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第4章 从原子核到夸克
第4章 从原子核到夸克
电子
质子
中子
核反应
μ子
K介子
π介子
上夸克
下夸克
奇异夸克
粲夸克
底夸克
顶夸克
轻子
胶子
大爆炸
白矮星
中子星
黑洞
粒子
原子核
原子
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粒子物理与宇宙的起源
1.了解组成物质的粒子． 2.知道粒子的分类及其作用．(重点) 3.了解宇宙起源的大爆炸假说及恒星的演化．
4．体会宏观世界和微观世界的辩证统一．(难点)
, [学生用书P60])
一、物质结构的更深层次
1．粒子世界
(1)在19世纪末，人们认为电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子．用这个观点成功地解释了各种原子核的一些性质和核反应的一些规律，原子核中放射出电子，使人们怀疑“基本粒子”是否还基本．
(2)20世纪中叶，科学家通过高能加速器进行实验，发现了更多的新粒子，如μ子、K介子、π介子、Λ子．
(3)参与强相互作用的粒子称为强子，像质子、中子、介子等，称为第一个粒子家族．
2．夸克
(1)质子、中子等强子有着自己复杂的结构，它们有更为基本的成分组成，科学家认为这种成分叫夸克．到此为止已经知道了有六种夸克的存在，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克．
(2)夸克所带的电荷为分数电荷，电荷为元电荷的或．
(3)称为第二个粒子家族的是轻子，如电子、μ子、τ子以及与它们相联系的中微子等；称为第三个粒子家族的是媒介子，传递相互作用的粒子，如光子、传递弱相互作用的中间玻色子W±、Z0以及传递强相互作用的胶子．
(1)科学研究表明，质子、中子等本身也具有复杂结构．( )
(2)夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元．( )
提示：(1)√ (2)√
二、自然界两极的奇妙汇合
1．暴胀的宇宙：宇宙起源于一次大爆炸，这种理论被称为宇宙大爆炸理论．
2．恒星的演化
恒星的最后归宿是：质量小于太阳1.4倍的恒星，它会演变成白矮星，即体积很小，质量不太小的恒星；质量是太阳1.4倍～2倍的恒星，会演变成中子星；更大质量的恒星，会演变成“黑洞”．
3．小粒子与大宇宙
物理学的研究范围小到微观粒子，大到浩瀚的宇宙，1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖曾经非常形象地把大至宇观世界小至微观世界的“链条”比喻成一条咬住自己尾巴的大蛇，从尾到首依次对应于粒子、原子核、原子、细胞、一直到超星系团、整个宇宙．
自然界存在的四种作用是什么？
提示：强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用．
对粒子的认识[学生用书P61]
1．新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子
基本特点 质量与相对应的粒子相同，而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与质子之间 其质量比质子大
2.粒子的分类
参与的相互作用 发现的粒子 说明
强子 强相互作用 质子、中子、介子、超子 质子是最早发现的强子，强子有内部结构，由“夸克”粒子构成的；强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子和电子中微子，μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子 未发现内部结构
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用，玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
3.夸克的分类：夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－.每种夸克都有对应的反夸克．
实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．
为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”．“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
[思路点拨] 正确理解“反粒子”与其对应的“正粒子”的关系是解决本题的关键．
[解析] 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷．因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量．所以反氢原子是由H核和e构成的．
[答案] B
许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如电子和正电子，质子和反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质．
反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．
(多选)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，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷．
π＋ π－ u d
带电量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e
下列说法正确的是( )
A．π＋由u和组成 B．π＋由d和组成
C．π－由u和组成 D．π－由d和组成
解析：选AD.根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u和一个反夸克组成，A正确；同理π－介子由夸克d和反夸克组成，D正确．
对恒星演化过程的进一步认识[学生用书P62]
1．恒星的诞生：大爆炸10万年后，温度下降到3 000 K左右，开始了恒星的形成过程：宇宙尘埃更密集的尘埃气体状态的星云团
恒星．
2．恒星的稳定期：当温度超过107 K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射．辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星体稳定下来．恒星在这一阶段停留的时间最长．太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段．
3．恒星的衰老：当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩．这时引力热能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应．类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重要的元素．恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化．
当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了．星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大．
4．恒星的归宿：恒星最终归宿与恒星的质量大小有关，当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍～2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞．
天文观测表明，几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度(称为退行速度)越大；也就是说，宇宙在膨胀．不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr.式中H为一常量，称为哈勃常数，已由天文观察测定．为解释上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的．假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度越大的星体现在离我们越远．这一结果与上述天文观测一致．
由上述理论和天文观测结果，可估算宇宙年龄T，其计算式为T＝__________．根据长期观测，哈勃常数H＝3×10－2m/(s·光年)，其中光年是光在一年中行进的距离，由此估算宇宙的年龄约为________年．
[思路点拨] 宇宙膨胀时，星体看作做匀速运动，根据运动公式和v＝Hr求解．
[解析] 由于爆炸后各星体做的是匀速运动，令宇宙年龄为T，则星球现距我们的距离为r＝vT＝HrT，得：T＝.
