高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙學(xué)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(zhì)子和中子直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒，后來發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子。隨著科學(xué)家們的研究逐步發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不同種類的新粒子，它們都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身是復(fù)合粒子，并且還有著自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以電子、質(zhì)子、中子并不是組成物質(zhì)世界的基本粒子。(2)新粒子從20世紀(jì)30年代以來，人們?cè)趯?duì)宇宙射線觀測(cè)時(shí)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)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(qiáng)子強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)輕子不參與強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)相互作用(4)反物質(zhì)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，叫做反粒子。如電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子。由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì)。反粒子與其相應(yīng)的正粒子相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生“湮滅”，同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子。(5)夸克模型：強(qiáng)子內(nèi)部有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，1964年美國(guó)人蓋爾曼提出了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的?？淇四Ｐ徒?jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學(xué)家接受，現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)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?。【例1】 已知介子、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(yīng)中電荷數(shù)、質(zhì)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(xiàng)正確，b錯(cuò)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(xiàng)正確，c選項(xiàng)錯(cuò)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(fēng)采的時(shí)期。(2)恒星的演化過程【例2】 如下一系列核反應(yīng)是恒星內(nèi)部發(fā)生的。pcnncepcn pnoone pnc其中p為質(zhì)子，為粒子，e為正電子，是一種中微子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp1.672 6481027 kg，粒子的質(zhì)量為m6.644 9291027 kg，正電子的質(zhì)量數(shù)為me9.111031 kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)。真空中的光速c3.00108 m/s，試計(jì)算該系列反應(yīng)完成后釋放的能量。解析：為求出系列反應(yīng)后釋放的能量，將題中所給的諸核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系列反應(yīng)最終等效為4p2e2設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為q，根據(jù)質(zhì)能關(guān)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(xué)向微觀粒子和宇宙兩個(gè)領(lǐng)域的研究今天得到了初步統(tǒng)一，統(tǒng)一場(chǎng)論在逐漸形成。物理學(xué)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(xué)中研究最大和最小對(duì)象的兩個(gè)分支宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)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(zhì)世界的空間跨度竟呈現(xiàn)出如此的對(duì)稱美。名師點(diǎn)撥：中微子e靜止質(zhì)量為零，m中不包括中微子的質(zhì)量。假定銀河系均勻放出能量。一次核聚變生成一個(gè)氦核。第一條途徑生成23%的氦，第二條途徑生成2%的氦?！纠?】 天文學(xué)家測(cè)得銀河系中氦的含量約為25%。有關(guān)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(yīng)生成的。(1)把氫核聚變反應(yīng)簡(jiǎn)化為4個(gè)氫核(h)聚變成氦核(he)，同時(shí)放出2個(gè)正電子(e)和2個(gè)中微子(e)，請(qǐng)寫出該氫核聚變反應(yīng)的方程，并計(jì)算一次反應(yīng)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)?，F(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反應(yīng)，試估算銀河系中由此產(chǎn)生的氦的含量(最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。(3)根據(jù)你的估算結(jié)果，對(duì)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(zhì)量約為m31041 kg，原子質(zhì)量單位1 u1.661027 kg,1 u相當(dāng)于1.51010 j的能量，電子質(zhì)量me0.000 5 u，氦核質(zhì)量m4.002 6 u，氫核質(zhì)量mp1.007 8 u，中微子e質(zhì)量為零。)規(guī)范解答：(1)核反應(yīng)方程：4hhe2e2e，質(zhì)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(zhì)量mnm9.210654.002 61.661027 kg61039 kg氦的含量100%2%。(3)由估算結(jié)果知，2%遠(yuǎn)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(zhì)量關(guān)于宇宙和我們?nèi)祟愃诘奶栂到Y(jié)構(gòu)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(xué)研究，也就是天文學(xué)，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，并且對(duì)哲學(xué)也產(chǎn)生了巨大的影響，今天，天文學(xué)已成為物理學(xué)不可分割的組成部分，研究它的目的是為了認(rèn)識(shí)宇宙以及構(gòu)成它的所有宏觀部分的形成和發(fā)展。這就需要把經(jīng)驗(yàn)研究，就是觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，與理論研究結(jié)合起來，這就使天文學(xué)必然與許多物理領(lǐng)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(qiáng)大，不管什么東西，只要被它吸進(jìn)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(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡都看不見黑洞。盡管如此，大多數(shù)科學(xué)家仍相信，宇宙中有著許許多多黑洞。當(dāng)大質(zhì)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(huì)形成一些小黑洞。小黑洞的體積只有原子核那么大，質(zhì)量和一座山差不多，達(dá)到上億噸，里面蘊(yùn)藏的能量相當(dāng)于10個(gè)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(shù)、m、r分別是萬有引力常量、地球的質(zhì)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(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量m1.981030 kg，求它可能的最大半徑；(2)在目前天文觀測(cè)范圍內(nèi)，物質(zhì)的平均密度為0.4 kg/m3，如果認(rèn)為我們的宇宙是這樣一個(gè)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(duì)應(yīng)的逃逸速度v，對(duì)于黑洞來說，其逃逸速度大于真空