24-25高中物理人教版選擇性必修第三冊 28 第五章 5．“基本”粒子

9/95．“基本”粒子1．初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)及粒子的分類。2．感悟人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是不斷深入的，通過對這些微觀世界相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)形成相對完整、科學(xué)的物質(zhì)觀念。發(fā)現(xiàn)新粒子粒子的分類一、發(fā)現(xiàn)新粒子1．直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒。2．后來認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子，把它們叫作“基本粒子”。從20世紀(jì)后半期起，將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。3．1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子。以及之后的超子等。二、粒子的分類目前發(fā)現(xiàn)的粒子大體可被分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別。三、夸克模型1．夸克的提出：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。2．夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)、頂夸克(t)。3．夸克所帶的電荷量：夸克帶的電荷分別為元電荷的－13或＋24．夸克的意義：電子電荷不再是電荷的最小單元。5．夸克的“禁閉”：夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。如圖所示為粒子發(fā)展示意圖：【問題】(1)為什么現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子？(2)為什么說夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破？提示：(1)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。(2)夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷。1．粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又分為介子和重子兩類輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)?；玖Ｗ右蚺c希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。2012年，歐洲核子研究中心利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子2．夸克模型(1)夸克的提出：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。(2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。(3)夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的－13或＋23。例如，上夸克帶的電荷量為＋2e3，下(4)意義：電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分?jǐn)?shù)電荷?！镜淅吭讦滤プ冎谐０橛幸环N稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中11(1)中微子與水中的11H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(01n)和正電子可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即10e+-10e→2γ，已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10[解析](1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0。(2)產(chǎn)生能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則ΔE＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為ΔE2，代入數(shù)據(jù)得ΔE2≈8.2×10-14J[答案](1)0和0(2)8.2×10-14見解析對核反應(yīng)中新生成粒子的認(rèn)識(shí)新生成的粒子和實(shí)物粒子一樣，也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生相互作用時(shí)，同樣遵循動(dòng)量守恒定律等力學(xué)規(guī)律。[跟進(jìn)訓(xùn)練]目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的。u夸克所帶的電荷量為23e，d夸克所帶的電荷量為－13e，e為元電荷，下列論斷可能正確的是(A．質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成B．質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成C．質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成D．質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成B[質(zhì)子11H所帶的電荷量為2×23e＋-13e＝e，中子01n所帶的電荷量為23e＋21．(多選)下列說法正確的是()A．目前還未發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)B．自然界存在著的能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及電荷守恒定律，對粒子不適用C．反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生湮滅現(xiàn)象D．強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子，質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子ACD[現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)中還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故A正確；能量守恒定律等對粒子也適用，故B錯(cuò)誤；反粒子與其相應(yīng)的粒子帶等量異種電荷，反粒子與其對應(yīng)的粒子相遇時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅現(xiàn)象，故C正確；質(zhì)子是早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，故D正確。]2．(多選)質(zhì)子與中子都是由三個(gè)夸克組成，其中質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，形成過程均可類比核聚變。β衰變時(shí)，核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，質(zhì)子質(zhì)量約為1.6726×10-27kg，中子質(zhì)量約為1.6749×10-27kg，電子質(zhì)量約為9.1096×10-31kg，真空中光速c＝3.00×108m/s。下列說法正確的有()A．中子轉(zhuǎn)化的核反應(yīng)式為0B．弱相互作用是引起β衰變的原因C．上、下夸克的質(zhì)量差為2.3×10-30kgD．