高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙學案 新人教版選修3-5.doc

8粒子和宇宙1粒子和粒子的分類(1)電子、質子和中子直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒，后來發(fā)現(xiàn)了電子、質子和中子。隨著科學家們的研究逐步發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的新粒子，它們都不是由質子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質子、中子等本身是復合粒子，并且還有著自己的復雜結構，所以電子、質子、中子并不是組成物質世界的基本粒子。(2)新粒子從20世紀30年代以來，人們在對宇宙射線觀測時，發(fā)現(xiàn)了一些新粒子，宇宙射線中粒子的能量很高，但數(shù)量很少，人們用高能加速器進行實驗，發(fā)現(xiàn)了更多的粒子。如1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了子，1947年發(fā)現(xiàn)了k介子和介子，此后不久又發(fā)現(xiàn)了超子。(3)粒子的分類按照粒子與各種相互作用的關系，可以將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子，如下表所示。分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強子強相互作用質子、中子、介子、超子質子是最早發(fā)現(xiàn)的強子強子有內(nèi)部結構輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子無內(nèi)部結構媒介子各種相互作用光子、玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用玻色子傳遞弱相互作用膠子傳遞強相互作用(4)反物質許多粒子都有和它質量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫做反粒子。如電子和正電子，質子和反質子。由反粒子構成的物質叫反物質。反粒子與其相應的正粒子相遇時，會發(fā)生“湮滅”，同時消失而轉化成其他的粒子。(5)夸克模型：強子內(nèi)部有復雜結構，1964年美國人蓋爾曼提出了強子結構的夸克模型，認為強子是由夸克構成的?？淇四Ｐ徒?jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學家接受，現(xiàn)代科學認為夸克有：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克?？淇藥щ姾闪繛樵姾傻幕虮??！纠?】 已知介子、介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克或反夸克)組成的；它們的帶電荷量如下表所示：ud帶電荷量eeeeee表中e為元電荷。下列說法正確的是()a由u和組成b由d和組成c由u和組成 d由d和組成解析：根據(jù)核反應中電荷數(shù)、質量數(shù)守恒可求得，電荷量為e，u電荷量為e，電荷量為e，則u和的總電荷量為(e)(e)e，故a選項正確，b錯誤。電荷量為e，d電荷量為e，電荷量為e，則d和的總電荷量為(e)(e)e，故d選項正確，c選項錯誤。答案：ad2宇宙和恒星的演化(1)宇宙的演化過程宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期。(2)恒星的演化過程【例2】 如下一系列核反應是恒星內(nèi)部發(fā)生的。pcnncepcn pnoone pnc其中p為質子，為粒子，e為正電子，是一種中微子。已知質子的質量為mp1.672 6481027 kg，粒子的質量為m6.644 9291027 kg，正電子的質量數(shù)為me9.111031 kg，中微子的質量可忽略不計。真空中的光速c3.00108 m/s，試計算該系列反應完成后釋放的能量。解析：為求出系列反應后釋放的能量，將題中所給的諸核反應方程左右兩側分別相加，消去兩側相同的項，系列反應最終等效為4p2e2設反應后釋放的能量為q，根據(jù)質能關系和能量守恒得4mpc2mc22mec2q代入數(shù)值可得q3.951012 j。答案：3.951012 j3微觀粒子與宏觀宇宙的統(tǒng)一本節(jié)內(nèi)容告訴我們，研究微觀世界“小粒子”的粒子理論、量子理論，與研究“大宇宙”的理論是相互溝通、相互支撐的。