(共28张PPT)
5．“基本”粒子
第五章 原子核
整体感知·自我新知初探
[学习任务] 任务1．初步了解粒子物理学的基础知识及粒子的分类。
任务2．感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，通过对这些微观世界相关内容的学习形成相对完整、科学的物质观。
[问题初探] 问题1．从宇宙射线中发现了哪些粒子？
问题2．什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？
问题3．夸克模型的提出有什么物理意义？
[思维导图]
探究重构·关键能力达成
1．发现新粒子
(1)直到19世纪末，人们都认为____是组成物质的不可再分的最小微粒。
(2)后来认为____、电子、____和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。从20世纪后半期起，将“基本”二字去掉，统称为粒子。
知识点一 发现新粒子 粒子的分类
原子
光子
质子
(3)1932年发现了______，1937年发现了___，1947年发现了______和______。以及之后的超子等。
2．粒子的分类
(1)现在已经发现的粒子达400多种。大体可被分为____ 、____、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
(2)强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
(3)轻子不参与强相互作用，最早发现的轻子是____。
(4)1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作____。
正电子
μ子
K介子
π介子
强子
轻子
电子
夸克
如图所示为粒子发展示意图。
问题1．为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？
问题2．为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？
提示：1．随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。
2．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 还没有发现内部结构
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
希格
斯玻
色子 — — 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
【典例1】 (对粒子的认识)某中微子观测站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论上的少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。关于上述研究有以下说法，正确的是( )
A．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
B．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
C．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
D．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
√
C [中微子转化为一个μ子和一个τ子的过程中动量守恒，设中微子运动方向为正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子运动方向一致，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ可能大于0，也可能小于0，即τ子运动方向与中微子运动方向可能相同，也可能相反，A、B错误；若μ子和中微子运动方向相反，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ一定大于0，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同，C正确，D错误。]
A
8.2×10-14
遵循动量守恒
知识点二 夸克与粒子物理标准模型
夸克模型
夸克
(4)夸克的意义：电子电荷不再是电荷的____单元。
(5)夸克的“禁闭”：夸克不能以____的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。
最小
自由
粒子 π＋ π－ u d
电荷量 ＋e －e
问题1．π＋应由哪两个组成？
问题2．π－又应由哪两个组成？
1．夸克模型提出的物理意义
夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。
2．粒子物理标准模型
在标准模型中，夸克、轻子、规范
玻色子和希格斯玻色子是组成物质
的几类最基本的粒子，如图所示。
√
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
B [题目中给出的信息是u夸克与d夸克带的电荷量，故应从质子所带电荷量为e，中子不带电荷的角度考虑，经过分析知B项正确。]
应用迁移·随堂评估自测
1．(多选)下列说法正确的是( )
A．目前还未发现轻子的内部结构
B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对粒子不适用
C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
√
2
4
3
题号
1
√
√
ACD [现代实验中还没有发现轻子的内部结构，故A正确；能量守恒定律等对粒子也适用，故B错误；反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确；强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，故D正确。]
2
4
3
题号
1
2．20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。K－介子的衰变方程为K－―→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π0介子不带电。如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是( )
2
3
题号
1
4
√
A B
C D
A [π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，再根据左手定则及动量守恒判定知，选项A的轨迹可能正确。]