一次β衰變釋放出的能量為1.3×10-14JAB[β衰變時(shí)，核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，中子轉(zhuǎn)化的核反應(yīng)式為01n→11H+-10e，故A正確；弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因，故B正確；由“形成過程均可類比核聚變”可知，夸克形成質(zhì)子、中子過程質(zhì)量有虧損，故1.6726×10-27kg≠2m上＋m下，1.6749×10-27kg≠m上＋2m下，無法計(jì)算上、下夸克的質(zhì)量差，故C錯(cuò)誤；β衰變中的質(zhì)量虧損Δm＝1.6749×10-27kg－1.6726×10-27kg－9.1096×10-31kg≈1.39×10-30kg，釋放出的能量為ΔE＝Δmc2＝1.39×10-30×9×10163．現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號(hào)相反。據(jù)此，若有反α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為()A．－4，－2 B．4，－2C．－4，2 D．4，2B[由“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號(hào)相反可知，反α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2，B正確。]4．20世紀(jì)30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，K介子和π介子就是科學(xué)家在1947年發(fā)現(xiàn)的。K－介子的衰變方程為K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子帶負(fù)電，電荷量等于元電荷的電荷量，π0介子不帶電。如圖所示，一個(gè)K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圖中的圓弧虛線，K－介子衰變后，π0介子和π－介子的軌跡可能是()ABCDA[π0介子不帶電，在磁場中不偏轉(zhuǎn)，π－介子帶負(fù)電，在磁場中洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，再根據(jù)左手定則及動(dòng)量守恒判定知，A正確。]回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問題：1．為什么說“基本”粒子不基本？提示：質(zhì)子、中子本身有自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。2.粒子可大致分為幾類？提示：分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類型。3．在物理標(biāo)準(zhǔn)模型中哪幾類粒子是組成物質(zhì)的最基本的粒子？提示：夸克、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子。課時(shí)分層作業(yè)(二十二)“基本”粒子題組發(fā)現(xiàn)新粒子粒子的分類1．根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A．夸克、輕子、膠子等粒子B．質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C．光子、中微子和電子等輕子D．氫核、氘核、氦核等輕核A[宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時(shí)代，再之后是自由的光子、中微子、電子等輕子大量存在的輕子時(shí)代，再之后是中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并形成氦核的核時(shí)代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成中性的氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D錯(cuò)誤。]2．(多選)下列說法正確的是()A．強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子B．輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子C．目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有8種D．夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的＋23或－ABD[粒子可分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別，強(qiáng)子就是所有參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱，A正確；輕子就是不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱，B正確；目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種，分別是電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子，故C錯(cuò)誤；夸克有6種，它們帶的電荷量分別為元電荷的＋23或－13，D3．已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克u或反夸克d)組成的，它們所帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷。名稱π＋π－udud帶電荷量＋e－e＋23－13－23＋13下列說法正確的是()A．π＋由u和u組成 B．π＋由u和d組成C．π－由u和d組成 D．π－由u和d組成D[由題表可知，π＋帶的電荷量為＋e，故由u和d組成；π－帶的電荷量為－e，故由4．正電子是電子的反粒子，它跟普通電子的電荷量相等，電性相反，科學(xué)家設(shè)想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)——反物質(zhì)。1997年初和年底，歐洲和美國的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)先后宣布：他們分別制造出9個(gè)和7個(gè)反氫原子，這是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步。推測可得反氫原子的結(jié)構(gòu)是()A．由一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B．由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成C．由一個(gè)不帶電的中子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D．由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成B[反氫原子的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是由反質(zhì)子與反電子構(gòu)成的，即由一個(gè)帶負(fù)電荷的質(zhì)子與一個(gè)帶正電荷的電子構(gòu)成。故選B。]5．K－介子的衰變方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子是帶負(fù)電的基元電荷，π0介子不帶電。一個(gè)K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的軌跡半徑RK－與Rπ-之比為2∶1，如圖所示，π0介子的軌跡未畫出，由此可知π－介子的動(dòng)量大小與π0介子的動(dòng)量大小之比為(A．1∶1 B．1∶2C．1∶3 D．1∶6C[因?yàn)镽K-＝m1v1Be，Rπ-＝m2v2Be，它們的軌跡半徑RK-與Rπ-之比為2∶1，所以pK-pπ-＝21，K－介子在P點(diǎn)發(fā)生衰變，衰變后6．中子內(nèi)有一個(gè)電荷量為＋23e的上夸克和兩個(gè)電荷量為－13e的下夸克。一簡單的模型是三個(gè)夸克都在半徑為r的同一圓周上，如圖所示。在給出的四幅圖中，能正確表示出各夸克所受靜電作用力的是(ABCDB[對上夸克分析，兩個(gè)下夸克對其作用力為引力，且大小相等，合力方向豎直向下，左邊的下夸克受上夸克的引力和右邊下夸克水平向左的斥力，因?yàn)閗13e·13e3r7．(多選)由中國提供的永磁體阿爾法磁譜儀原理如圖所示，它由航天飛機(jī)攜帶升空，安裝在國際空間站中，主要使命是探索宇宙中的反物質(zhì)。所謂反物質(zhì)，即質(zhì)量與正粒子相等，電荷量與正粒子相等但電性相反，例如反質(zhì)子為-11H。假設(shè)一束由質(zhì)子、反質(zhì)子、α粒子和