为宇宙的模型，对于我们天空之观测，既可从假定地球处于静止，也可从假定太阳处于静止得到解释。尽管哥白尼系统在有关我们宇宙本性的哲学辩论中的作用，然而它的真正优势是在太阳处于静止的坐标系中，运动方程要简单得多。 他人梦中的想象物 在科幻影片《黑客帝国》（Matrix）中发生了不同类型的另外实在。影片中的人类不知不觉地生活在由智慧电脑制造的模拟实在之中，当电脑将他们的生物电能（不管为何物）吸吮时，使他们保持平静而满意。这也许没那么牵强，因为许多人宁愿在网络的虚拟实在中消磨时日，例如“第二人生”。 我们何以得知，我们不仅是一部电脑制作的肥皂剧中的角色呢？如果我们生活在合成虚世界中，事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。进行操控的外星人也许在看到我们反应时会觉得更有趣更开心，例如如果满月分开两半，或者在这世界上每个节食的人显示对香蕉奶油饼的毫不节制的渴望。但是如果外星人实施一致的定律，我们就无法得知在这模拟
第六节核能利用 第七节小粒子与大宇宙 [学习目标] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度. 一、核反应堆及核电站 1.核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，核反应堆是人工控制链式反应的装置，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒. (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂； (3)控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度. 2.工作原理 核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高. 3.能量输出 利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却. 4.核污染的防护与处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理. [即学即用]判断下列说法的正误. (1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.(√) (2)核反应堆用过的核废料无毒无害.(×) 二、小粒子和大宇宙 1.从小粒子到大宇宙——空间跨度 (1)对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型. (2)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界. (3)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15 m到1027m，共跨越了约42个数量级. 2.从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：1018s. (2)微观粒子的最短寿命：10－25s.
一、基本介绍 夸克（英语：quark，又译“层子”或“亏子”）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。） 二、基本特征 夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之处，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。 提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。遵循“渐近自由”原理。 三、分类 我们知道夸克有六种，夸克的种类被称为“味”，它们是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。 参见：标准模型 标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架，同时还包括希格斯玻色子。此模型包含六种味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、魅（c）、底（b）及顶（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在对应的夸克符号上加一横作为标记，例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样，反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋，但两者的电荷及其他荷的正负则相反。夸克的自旋为?2，因此根据自旋统计定理，它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理，即两个相同的费米子，不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反（拥有整数自旋的粒子），在相同的量子态上，相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是，夸克拥有色荷，因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系，而形成的复合粒子，叫做“强子”（见下文强相互作用与色荷部份）。 