5.“基本”粒子
课后篇巩固提升
基础巩固
1.(多选)下列所述正确的是( )
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4种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的+或-
解析由粒子的特性可知A、B正确;目前发现的轻子有6种,C错误;夸克模型经过几十年的发展,已知夸克有6种,它们带的电荷分别为元电荷的+或-,D正确。
答案ABD
2.下列说法正确的是( )
A.原子是组成物质的最小微粒
B.质子是比原子更小的微粒
C.目前我们可以断定夸克已不能再分
D.粒子的带电荷量不可能比元电荷再小
解析质子、中子、电子、夸克等都是比原子还小的微粒,选项A错误,选项B正确;目前我们虽然没有发现夸克有内部结构,但不能断定夸克已不能再分,选项C错误;不同夸克带电不同,分别为+e和-,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,选项D错误。
答案B
3.以下说法正确的是( )
A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子
B.质子、中子、介子和超子都属于强子
C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构
D.τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子
解析最早发现的强子是质子,最早发现的轻子是电子,A错误;强子有内部结构,由夸克组成,现代实验还没有发现轻子的内部结构,C错误;质子、中子、介子、超子都属于强子,τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子,D错误,B正确。
答案B
4.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
解析反氢原子由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。
答案B
5.太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向( )
A.一定与μ子的方向相同
B.一定与μ子的方向相反
C.一定与μ子在同一直线上
D.不一定与μ子在同一直线上
解析中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律,μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向必定也在这条直线上。故选项C正确。
答案C
能力提升
1.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,“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量,但电荷符号相反。据此,若有反α粒子,它的质量数和电荷数分别为( )
A.-4,-2
B.4,-2
C.-4,2
D.4,2
解析因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量,但电荷的符号相反。所以,反α粒子质量数为4,电荷数为-2。
答案B
2.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。如图所示的1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的动量的大小之比为( )
A.1∶1
B.1∶2
C.1∶3
D.1∶6
解析带电粒子K-与π-在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力Bqv=得R=,K-介子与π-介子带电荷量相同,故运动的半径之比等于动量之比=2∶1,在衰变后π-介子与π0介子动量方向相反,设K-介子的动量为正,则π-介子动量为负值,由动量守恒=-,则=1∶3,故A、B、D错,C对。
答案C
3.若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
带电荷量
+e
-e
+
-
-
+
(1)按最简单的组成,π+介子由哪两种粒子组成?
(2)按最简单的组成,π-介子由哪两种粒子组成?
解析(1)π+介子带有+e的电荷量,且是由一个夸克和一个反夸克组成的,夸克u带+e和反夸克带+e合成电荷量为e。
(2)π-介子带有-e的电荷量,是由一个夸克和一个反夸克组成的,夸克d带-e和反夸克带-e合成电荷量为-e。
答案(1)π+介子是由夸克u和反夸克组成的 (2)π-介子由夸克d和反夸克组成(共18张PPT)
5.“基本”粒子
学习目标
1.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本的粒子。
2.知道粒子的分类及其作用,了解夸克模型。
3.知道夸克是组成强子的成分。
思维导图
必备知识
自我检测
1.“基本粒子”不基本
(1)19世纪末,人们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,并称为“基本粒子”。
随着科学的进一步发展,科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子,它们并不能看作由质子、中子、电子组成的,另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以,从20世纪后半期起,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。
必备知识
自我检测
2.发现新粒子与夸克模型
(1)反粒子
实验中发现,存在着这样一类粒子,它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同,而电荷等其他性质相反,这些粒子叫作反粒子。例如,电子的反粒子就是正电子。
(2)粒子的分类
①强子:参与强相互作用的粒子,质子和中子都是强子。
②轻子:不参与强相互作用的粒子,最早发现的轻子是电子。
③规范玻色子:是传递各种相互作用的粒子,如光子、中间玻色子、胶子。
④希格斯玻色子:希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
(3)夸克模型的提出
1964年提出的夸克模型,认为强子是由更基本的夸克组成的。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。( )
(2)质量、寿命、自旋等物理性质相同,而电荷量相等电性相反的粒子称为反粒子。( )
(3)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元。( )
(4)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。( )
(5)轻子的质量一定轻。( )
(6)核子之间的核力是胶子传递的。( )
(7)轻子是不参与强相互作用的粒子。( )
(8)夸克有6种,它们所带电荷分别为元电荷的+23或-13。( )
答案(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√
必备知识
自我检测
2.(多选)关于人们发现的新粒子,下列说法正确的是( )
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.电子属于轻子
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
解析根据粒子的分类、粒子与反粒子的描述知A、B、C正确;光子属于规范玻色子,D错误。
答案ABC
必备知识
自我检测
3.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( )
A.强子是由更基本的成分夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
解析夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
答案ABC
必备知识
自我检测
4.2002年,美国《科学》杂志评出的“2001年世界十大科技突破”中,有一次是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果,该站揭示了中微子失踪的部分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一定相反 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
解析中微子在转化为μ子和τ子的前后过程中满足动量守恒定律。
答案B
探究
随堂检测
粒子的发现和分类
情境探究
对粒子的认识
下图为粒子发展示意图:
(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?
要点提示(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。
探究
随堂检测
知识归纳
1.新粒子的发现及特点
新粒子
反粒子(正电子)
μ子
K介子与π介子
超子
发现
时间
1932年
1937年
1947年
20世纪40年代后
基本
特点
质量与相对应的粒子相同而电荷等其他性质相反
比质子的质量小
质量介于电子与核子之间
其质量比质子大
探究
随堂检测
2.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、介子、超子
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
未发现内部结构
规范玻
色子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
希格斯
玻色子
—
—
希格斯玻色子是这几种基本粒子中最后一个被发现的
探究
随堂检测
实例引导
例题
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夸克所带的电荷量为
e,d夸克所带的电荷量为
-
e,e为元电荷,下列论断中可能正确的是( )
A.质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成
答案B
探究
随堂检测
变式训练在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,莱尼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
的核反应,间接地证实了中微子的存在。
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
探究
随堂检测
(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
。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。?
解析(1)发生核反应前后,粒子的质量数和电荷数均不变,据此可知中微子的质量数和电荷数都是0,A项正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后,质量变为零,则E=Δmc2,故一个光子的能量为
,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,故系统总动量为零,所以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定律。
答案(1)A (2)8.2×10-14
探究
随堂检测
1.关于粒子,下列说法正确的是( )
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究轻子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析由于质子、中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,不同夸克构成强子,有的强子带电,有的强子不带电,故A、B错误。夸克模型是研究强子结构的理论,不同夸克带电不同,分别为
,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故C错误,D正确。
答案D
探究
随堂检测
2.(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;能量守恒定律等对基本粒子也适用,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;质子是最早发现的强子,故D正确。
答案ACD
探究
随堂检测
3.20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( )
探究
随堂检测
解析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,A正确。
答案A
