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4.4　粒子物理與宇宙的起源 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識 脈 絡(luò) 1.知道人類對“基本粒子”的認(rèn)識過程，初步了解粒子物理學(xué)的發(fā)展.(重點(diǎn)) 2.了解夸克模型及夸克的種類，知道各種夸克的帶電情況.(重點(diǎn)) 3.初步了解宇宙的演化過程和黑洞，知道現(xiàn)代宇宙大爆炸理論的觀點(diǎn).(重點(diǎn)) 粒 子 世 界 [先填空] 1.對粒子的認(rèn)識過程 (1)“基本粒子”：知道原子核的組成之后，人們以為電子、質(zhì)子、中子等是組成物質(zhì)的最基本的粒子. (2)新粒子的發(fā)現(xiàn) ①1912年，赫斯證實(shí)有射線從宇宙空間射來，之后，許多物理學(xué)家對宇宙射線研究發(fā)現(xiàn)了一些新粒子. ②人們用高能加速器實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了更多的新粒子，如1937年發(fā)現(xiàn)μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了k介子和π介子，此后又發(fā)現(xiàn)了子，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的粒子總數(shù)達(dá)400多種. 2.夸克模型 (1)夸克：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)分類：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；上夸克、下夸克帶的電荷量分別為元電荷的＋e或－e. (3)意義：電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷，但人們還無法獲得自由的夸克. 3.粒子的類型 (1)強(qiáng)子：參與強(qiáng)相互作用，包括質(zhì)子、中子、介子和超子. (2)輕子：不參與強(qiáng)相互作用，包括電子、μ子、τ子以及與之相聯(lián)系的三種中微子. (3)傳遞相互作用的粒子：包括傳遞電磁作用的光子、傳遞弱相互作用的中間玻色子W、Z0，以及傳遞強(qiáng)相互作用的膠子. 4.加速器和粒子物理：粒子物理學(xué)研究的工具是高能加速器和粒子探測器.高能加速器是指能使粒子能量達(dá)到3109_eV以上的加速器. [再判斷] 1.質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的基本粒子.() 2.質(zhì)子和反質(zhì)子的電量相同，電性相反.(√) 3.按照夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元.(√) [后思考] 1.為什么說基本粒子不基本？ 【提示】　一方面是因?yàn)檫@些原來被認(rèn)為不可再分的粒子還有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，另一方面是因?yàn)樾掳l(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認(rèn)為的那些基本粒子組成的. 2.什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子嗎？ 【提示】　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子.按照粒子的對稱性，有一個粒子，就應(yīng)該有一個反粒子. [核心點(diǎn)擊] 1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn) 發(fā)現(xiàn)時間 1932年 1937年 1947年 20世紀(jì)60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子與π介子 超子 基本特點(diǎn) 質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反 比質(zhì)子的質(zhì)量小　 質(zhì)量介于電子與核子之間 其質(zhì)量比質(zhì)子大　 2.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、介子、超子 強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子 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) 媒介子 傳遞各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用 3.兩點(diǎn)提醒 (1)質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子，τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量大，但力的性質(zhì)決定了它屬于輕子. (2)粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子，它們相遇時會發(fā)生“湮滅”，即同時消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子. 4.加速器的種類有：(1)回旋加速器，(2)直線加速器，(3)對撞機(jī). 1.關(guān)于粒子，下列說法正確的是(　　) A.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 B.強(qiáng)子中也有不帶電的粒子 C.夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論 D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 E.超子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量還大 【解析】　由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A錯誤，B正確；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確；超子屬于強(qiáng)子，其質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量還大些，E正確. 【答案】　BDE 2.在β衰變中常伴有一種稱為“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H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在. (1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(e)，即中微子＋H―→n＋e. 可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________.(填寫選項(xiàng)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€光子(γ)，即e＋e―→2γ.已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.110－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個光子的能量約為________J.