人教版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 第5节　“基本”粒子学案

第5节　“基本”粒子
核心 素养 物理观念 科学思维
1.了解构成物质的“基本”粒子。
2.了解近代发现的粒子。
3.知道粒子的分类。
4.了解夸克模型的内容。 体会感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。
知识点一　“基本”粒子和发现新粒子
[观图助学]
如图显示的是质子对质子碰撞后粒子的径迹，分叉的径迹表明有新的粒子产生，这是否说明质子仍有其内部结构呢？即质子可能是由更小的粒子组成。
1.“基本”粒子不基本
“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。因此，20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子。
2.发现新粒子
(1)20世纪30年代以来，人们对宇宙射线的研究和加速器、对撞机的开发及应用，现已发现的新粒子达400多种。
(2)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。
[思考判断]
(1)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。(×)
(2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。(√)
知识点二　粒子的分类和夸克模型
1.粒子的分类
目前发现的粒子大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
2.夸克模型
(1)夸克的提出：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。
(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位。
(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”。
粒子 类型 发现
科学家 发现
时间 基本特点
原子 道尔顿 1803 －
电子 汤姆孙 1897 质量比质子小得多，带一个单位的负电荷
质子 卢瑟福 1911 带一个单位的正电荷
中子 查德
威克 1932 质量和质子的质量几乎相等，不带电
19世纪末，人们都认为原子是组成物质的最小微粒。
　　　　↓
发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。
　　　　↓
逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
反粒子符号的书写：电子e、质子H、α粒子的反粒子的符号分别是：e、H、He。
原子结构图中的夸克
核心要点　新粒子的发现和分类
[观察探究]
如图所示为粒子发展示意图。
(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？
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。
[探究归纳]
1.新粒子的发现
(1)1931～1940年发现正电子μ子。
(2)1941～1950年发现K介子和π介子。
(3)1951～1960年发现反质子和电子中微子。
(4)1861～1870年发现μ子中微子。
(5)1971～1980年发现τ子、胶子、3/4介子。
(6)1981～1990年发现W和Z玻色子。
(7)1991～2000年发现τ子中微子。
(8)2001～至今发现希格斯玻色子。
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；强子又可分为介子和重子
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
目前最后一个被发现 是由希格斯的量子激发
[试题案例]
[例1] 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，求反应中产生的每个光子的能量。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么。
审题指导　解答本题时应注意以下三点
(1)核反应根据质量数和电荷数守恒，判断质量数和电荷数。
(2)正电子和负电子的湮灭，根据质能方程判断光子的能量。
(3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。
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，选项A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，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定律。
答案　(1)A　(2)8.2×10－14 J　此过程遵循动量守恒定律
[针对训练1] 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 ＋e －e －e ＋e
(1)按最简单的组成，π＋介子由谁和谁组成？
(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？
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
1.(对“基本”粒子的理解)(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8种
D.夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－
解析　强子是参与强相互作用的粒子，轻子是不参与强相互作用的粒子，故选项A、B正确；强子由夸克组成，夸克有6种。它们的带电荷量分别为＋e或－e，故选项D正确；目前能发现的轻子只有6种，故选项C错误。
答案　ABD
2.(粒子的分类)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.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
解析　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，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，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，因此选项A正确，B、C、D的产生都在A之后，故选项B、C、D错误。
答案　A
3.(夸克模型)(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是(　　)
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－
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，选项D错误，A、B、C正确。
答案　ABC
4.(“基本”粒子的性质理解)(多选)K－介子衰变方程为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(图中虚线)，π－介子和π0介子运动轨迹可能是图中的(　　)
解析　根据动量守恒定律可以判断核反应后π－介子可能与K－介子运动方向相同，也可能相反，结合左手定则和带电粒子在磁场中的运动知识可知，本题的正确选项为A、B。
答案　AB
5.(对反粒子的理解)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