5.4“基本粒子”与恒星演化 同步练习 (含答案解析) (1)

第四节
“基本粒子”与恒星演化
同步练习
一、选择题（本题包括10小题，每小题给出的四个选项中，有的只有一个选项正确，有的有多个选项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不选的得0分，共40分）
1.下列说法中正确的是（
）
A.日前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构
B.自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用
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.为了探究宇宙起，“阿尔法磁谱仪”（AMS）将在太空中寻找“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
3.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夸克带电荷量为,d夸克带电荷量为,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
4.
介子衰变的方程为→+，其中介子和介子带负的基元电荷，介子不带电荷，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧，衰变后产生的介子的轨迹为圆弧，两轨迹在点相切，如图1所示.它们的半径与之比为2∶1.介子的轨迹未画出.由此可知的动量大小与的动量大小之比为（
）
图1
A.1∶1
B.1∶2
C.1∶3
D.1∶6
5.下列说法中正确的是（
）
A.太阳是宇宙的中心
B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星
C.太阳系是由太阳和若干行星以及它的卫星和彗星组成
D.以上说法都正确
6.正电子是电子的反粒子，它跟普通电子电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布；他们分别制造出9个和7个反氢原子.这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是（
）
A.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C.由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成
D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
7.加拿大萨德伯里中微子观察站的结果揭示了中微子失踪的原因，即观察到的中微子数目比理论值少是因为中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子.在上述研究中有以下说法，正确的是（
）
①若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向相反.
②若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致.
③若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一致.
④若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相反.
A.①③
B.②③
C.③④
D.①②
8.阿尔法磁谱仪（简称AMS），是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国研制的一台用铷铁硼材料制成的大型永磁体.AMS将在太空中寻找反物质、暗物质等，回答有关宇宙起的重要问题.反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子（即正电子）、反质子和反中子组成的反原子构成的物质.AMS原理是利用这些物质的粒子在磁场中运动时表现出的不同特点探测的.如图1所示，是三种等速粒子在永磁体形成的磁场内的运动轨迹，下面对这三种粒子判断可能正确的是（
）
图1
A.粒子是反质子，粒子是反电子
B.粒子是反质子，粒子是反电子
C.粒子是反质子，粒子是反电子
D.粒子是反质子,粒子是反电子
9.下列说法中正确的是（
）
A.质量相同、电荷等值而电性相反的粒子叫做反粒子
B.光子是传递电磁相互作用的，属于媒介子
C.轻子就是质量很轻的粒子
D.强子就是强相互作用的粒子
10.
1956年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中动量不守恒，并由吴健雄用放射进行了实验验证，1957年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖.的衰变方程是：→++，是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零，则衰变产物的质量数和核电荷数分别为（
）
A.60，28
B.60，26
C.59，26
D.59，28
二、填空题（本题共2小题，每小题6分，共12分.请将正确的答案填到横线上）
11.按照现代的粒子理论，可以将粒子分为
、
和
三大类，从目前的观点看，
、
和
可以认为是今日的“基本粒子”.
12.现在科学家们正在设法探寻“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，与其对应的正粒子具有相同的质量数和相同的电荷量，但电荷的符号相反.据此，若有“反α粒子”，则它的质量数为
，电荷数为
.
三、计算题（本题共4小题，共48分.解答时应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤，只写出最后答案的不能得分.有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位）
13.(10分)一个负电子和一个正电子相遇会发生湮灭而转化为一对光子，计算核反应中放出的能量（电子的质量为9.1×10-31
kg）.
14.(13分)太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和11H、42He等原子核组成的，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程为2+4→，并释放核能，这些核能最后转化为辐射能.根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和H核组成.
(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量.已知地球半径=6.4×106
m，地球质量=6.0×1024
kg，日地中心的距离=1.5×1011
m,地球表面处的重力加速度10
m/s2,1年约为3.2×107
s，试估算目前太阳的质量.
(2)已知质子质量=1.6726×10-27
kg，质量=6.645　8×10-27　kg，电子质量=0.9×10-30
kg，光速c=3×108
m/s，求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.