正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€光子，原因是________. (3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質(zhì)波波長的大小. 【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，A正確. (2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損.兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.210－14 J.正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故如果只產(chǎn)生一個光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動量守恒定律. (3)物質(zhì)波的波長為λ＝，要比較波長需要將中子和電子的動量用動能表示出來即p＝，因?yàn)閙n>me，所以pn>pe，故λn<λe. 【答案】　見解析 處理新粒子問題的方法 核反應(yīng)過程中新生成的粒子和實(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，同樣遵循動量守恒定律等力學(xué)規(guī)律，所以應(yīng)熟練地掌握物理知識和物理規(guī)律，并靈活應(yīng)用. 宇 宙 和 恒 星 的 演 化 [先填空] 1.宇宙的演化 宇宙是由一個超高溫、超高密度的“原始火球”發(fā)生大爆炸而開始形成的.大爆炸之后隨溫度的降低，宇宙物質(zhì)從密到疏，逐漸形成氣態(tài)物質(zhì)、氣云、恒星體系，成為今天的宇宙天體. 2.恒星的演化 (1)形成：大量星際物質(zhì)逐漸凝聚成星云，大塊星云在引力作用下逐漸凝成原恒星. (2)演化 ①原恒星收縮，溫度升高達(dá)7106_K時，開始?xì)渚圩兂珊さ臒岷朔磻?yīng)，產(chǎn)生的斥力與引力達(dá)到平衡，恒星進(jìn)入相對穩(wěn)定階段，迄今90%的恒星處在該階段，時間持續(xù)約100億年左右. ②隨著氫的減少，核反應(yīng)的能量不足，星體又開始收縮、溫度隨之上升，溫度達(dá)到1108K時，發(fā)生“氦燃燒”形成碳，恒星演化為紅巨星. ③恒星核能耗盡就進(jìn)入末期，其形態(tài)有白矮星、中子星和黑洞. [再判斷] 1.目前，太陽內(nèi)的熱核反應(yīng)主要是氫核聚變?yōu)楹ず说姆磻?yīng).(√) 2.宇觀世界和微觀世界是彼此孤立的，沒有任何相互聯(lián)系.() 3.宇宙將一直會膨脹下去.() [后思考] 物理學(xué)家把自然界的力歸結(jié)為哪幾種相互作用？ 【提示】　物理學(xué)家已經(jīng)把自然界多得數(shù)不勝數(shù)的力，歸結(jié)為強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用這四種作用.物理學(xué)家的進(jìn)一步追求，就是把這四種各有特色的相互作用再綜合在一個統(tǒng)一的理論體系中. [核心點(diǎn)擊] 1.恒星的誕生 2.恒星的穩(wěn)定期 當(dāng)溫度超過107 K時，氫通過熱核反應(yīng)成為氦，釋放的核能主要以電磁波的形式向外輻射.輻射產(chǎn)生的向外的壓力與引力產(chǎn)生的收縮壓力平衡，這時星核穩(wěn)定下來.恒星在這一階段已停留了50億年.太陽目前正處于這一階段的中期，要再過50億年才會轉(zhuǎn)到另一個演化階段. 3.恒星的衰老 當(dāng)恒星核心部分的氫大部分聚變?yōu)楹ひ院螅朔磻?yīng)變?nèi)?，輻射壓力下降，星核在引力作用下再次收縮.這時引力勢能產(chǎn)生的熱將使溫度升得更高，于是發(fā)生了氦核聚合成碳核的聚變反應(yīng).類似的過程一波接一波地繼續(xù)下去，出現(xiàn)了氧、硅，直到鐵等更重的元素.恒星在這個階段要經(jīng)歷多次膨脹與收縮，光度也發(fā)生周期性的變化. 當(dāng)各種熱核反應(yīng)都不再發(fā)生時，由熱核反應(yīng)維持的輻射壓力也消失了.星體在引力作用下進(jìn)一步收縮，中心密度達(dá)到極大. 4.恒星的歸宿 恒星最終歸宿與恒星的質(zhì)量大小有關(guān)：當(dāng)恒星的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量時，演變?yōu)榘装?；?dāng)恒星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4倍～2倍時，演變?yōu)橹凶有?；?dāng)恒星的質(zhì)量更大時，演變?yōu)楹诙? 3.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)采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是(　　) A.夸克　　　　　 B.質(zhì)子 C.輕子 D.中子 E.膠子 【解析】　宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核，并形成氦核的核合成時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A、C、E正確，B、D錯誤. 【答案】　ACE 4.關(guān)于宇宙和恒星的演化，下列說法正確的是(　　) A.宇宙已經(jīng)停止演化 B.恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定 C.當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，恒星內(nèi)發(fā)生氦聚變，亮度增強(qiáng) D.恒星最終都會演化為黑洞 E.恒星最終可能演化為中子星 【解析】　目前宇宙的演化仍在進(jìn)行，A錯.恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定，B對.恒星內(nèi)由氫聚變轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぞ圩儠r，亮度增加，C對.根據(jù)最終質(zhì)量的不同恒星最終演化為白矮星或中子星或黑洞，D錯，E對. 【答案】　BCE 5.已知從地球上的逃逸速度v＝，其中G、M、R分別為萬有引力常量、地球的質(zhì)量和半徑 .已知G＝6.6710－11 Nm2/kg2，光速c＝2.99108 m/s，逃逸速度大于真空中的光速的天體叫黑洞，設(shè)黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量M＝1.981030 kg，求它可能的最大半徑. 【導(dǎo)學(xué)號：67080040】 【解析】　由題目所提供的信息可知，任何天體均存在其所對應(yīng)的逃逸速度v2，對于黑洞來說，其逃逸速度大于真空中的光速，即v2>c，所以R<＝2.95 km，即太陽成為黑洞時的最大半徑為2.95 km. 【答案】　2.95 km 根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期.在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強(qiáng)子時代、輕子時代、核合成時代.繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系.恒星最后的歸宿有三種，它們是白矮星、中子星、黑洞.