第四节 粒子物理简介（导学案）物理沪科版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦粒子物理基础，涵盖中微子与正电子的发现、夸克模型、加速器原理及四种基本相互作用等核心内容。课堂导入从β衰变能量矛盾切入，结合泡利提出中微子假设、狄拉克预言正电子等科学史，联系核反应知识，搭建从经典物理到微观粒子的学习支架。 导学案通过“思考与讨论”分析β衰变能量关系、“自主活动”推导反粒子夸克组成，促进科学探究与模型建构。融入STSE内容（如质子重离子放疗）培养科学态度与责任，习题设计聚焦粒子物理现象分析，助力学生深化物理观念，提升科学思维能力。

第4节 粒子物理简介 导学案 1．本节从中微子和正电子的发现出发，对加速器及对撞机进行了初步的讨论，并对粒子物理的现状做了简要介绍。 1．正反粒子具有相同的质量、自旋、寿命等性质，但具有相反的电荷量、重子数、轻子数等。中性粒子也有反粒子，而光子的反粒子就是其自身。虽然实验上已经观察到了正电子、反质子、反中子等众多的反粒子，但从未在自然界中找到天然的反原子，如由正电子和反质子构成的反氢原子等，更没有发现由反原子构成的反物质。当然，利用加速器可以制造出反氢原子甚至反氦原子。 【知识回顾】 一、中微子和正电子的发现 1．1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为_________（符号为 νe）。 2．1928 年，英国理论物理学家狄拉克从理论上预言了_______的存在，1932年，安德森在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹。 3．反粒子与粒子具有相同的_________、相反的_________。光子的反粒子就是它本身。 二、粒子的分类 1．1964 年，美国物理学家盖尔曼等人提出_________模型。 （1）质子、中子等粒子都由更基本的 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）。 （2）每一种夸克都有对应的反粒子——_________，符号分别为 、、。 （3）u 夸克、d 夸克、s 夸克所带的电荷量分别为_________e、_________e、_________e。 （4）质子由_________个 u 夸克和_________个 d 夸克组成，中子由_________个 u 夸克和_________个 d 夸克组成。 （5）1 个夸克和 1 个反夸克组成介子，3 个夸克或 3 个反夸克组成重子，介子和重子统称为强子。 2．1974 年，美籍华裔物理学家丁肇中及美国物理学家里克特发现了 J/Ψ 粒子。 3．物理学家引入第四种夸克——粲（càn）夸克（符号为 c）。 4．20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家发现底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。 5．1936 年发现了与_________相似但质量约为电子质量 200 倍的 μ 子，1975 年又发现了质量更大的 τ 子，它们以及相应的中微子统称为_________。 6．_________和_________是目前已知的构成物质的最基本粒子。 7．四种基本相互作用 相互作用类型 相对强弱 作用距离 强相互作用 1 10−15 m 电磁相互作用 10−2 无穷远 弱相互作用 10−6 10−18 m 引力相互作用 10−38 无穷远 8．物理学家杨振宁和米尔斯提出了规范场理论：微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换胶子（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换中间玻色子（共 3 种，分别为 W+、W− 及 Z0）发生。 9．基本粒子：夸克 36 种，轻子 12 种，规范玻色子 12 种，希格斯粒子 1 种，共 61 种。 思考与讨论： 中微子和正电子的发现 1914 年，查德威克证明 α 射线和 γ 射线的能量是量子化的，α 粒子和 γ 粒子所带走的能量正好等于衰变前后原子核定态能级的差。然而 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。这个现象令物理学家感到不解。奥地利物理学家泡利（图 15 – 25）坚信能量守恒定律不可能对 β 衰变失效。图 15 – 25泡利 （W. Pauli，1900—1958） 1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。这个中性粒子的穿透力极强，很难被探测到。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为中微子（符号为 νe）。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（weak interaction）。 王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，有人按此方案进行实验，得到了与王淦昌预期相符的实验结果，间接地证实了中微子的存在。1956 年，中微子 νe 的存在终于被实验所证实。1962 年和 2000 年，物理学家又分别发现了另外两种中微子 νμ 和 ντ。 大家谈 根据能量守恒定律，请分析 β 衰变所释放的电子和中微子的能量关系。 1928 年，英国理论物理学家狄拉克（图 15-26）从理论上预言了正电子的存在。通过理论分析，一对能量为 0.51 MeV 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。此前，我国物理学家赵忠尧 （图 15 – 27）曾在实验中发现了狄拉克所预言的正负电子对湮没而发出的能量为 0.51 MeV 的辐射。安德森正是受到赵忠尧工作的启发于 1932 年在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹（图 15 – 28）。