2
3
题号
1
4
3．为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
2
3
题号
4
1
√
B [反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成，故B正确。]
2
4
3
题号
1
√
√
2
4
3
题号
15．“基本”粒子
[学习任务] 任务1．初步了解粒子物理学的基础知识及粒子的分类。
任务2．感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，通过对这些微观世界相关内容的学习形成相对完整、科学的物质观。
[问题初探] 问题1．从宇宙射线中发现了哪些粒子？
问题2．什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？
问题3．夸克模型的提出有什么物理意义？
[思维导图]
发现新粒子 粒子的分类
1．发现新粒子
(1)直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。
(2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。从20世纪后半期起，将“基本”二字去掉，统称为粒子。
(3)1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子。以及之后的超子等。
2．粒子的分类
(1)现在已经发现的粒子达400多种。大体可被分为强子 、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
(2)强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
(3)轻子不参与强相互作用，最早发现的轻子是电子。
(4)1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。
如图所示为粒子发展示意图。
问题1．为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？
问题2．为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？
提示：1．随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。
2．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 还没有发现内部结构
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
希格 斯玻 色子 — — 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
【典例1】 (对粒子的认识)某中微子观测站揭示了中微子失踪的原因，即观测到的中微子数目比理论上的少是因为部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。关于上述研究有以下说法，正确的是( )
A．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
B．若发现μ子和中微子运动方向一致，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
C．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同
D．若发现μ子和中微子运动方向相反，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相反
C [中微子转化为一个μ子和一个τ子的过程中动量守恒，设中微子运动方向为正方向，有m中v中＝mμvμ＋mτvτ，若μ子和中微子运动方向一致，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ大于0可知，vτ可能大于0，也可能小于0，即τ子运动方向与中微子运动方向可能相同，也可能相反，A、B错误；若μ子和中微子运动方向相反，则m中v中－mμvμ＝mτvτ，由v中大于0，vμ小于0可知，vτ一定大于0，则τ子运动方向与中微子运动方向一定相同，C正确，D错误。]
【典例2】 (核反应中的新生粒子)在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，在实验中很难探测。某科学家建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的发生核反应，产生中子和正电子，即中微子＋n＋。由此可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是______。(填写选项前的字母)
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即＋―→2γ。已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31 kg，光速c＝3×108 m/s，反应中产生的每个光子的能量约为________J(结果保留两位有效数字)。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是____________。
[解析] (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，由此可知，中微子的质量数和电荷数都是0，选项A正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损，电子和正电子相遇转变为两个光子之后，质量变为0，由ΔE＝Δmc2可知，一个光子的能量为，代入数据得≈8.2×10-14 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，系统总动量为0，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。
[答案] (1)A (2)8.2×10-14 遵循动量守恒
夸克与粒子物理标准模型
夸克模型
(1)夸克的提出：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子是由夸克构成的。
(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、顶夸克(t)。
(3)夸克所带的电荷量：夸克带的电荷分别为元电荷的－或＋。
(4)夸克的意义：电子电荷不再是电荷的最小单元。
(5)夸克的“禁闭”：夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。