在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”；除了这些夸克，任何强子都可以含有无限量的虚（或“海”）夸克、反夸克，及不影响其量子数的胶子。强子分两种：带三个价夸克的重子，及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子，它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子（见重子列表及介子列表），它们的不同点在于其所含的夸克，及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理论阶段，它们的存在仍未被证实。 （图片解释：标准模型中的粒子有六种是夸克（图中用紫色表示）。左边的三列中，每一列构成物质的一代。） 基本费米子被分成三代，每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终，又有有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子，一般会有较大的质量及较低的稳定性，于是它们会通过弱相互作用，衰变成代数较低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成（例如宇宙射线），而且它们很快就会衰变；然而，科学家们相信大爆炸后，第一秒的最早部份会存有重夸克，那时
夸克-----一个未解之谜 夸克对于我们现代的人来说可谓是家喻户晓，随意找一位高中生，甚至是以为初中生，他们也能说出构成质子中子的更小的微粒---夸克。当然现代的物理学家至今还不能一睹夸克的风采，但是夸克的存在性，在当今的科学界已经不在是一个问题了。虽然这已经不是问题了，但是每个人有他自己的观点。你能说它是存在的，因为你有世界上最权威的的科学家的论证，但是每一个理论都少不了实验的验证，缺少了实验，总感觉这个理论还缺少着些什么。所以科学家们还在坚持不懈的追寻着它的足迹。当然作为物理学的学生，我当然是希望自己能在这些方面有所贡献，哪怕是一点点微不足道的努力。希望在不久的将来人们就能真正的见到夸克。并且让这位宇宙的起源能提供一点证据。 夸克的提出到，理论发展，到一种一种的夸克被科学家所寻找到，再到后来夸克被科学界所接受，最后到不久的将来夸克真正的被人们所亲眼观察到。人们对夸克的认识道路是曲折的。 在JJ.汤姆逊发现电子之前，人们一直认为原子是构成物质的最小微粒。1897年，汤姆逊运用的一个阴极射线管，外加上电场和磁场，发现了电子的偏移，从而发现了这种由原子发出的，带有负点的，质量为原子核的1836分之一的微小粒子。于是，原子再也不是不可再分的了。之后人们就对原子内部进行了进一步的了解。从汤姆逊本人提出的电子均匀镶嵌在原子内部（又可以叫做枣糕模型）。到卢瑟福的a粒子散射实验后提出的，卢瑟福核式模型，到波尔的轨道量子化，再到最后的电子云模型（我觉得是由于不确定关系造成的）。人们开始越来越了解原子核内部的事情，知道了原子是
由原子核（内部有质子和中子）和核外电子组成。但是质子和中子是不是最小的粒子了呢？有没有比这更加小的粒子了呢？问题又再一次摆在了人类的面前。由于前面的借鉴，人们不再轻易的做出结论，他们想通过实验来证明。当然想知道是不是有更小的粒子，自然是看如果将原子在一些极端的情况下，发生碰撞，看看碰撞完后，会产生哪些粒子。 20世纪30年代中期，人们发明了粒子加速器，就是一种环形的磁场，带点的粒子就能在磁场中作圆周运动，在两个半圆形磁场中间加上加速电场，是电子在减速电场的作用下不断加速，一直接近光速（所有粒子的相速度是无法超越光速的）。然后让两个或者更多的粒子相向而行，直到相撞。科学家们通过撞击能够把粒子打碎，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。这就是人们最早观察到的夸克吧。只不过人们只能观察到的是夸克的运动的轨迹，而没有真正的看见它。 说到夸克的发现，不得不提一个人，那就是盖尔曼。1929年9月15日盖尔曼出生于纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣，少年才俊，14岁从进入耶鲁大学，1948年获学士学位，继转麻省理工学院，三年后获博士学位，年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师．参加到以费米为核心的研究集体之中，1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授，年后升正教授，成为
