资源简介

5　“基本”粒子
课后·训练提升
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
1.下列说法正确的是(　　)
A.人类第一次实现原子核的人工核转变是查德威克用α粒子轰击铍原子核,产生了碳原子核和一个中子
B.患癌症的病人可以接受钴60的放射治疗,这是利用了细胞分裂越快的组织对射线的耐受力越强的特点
C.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子
D.比结合能越大的原子核,核子的平均质量也越大
答案:C
解析:卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子,这是人类第一次实现的原子核的人工转变,选项A错误;用放射治疗癌症,是利用“细胞分裂越快的组织,对射线的耐受能力就越弱”这一特点,选项B错误;强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子,选项C正确;比结合能越大,原子核越稳定,核子平均质量越小,选项D错误。
2.质子和中子是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的。两个强作用电荷相反(类似于正负电荷)的夸克在距离很近时几乎没有相互作用(称为“渐近自由”);在距离较远时,它们之间就会出现很强的引力(导致所谓“夸克禁闭”)。作为一个简单的模型,设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为F=式中F0为大于零的常量,负号表示引力。用U表示夸克间的势能,令U0=F0(r2-r1),取无穷远为势能零点。下列U-r图示正确的是(　　)
答案:B
解析:从无穷远处电势为零开始到r=r2位置,势能恒定为零,在r=r2到r=r1过程中,恒定引力做正功,势能逐渐均匀减小,即势能为负值且越来越小,r3.中子内有一个电荷量为+e的上夸克和两个电荷量为-e的下夸克。一简单的模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上,如图所示。在给出的四幅图中,能正确表示出各夸克所受静电作用力的是(　　)
答案:B
解析:两个下夸克对一个上夸克的作用力都为引力,且大小相等,合力方向竖直向下,左边的下夸克受引力和水平向左的斥力,因为k=kcos60°,所以合力方向竖直向上,同理可确定右边的夸克所受库仑力方向也是竖直向上,故选项B正确。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
4.1961年,理论物理学家提出夸克模型,指出重子是由3个夸克组成的亚原子粒子。现代物理学认为,夸克共分6种3类:上夸克、下夸克;粲夸克、奇异夸克;顶夸克、底夸克。质子由两个上夸克加一个下夸克组成,则中子的构成是两个下夸克加一个上夸克,因此人类目前所接触的物质都是由第一类夸克组成的。某次对撞实验发现的新型粒子(欧米伽b重子)是由2个奇异夸克和1个底夸克组成的,这是物理学界首次发现由后两类夸克混合组成的重子。(1 G=109)
符号 中文名称 电荷量/e 质量/(GeV·c-2)
u 上夸克 + 0.004
d 下夸克 - 0.008
c 粲夸克 + 1.5
s 奇异夸克 - 0.15
t 顶夸克 + 176
b 底夸克 - 4.7
根据以上信息可以判定(　　)
A.欧米伽b重子带的电荷为-e
B.欧米伽b重子的质量是质子质量的250倍
C.欧米伽b重子的质量是中子质量的250倍
D.由质能方程E=mc2得知1 GeV/c2=1.78×10-27 kg
答案:ACD
解析:由表中信息可知,欧米伽b重子带的电荷为-e+2×=-e,选项A正确;质子质量为(0.004×2+0.008)GeV/c2=0.016GeV/c2,选项B错误;欧米伽b重子的质量为(4.7+0.15×2)GeV/c2=5GeV/c2,中子的质量为(0.008×2+0.004)GeV/c2=0.02GeV/c2,选项C正确;1GeV/c2=
kg=1.78×10-27kg,选项D正确。
三、非选择题
5.如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
pCN
NC+e++ν
pCN
pNO
ON+e++ν
pNC+α
其中p为质子,α为α粒子,e+为正电子,ν为中微子,已知质子的质量为mp=1.672 648×10-27 kg,α粒子的质量为mα=6.644 929×10-27 kg,正电子的质量为me=9.11×10-31 kg,中微子的质量可忽略不计,真空中的光速c=3.00×108 m/s,试计算该系列核反应完成后释放的能量。
答案:3.95×10-12 J
解析:为求出系列反应后释放的能量,将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加,消去两侧相同的项,系统反应最终等效为
4pα+2e++2ν
设反应后释放的能量为Q,根据质能关系和能量守恒得
4mpc2=mαc2+2mec2+Q
代入数值可得
Q=3.95×10-12J。(共38张PPT)
5　“基本”粒子
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练　
素养 目标定位
目 标 素 养
1.了解构成物质的“基本”粒子。
2.了解粒子物理的发展史。
3.感知人类探究宇宙奥秘的过程和方法。