T＝＝＝
＝年＝1×1010年．
[答案] 1×1010
宇宙膨胀，这是在天文观测中所观察到的现象，题目中以宇宙膨胀为背景，给出了这一方面的研究资料及结论，通过学生自己阅读资料，进行分析，对该题才能做出正确的解答．
对于宇宙的形成，在当代占主要地位的说法是：我们的宇宙诞生于150亿～200亿年前的一次大爆炸，其主要依据是( )
①光谱分析得到的红移现象，即星体离我们远去 ②天然放射现象 ③牛顿运动定律 ④月球运动中的各种现象
A．①② B．①③
C．③④ D．②③
答案：B
β衰变中的中微子[学生用书P63]
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，因此在实验中很难探测.1953年，莱克斯和柯文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H的核反应，间接地证实了中微子的存在．
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子e，即
中微子＋H→n＋e
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
e＋e→2γ.
已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________ J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________________________________________________________________．
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．
[思路点拨] 正、负电子“湮灭”产生两个光子，题干中要求解的是产生的每个光子的能量．
[解析] (1)由核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知A正确．
(2)由能量守恒有2E＝2mec2，
所以E＝mec2＝9.1×10－31×(3.0×108)2 J≈8.2×10－14 J．反应过程中动量守恒且总动量为零．
(3)粒子的动量p＝，物质波的波长λ＝
由mn>me，知pn>pe，则λn<λe.
[答案] (1)A (2)8.2×10－14 遵循动量守恒
(3)λn<λe
解决这类问题要重点把握以下两点：
(1)正确理解“反粒子”与其对应的“正粒子”的关系．
(2)微观粒子的相互作用过程中满足动量守恒定律，在具体的求解时，往往要用动量守恒、能量守恒及爱因斯坦的质能方程综合分析问题．
, [学生用书P63])
1．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )
A．夸克、轻子、胶子等粒子
B．质子和中子等粒子
C．光子、中微子和电子等粒子
D．氢核、氚核、氦核等轻核
解析：选A.宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的产生都在A之后，因此A正确．
2．(多选)下列所述正确的是( )
A．原子是组成物质的不可再分的最小微粒
B．原子是最大的微粒
C．原子由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核
D．质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构
解析：选CD.由学过的内容及本节所述的内容可知，只有C、D选项正确．
3．(多选)下列叙述中正确的是( )
A．强子是参与强相互作用的粒子
B．轻子是不参与强相互作用的粒子
C．目前发现的轻子只有8种
D．夸克有6种，它们所带的电荷量分别为元电荷的＋或－
答案：ABD
4．(多选)下列说法中正确的是( )
A．目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部结构
B．自然界存在的能量守恒定律、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
解析：选ACD.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．反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷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．
5．(多选)太阳放出的大量中微子向地球飞来，科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变为一个μ子和一个τ子，若在衰变中发现μ子速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向( )
A．可能与μ子同方向
B．可能与μ子反方向
C．不一定与μ子在同一条直线上
D．一定与μ子在同一条直线上
解析：选ABD.在衰变中动量守恒，发现μ子速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向一定与μ子在同一条直线上，可能与μ子同方向也可能与μ子反方向．
6．已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝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)大小．
解析：质子带＋e的电量，故它由2个上夸克和1个下夸克组成的．按题意，三个夸克必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
Fuu＝k＝k.
代入数值，得Fuu≈46 N，为斥力．
上夸克与下夸克之间的静电力为Fud＝k＝
k.代入数值，得Fud≈23 N，为引力．
答案：46 N 23 N
7．某一年，7颗人造卫星同时接收到来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m0＝9.1×10－31 kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量E和湮灭前的动量p满足关系E2＝c2p2＋mc4.式中c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)计算放出γ光子的频率．
解析：(1)核反应方程式为e＋e→2γ.
(2)若只放出一个光子，说明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，所以只放出一个光子是不可能的．
(3)正、负电子湮灭前的动量为零，即c2p2项为零，可知其对应的能量为E＝m0c2，光子的能量满足E＝hν，由能量守恒有：m0c2＋m0c2＝2hν，即得频率为ν＝＝ Hz≈1.24×1020 Hz.
答案：见解析
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