第4章 4.4粒子物理與宇宙的起源

1、.4.4粒子物理與宇宙的起源學 習 目 標知 識 脈 絡1.知道人類對“根本粒子的認識過程，初步理解粒子物理學的開展重點2.理解夸克模型及夸克的種類，知道各種夸克的帶電情況重點3.理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重點粒 子 世 界1對粒子的認識過程1“根本粒子：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)的最根本的粒子2新粒子的發(fā)現(xiàn)1912年，赫斯證實有射線從宇宙空間射來，之后，許多物理學家對宇宙射線研究發(fā)現(xiàn)了一些新粒子人們用高能加速器實驗，發(fā)現(xiàn)了更多的新粒子，如1937年發(fā)現(xiàn)子，1947年發(fā)現(xiàn)了k介子和介子，此后又發(fā)現(xiàn)了子，如今已發(fā)現(xiàn)的粒子總數(shù)達400多種

2、2夸克模型1夸克：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的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，即存在分數(shù)電荷，但人們還無法獲得自由的夸克3粒子的類型1強子：參與強互相作用，包括質(zhì)子、中子、介子和超子2輕子：不參與強互相作用，包括電子、子、子以及與之相聯(lián)絡的三種中微子3傳遞互相作用的粒子：包括傳遞電磁作用的光子、傳遞弱互相作用的中間玻色子W±、Z0，以及傳遞強互相作用的膠子4加速器和粒子物理：粒子物理學研究的工具是高能加速器和粒子探測器高能加速器是指

3、能使粒子能量到達3×109 eV以上的加速器1質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的根本粒子×2質(zhì)子和反質(zhì)子的電量一樣，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1為什么說根本粒子不根本？【提示】一方面是因為這些原來被認為不可再分的粒子還有自己的復雜構造，另一方面是因為新發(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認為的那些根本粒子組成的2什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子嗎？【提示】實驗發(fā)現(xiàn)，許多粒子都有和它質(zhì)量一樣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，就應該有一個反粒子1新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年20世紀60年代

4、后新粒子反粒子子K介子與介子超子根本特點質(zhì)量與相對應的粒子一樣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互相作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強子參與強互相作用質(zhì)子、中子、介子、超子強子有內(nèi)部構造，由“夸克構成；強子又可分為介子和重子輕子不參與強互相作用電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構造介媒子傳遞各種互相作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強互相作用3.兩點提醒1質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子，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

5、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盤旋加速器，2直線加速器，3對撞機1關于粒子，以下說法正確的選項是 A電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最根本的粒子B所有的強子都是帶電的C夸克模型是探究三大類粒子構造的理論D夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位【解析】由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最根本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A、B錯誤；夸克模型是研究強子構造的理論，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【答案】D2在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)非常

6、特別，因此在實驗中很難探測.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驗系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反響，間接地證實了中微子的存在1中微子與水中的H發(fā)生核反響，產(chǎn)生中子n和正電子e，即中微子Hne.可以斷定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是_填寫選項前的字母A0和0B0和1C1和0 D1和12上述核反響產(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，即ee2.正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×1031 kg，反響中產(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，具有一樣動能的中子和電子的物質(zhì)波波長的大

7、小【解析】1發(fā)生核反響前后，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敲碋mc2，故一個光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得8.2×1014 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，故假如只產(chǎn)生一個光子是不可能的，因為此過程遵循動量守恒定律3物質(zhì)波的波長為，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，因為mn>me，所以pn>pe，故n<e.【答案】見解析處理新粒子問題的方法核反響過程中新生成的粒子和實物粒子一樣，也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生互

8、相作用時，同樣遵循動量守恒定律等力學規(guī)律，所以應純熟地掌握物理知識和物理規(guī)律，并靈敏應用 宇 宙 和 恒 星 的 演 化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)生大爆炸而開場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演化原恒星收縮，溫度升高達7×106 K時，開場氫聚變成氦的熱核反響，產(chǎn)生的斥力與引力到達平衡，恒星進入相對穩(wěn)定階段，迄今90%的恒星處在該階段，時間持續(xù)約100億年左右隨著氫的減少，核反響的能量缺乏，星體又開場收縮、

9、溫度隨之上升，溫度到達1×108K時，發(fā)生“氦燃燒形成碳，恒星演化為紅巨星恒星核能耗盡就進入末期，其形態(tài)有白矮星、中子星和黑洞1目前，太陽內(nèi)的熱核反響主要是氫核聚變?yōu)楹ず说姆错?宇觀世界和微觀世界是彼此孤立的，沒有任何互相聯(lián)絡×3宇宙將一直會膨脹下去×物理學家把自然界的力歸結為哪幾種互相作用？【提示】物理學家已經(jīng)把自然界多得數(shù)不勝數(shù)的力，歸結為強互相作用、電磁互相作用、弱互相作用、引力互相作用這四種作用物理學家的進一步追求，就是把這四種各有特色的互相作用再綜合在一個統(tǒng)一的理論體系中1恒星的誕生大爆炸10萬年后，溫度下降到3 000 K左右，開場了恒星的形成過程：宇

10、宙塵埃更密集的塵埃氣體狀態(tài)的星云團恒星2恒星的穩(wěn)定期當溫度超過107 K時，氫通過熱核反響成為氦，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恒星的衰老當恒星核心部分的氫大部分聚變?yōu)楹ひ院?，核反響變?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響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)歷屢次膨脹與收縮，光度也發(fā)生周期性的變化當各種熱核反響

11、都不再發(fā)生時，由熱核反響維持的輻射壓力也消失了星體在引力作用下進一步收縮，中心密度到達極大4恒星的歸宿恒星最終歸宿與恒星的質(zhì)量大小有關：當恒星的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量時，演變?yōu)榘装牵划敽阈堑馁|(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4倍2倍時，演變?yōu)橹凶有牵划敽阈堑馁|(zhì)量更大時，演變?yōu)楹诙?根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是 A電子B質(zhì)子C輕子 D中子【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

12、合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此C正確，A、B、D錯誤【答案】C4關于宇宙和恒星的演化，以下說法正確的選項是 A宇宙已經(jīng)停頓演化B恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定C恒星最終都會演化為黑洞D恒星最終演化為中子星【解析】目前宇宙的演化仍在進展，A錯恒星在主序星階段時停留時間最長、最穩(wěn)定，B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，C、D錯【答案】B5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 .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體叫黑洞，設黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量M1.98×1030 kg，求它可能的最大半徑. 【導學號：06092040】【解析】由題目所提供的信息可知，任何天體均存在其所對應的逃逸速度v2，對于黑洞來說，其逃逸速度