第15.4节 粒子物理简介-【帮课堂】2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）

第十五章 原子核 15.4 粒子物理简介 课程标准 1. 了解反粒子的基本概念。 2. 了解加速器的基本原理和种类。 3. 了解夸克模型的基本概念。 物理素养 物理观念：初步建立反粒子和夸克的基本物理观念。 科学思维：利用质量数守恒和电荷数守恒分析基本粒子的反应过程。 科学探究：查阅文献，了解基本粒子的最新研究成果。 科学态度与责任：探索未知世界，需要严谨的科学态度和责任感。 一、中微子和正电子的发现 1． β射线的能量却是连续分布的，衰变产生的电子的能量竟然小于原子核始、末定态的能量差。 2． 能量守恒，在β衰变的同时产生中微子 (符号为)。 3． β衰变过程中，核子之间的相互作用不同于核力，物理学家将这种作用称为弱相互作用。 4． 实验所证实的存在，又分别发现了另外两种中微子和。 5． 一对能量为 0.51MeV的γ粒子可在真空中产生一对正负电子对。 反过来，如正电子和电子相遇则会发生湮没，化成一对γ粒子。 6． 反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。 粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，如：反质子、反中子，有些粒子 (如光子) 的反粒子就是它本身。 例1. 在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出，1953年物理学家建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的进行核反应，间接地证实了中微子的存在。中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即中微子+→+，由此可以判定中微子的质量数和电荷数分别是（ ） A. 0、0　　 　B. 0、1 C. 1、0 　　D. 1、1 二、加速器和对撞机 1． 加速器种类：回旋加速器、直线加速器和同步加速器。 因为研究粒子物理通常需要利用高能加速器，所以粒子物理学也称为高能物理学。 2． 回旋加速器原理示意图 3． 直线加速器原理示意图 电子或离子沿直线路径通过一系列漂移管 (图中管状导体)，加在漂移管上的电场是交变的。 例如，对于电子而言，每当电子到达两个相邻漂移管交界处，电子前方的漂移管总是接在电源正极，电子后方的漂移管总是接在电源的负极。这样，电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。电子加速的初期，速度逐渐增大。电子在每节管中运动时间为交流电T/2。 由于电子质量很小，经加速后，其速度很快接近光速。 故直线加速器前段的漂移管长度逐渐增大，而后段漂移管的长度基本相同。 直线加速器特别适合对电子的加速。 应用：对肿瘤进行放疗的γ射线，就是利用经直线加速器加速达 10 MeV 的电子轰击金属后产生的。 4． 同步加速器 同步加速器原理示意图： 同步加速器将长度相同的漂移管排列在半径一定的圆周上，被加速的带电粒子可以通过沿圆周多次绕行获得更大的能量而无需增加加速器的长度。 如图所示，移管中超导磁铁的磁场使带电粒子沿圆周运动，而相邻漂移管间的交变电场使粒子加速。 经加速的粒子通过每个漂移管的时间越来越短，同时粒子做圆周运动所需的洛伦兹力越来越大。 同步加速器采用同步增大磁场磁感应强度和加速电场变化频率的方法将粒子约束在圆周轨道上继续加速。 同步加速器中的带电粒子沿圆周运动会向外辐射电磁波，这种辐射称为同步辐射。 欧洲核子研究中心建有半径为 4.3 km的同步加速器，可将质子加速至7TeV。 5． 对撞机 根据动量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量取决于粒子的相对速度。 粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入对撞机在对撞机中，两束粒子流反向沿圆周运动，同时进一步被加速，在轨道交叉处相互对撞。 北京正负电子对撞机于 1988 年建成，电子和正电子束的对撞能量为 2×2.8 GeV。 目前世界最大的对撞机是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机其圆形轨道周长达 27 km，位于地下100 m处，两束质子在其中对撞的能量可达 2×7 TeV。 例2. 医学上对某些癌症可采用质子疗法治疗，该疗法（设备如图） 用一定能量的质子束照射肿瘤以杀死癌细胞。