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(反夸克或反夸克)组成的，它们所带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
电荷量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
问题1．π＋应由哪两个组成？
问题2．π－又应由哪两个组成？
提示：1．由于π＋介子带有＋e的电荷量，应由夸克u和反夸克组成。
2．同理π－介子带有－e的电荷量，应由夸克d和反夸克组成。
1．夸克模型提出的物理意义
夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。
2．粒子物理标准模型
在标准模型中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子，如图所示。
【典例3】 (夸克模型)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的，u夸克带电荷量为＋e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，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
B [题目中给出的信息是u夸克与d夸克带的电荷量，故应从质子所带电荷量为e，中子不带电荷的角度考虑，经过分析知B项正确。]
1．(多选)下列说法正确的是( )
A．目前还未发现轻子的内部结构
B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对粒子不适用
C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
ACD [现代实验中还没有发现轻子的内部结构，故A正确；能量守恒定律等对粒子也适用，故B错误；反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确；强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，故D正确。]
2．20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。K－介子的衰变方程为K－―→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π0介子不带电。如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是( )
A B
C D
A [π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，再根据左手定则及动量守恒判定知，选项A的轨迹可能正确。]
3．为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪(AMS)在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
B [反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成，故B正确。]
4．(多选)质子与中子都是由三个夸克组成，其中质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，形成过程均可类比核聚变。β衰变时，核内的中子转化为一个质子和一个电子，质子质量约为1.672 6×10-27 kg，中子质量约为1.674 9×10-27 kg，电子质量约为9.109 6×10-31 kg，真空中光速c＝3.00×108 m/s。下列说法正确的有( )
A．中子转化的核反应式为H＋
B．弱相互作用是引起β衰变的原因
C．上、下夸克的质量差为2.3×10-30 kg
D．一次β衰变释放出的能量为1.3×10-14 J
AB [β衰变时，核内的中子转化为一个质子和一个电子，根据质量数和电荷数守恒，中子转化的核反应式为H＋，故A正确；弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因，故B正确；由“形成过程均可类比核聚变”可知，夸克形成质子、中子过程质量有亏损，故1.672 6×10-27 kg≠2m上＋m下，1.674 9×10-27 kg≠m上＋2m下，无法计算上、下夸克的质量差，故C错误；β衰变中的质量亏损Δm＝1.674 9×10-27 kg－1.672 6×10-27 kg－9.109 6×10-31 kg≈1.39×10-30 kg，释放出的能量为ΔE＝Δmc2＝1.39×10-30×9×1016 J≈1.25×10-13 J，故D错误。]
课时分层作业(二十二)
?题组一 发现新粒子 粒子的分类
1．(多选)关于人们发现的粒子，下列说法正确的是( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．目前还未发现轻子的内部结构
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
ABC [A正确：许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的性质相反。B正确：目前还没有发现轻子的内部结构。C正确，D错误：质子和中子属于强子，光子属于规范玻色子。]
2．推理是研究和学习物理的一种重要方法，正电子、反质子、反中子都是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较，质量相等，电荷量相等、电性相反(中子和反中子都不带电)。科学家已经发现反氦原子(已知氦原子核中有两个质子和两个中子)。你推测反氦原子可能( )
A．由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成
B．由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成
C．由两个质子、两个电子和两个中子构成
D．由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的中子构成
D [组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的质量，相等的电荷量，相反的电性，据此分析可知反氦原子可能由两个带负电的质子(反质子)、两个带正电的电子(正电子)和两个不带电的中子构成，选项D正确。]
?题组二 夸克与粒子物理标准模型
3．下列说法正确的是( )
A．目前，人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成
