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(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識(shí) 脈 絡(luò)1.知道人類對(duì)“根本粒子的認(rèn)識(shí)過程，初步理解粒子物理學(xué)的開展重點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)重點(diǎn)粒 子 世 界1對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)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(shí)有射線從宇宙空間射來，之后，許多物理學(xué)家對(duì)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(shí)驗(yàn)，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(dá)400多種

2、2夸克模型1夸克：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)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?jǐn)?shù)電荷，但人們還無法獲得自由的夸克3粒子的類型1強(qiáng)子：參與強(qiáng)互相作用，包括質(zhì)子、中子、介子和超子2輕子：不參與強(qiáng)互相作用，包括電子、子、子以及與之相聯(lián)絡(luò)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(qiáng)互相作用的膠子4加速器和粒子物理：粒子物理學(xué)研究的工具是高能加速器和粒子探測(cè)器高能加速器是指

3、能使粒子能量到達(dá)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?yàn)檫@些原來被認(rèn)為不可再分的粒子還有自己的復(fù)雜構(gòu)造，另一方面是因?yàn)樾掳l(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(duì)稱性，有一個(gè)粒子，就應(yīng)該有一個(gè)反粒子1新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間1932年1937年1947年20世紀(jì)60年代

4、后新粒子反粒子子K介子與介子超子根本特點(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)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(qiáng)子參與強(qiáng)互相作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部構(gòu)造，由“夸克構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)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(gòu)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(qiáng)互相作用3.兩點(diǎn)提醒1質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)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(duì)稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反

5、粒子，它們相遇時(shí)會(huì)發(fā)生“湮滅，即同時(shí)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(duì)撞機(jī)1關(guān)于粒子，以下說法正確的選項(xiàng)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(qiáng)子都是帶電的C夸克模型是探究三大類粒子構(gòu)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(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A、B錯(cuò)誤；夸克模型是研究強(qiáng)子構(gòu)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(cuò)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(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(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H的核反響，間接地證實(shí)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(xiàng)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€(gè)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(gè)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€(gè)光子，原因是_3試通過分析比較，具有一樣動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)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(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，那么Emc2，故一個(gè)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(dòng)量為零，故假如只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律3物質(zhì)波的波長(zhǎng)為，要比較波長(zhǎng)需要將中子和電子的動(dòng)量用動(dòng)能表示出來即p，因?yàn)閙n>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(shí)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(shí)，同樣遵循動(dòng)量守恒定律等力學(xué)規(guī)律，所以應(yīng)純熟地掌握物理知識(shí)和物理規(guī)律，并靈敏應(yīng)用 宇 宙 和 恒 星 的 演 化1宇宙的演化宇宙是由一個(gè)超高溫、超高密度的“原始火球發(fā)生大爆炸而開場(chǎng)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(dá)7×106 K時(shí)，開場(chǎng)氫聚變成氦的熱核反響，產(chǎn)生的斥力與引力到達(dá)平衡，恒星進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，迄今90%的恒星處在該階段，時(shí)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(chǎng)收縮、

9、溫度隨之上升，溫度到達(dá)1×108K時(shí)，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(jìn)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(luò)×3宇宙將一直會(huì)膨脹下去×物理學(xué)家把自然界的力歸結(jié)為哪幾種互相作用？【提示】物理學(xué)家已經(jīng)把自然界多得數(shù)不勝數(shù)的力，歸結(jié)為強(qiáng)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(xué)家的進(jìn)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(gè)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(chǎng)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(tuán)恒星2恒星的穩(wěn)定期當(dāng)溫度超過107 K時(shí)，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(shí)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(huì)轉(zhuǎn)到另一個(gè)演化階段3恒星的衰老當(dāng)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(shí)引力勢(shì)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(gè)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(dāng)各種熱核反響

11、都不再發(fā)生時(shí)，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(jìn)一步收縮，中心密度到達(dá)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(guān)：當(dāng)恒星的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量時(shí)，演變?yōu)榘装?；?dāng)恒星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.4倍2倍時(shí)，演變?yōu)橹凶有?；?dāng)恒星的質(zhì)量更大時(shí)，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(fēng)采的時(shí)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(qiáng)子時(shí)代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時(shí)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(shí)代，之后電子和質(zhì)子復(fù)

12、合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此C正確，A、B、D錯(cuò)誤【答案】C4關(guān)于宇宙和恒星的演化，以下說法正確的選項(xiàng)是 A宇宙已經(jīng)停頓演化B恒星在主序星階段時(shí)停留時(shí)間最長(zhǎng)、最穩(wěn)定C恒星最終都會(huì)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(jìn)展，A錯(cuò)恒星在主序星階段時(shí)停留時(shí)間最長(zhǎng)、最穩(wěn)定，B對(duì)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(cuò)【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(shè)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(dǎo)學(xué)號(hào)：06092040】【解析】由題目所提供的信息可知，任何天體均存在其所對(duì)應(yīng)的逃逸速度v2，對(duì)于黑洞來說，其逃逸速度