现用一直线加速器来加速质子，使其在加速电场 （可视为匀强电场）中从静止开始被加速到1.0×107m/s。已知质子的质量为1.67×10-27kg、电荷量为1.6×10-19C，加速器加速的直线长度为4m。下列说法正确的是（ ） A.加速过程中质子的电势能增加 B加速过程中质子的加速度约为2.5×1013m/s C.质子加速所需的时间约为8×10-6s D.加速电场的电场强度约为1.3×105N/C 三、夸克模型 1． 夸克模型 质子、中子等粒子都是由更基本的 3 种夸克组成，分别称为上夸克 (符号为 u)、下夸克 (符号为 d) 和奇异夸克 (符号为 s)，每一种夸克都有对应的反粒子--反夸克符号分别是、、。 u夸克、d夸克、s夸克所带的电荷量分别是、、。 质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d克组成。 1个夸克和1个反夸克组成介子，3 个夸克或 3 个反夸克则组成重子，介子和重子统称为强子。 2． 注意： 夸克模型说明电子所带电量不是最小电荷单位。 电子不是由夸克组成的，到目前为止，电子不能再分。 组成所有粒子的夸克是不一样的。 例3. 下列关于夸克模型的说法中正确的是（ ） A. 夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位 B. 夸克模型认为组成粒子的基本单位都是夸克 C. 夸克模型目前已经得到了广泛的应用和验证 D. 组成所有粒子的夸克都是一样的 例4. 关于粒子，下列说法中正确的是（　 ） A．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 B．质量比核子大的粒子都参与强相互作用 C．强子、轻子都由夸克组成 D．许多粒子都存在反粒子 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第十五章 原子核 15.4 粒子物理简介 课程标准 1. 了解反粒子的基本概念。 2. 了解加速器的基本原理和种类。 3. 了解夸克模型的基本概念。 物理素养 物理观念：初步建立反粒子和夸克的基本物理观念。 科学思维：利用质量数守恒和电荷数守恒分析基本粒子的反应过程。 科学探究：查阅文献，了解基本粒子的最新研究成果。 科学态度与责任：探索未知世界，需要严谨的科学态度和责任感。 一、中微子和正电子的发现 1． β射线的能量却是连续分布的，衰变产生的电子的能量竟然小于原子核始、末定态的能量差。 2． 能量守恒，在β衰变的同时产生中微子 (符号为)。 3． β衰变过程中，核子之间的相互作用不同于核力，物理学家将这种作用称为弱相互作用。 4． 实验所证实的存在，又分别发现了另外两种中微子和。 5． 一对能量为 0.51MeV的γ粒子可在真空中产生一对正负电子对。 反过来，如正电子和电子相遇则会发生湮没，化成一对γ粒子。 6． 反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。 粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，如：反质子、反中子，有些粒子 (如光子) 的反粒子就是它本身。 例1. 在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出，1953年物理学家建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的进行核反应，间接地证实了中微子的存在。中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即中微子+→+，由此可以判定中微子的质量数和电荷数分别是（ ） A. 0、0　　 　B. 0、1 C. 1、0 　　D. 1、1 【答案】A 【解析】根据电荷数守恒、质量数守恒，知中微子的质量数和电荷数都为0。 二、加速器和对撞机 1． 加速器种类：回旋加速器、直线加速器和同步加速器。 因为研究粒子物理通常需要利用高能加速器，所以粒子物理学也称为高能物理学。 2． 回旋加速器原理示意图 3． 直线加速器原理示意图 电子或离子沿直线路径通过一系列漂移管 (图中管状导体)，加在漂移管上的电场是交变的。 例如，对于电子而言，每当电子到达两个相邻漂移管交界处，电子前方的漂移管总是接在电源正极，电子后方的漂移管总是接在电源的负极。这样，电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。电子加速的初期，速度逐渐增大。电子在每节管中运动时间为交流电T/2。 由于电子质量很小，经加速后，其速度很快接近光速。 