B．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
C．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
D．夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍
B [A错误：现在已经发现的粒子达400多种，大体把粒子分为四大类，即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子。B正确：最早发现的强子是质子，强子是参与强相互作用的粒子。C错误：质子和中子由不同的夸克组成，本身有复杂的结构，是可以再分的。D错误：已知夸克有6种，它们的电荷分别为元电荷的＋或－。]
4．中子内有一个电荷量为 的上夸克和两个电荷量为－e的下夸克。一简单的模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上，如图所示。在给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是( )
A B
C D
D [对上夸克分析，两个下夸克对其作用力为引力，且大小相等，合力方向竖直向下，左边的下夸克受上夸克的引力和右边下夸克水平向左的斥力，因为k＝kcos 60°，所以合力方向竖直向上，同理右边的下夸克所受合力方向也是竖直向上，故D正确。]
5．(多选)由中国提供的永磁体阿尔法磁谱仪原理如图所示，它由航天飞机携带升空，安装在国际空间站中，主要使命是探索宇宙中的反物质。所谓反物质，即质量与正粒子相等，电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子为。假设一束由质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，沿OO′进入匀强磁场B2，形成4条径迹，则( )
A．1、2为反粒子的径迹
B．3、4为反粒子的径迹
C．2为反α粒子的径迹
D．4为反α粒子的径迹
AC [由题图可知，粒子先在速度选择器中沿OO′做匀速直线运动(重力忽略不计)，四种粒子的速度大小相等，方向相同。它们进入同一匀强磁场后受到洛伦兹力作用而做匀速圆周运动，根据左手定则可知反粒子刚进入磁场B2时受到的洛伦兹力方向向左，故1、2是反粒子的径迹，选项A正确，B错误；根据r＝可知反α粒子的半径较大，故2为反α粒子的径迹，选项C正确，D错误。]
6．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0，其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电。如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切。它们的半径与Rπ－之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出。由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为( )
A．1∶1 B．1∶2
C．1∶3 D．1∶6
C [K－介子与π－介子均做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有eBv＝m，故动量大小p＝mv＝eBR，因而＝2∶1。根据动量守恒定律，有，故，选项C正确。]
7．质子和中子是由更基本的粒子即“夸克”组成的。两个强作用电荷相反(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，设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为：F＝式中F0为大于零的常量，负号表示引力。用U表示夸克间的势能，令U0＝F0(r2－r1)，取无穷远处为势能零点。下列U-r图像中正确的是( )
A B
C D
B [从无穷远处(势能为零)开始到r＝r2位置，势能恒定为零；从r＝r2到r＝r1的过程中，恒定引力做正功，势能均匀减小，即势能为负值且越来越小，由引力做的功等于势能的减少量，得0－U＝F0(r2－r1)＝U0，则r＝r1位置处U＝－U0；r8．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率P＝3.8×1026 W，光速c＝3×108 m/s，1 eV＝1.6×10-19 J。
(1)估算一下太阳每秒钟损失的质量(结果保留两位有效数字)。
(2)设太阳上的核反应都是He＋e＋2γ＋28 MeV这种形式的反应(γ是中微子，其质量远小于电子的质量，是穿透能力极强的中性粒子)。太阳与地球间的距离L＝1.5×1011 m，太阳光垂直照射在地球表面上，π取3.14，试估算每秒钟每平方米有多少个中微子到达地球表面(最终结果保留一位有效数字)。
[解析] (1)太阳每秒钟放出的能量ΔE＝Pt＝3.8×1026 J，由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可得Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg。
(2)每秒钟发生聚变反应的次数
n＝次≈8.48×1037次
每秒钟产生的中微子个数n1＝2n＝16.96×1037个。距太阳L＝1.5×1011 m的球面面积S＝4πL2＝4×3.14×(1.5×1011)2 m2＝2.826×1023 m2
地球表面上每秒钟每平方米接收到来自太阳的中微子个数n2＝个≈6×1014个。
[答案] (1)4.2×109 kg (2)6×1014个
章末综合测评(五)
一、选择题(本题共10小题，每小题4分。在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
1．(2023·广东卷)理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应＋O的影响。下列说法正确的是( )
A．Y是β粒子，β射线穿透能力比γ射线强
B．Y是β粒子，β射线电离能力比γ射线强
C．Y是α粒子，α射线穿透能力比γ射线强
D．Y是α粒子，α射线电离能力比γ射线强
D [核反应前后质量数守恒、电荷数守恒，由此可得Y的电荷数为8－6＝2，质量数为16－12＝4，即Y是α粒子，而α射线的电离能力比γ射线强，穿透能力比γ射线弱，故选项D正确。]
2．有一种衰变叫EC衰变，EC衰变发生于核内中子数相对过少的放射性原子核。该衰变的实质是核内的一个质子俘获一个核外电子，并发射出一个中微子，而转变为一个中子。经过一次EC衰变后原子核的( )
A．质量数不变，原子序数减少1
B．质量数增加1，原子序数不变
C．质量数不变，原子序数不变
D．质量数不变，原子序数增加1
