高中物理第4章从原子核到夸克4.4粒子物理与宇宙的起源教师用书沪科版选修

4.4　粒子物理与宇宙的起源

[先填空]

1.对粒子的认识过程

(1)“基本粒子”：知道原子核的组成之后，人们以为电子、质子、中子等是组成物质的最基本的粒子.

(2)新粒子的发现

①1912年，赫斯证实有射线从宇宙空间射来，之后，许多物理学家对宇宙射线研究发现了一些新粒子.

②人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如1937年发现μ子，1947年发现了k介子和π介子，此后又发现了子，现在已发现的粒子总数达400多种.

2.夸克模型

(1)夸克：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)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；上夸克、下夸克带的电荷量分别为元电荷的＋6b947573d14816876763af57c7a89b2e.pnge或－7c1bc20c016ab66f2b43e99fbf038c45.pnge.

(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷，但人们还无法获得自由的夸克.

3.粒子的类型

(1)强子：参与强相互作用，包括质子、中子、介子和超子.

(2)轻子：不参与强相互作用，包括电子、μ子、τ子以及与之相联系的三种中微子.

(3)传递相互作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、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.

4.加速器和粒子物理：粒子物理学研究的工具是高能加速器和粒子探测器.高能加速器是指能使粒子能量达到3×109_eV以上的加速器.

[再判断]

1.质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子.(×)

2.质子和反质子的电量相同，电性相反.(√)

3.按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元.(√)

[后思考]

1.为什么说基本粒子不基本？

【提示】　一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的.

2.什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？

【提示】　实验发现，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.按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子.

[核心点击]

1.新粒子的发现及特点

2.粒子的分类

3.两点提醒

(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子.

(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子.

4.加速器的种类有：(1)回旋加速器，(2)直线加速器，(3)对撞机.

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.强子中也有不带电的粒子

C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

E.超子的质量比质子的质量还大

【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错误，B正确；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＋6b947573d14816876763af57c7a89b2e.pnge和－81fa8f5ab202c6e6ca708b01024488df.png，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确；超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确.

【答案】　BDE

2.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74bb8948e40eb2d9362d606f6aea72a4.pngH的核反应，间接地证实了中微子的存在.

(1)中微子与水中的74bb8948e40eb2d9362d606f6aea72a4.pngH发生核反应，产生中子(e17e35d3c9a8edf9142392a31785817f.pngn)和正电子(2c8dd855676f6390b0057167248a92bf.pnge)，即中微子＋74bb8948e40eb2d9362d606f6aea72a4.pngH―→e17e35d3c9a8edf9142392a31785817f.pngn＋2c8dd855676f6390b0057167248a92bf.pnge.

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2c8dd855676f6390b0057167248a92bf.pnge＋aeef94e183acd23cab471036980c0694.pnge―→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.

【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2ee59340571358fdcd36e7d2547d7ed1.png，代入数据得2ee59340571358fdcd36e7d2547d7ed1.png＝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.

(3)物质波的波长为λ＝dfdb79e36f73259e7e11da50a239ef10.png，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p＝67a4143f5d4c07e03b23d24d8489ed87.png，因为mn>me，所以pn>pe，故λn<λe.

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