图 15 – 26 狄拉克（P. Dirac，1902—1984） 图 15 – 27 赵忠尧 （1902—1998） 反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。20 世纪 50 年代以后，反质子、反中子以及其他反物质粒子相继在实验中被发现。粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，有些粒子（如光子）的反粒子就是它本身。 加速器与对撞机 加速器是粒子物理学重要的实验工具。我们在必修第三册中曾学习过回旋加速器的工作原理。除了回旋加速器以外，目前应用于粒子物理研究的还有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。图 15 – 29 直线加速器原理示意图 源 如图 15 – 29 所示，在直线加速器中，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。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。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 的电子轰击金属箔后产生的。图 15 – 28 正电子在云室中的径迹（图中自下而上的弯曲径迹） 同步加速器的运行机制类似于直线加速器，只是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。这样，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 15 – 30（a）所示，漂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 [图 15 – 30（b）]，可将质子加速至 7 TeV。 图 15 – 30 同步加速器 (a) 同步加速器原理示意图 (b) 同步加速器内景 利用粒子相互撞击的实验所获得的数据可以分析被撞击粒子的结构。根据动量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量（即能引起粒子反应的能量）只取决于粒子的相对速度。所以，采用粒子对撞的方法效果更为明显而且更加经济。这就是粒子对撞机的设计初衷。近几十年发展起来的高能加速器多数是对撞机，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。图 15 – 31 北京正负电子对撞机首次成功对撞 我国的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（图 15 – 31）。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。 图 15 – 32 上海质子重离子医院的放疗设备 图 15 – 33 上海同步辐射光源内的线站 STSE 加速器除了直接用于粒子物理的基础研究以外，还在其他领域的科学研究和技术应用中发挥了重要的作用。质子和重离子放疗（图 15 – 32）是国际公认的尖端放疗技术，用同步加速器将质子或碳离子加速至约 0.7 c 后，将离子束引出，对肿瘤患者实施放疗。整个治疗过程好比是针对肿瘤的“立体定向爆破”，能够对肿瘤病灶进行强有力的照射，同时又避免照射正常组织，实现疗效最大化。 同步加速器中所产生的同步辐射（图 15-33）已经成为生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科的研究中先进的、不可替代的工具。 粒子的分类 自从电子、质子及中子被发现后，微观世界的图像变得十分清晰，物质由原子构成，原子由电子与原子核构成，而原子核由质子与中子构成。但随着理论和实验技术的不断发展，物理学家发现了越来越多的微观粒子。很显然，这些粒子不可能都是基本的。1960 年以后，一些物理学家开始尝试寻找物质构成的基本粒子及其内在规律。 1964 年，美国物理学家盖尔曼（M. Gell-Mann，1929—2019）等人提出夸克模型，认为质子、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 e、− e、− e。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 夸克组成。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。利用夸克模型可以对当时所发现的各种粒子进行分类并预言新的粒子。20 世纪 60 年代，中国物理学家也提出了类似的层子模型。 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，表示为 p = uud；中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，表示为 n = udd。试用以上方式表示反质子 和反中子 。 自 主 活 动 1974 年，美籍华裔物理学家丁肇中（1936— ）及美国物理学家里克特（B. Richter，1931— ）领导的研究组分别发现了 J/ψ 粒子。与同类型的强子相比，J/ψ 粒子有一些新的性质无法用已有的 3 种夸克来解释。为此，物理学家引入了第 4 种夸克——粲夸克（符号为 c），并认为 J/ψ 粒子是由 c 夸克和 夸克所组成。20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家又利用对撞机先后发现了底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。不同的 u、d、s、c、b、t 被称为夸克的味，进一步的研究发现，每一种味的夸克还有红、蓝、绿 3 种不同的色，再加上各自的反夸克，一共有 36 种不同的夸克和反夸克。 需要指出，夸克的味或色只是用来表示夸克的属性，并不是说夸克真有不同的味道或颜色。实际上我们并不能看到自由的夸克，夸克只能通过强子的形式被观察到，这一性质称为夸克禁闭。 电子被发现后，1936 年在宇宙线中发现了与电子相似但质量约为电子质量 200 倍的 μ 子，1975 年又发现了质量更大的 τ 子。