A [设衰变前原子核的质子数为a，中子数为b，发生衰变后质子数为a－1，中子数为b＋1，质量数仍为a＋b，所以衰变前原子核的质量数等于衰变后原子核的质量数；衰变前原子核的质子数为a，衰变后原子核的质子数为a－1，所以衰变前原子核的电荷数比衰变后原子核的电荷数多1，即衰变前的原子序数多1，选项A正确。]
3．锶82的半衰期是25天，如果有140 g锶 82，那么经过多少天只剩下17.5 g( )
A．25 B．45
C．65 D．75
D [根据半衰期公式m＝m0，代入数据解得t＝75天，故选D。]
4．某实验室工作人员用初速度v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止的氮原子核，产生了质子。若某次碰撞可看成对心碰撞，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1∶20，已知质子质量为m。则( )
A．该核反应方程为＋O＋
B．质子的速度v≈0.2c
C．若用两个上述质子发生对心弹性碰撞，则每个质子的动量变化量是0.2mc
D．若用两个上述质子发生对心弹性碰撞，则每个质子的动量变化量方向与末动量方向相反
B [根据电荷数守恒、质量数守恒得＋O＋，A错误；设α粒子、新核的质量分别为4m、17m，质子的速度为v，对心碰撞，由动量守恒定律得4mv0＝17m·＋mv，解得v≈0.2c，B正确；质量相等且是弹性碰撞，则交换速度，对某一质子，选其末动量方向为正方向，则p末＝mv，p初＝－mv，Δp＝p末－p初，故Δp＝0.4mc，方向与末动量方向一致，C、D错误。]
5．太阳中所发生的“氢聚变”实际上是借助碳、氮、氧的原子核的“催化作用”进行的，其具体反应过程为如图所示的六步循环，这个循环被称为“碳循环”，太阳能主要就是由这个“碳循环”产生的。请根据图，判断下列说法正确的是( )
A．X粒子是电子
B．Y粒子是中子
C．①处所发生的核反应方程为＋O
D．一个“碳循环”的总核反应方程为He＋e
C [由质量数守恒、电荷数守恒，可知两个包含了X的核反应方程为N＋、C＋，包含了Y的核反应方程为＋C＋，故可知X为，Y为，A、B错误；①处所发生的核反应方程为＋O，C正确；经过一个“碳循环”，碳、氮、氧的原子核都复原，有4个被吸纳，释放出了1个和2个，故全过程的总核反应方程为He＋e，D错误。]
6．如图所示，曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物质发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直纸面向里。以下判断可能正确的是( )
A．a、b为β粒子的径迹
B．a、b为γ粒子的径迹
C．c、d为α粒子的径迹
D．c、d为β粒子的径迹
D [γ粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，故选项B错误；α粒子为氦核，带正电，由左手定则知受到向上的洛伦兹力向上偏转，故选项C错误；β粒子是带负电的电子，由左手定则知应向下偏转，故选项A错误，D正确。]
7．(2023·浙江6月选考)“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜。核电池将衰变释放的核能一部分转换成电能。的衰变方程为U＋，则( )
A．衰变方程中的X等于233
B．的穿透能力比γ射线强
C．比的比结合能小
D．月夜的寒冷导致的半衰期变大
C [由于核反应遵循质量数守恒、电荷数守恒，则X应为234，A错误；α射线的穿透能力比γ射线的穿透能力弱，B错误；比结合能越大，原子核越稳定，则的比结合能比的比结合能大，C正确；放射性元素的半衰期与外部条件无关，所以月夜寒冷的天气中的半衰期不会发生变化，D错误。]
8．静止在匀强磁场中的某放射性元素的核，放出的一个α粒子和反冲核轨道半径之比R∶r＝30∶1，如图所示，则( )
A．α粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反
B．反冲核的原子序数为62
C．原来放射性元素的原子序数为62
D．反冲核与α粒子的速度之比为1∶62
AC [由动量守恒定律得Mv′＋mv＝0，其中Mv′为反冲核的动量，mv为α粒子的动量，原来放射性元素的核的电荷数用Q表示，则反冲核的电荷数为Q－2，α粒子电荷数为2。反冲核的轨道半径r＝，α粒子的轨道半径R＝，又因R∶r＝30∶1，联立可得Q＝62。由题给条件无法得出反冲核与α粒子的速度之比，故A、C正确，B、D错误。]
9．静止在O点的原子核发生衰变的同时，空间中加入如图所示的匀强电场。之后衰变产物A、B两粒子的运动轨迹OM、ON如图中虚线所示，不计重力和两粒子间的相互作用，下列说法正确的是( )
A．A、B两粒子均带正电
B．原子核发生的是α衰变
C．A粒子为
D．衰变后瞬间A、B两粒子的速度大小之比为5∶2
ABC [由题图所示的A、B两粒子的运动轨迹可知，两粒子所受电场力方向均与电场方向相同，即A、B两粒子均带正电原子核发生的是α衰变，选项A、B正确；核反应过程质量数与电荷数守恒，该核反应方程为Be＋，衰变过程中系统动量守恒，以向左为正方向，由动量守恒定律得mAvA－mBvB＝0，即mAvA＝mBvB，粒子在电场中做类平抛运动，水平方向位移x＝vt，竖直方向位移y＝，解得y＝＝，则当两粒子竖直方向的位移相等时粒子的水平位移较小，结合题图可知A粒子为，衰变后瞬间A、B两粒子的速度大小之比为vA∶vB＝mB∶mA＝2∶5，选项C正确，D错误。]
10．太阳目前处于主序星阶段，氢燃烧殆尽后将发生“氦闪”，进入红巨星阶段。“氦闪”是太阳内部的氦变成碳的过程，核反应方程为C(称为3α反应)，不同原子核的比结合能图像如图所示的比结合能取的比结合能取7.69 MeV)。已知1 u相当于931.5 MeV的能量。下列说法正确的是( )
A．3α反应是聚变反应
B．在3α反应中，电荷数守恒但质量数不守恒
C．比的稳定性强
D．一次3α反应亏损的质量约为0.007 86 u
AD [3α反应是聚变反应，选项A正确；在3α反应中，电荷数和质量数均守恒，选项B错误；由比结合能图像可知比的比结合能更大，稳定性更强，选项C错误；一次3α反应亏损的质量约为Δm＝u≈0.007 86 u，选项D正确。]
二、非选择题(共5小题，共60分)
11．(8分)一百多年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来，人们用α粒子轰击核也打出了质子：＋Cu＋＋X，该反应中的X是________(选填“电子”“正电子”或“中子”)。此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能。目前人类获得核能的主要方式是________(选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”)。