4.能够突破传统思维重新认识客观物质世界,培养科学探索精神。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、“基本”粒子
“基本”粒子是指　光子　、电子、质子和中子。
微思考1 “基本”粒子为什么将“基本”二字去掉了
提示:一方面,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;另一方面,科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。
二、发现新粒子
1.从20 世纪30 年代以来,人们在对宇宙线的研究中陆续发现了一些新的粒子。1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子。后来还发现了一些粒子,质量比质子的质量大很多,叫作　超子　。
2.下表是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子。
时间 粒子
1931~1940年 正电子、μ子
1941~1950年 K介子和π介子
1951~1960年 反质子、电子中微子
1961~1970年 μ子中微子
1971~1980年 τ子、胶子、J/Ψ介子
1981~1990年 W和Z玻色子
1991~2000年 τ子中微子
2001年至今 希格斯玻色子
3.反粒子: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　的粒子,叫作反粒子。
微思考2 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。按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一个反粒子。
三、粒子的分类
发现的粒子达400多种,它们大体可被分为强子、轻子、
　规范玻色子　和希格斯玻色子几种类别。
1.强子: 强子是参与　强相互作用　的粒子。质子和中子都是强子。
2.轻子:轻子不参与强相互作用。目前发现的轻子只有6种,即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的　反粒子　。
3.规范玻色子: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(W和Z玻色子)、胶子。光子传递
　电磁　相互作用,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递
　强　相互作用。
4.希格斯玻色子:希格斯玻色子是希格斯场的　量子　激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。
微训练1 关于粒子的分类,目前人们认为粒子世界是由下列哪四类粒子构成的(　　)
A.规范玻色子、夸克、强子、希格斯玻色子
B.夸克、轻子、强子、希格斯玻色子
C.轻子、强子、规范玻色子、希格斯玻色子
D.质子、中子、电子、规范玻色子
答案:C
解析:按照粒子与各种相互作用的不同关系,把粒子分为四大类,即轻子、强子、规范玻色子、希格斯玻色子,故选项C正确。
四、拓展学习——夸克与粒子物理标准模型
1.夸克种类: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。
3.每种夸克都有对应的　反夸克　。
微训练2 关于粒子,下列说法不正确的是(　　)
A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.质子、中子本身也有复杂的结构
C.质子是带电的强子
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
答案:A
解析:质子和中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故选项A错误,B正确;不同的夸克组成强子,有的强子带电,有的强子不带电,质子是最早发现的带正电的强子,故选项C正确;夸克模型是研究强子的理论,不同夸克带的电荷不同,分别为元电荷的 ,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确。
课堂·重难突破
重难归纳
1.新粒子的发现及特点。
发现时间 新粒子 基本特点
1932年 反粒子 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
1937年 μ子 比质子的质量小
1947年 K介子与π介子 质量介于电子与核子之间
20世纪 60年代后 超子 其质量比质子大
新粒子的发现及特点
发现时间 新粒子 基本特点
1971~ 1980年 τ子、胶子、J/Ψ介子 τ 子属于轻子,胶子、J/Ψ介子属于规范玻色子,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
1981~ 1990年 W和Z 玻色子 属于规范玻色子,中间玻色子传递弱相互作用
1991~2000年 τ子中微子 属于轻子,存在反粒子
2001年 至今 希格斯 玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
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
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