核子结构论文夸克论文 基于强子袋模型的核子特征参数 摘要：我们把高能核碰撞环境下的核子质量看作是它的整个静止能量，它可以分为分别来自内部夸克和胶子的两部分。我们采用袋模型的本质意义去讨论核子的结构，发现我们计算得出的温度、核子半径、袋常数等参量均是可以接受的，如果我们把这样环境下的核子看成是一个由夸克和胶子组成的局域热平衡系统的话。 Abstract: We treat the mass of a proton as the total static energy which can be separated into two parts that come from the contribution of quarks and gluons respectively. We adopt the essential meaning of the bag model of hadron to discuss the structure of a proton and find that the calculated temperature, proton radius, the bag constant are acceptable if a proton is a thermal equilibrium system of quarks and gluons. 关键词：高能碰撞；核子；半径；夸克；袋模型 Key words: high-energy collision；nucleon；radium；quark；bag model 1概述 探索核子的内部结构一直是人们了解强相互作用的一个最重要课题之一。它也有助于人们去寻找强相互作用下新的一种物质形态-夸克胶子等离子体（QGP）。对这一问题的理论研究主要集中在量子色动力学（QCD）[1]。当然，也存在一些关于核子结构和其特征参
基本构成 化合物-原子-原子核-质子-夸克 尽管原子的英文名称（atom）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是，随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子（氢原子质子和电子构成）由构成，它们被统称为亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕（氢的同位素）没有中子，其离子（失去电子后）只是一个质子。 原子尽管很小，用化学方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因为原子也有一定的构成。原子是由中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的（反物质相反），原子核是由质子和中子两种粒子构成的，电子在核外较大空间内做高速运动。 亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述为：λ=h/p=h/mv，式中λ为波长，p为动量，h为普朗克常数（ 6.626×10^-34 J·S)[12]。 电子 在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向，如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷的高速质点，即电子流。电子由此被发现[13]。 电子是最早发现的亚原子粒子，到目前为止，电子是所有粒子中最轻的，只有 kg，为氢原子的[1/1836.152701(37)]，是密立根在1910年前后通过著名的“油滴实验”做出的。电子带有一个单位的负电荷，即4.8×10^-19静电单位或 1.6×10^-19库伦，其体积因为过于微小，现有的技术已经无法测量。 现代物理学认为，电子属于轻子的一种是构成物质的基本单位之一（另一种为夸克[14]）。
电子云
基本粒子夸克电子质子中子内部结构模型图解作者: 张嘉年tai_ning@https://www.doczj.com/doc/588094279.html, 摘要： 在粒子物理学中，「基本粒子」是组成物质的最基本的单位。但根据「超弦理论」,基本粒子实为「弦」的不同振动及形状所组成,而「弦」内部的最终结构为带正负电(磁)荷的“正负-弦位元”(见本文所有的粒子内部结构模型图)。现今在「标准模型理论」的架构下，已知的基本粒子可以分为组成物质的费米子（包含夸克和轻子）以及传递力的玻色子（包含规范玻色子和希格斯玻色子）。现今最新的「超对称理论」可以统一费米子及玻色子,即在高维空间下二者可互为转换(但因至今高维空间及超对称粒子,尚未发现,故本文暂不讨论)。而在GUT大统一理论下费米子中的夸克和轻子也是可以统一互为转换的(图一)。我们日常生活中的物质是由最大的费米子-原子所组成,原子由电子和原子核所组成,原子核又由质子(含2个上夸克、1个下夸克)和中子(含2个下夸克、1个上夸克)所组成(图二)。传递力的（规范)玻色子有四种:1传递电磁力的光子(图三)、2传递引(重)力的引(重)力子(图四)、3传递核强力的胶子(图五)、4传递核弱力的弱玻色子(图六),最后还有一种赋予所有粒子质量的希格斯玻色子(图七)。物质宇宙就是由上述这些物质性的费米子以及传递力的玻色子所构成。 关键词：基本粒子超弦理论标准模型超对称费米子玻色子规范玻色子希格斯玻色 子夸克轻子费米-狄拉克统计玻色-爱因斯坦统计自旋量子数禁闭态束缚态包利不兼容原理希格斯机制希格斯场 一.两种费米子:强子(夸克)、轻子(中微子、电子)内部结构模型解析 我们的宇宙由两大类粒子所组成,即构成物质的费米子和在费米子间传递作用力的玻色子(玻色子在主文三解析)。而费米子又可分为由夸克组成的强子及由电子,中微子组成的轻子两大类。所谓强子就是所有只参与宇宙四大作用力(强作用力,弱作用力,电磁力,引力)中的强作用力的粒子总称。强作用力是只作用于原子核内部的力,其范围只有10－12至10－16公分,是一种「禁闭态」的「束缚力」。但轻子确相反,是一类只参与弱力、电磁力和引力，而不参与强作用力的粒子的总称。其范围自10－16公分(弱力范围)扩散至全宇审(电磁力和引力范围),是一种「自由态」的「扩散力」。 包含「夸克」及「轻子」的「费米子」,其定义如下: 费米子(fermion)指按「费米-狄拉克」统计:角动量的「自旋量子数」为1/2, 3/2, 5/2, 7/2…等为「半奇数」的粒子,并且服从「包利不兼容原理」（Pauli exclusion principle）,即2 个以上费米子不能处于相同量子态,亦即不能占据同一空间,但玻色子却可以。 「夸克族」及「轻子族」彼此间可互为转换(衰变),其互为转换(衰变)模式如下图所示:
