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5.5　粒子物理学发展概况
学习目标
1.通过任务1、任务2及其活动,了解“基本”粒子不基本,知道科学家是如何利用加速器发现新粒子的,知道粒子的分类及特点。(物理观念、科学态度与责任)
2.通过任务3及其活动,知道质子和中子并不是最小的粒子,知道夸克模型,了解粒子物理标准模型。(物理观念、科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:粒子加速器的基本原理是什么 它按照加速过程的路径大致可分为哪两类


思考2:为什么“基本粒子”不基本


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)目前,人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成。 (　　)
(2)强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子。 (　　)
(3)电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子。 (　　)
(4)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。 (　　)
(5)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　发现新粒子
1919年,卢瑟福用镭放射的α粒子轰击氮原子核,发现了质子。随后1932年,他的学生查德威克也在粒子碰撞中发现了中子。1932年发明的粒子加速器(如图1、图2所示)能使带电粒子加速到很高的能量,这些高能粒子在对撞机中彼此对撞,就可能产生新的粒子。
图1
图2
1.加速器是如何使带电粒子加速的 在直线加速器和回旋加速器中,如何实现持续加速


2.在实验中发现的反粒子具有怎样的特点 电子的反粒子是什么 质子的反粒子是什么


1.人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子,把它们叫作“基本粒子”。
2.随着科学的发展,科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成,并发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以,从20世纪后半期开始,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。
3.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。电子的反粒子是正电子,质子的反粒子是反质子。
4.发现新粒子
发现 时间 1932年 1937年 1947年 20世纪 50年代后
新粒子 正电子 μ子 K介子与π介子 超子
基本 特点 质量、寿命等物理性质与电子相同,但带正电 比质子的 质量小 质量介于电子与质子之间 质量比 质子大
应用1　粒子在磁场中的运动分析
反粒子就是质量与粒子相等,电荷量与粒子相等但电性相反的粒子。例如,反质子为H。假若分别使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子以相同速度v沿OO'方向进入匀强磁场(磁感应强度为B2),形成图中的4条径迹,则 (　　)
A.径迹3是反质子的径迹
B.径迹3、4为反粒子的径迹
C.径迹2为反α粒子的径迹
D.径迹1为反α粒子的径迹
应用2　原子构成分析
正电子是电子的反粒子,它跟普通电子的电荷量大小相等,而电性相反。科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年,欧洲和美国的科学研究机构先后宣布:他们分别制造出9个和7个反氢原子,这是人类探索反物质的一大进步。你推测反氢原子是 (　　)
A.由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成
B.由一个带负电荷的反质子和一个不带电荷的中子构成
C.由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成
D.由一个带负电荷的反质子与一个带正电荷的正电子构成
任务2　粒子“全家福”
下表呈现的是自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。现在,科学家们已经发现的粒子达400多种。
1.科学家是如何辨别这些粒子的呢


2.质子、中子、电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子、光子、中间玻色子、胶子、希格斯玻色子等,是科学家在研究过程中发现的粒子。在这些粒子当中,哪些粒子属于强子,哪些粒子属于轻子,哪些粒子属于规范玻色子

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中子
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(W和Z玻色子)、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用
希格斯 玻色子 — 目前最后一个被发现 是希格斯场的量子激发
应用1　粒子的分类
关于粒子,下列说法正确的是 (　　)
A.质子的反粒子的电荷量与质子的相同,但带的是负电荷
B.强子都是带电的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.光子属于轻子
应用2　粒子的动量问题
K-介子方程为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。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,它们的半径与之比为2∶1,如图所示,π0介子的轨迹未画出。由此可知π-介子的动量大小与π0介子的动量大小之比为 (　　)
A.1∶1　　B.1∶2　　C.1∶3　　D.1∶6
任务3　夸克模型
许多实验事实表明,强子是有内部结构的(如图所示)。1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子由更基本的成分组成,这种成分叫作夸克。夸克模型经过几十年的发展,已经被多数物理学家接受。在夸克模型的基础上,科学家们发展出了描述强相互作用的系统理论——量子色动力学。以量子色动力学和电弱统一理论为核心,人们已经完成了一整套关于粒子的理论,称为粒子物理标准模型。
1.夸克模型的提出具有怎样的意义 夸克有几种,它们具有怎样的特点


