第4章 4.4粒子物理与宇宙的起源

1、.4.4粒子物理与宇宙的起源学 习 目 标知 识 脉 络1.知道人类对“根本粒子的认识过程，初步理解粒子物理学的开展重点2.理解夸克模型及夸克的种类，知道各种夸克的带电情况重点3.理解宇宙的演化过程和黑洞，知道现代宇宙大爆炸理论的观点重点粒 子 世 界1对粒子的认识过程1“根本粒子：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根本的粒子2新粒子的发现1912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人们用高能加速器实验，发现了更多的新粒子，如1937年发现子，1947年发现了k介子和介子，此后又发现了子，如今已发现的粒子总数达400多种

2、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e或e.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：参与强互相作用，包括质子、中子、介子和超子2轻子：不参与强互相作用，包括电子、子、子以及与之相联络的三种中微子3传递互相作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、传递弱互相作用的中间玻色子W±、Z0，以及传递强互相作用的胶子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

3、能使粒子能量到达3×109 eV以上的加速器1质子、中子、电子都是不可再分的根本粒子×2质子和反质子的电量一样，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1为什么说根本粒子不根本？【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构造，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根本粒子组成的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一样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1新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代

4、后新粒子反粒子子K介子与介子超子根本特点质量与相对应的粒子一样而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参与的互相作用发现的粒子备注强子参与强互相作用质子、中子、介子、超子强子有内部构造，由“夸克构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强互相作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发现内部构造介媒子传递各种互相作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强互相作用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，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

5、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盘旋加速器，2直线加速器，3对撞机1关于粒子，以下说法正确的选项是 A电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最根本的粒子B所有的强子都是带电的C夸克模型是探究三大类粒子构造的理论D夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最根本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子构造的理论，不同夸克带电不同，分别为e和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确【答案】D2在衰变中常伴有一种称为“中微子的粒子放出中微子的性质非常

6、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H的核反响，间接地证实了中微子的存在1中微子与水中的H发生核反响，产生中子n和正电子e，即中微子Hne.可以断定，中微子的质量数和电荷数分别是_填写选项前的字母A0和0B0和1C1和0 D1和12上述核反响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，即ee2.正电子和电子的质量都为9.1×1031 kg，反响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，具有一样动能的中子和电子的物质波波长的大

7、小【解析】1发生核反响前后，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，那么Emc2，故一个光子的能量为，代入数据得8.2×1014 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，故假如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，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，因为mn>me，所以pn>pe，故n<e.【答案】见解析处理新粒子问题的方法核反响过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生互

8、相作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应纯熟地掌握物理知识和物理规律，并灵敏应用 宇 宙 和 恒 星 的 演 化1宇宙的演化宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球发生大爆炸而开场形成的大爆炸之后随温度的降低，宇宙物质从密到疏，逐渐形成气态物质、气云、恒星体系，成为今天的宇宙天体2恒星的演化1形成：大量星际物质逐渐凝聚成星云，大块星云在引力作用下逐渐凝成原恒星2演化原恒星收缩，温度升高达7×106 K时，开场氢聚变成氦的热核反响，产生的斥力与引力到达平衡，恒星进入相对稳定阶段，迄今90%的恒星处在该阶段，时间持续约100亿年左右随着氢的减少，核反响的能量缺乏，星体又开场收缩、

9、温度随之上升，温度到达1×108K时，发生“氦燃烧形成碳，恒星演化为红巨星恒星核能耗尽就进入末期，其形态有白矮星、中子星和黑洞1目前，太阳内的热核反响主要是氢核聚变为氦核的反响2宇观世界和微观世界是彼此孤立的，没有任何互相联络×3宇宙将一直会膨胀下去×物理学家把自然界的力归结为哪几种互相作用？【提示】物理学家已经把自然界多得数不胜数的力，归结为强互相作用、电磁互相作用、弱互相作用、引力互相作用这四种作用物理学家的进一步追求，就是把这四种各有特色的互相作用再综合在一个统一的理论体系中1恒星的诞生大爆炸10万年后，温度下降到3 000 K左右，开场了恒星的形成过程：宇

10、宙尘埃更密集的尘埃气体状态的星云团恒星2恒星的稳定期当温度超过107 K时，氢通过热核反响成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳定下来恒星在这一阶段已停留了50亿年太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段3恒星的衰老当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反响变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反响类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素恒星在这个阶段要经历屡次膨胀与收缩，光度也发生周期性的变化当各种热核反响

11、都不再发生时，由热核反响维持的辐射压力也消失了星体在引力作用下进一步收缩，中心密度到达极大4恒星的归宿恒星最终归宿与恒星的质量大小有关：当恒星的质量小于1.4倍太阳质量时，演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的1.4倍2倍时，演变为中子星；当恒星的质量更大时，演变为黑洞3根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 A电子B质子C轻子 D中子【解析】宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复

12、合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此C正确，A、B、D错误【答案】C4关于宇宙和恒星的演化，以下说法正确的选项是 A宇宙已经停顿演化B恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C恒星最终都会演化为黑洞D恒星最终演化为中子星【解析】目前宇宙的演化仍在进展，A错恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，C、D错【答案】B5从地球上的逃逸速度v，其中G、M、R分别为万有引力常量、地球的质量和半径 .G6.67×1011 N·m2/kg2，光速c2.99×108 m/s，逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量M1.98×1030 kg，求它可能的最大半径. 【导学号：06092040】【解析】由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度v2，对于黑洞来说，其逃逸速度