第15.4節(jié)粒子物理簡(jiǎn)介（原卷版）

第十五章原子核15.4粒子物理簡(jiǎn)介??目標(biāo)導(dǎo)航知識(shí)要點(diǎn)難易度1.反粒子：與粒子的質(zhì)量相同、電荷量相反2.加速器種類和原理：回旋、直線和同步3.夸克模型：u、d、s的帶電量是：、、★★★

★★??知識(shí)精講一、中微子和正電子的發(fā)現(xiàn)1.β射線的能量卻是連續(xù)分布的，衰變產(chǎn)生的電子的能量竟然小于原子核始、末定態(tài)的能量差。2.能量守恒，在β衰變的同時(shí)產(chǎn)生中微子(符號(hào)為)。3.β衰變過程中，核子之間的相互作用不同于核力，物理學(xué)家將這種作用稱為弱相互作用。4.實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的存在，又分別發(fā)現(xiàn)了另外兩種中微子和。5.一對(duì)能量為0.51MeV的γ粒子可在真空中產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子對(duì)。反過來(lái)，如正電子和電子相遇則會(huì)發(fā)生湮沒，化成一對(duì)γ粒子。6.反粒子與粒子具有相同的質(zhì)量、相反的電荷量。粒子物理學(xué)認(rèn)為，所有粒子都有反粒子，如：反質(zhì)子、反中子，有些粒子(如光子)的反粒子就是它本身。例1.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出，1953年物理學(xué)家建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中的進(jìn)行核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。中微子與水中的發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子（）和正電子（），即中微子+→+，由此可以判定中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是（）(A)0、0(B)0、1(C)1、0(D)1、1二、加速器和對(duì)撞機(jī)1.加速器種類：回旋加速器、直線加速器和同步加速器。因?yàn)檠芯苛Ｗ游锢硗ǔＰ枰酶吣芗铀倨鳎粤Ｗ游锢韺W(xué)也稱為高能物理學(xué)。2.回旋加速器原理示意圖3.直線加速器原理示意圖電子或離子沿直線路徑通過一系列漂移管(圖中管狀導(dǎo)體)，加在漂移管上的電場(chǎng)是交變的。例如，對(duì)于電子而言，每當(dāng)電子到達(dá)兩個(gè)相鄰漂移管交界處，電子前方的漂移管總是接在電源正極，電子后方的漂移管總是接在電源的負(fù)極。這樣，電子在漂移管中做勻速運(yùn)動(dòng)，在漂移管間隙處被加速。電子加速的初期，速度逐漸增大。電子在每節(jié)管中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為交流電T/2。由于電子質(zhì)量很小，經(jīng)加速后，其速度很快接近光速。故直線加速器前段的漂移管長(zhǎng)度逐漸增大，而后段漂移管的長(zhǎng)度基本相同。直線加速器特別適合對(duì)電子的加速。應(yīng)用：對(duì)腫瘤進(jìn)行放療的γ射線，就是利用經(jīng)直線加速器加速達(dá)10MeV的電子轟擊金屬后產(chǎn)生的。4.同步加速器同步加速器原理示意圖：