2.什么是粒子物理标准模型 在该模型中,组成物质的基本粒子是什么

1.夸克、夸克模型:1964年,美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型,认为强子由更基本的成分组成,这种成分叫作夸克。
2.粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论。其中,夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
应用　夸克模型及其应用
(多选)已知π+、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,质子、中子都是由三个夸克组成的,它们的带电荷量如表所示,表中e为元电荷。下列说法正确的是 (　　)
π+ π- u d
带电量 +e -e +e -e -e +e
A.π+由u和组成
B.π-由d和组成
C.质子由2个d和1个u组成
D.中子由2个d和1个u组成
【随堂检测·精评价】
1.(任务1、2)下列说法正确的是 (　　)
A.目前,人们认为粒子有夸克、强子、轻子三类
B.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子
C.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
D.夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍
2.(任务2)1932年,查德威克用He轰击Be发现了中子。自由中子是不稳定的,其衰变产物为质子、电子和反中微子,平均寿命不到15分钟,此衰变为β衰变。下列说法正确的是(　　)
A.中子由质子和电子组成
B.自由中子的衰变属于强相互作用过程
C.发现中子的核反应方程为HeBeCn
D.中子的存在有效地调节了质子间库仑斥力对原子核稳定性的影响,故中子越多,原子核一定越稳定
3.(任务2)人类认识微观世界是逐步深入的,下列微观粒子按发现顺序从先到后正确的是 (　　)
A.夸克、原子核、质子、原子
B.夸克、质子、原子核、原子
C.原子、原子核、质子、夸克
D.质子、原子核、原子、夸克
4.(任务3)1995年美国费米国家实验室在实验中观察到了顶夸克,测得它的静止质量m=3.1×10-25 kg,寿命τ=0.4×10-24 s,这是近二十几年粒子物理研究最重要的实验进展之一。正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为Ep=-k,式中r是正、反顶夸克之间的距离,as是强相互作用耦合常数,而且是一个没有单位的常数,k是与单位制有关的常数。则在国际单位制中k的单位是 (　　)
A.m B.J·m
C.J D.无单位
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:粒子加速器的基本原理是带电粒子在电场中受到电场力作用而被加速;按照加速过程的路径,可分为直线加速器和回旋加速器。
思考2:进入20世纪以来,科学家发现了数以百计的新粒子,它们都不是由质子、中子和电子组成,质子和中子本身还具有复杂的结构。随着科技的发展,科学家认识到“基本粒子”概念是不够科学的。
判断　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.加速器是通过电场使带电粒子加速的。在直线加速器中,为了保证粒子每次经过两管间隙处都被加速,漂移管的长度有严格的要求,以保证粒子从漂移管出来时电场已经改变方向,能够让粒子继续加速。在回旋加速器中,为了保证粒子每次经过间隙处都被加速,所加电场的周期与粒子圆周运动周期要一致,以保证能够让粒子继续加速。
2.反粒子与其对应的正粒子具有相同的质量、寿命、自旋等物理性质,但电荷等其他性质相反。电子的反粒子是正电子,质子的反粒子是反质子。
应用探究
例1　C　【解析】由左手定则判定质子、α粒子受到洛伦兹力向右偏转,反质子、反α粒子向左偏转,A、B两项错误;进入匀强磁场(磁感应强度为B2)的粒子具有相同的速度,由偏转半径r=知反α粒子、α粒子在磁场中的轨迹半径大,即径迹2为反α粒子的径迹,C项正确,D项错误。
例2　D　【解析】氢原子由质子和电子组成,它们的反粒子分别是带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子,D项正确。
任务2
问题引领
1.科学家将发现的400多种粒子大体分为四类,分别是强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子。其中,强子是参与强相互作用的粒子;轻子不参与强相互作用;规范玻色子是传递各种相互作用的粒子;希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
2.质子和中子属于强子;电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子,属于轻子;光子、中间玻色子、胶子属于规范玻色子。
应用探究
例3　A　【解析】许多粒子都有自己的反粒子,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,则质子的反粒子的电荷量与质子相同,但带的是负电荷,A项正确;有的强子带电,有的强子不带电,B项错误;目前发现的轻子只有6种,C项错误;质子和中子属于强子,光子属于规范玻色子,D项错误。
例4　C　【解析】根据=qvB可得,=,=,它们的半径与之比为2∶1,所以=,K-介子在P点发生衰变,衰变后π-介子的运动方向与K-介子的相反,衰变过程根据动量守恒定律有=-+,解得=+=3,所以有=。
任务3
问题引领
1.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。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。
2.粒子物理标准模型是一整套关于强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。在该模型中,夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
应用探究
例5　ABD　【解析】由题意可知,π+带电荷量为+e,则由u和组成,A项正确;π-由d和组成,B项正确;中子由2个d和1个u组成,C项错误,D项正确。
随堂检测·精评价
1.B　
2.C　【解析】中子由夸克组成,A项错误;自由中子的衰变属于弱相互作用过程,B项错误;发现中子的核反应方程为He+Cn,C项正确;中子的存在有效地调节了质子间库仑斥力对原子核稳定性的影响,但中子过多会造成原子核不稳定,D项错误。
3.C　
4.B　【解析】由Ep=-k得k=-,as没有单位,r的单位是m,Ep的单位是J,所以在国际单位制中,k的单位是J·m,B项正确。

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