第一章练习题及参考答案 一、辨析题（请先判断对错，再说明原因） 1. 哲学的基本派别是一元论和二元论。 2. 辩证法和形而上学对立的焦点在于是否承认事物是可以被认识的。 二、材料分析题 1.阅读下列材料： 【材料1】 笛卡儿认为，物质和精神是两种不同的实体，精神的本性是思维，物质的本性是广延，广延不能思维，思维不具有广延。物质和精神互不相通，彼此独立，两者都是世界的本原。 【材料2】 贝克莱认为“存在就是被感知，人的各种感觉构成了事物。”黑格尔认为，整个世界是“绝对观念”的“外化”和产物。 【材料3】 恩格斯指出：“物、物质无非是各种物的总和，而这个概念就是从这一总和中抽象出来的”。马克思指出“观念的东西不外是移入人的头脑并在人的头脑中改造过的物质的东西而已。” 请说明： （1）材料1属于什么观点，错误的实质是什么？材料2属于什么观点，两位哲学家的观点有什么不同，错误在哪里？ （2）请结合材料3谈谈如何正确理解物质和意识。 2、阅读下列材料： 【材料1】 韩非子提出“世异则事异，事异则备变”，“法与时转则治，治与世宜则有功”。 【材料2】 《坛经》中记载：“时有风吹幡动，一僧曰风动，一僧曰幡动，议论不已。慧能进曰不是风动，不是幡动，仁者心动”。 【材料3】 列宁指出把主要的注意力正是放在认识“自己”运动的源泉上：只有对立统
一的观点：才提供理解一切现存事物的“自己运动”的钥匙，才是提供理解“飞跃”、“渐进过程的中断”，向对立面的转化，旧东西的灭亡和新东西的产生的钥匙。” 请说明： （1）材料1和材料2的观点有何异同？ （2）材料2和材料3的主要分歧是什么？并加以评述。 3、阅读下列材料： 在十七世纪，牛顿曾坚信光是由很小的微粒组成的，这一学说得到了几何光学实验的证明。后来到了惠更斯、菲涅耳时代，光的波动学说被光的干涉和衍射实验以及后来的麦克斯韦电磁场理论所证实，从而否定了牛顿的微粒说。二十世纪初，量子力学以其优美的数学形式和极其精确的实验，再一次否定了光的波动说，认为光是由微粒组成的，但这种微粒是具有波动性的，称之为光量子。显然，量子力学所说的光量子，是具有波动性的微粒，它与牛顿所假设的微粒有本质的区别。最终，爱因斯坦得出了光具有波粒二象性的结论：光既是一种波也是一种粒子。 请说明： (1) 马克思主义的辩证否定观的基本内容。 （2）结合人们对光的本质认识的发展过程说明否定之否定的三个阶段。
夸克问题 2002天津16．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u 夸克和d 夸克的两类夸克组成。u 夸克带电量为32e ，d 夸克带电量31-e ，e 为基元电荷。下列论断可能正确的是 A 质子由1个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成 B 质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成 C 质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成 D 质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和1个d 夸克组成 2004天津17. 中子内有一个电荷量为e 3 2+的上夸克和两个电荷量为e 3 1-的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作 用力的是 A. B. C. D. 2005湖北15．已知π+介子、π—介子都是由一个夸克（夸克u 或夸克d ）和一个反夸克（反夸克u 或反夸克d ）组成的，它们的带电量如下表所示，表中e 为元电荷。 下列说法正确的是 （ ） A ．π+由u 和d 组成 B ．π+由d 和u 组成 C ．π— 由u 和d 组成 D ．π—由d 和u 组成 2008海南5．质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的。两个强作用荷相反（类似于正负电荷）的夸克在距离很近时几乎没有相互作用（称为“渐近自由”）；在距离较远时，它们之间就会出现很强的引力（导致所谓“夸克禁闭”）。作为一个简单的模型，设这样的两个夸克之间的相互作用力F 与它们之间的距离r 的关系为 0，0