[解析] 根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可得X的质量数为1，电荷数为零，所以X是中子。目前人类获得核能的主要方式是核裂变。
[答案] 中子 核裂变
12．(8分)如图所示，作为我国核电走向世界的“国家名片”，“华龙一号”是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果。已知发电站的核能来源于的裂变，以下说法正确的是________。(填序号)
①U原子核中有92个质子，143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为＋Sr＋＋n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，温度升高，半衰期缩短
④若一个裂变能放出200 MeV的能量，则相当于放出了3.2×10-11 J的能量
[解析] 原子核中有92个质子，143个中子，故①正确；＋Sr＋＋n是铀核裂变的反应之一，故②正确；半衰期不受外界因素影响，故③错误；一个裂变能放出200 MeV的能量，200 MeV＝200×106×1.6×10-19 J＝3.2×10-11 J，故④正确。
[答案] ①②④
13．(12分)原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量，前者可以给人类带来灾难，后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击，可发生裂变反应生成和，并释放出几个中子，已知每个中子的质量m1＝的质量m2＝的质量m3＝的质量m4＝91.897 u，质量亏损1 u相当于释放931 MeV 的能量，光速c＝3×108 m/s。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程。
(2)求一个在裂变反应中释放的核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示)。
(3)若某原子弹装料为60 kg的，其中大约有1.2%发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏加德罗常数NA＝6×1023 mol-1，则这颗原子弹释放的能量约为多少MeV (结果保留两位有效数字)
[解析] (1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为＋Ba＋＋n。
(2)反应前后质量亏损为
Δm＝m1＋m2－m3－m4－3m1＝m2－m3－m4－2m1
根据爱因斯坦质能方程得
ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2。
(3)一个在裂变反应中的质量亏损为
Δm＝(235.043＋1.008－140.913－91.897－3×1.008)u＝0.217 u
由题意可以求出释放能量为
ΔE＝0.217×931 MeV≈202 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为
m＝60 kg×1.2%＝0.72 kg＝720 g
铀235的摩尔质量M约为235 g/mol，所以
E总＝NAΔE
代入数据得E总≈3.7×1026 MeV。
[答案] U＋Ba＋＋n
(2)ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2
(3)3.7×1026 MeV
14．(16分)一个静止的氮核俘获了一个速度为2.3×107 m/s的中子后生成一个X，X又衰变成Y、Z两个新核，设Y、Z的速度方向与中子速度方向相同，Y的质量是中子质量的11倍，速度是1×106 m/s，Y、Z在同一匀强磁场中做圆周运动的半径之比RY∶RZ＝11∶30。
(1)求Z核的速度大小。
(2)根据计算判断Z核是什么，并写出其核反应方程。
[解析] (1)氮核从俘获中子到衰变成Y、Z两个新核的过程中动量守恒，则有
mnvn＝mYvY＋mZvZ
根据衰变规律，可知Z核的质量数为14＋1－11＝4
由此解得vZ＝3×106 m/s。
(2)由带电粒子在洛伦兹力作用下做圆周运动的相关知识知，粒子运动半径R＝，可得＝＝＝，又因氮核俘获中子后衰变为Y、Z两个新核的过程中电荷数守恒，可得qZ＝2，qY＝5，而Z核的质量数为4，mY＝11mn，则Z核是氦原子核，Y核为硼核。核反应方程是＋B＋。
[答案] (1)3×106 m/s (2)Z核是氦原子核，其核反应方程是＋B＋
15．(16分)我国可控核聚变技术已经走在了世界前列，“东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，又被称为“人造太阳”，如图所示。其原理是让海水中大量存在的氘核和氚核在高温高密度条件下，像太阳内部的热核反应一样发生核聚变，为人类提供源源不断的能源。氘核和氚核结合成氦核时，要放出某种质量m＝1.008 7 u的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量m氘＝2.014 1 u ，氚核质量m氚＝3.016 0 u，氦核质量m氦＝4.002 6 u，1 u相当于931.5 MeV＝1.49×10-10 J，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol-1，氘核的摩尔质量M氘＝2 g·mol-1。
(1)写出该核聚变反应的核反应方程，并计算一次核聚变反应释放的核能(结果保留两位有效数字)。
(2)未来要建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝50万千瓦，计算理论上该发电站一年(3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。
[解析] (1)根据质量数守恒、电荷数守恒可得该核反应方程为＋He＋
反应中的质量亏损为Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)
解得Δm＝0.018 8 u
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2得一次核聚变反应释放的核能ΔE＝0.018 8×931.5 MeV＝0.018 8×1.49×10-10 J≈2.8×10-12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E＝Pt＝5×108 W×3.15×107 s＝1.575×1016 J
则理论上该发电站一年需要的氘的质量m＝
代入数据解得m＝18.75 kg。
[答案] H＋He＋ 2.8×10-12 J
(2)18.75 kg