(3)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能1.35×103
W/m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命？（估算结果只要求保留一位有效数字）
15.（12分）已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成，上夸克带电荷量为，下夸克带电荷量为，为电子所带电荷量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都是，=1.5×10-15
m，试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）.
16.（13分）某一年，7颗人造卫星同时接收到自远方的中子星发射的γ光子，经分析确认，1个负电子和1个正电子湮灭时放出2个频率相同的γ光子.已知负电子、正电子的静止质量=9.1×10-31
kg，又已知静止质量为的粒子，其能量和湮灭前的动量满足关系.式中为光速，若负电子、正电子的动量为零，求：（1）写出湮灭的核反应方程式；
（2）用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子；
（3）计算出γ光子的频率.
第四节
“基本粒子”与恒星演化
参考答案
一、选择题
1.
ACD
解析：媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确.反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.质子是最早发现的强子，故D正确.
2.
B
解析：根据反粒子的定义可以知道反氢原子是由和构成的.
3.B
解析：题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量，故应从质子带一个元电荷的电荷量、中子不带电的角度考虑.
4.C
解析：设带电荷量为，动量大小为的带电粒子垂直进入磁感应强度为的匀强磁场，其轨迹半径为，由牛顿第二定律和洛伦兹力公式，得
有，
对于、介子，因电荷量相同，
所以
①
考虑动量的矢量性，由图可知，与介子动量方向相反.
据动量守恒定律，有：
②
由①②得
所以.?
5.C
解析：太阳系中以太阳为中心，有八大行星绕太阳运行，有的行星还有卫星，此外还有2
000多颗比较小的小行星和彗星等，所以叙述较完整的是C项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星，太阳系的组成中还有小行星和彗星.
6.B
解析：氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此选项B正确，选项A、C、D错误.
6.B
解析：对微观粒子运用动量守恒定律，关键在于明确动量守恒定律的适用条件，它包括高速运动物体和低速运动物体，包括宏观物体和微观物体，因此可由动量守恒定律得B正确.
8.C
解析：首先由左手定则可知，向左偏转的粒子带正电，向右偏转的粒子带负电，根据可知，等速的反质子比反电子的运动半径大；反质子带负电，反电子带正电，由此可得可能为反质子，可能为反电子.
9.ABD
解析：所谓反粒子，即质量相同且电荷等值而电性及其他一些物理性质相反的粒子；强子是参与强相互作用的粒子；轻子的质量不一定很轻，如τ子的质量比核子的质量还大.
10.A
解析根据核电荷数守恒得：，；根据质量数守恒得：，.故选项A是正确的.
二、填空题
11.媒介子
轻子
强子
媒介子
轻子
夸克
12.4
-2
三、计算题
13.
解析：负电子和一个正电子相遇会湮灭的核反应方程式为+→2γ，
由得
一个负电子和一个正电子相遇后湮灭放出的能量为
14.（1）2×1030
kg
（2）4.2×10-12
J
（3）1百亿年
解析：（1）设为地球绕日心做匀速圆周运动的周期，则=3.2×107
s，
由万有引力定律和牛顿定律可知
①
地球表面处的重力加速度为
②
由①②式联立解得太阳质量为
kg=2×1030
kg.
（2）根据太阳内部核聚变反应方程及质能方程，可求得该核反应每发生一次释放的核能为
代入数值，得
J.
（3）由题意可知太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为
×10%，
太阳总共辐射出的能量为
设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为
所以太阳继续保持在主序星阶段的时间为
由以上各式解得
将题给数据代入，并以年为单位，可得1×1010
年1百亿年.
15.解析：质子带电，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的，且三个夸克都位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
代入数值，得＝46
N，为斥力
上夸克与下夸克之间的静电力为
代入数值，得23
N，为引力.
16.(1)+→2γ
(2)见解析
（3）1.24×1020
Hz
解析：（1）+→2γ
（2）若只放出一个γ光子，则反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个γ光子是不可能的.
（3）正、负电子湮灭前的动量为零，即项为零，可知其对应的能量为，光子的能量满足，得频率，代入数据解得≈1.24×1020
Hz.