一、夸克的提出 1、1928年，狄拉克将相对论引入量子力学，他建立的狄拉克方程预言：存在与电子具有严格相同的质量，但是电荷符号相反的正电子。 2、1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近 时可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子 （左图），从而发现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。 反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在质子的反粒子、中子的反粒子。 1947年在宇宙射线的研究中，首先观察到了奇异粒子， 3、24年后的1956年，美国科学家张伯伦（Owen Chamberlain，1920-2006） （右图）等在加速器的实验中发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子 数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子，接着又发现了反中子。 4、20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质 子，把质子打碎成为更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。 气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。 5、1961年，盖尔曼在奇异数守恒定律①的基础上将对称性运用于基本粒子的分类，即SU （3）对称性。假定所有的强子都是由质子(p)、中子(n)和Λ 超子以及它们 的反粒子组成的。正像忽略去质子和中子的差别以后核力和核子体系具有 同位旋对称性【即SU(2)对称性】一样，如果人们忽略Λ 粒子与核子之间 的差异，而把它们看作同一粒子所处的三种不同状态，它们之间应具有SU(3)对称性，由它们所构成的强子体系也应具有SU(3)对称性。他和以色列物理学家内曼（Yuval Neemann，1925-2006）各自独立地提出了强作用对称性的理论——八重法②（eightfold way），按照这一方法，把有相近性质的强作用基本粒子分成一个个的族，并认
夸克 quark （喷射轨迹图片来源：《时间简史》图5.2，一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。） 1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。 夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。 夸克按其特性分为三代，如下表所示： 符号中文名称英文名称电荷(e) 质量(GeV/c^2) u 上夸克up +2/3 0.004 d 下夸克down -1/3 0.008 c 粲夸克charm +2/3 1.5 s 奇夸克strange -1/3 0.15 t 顶夸克top +2/3 176 b 底夸克bottom -1/3 4.7 在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。 夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预
《叫三声夸克》 课题：设计意图【教学目标】知识和能力 1．了解了多层次的物质结构，了解什么是夸克。 2．认识“盒子”在说明内容及安排结构上所起的作用。3．能够体会文章通俗、形象、准确的说明语言。过程和方法 1．通过查阅资料、认真阅读、实践体验等自主与合作学习方法，了解科学知识。 2．引导学生认识课文在说明方法及说明语言上的一些特点，初步形成说明知识的能力。3．提出问题，引导思考与讨论，培养学生对科学的兴趣。情感态度和价值观 1.学习科学家的探索精神。 2.培养学生敢于怀疑，敢于创新，大胆想像的精神。【教学过程】课前参与：出示教具，一个正方形的小纸盒(上扎针孔)，提问：如果让纸盒里的气体分子排着队从针孔里全部跑出，猜一猜需要多长时间?学生回答：“一分钟”、“一小时”、“一天”、“一月”、“一年”、“十年”、“一百年”、“五百年”、“一千年”...教师提示：需要九千年(物理学研究成果)才能跑完。教师进一步引导：这么小的分子是由原子构成，原子又是由电子、质子、中子等基本粒子构成，而它们也不是构成物质的最小单位，科学家在它们中又发现了夸克。(板书文题，导入新课) 一、初读课文，读出大意学生选择自己喜欢的方式读课文。在读的时候，划出文章中提到的一些科学概念，并标出有疑问的地方，留待后面学习过程中解决。学生读课文。读完，讨论以下问题：（二）本文主要说明了什么？（文章主要说明了原子、原子核、强子、夸克这些物质结构...）说明它们的时候有顺序吗？（按照物理学家们发现并认识这些物质结构的过程来写的，是不断深入的。这在说明的顺序上叫逻辑顺序和时间顺序）（板书）。 2、“夸克”是什么意思？从文章中找出相关的语句来回答。（“夸克”是译音，意思是海鸟的叫声。长诗《芬尼根之觉醒》中有一句话：“向麦克老人三呼夸克。”科学家盖耳曼借其中的“夸克”为自己的假象命名。实际上“夸克”是组成物质的基本粒子。） 3、文章的题目能否改为“叫七八声夸克”？(因科学家研究的“夸克”与“三”特别有缘，再加上诗句中有“三呼”两字，作者便借用了，应该说一语双关，用“七八声”则毫无意义。) 4、用图来表示物质结构。（最好用不同的画法，线状结构或盒式结构都可以。学生板演）二、再读课文，读出精彩 1、再读课文，把文章中你认为写得精彩的字词