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 希格斯场的量子激发 希格斯玻色子 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
物质是由分子和原子组成的,原子由带负电的电子和带正电的原子核组成,那么反物质的结构是怎样的呢
提示:反物质是由反原子组成的,反原子是由带正电的电子和带负电的原子核组成的。
典例剖析
(多选)反物质即质量与原粒子相等、电荷量与原粒子相等但电性相反的物质,如 。有一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线,沿OO'穿过速度选择器后进入匀强磁场B2,形成4条径迹,下列说法正确的是(　　)
A.1、2为反粒子的径迹
B.3、4为反粒子的径迹
C.2为反α粒子的径迹
D.4为质子的径迹
AC
解析:由左手定则可知,粒子刚进入磁场时,带正电的粒子在磁场中受到的洛伦兹力向右,粒子向右偏转,带负电的粒子受到的洛伦兹力向左,粒子向左偏转,由题图可知,1、2是反粒子的径迹,3、4是粒子的径迹;粒子先过速度选择器,然后进入磁场,
易错提醒 1.反粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与相对应的粒子相同,电荷量相等但电性相反。
2.粒子碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒。
学以致用
(多选)在一定条件下,让质子获得足够大的速度,当两个质子p以相等的速率对心正碰,将发生下列反应p+p→p+p+p+ ,其中 是反质子(反质子与质子质量相等,均为mp,带一个单位负电荷),则下列关于该反应的说法正确的是(　 　)
A.反应前后系统的总动量均为零
B.反应过程中系统的能量守恒
C.根据爱因斯坦质能方程可知,反应前每个质子的能量至少为2mpc2
D.根据爱因斯坦质能方程可知,反应后单个质子的能量可能小于mpc2
ABC
解析:反应过程中动量守恒、能量守恒,反应后总能量至少为4mpc2,所以反应前每个质子的能量至少为2mpc2,反应后单个质子的能量至少为mpc2,故选项A、B、C正确,D错误。
随堂训练
1.推理是研究和学习物理的一种重要方法,正电子、负质子、反中子都是反粒子,它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较,质量相等、电荷量相等、电性相反(中子和反中子都不带电)。科学家已经发现反氦原子(已知氦原子核中有两个质子和两个中子),你推测反氦原子的结构可能是(　　)
A.由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成
B.由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成
C.由两个质子、两个电子和两个中子构成
D.由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的反中子构成
D
解析:组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的质量、相等的电荷量但电性相反,据此分析可知反氦原子可能由两个带负电的质子(反质子)、两个带正电的电子(正电子)和两个不带电的反中子构成,选项D正确。
2.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基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究四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
答案:D
解析:由于中子、质子是由不同的夸克组成的,它们不再是基本粒子,夸克模型是探究强子结构的理论,不同夸克构成强子,有的强子带电,有的不带电,不同夸克带的电荷不同,可能为 ,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确,A、B、C错误。
3.“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
答案:B
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,故选项B正确。
4.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
答案:C
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,由于质量关系不确定,则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反,故选项C正确。
(1)若认为质子是静止的,测得正电子动量为p1,中子动量为p2,p1、p2方向相同,求反中微子的动量p。
(2)若质子质量为m1,中子质量为m2,电子质量为m3,m2>m1。要实现上述反应,反中微子能量至少是多少 (真空中光速为c)
答案:(1)p1+p2　(2)(m2+m3-m1)c2
解析:(1)以质子的运动方向为正方向,根据动量守恒定律,
有p+0=p1+p2
解得p=p1+p2。
(2)根据能量守恒定律,反中微子的能量最小时,
有E+m1c2=(m2+m3)c2
故最小能量为E=(m2+m3-m1)c2。

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