宇宙的空間跨度物理學向微觀粒子和宇宙兩個領域的研究今天得到了初步統(tǒng)一，統(tǒng)一場論在逐漸形成。物理學完整、和諧美在這里又得到了充分體現(xiàn)。正如緒言中所說：“物理學中研究最大和最小對象的兩個分支宇宙學和粒子物理學就奇妙地銜接在一起，猶如一條怪蟒咬住自己的尾巴?！睆纳厦娴膱D可以看到，人類所在物質世界的空間跨度竟呈現(xiàn)出如此的對稱美。名師點撥：中微子e靜止質量為零，m中不包括中微子的質量。假定銀河系均勻放出能量。一次核聚變生成一個氦核。第一條途徑生成23%的氦，第二條途徑生成2%的氦。【例3】 天文學家測得銀河系中氦的含量約為25%。有關研究表明，宇宙中氦生成的途徑有兩條：一是在宇宙誕生后3分鐘左右生成的；二是在宇宙演化到恒星誕生后，由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應生成的。(1)把氫核聚變反應簡化為4個氫核(h)聚變成氦核(he)，同時放出2個正電子(e)和2個中微子(e)，請寫出該氫核聚變反應的方程，并計算一次反應釋放的能量。(2)研究表明，銀河系的年齡約為t3.81017 s，每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量約為11037 j(即p11037 j/s)。現(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反應，試估算銀河系中由此產(chǎn)生的氦的含量(最后結果保留一位有效數(shù)字)。(3)根據(jù)你的估算結果，對銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。(可能用到的數(shù)據(jù)：銀河系質量約為m31041 kg，原子質量單位1 u1.661027 kg,1 u相當于1.51010 j的能量，電子質量me0.000 5 u，氦核質量m4.002 6 u，氫核質量mp1.007 8 u，中微子e質量為零。)規(guī)范解答：(1)核反應方程：4hhe2e2e，質量虧損：m4mpm2me0.027 6 u釋放的能量emc20.027 61.51010 j4.141012 j。(2)銀河系產(chǎn)生的總能量ept3.81054 j發(fā)生氫核聚變的次數(shù)n次9.21065次，氦的質量mnm9.210654.002 61.661027 kg61039 kg氦的含量100%2%。(3)由估算結果知，2%遠小于25%，故氦主要是宇宙誕生后3分鐘左右生成的。4黑洞的巨大能量和質量關于宇宙和我們?nèi)祟愃诘奶栂到Y構問題，是人類文化歷史中最古老的課題之一。這些問題的科學研究，也就是天文學，推動了物理學的發(fā)展，并且對哲學也產(chǎn)生了巨大的影響，今天，天文學已成為物理學不可分割的組成部分，研究它的目的是為了認識宇宙以及構成它的所有宏觀部分的形成和發(fā)展。這就需要把經(jīng)驗研究，就是觀測和實驗，與理論研究結合起來，這就使天文學必然與許多物理領域產(chǎn)生必不可少的聯(lián)系，特別是粒子物理。黑洞是一種非常神秘的天體。它的體積很小，但密度卻大得驚人，每立方厘米就有幾百億噸甚至更高。由于它的密度大，所以引力也特別強大，不管什么東西，只要被它吸進去，就別想“爬”出來，連跑得最快的光也逃脫不掉黑洞巨大的引力。由于黑洞本身不發(fā)光，所以用任何強大的望遠鏡都看不見黑洞。盡管如此，大多數(shù)科學家仍相信，宇宙中有著許許多多黑洞。當大質量的恒星演化到晚年，經(jīng)過超新星爆發(fā)，就有可能坍縮成黑洞。在宇宙早期，也會形成一些小黑洞。小黑洞的體積只有原子核那么大，質量和一座山差不多，達到上億噸，里面蘊藏的能量相當于10個大型的發(fā)電站?！纠?】 已知物體從地球上的逃逸速度v，其中g、m、r分別是萬有引力常量、地球的質量和半徑。已知g6.671011 nm2/kg2、光速c2.99108 m/s，求下列問題：(1)逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞，設某黑洞的質量等于太陽的質量m1.981030 kg，求它可能的最大半徑；(2)在目前天文觀測范圍內(nèi)，物質的平均密度為0.4 kg/m3，如果認為我們的宇宙是這樣一個均勻大球體，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物體都不能脫離宇宙。問宇宙的半徑至少為多大？解析：(1)由題目所提供的信息可知，任何天體都存在其所對應的逃逸速度v，對于黑洞來說，其逃逸速度大于真空