同步加速器將長(zhǎng)度相同的漂移管排列在半徑一定的圓周上，被加速的帶電粒子可以通過沿圓周多次繞行獲得更大的能量而無(wú)需增加加速器的長(zhǎng)度。如圖所示，移管中超導(dǎo)磁鐵的磁場(chǎng)使帶電粒子沿圓周運(yùn)動(dòng)，而相鄰漂移管間的交變電場(chǎng)使粒子加速。經(jīng)加速的粒子通過每個(gè)漂移管的時(shí)間越來(lái)越短，同時(shí)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)所需的洛倫茲力越來(lái)越大。同步加速器采用同步增大磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速電場(chǎng)變化頻率的方法將粒子約束在圓周軌道上繼續(xù)加速。同步加速器中的帶電粒子沿圓周運(yùn)動(dòng)會(huì)向外輻射電磁波，這種輻射稱為同步輻射。歐洲核子研究中心建有半徑為4.3km的同步加速器，可將質(zhì)子加速至7TeV。5.對(duì)撞機(jī)根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量取決于粒子的相對(duì)速度。粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入對(duì)撞機(jī)在對(duì)撞機(jī)中，兩束粒子流反向沿圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)一步被加速，在軌道交叉處相互對(duì)撞。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)于1988年建成，電子和正電子束的對(duì)撞能量為2×2.8GeV。目前世界最大的對(duì)撞機(jī)是歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)其圓形軌道周長(zhǎng)達(dá)27km，位于地下100m處，兩束質(zhì)子在其中對(duì)撞的能量可達(dá)2×7TeV。例2.加速器和對(duì)撞機(jī)在高能物理實(shí)驗(yàn)中都起到很重要的作用。下列描述中正確的是()A.加速器和對(duì)撞機(jī)都是將帶電粒子加速至接近光速的設(shè)備B.加速器和對(duì)撞機(jī)都是利用磁場(chǎng)來(lái)加速帶電粒子的設(shè)備C.對(duì)撞機(jī)是利用磁場(chǎng)將帶電粒子聚焦成束，然后以極高速度發(fā)射至對(duì)撞點(diǎn)D.加速器和對(duì)撞機(jī)都是利用高頻交流電來(lái)加速帶電粒子的設(shè)備三、夸克模型1.夸克模型質(zhì)子、中子等粒子都是由更基本的3種夸克組成，分別稱為上夸克(符號(hào)為u)、下夸克(符號(hào)為d)和奇異夸克(符號(hào)為s)，每一種夸克都有對(duì)應(yīng)的反粒子反夸克符號(hào)分別是、、。u夸克、d夸克、s夸克所帶的電荷量分別是、、。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克組成。1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成介子，3個(gè)夸克或3個(gè)反夸克則組成重子，介子和重子統(tǒng)稱為強(qiáng)子。2.注意：夸克模型說(shuō)明電子所帶電量不是最小電荷單位。電子不是由夸克組成的，到目前為止，電子不能再分。組成所有粒子的夸克是不一樣的。例3.若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（反夸克或反夸克）組成的，它們所帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。粒子π+πud帶電荷量+ee++(1)按最簡(jiǎn)單的組成，π+介子由哪兩種粒子組成？(2)按最簡(jiǎn)單的組成，π介子由哪兩種粒子組成？??鞏固練習(xí)1.如圖是用來(lái)說(shuō)明原子及原子核結(jié)構(gòu)情況的示意圖。由此圖提供的信息可知：原子是由原子核和核外帶________（“正”或“負(fù)”）電的電子組成的；原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子_______（“有”或“沒有”）更精細(xì)的結(jié)構(gòu)；若該原子_________（“失去”或“得到”）電子后將帶正電。2.PET（正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像）的基本原理是：將放射性同位素注入人體，參與人體的代謝過程，在人體內(nèi)衰變放出正電子，與人體內(nèi)負(fù)電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子，被探測(cè)器探測(cè)到，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清晰的圖像。根據(jù)PET原理，下列說(shuō)法不正確的是（）A．衰變的方程式為→B．將放射性同位素注入人體，其作用為示蹤原子C．一對(duì)正負(fù)電子湮滅后也可能只生成一個(gè)光子D．PET所選的放射性同位素的半衰期應(yīng)小于人體的代謝周期3.現(xiàn)代物理科學(xué)研究的重要手段是高能物理實(shí)驗(yàn)，加速器和粒子對(duì)撞機(jī)是這些實(shí)驗(yàn)中的重要設(shè)備。下列關(guān)于加速器和粒子對(duì)撞機(jī)的說(shuō)法中正確的是()

A.盧瑟福用粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)現(xiàn)了他的原子核式結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)

B.加速器是一種把正電荷從低電勢(shì)位置推向高電勢(shì)位置的電子裝置

C.現(xiàn)代科學(xué)研究中制造大量帶電粒子的一種設(shè)備叫直線加速器

D.在對(duì)撞機(jī)中能使粒子增加的能量來(lái)自外加的直流電源4.在高能物理實(shí)驗(yàn)中，常用一種粒子注入器(加速器)產(chǎn)生高能粒子，這些高能粒子與靜止在太空中的電子發(fā)生碰撞，使電子獲得能量，關(guān)于這個(gè)過程中能量轉(zhuǎn)化的說(shuō)法中正確的是()

A.動(dòng)能增大B.電勢(shì)能增大C.電子的電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能D.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電勢(shì)能5.醫(yī)學(xué)上對(duì)某些癌癥可采用質(zhì)子療法治療，該療法(設(shè)備如圖)用一定能量的質(zhì)子束照射腫瘤以殺死癌細(xì)胞?，F(xiàn)用一直線加速器來(lái)加速質(zhì)子，使其在加速電場(chǎng)(可視為勻強(qiáng)電場(chǎng))中從靜止開始被加速到1.0×107m/s。已知質(zhì)子的質(zhì)量為1.67×1027kg、電荷量為1.6×1019C，加速器加速的直線長(zhǎng)度為4m。下列說(shuō)法正確的是()A.加速過程中質(zhì)子的電勢(shì)能增加B加速過程中質(zhì)子的加速度約為2.5×1013m