故直线加速器前段的漂移管长度逐渐增大，而后段漂移管的长度基本相同。 直线加速器特别适合对电子的加速。 应用：对肿瘤进行放疗的γ射线，就是利用经直线加速器加速达 10 MeV 的电子轰击金属后产生的。 4． 同步加速器 同步加速器原理示意图： 同步加速器将长度相同的漂移管排列在半径一定的圆周上，被加速的带电粒子可以通过沿圆周多次绕行获得更大的能量而无需增加加速器的长度。 如图所示，移管中超导磁铁的磁场使带电粒子沿圆周运动，而相邻漂移管间的交变电场使粒子加速。 经加速的粒子通过每个漂移管的时间越来越短，同时粒子做圆周运动所需的洛伦兹力越来越大。 同步加速器采用同步增大磁场磁感应强度和加速电场变化频率的方法将粒子约束在圆周轨道上继续加速。 同步加速器中的带电粒子沿圆周运动会向外辐射电磁波，这种辐射称为同步辐射。 欧洲核子研究中心建有半径为 4.3 km的同步加速器，可将质子加速至7TeV。 5． 对撞机 根据动量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量取决于粒子的相对速度。 粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入对撞机在对撞机中，两束粒子流反向沿圆周运动，同时进一步被加速，在轨道交叉处相互对撞。 北京正负电子对撞机于 1988 年建成，电子和正电子束的对撞能量为 2×2.8 GeV。 目前世界最大的对撞机是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机其圆形轨道周长达 27 km，位于地下100 m处，两束质子在其中对撞的能量可达 2×7 TeV。 例2. 医学上对某些癌症可采用质子疗法治疗，该疗法（设备如图） 用一定能量的质子束照射肿瘤以杀死癌细胞。现用一直线加速器来加速质子，使其在加速电场 （可视为匀强电场）中从静止开始被加速到1.0×107m/s。已知质子的质量为1.67×10-27kg、电荷量为1.6×10-19C，加速器加速的直线长度为4m。下列说法正确的是（ ） A.加速过程中质子的电势能增加 B加速过程中质子的加速度约为2.5×1013m/s C.质子加速所需的时间约为8×10-6s D.加速电场的电场强度约为1.3×105N/C 【答案】D 【解析】A.根据能量守恒定律得，动能增加，电势能减小，故A错误； B.由速度位移的关系式得：，故B错误； C.加速时间为：，故C错误； D.根据牛顿第二定律得: qE=ma，解得：E=1.3×105N/C，故D正确。 三、夸克模型 1． 夸克模型 质子、中子等粒子都是由更基本的 3 种夸克组成，分别称为上夸克 (符号为 u)、下夸克 (符号为 d) 和奇异夸克 (符号为 s)，每一种夸克都有对应的反粒子--反夸克符号分别是、、。 u夸克、d夸克、s夸克所带的电荷量分别是、、。 质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d克组成。 1个夸克和1个反夸克组成介子，3 个夸克或 3 个反夸克则组成重子，介子和重子统称为强子。 2． 注意： 夸克模型说明电子所带电量不是最小电荷单位。 电子不是由夸克组成的，到目前为止，电子不能再分。 组成所有粒子的夸克是不一样的。 例3. 下列关于夸克模型的说法中正确的是（ ） A. 夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位 B. 夸克模型认为组成粒子的基本单位都是夸克 C. 夸克模型目前已经得到了广泛的应用和验证 D. 组成所有粒子的夸克都是一样的 【答案】B 【解析】A.夸克模型认为夸克的带电量为、、，所以电子不是电荷的最小单位，A正确； B.夸克模型认为组成粒子的基本单位都是夸克，B正确； C.夸克模型目前还没有得到广泛的应用和验证，C错误； D.组成所有粒子的夸克并不都是一样的，D错误。 例4. 关于粒子，下列说法中正确的是（　 ） A．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子 B．质量比核子大的粒子都参与强相互作用 C．强子、轻子都由夸克组成 D．许多粒子都存在反粒子 【答案】D 【详解】A．质子、中子本身有复杂结构，故A错误； B．τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参与强相互作用，故B错误； C．现代实验还没有发现轻子的内部结构，故C错误； D．宇宙中的许多粒子都存在反粒子，故D正确。 故选D。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$