这 3 种粒子以及相应的中微子 νe、νμ、ντ 统称为轻子。考虑到反粒子，轻子一共有 12 种。轻子和夸克是目前已知的构成物质的最基本粒 子，在目前的能量条件下，尚未发现轻子和夸克有内部结构。 自然界有四种基本相互作用（fundamental interactions），即强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。前两种相互作用只在很短的距离内起作用，称为短程力。我们熟知的电磁相互作用和引力相互作用都是长程力。 表 15-1 自然界的四种相互作用 相互作用类型 相对强弱 作用距离 强相互作用 1 10−15 m 电磁相互作用 10−2 无穷远 弱相互作用 10−6 10−18 m 引力相互作用 10−38 无穷远 1954 年，为了描述这些相互作用，物理学家杨振宁（1922— ）和米尔斯提出了规范场理论，微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。规范玻色子一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换“胶子”（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换“中间玻色子”（共 3 种，分别为 W+、W− 及 Z0）发生。 为了解释微观粒子质量的产生，英国物理学家希格斯（P. Higgs，1929— ）在 1964 年引入了希格斯粒子。2013 年欧洲核子研究中心宣布探测到了希格斯粒子。基本的粒子种类达到 61 种。 描述电磁相互作用的理论称为量子电动力学，描述强相互作用的理论称为量子色动力学，描述弱相互作用和电磁相互作用的理论称为弱电统一理论，这些都是规范场理论。规范场理论可以很好地描述微观粒子及其相互作用，与实验结果符合得很好，因而被称为粒子物理的标准模型，它代表着当今人类对微观物质世界的认识。标准模型的成功也推动了天体物理、宇宙学和核物理学等学科的重大发展。现在人类探索物质世界的进程仍在继续。 一、单选题 1．太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向（　　） A．一定与μ子同方向 B．一定与μ子反方向 C．一定与μ子在同一直线上 D．不一定与μ子在同一直线上 2．下列核反应方程式的书写正确的是（　　） A．钴60衰变的方程为 B．碳14发生衰变的方程为 C．核泄漏污染物的衰变方程为 D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程为 3．按照宇宙大爆炸理论思想，在宇宙大爆炸的过程中，关于恒星的演化，下列说法中正确的是（　　） A．小质量恒星燃料耗尽后会收缩成密度极小的白矮星 B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星 C．超巨星爆炸后外层物质会扩散到太空中成为星云，内部物质形成新的恒星 D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，中子星就形成了 4．关于恒星的演化，下列说法正确的是（　　） A．小质量恒星燃料耗尽后会收缩成密度极大的白矮星 B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星 C．超巨星爆炸后外层物质会扩散到宇宙中成为星云，内部物质形成新的恒星 D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，中子星就形成了 5．关于粒子的说法，正确的是（    ） A．发生衰变时放出的射线是电子流，射线来自原子核，说明原子核里有电子 B．德布罗意通过实验验证了实物粒子具有波动性 C．发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间 D．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，叫作“基本粒子” 6．科学家通过对星系光谱的研究发现，所有的星系都在远离我们而去，宇宙中星系间的距离在不断扩大，这说明（　　） A．宇宙处在不断的膨胀中 B．银河系是一个庞大的天体系统 C．太阳是太阳系的中心天体 D．太阳和太阳系最终也会走向“死亡” 7．下列说法中正确的是（　　） A．在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度高 B．太阳发出的光和热来自于太阳上碳、氧等物质的燃烧 C．太阳系中距离太阳越近的行星，公转速度越小 D．由于光速有限，因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去 8．关于天体及其演化，下列说法中正确的是（　　） A．红色的恒星温度最高 B．恒星的寿命随其质量的增大而增大 C．红巨星最终一定会变成中子星 D．超新星爆发后会形成中子星 9．若即将燃烧殆尽的红超巨星突然发生爆炸，就会发出比以前的亮度高几百万倍的强光，形成（　　） A．白矮星 B．黑矮星 C．超新星 D．中子星 10．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 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 粒子物理简介 导学案 1．本节从中微子和正电子的发现出发，对加速器及对撞机进行了初步的讨论，并对粒子物理的现状做了简要介绍。 1．正反粒子具有相同的质量、自旋、寿命等性质，但具有相反的电荷量、重子数、轻子数等。中性粒子也有反粒子，而光子的反粒子就是其自身。虽然实验上已经观察到了正电子、反质子、反中子等众多的反粒子，但从未在自然界中找到天然的反原子，如由正电子和反质子构成的反氢原子等，更没有发现由反原子构成的反物质。当然，利用加速器可以制造出反氢原子甚至反氦原子。 【知识回顾】 一、中微子和正电子的发现 1．1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为中微子（符号为 νe）。 2．1928 年，英国理论物理学家狄拉克从理论上预言了正电子的存在，1932年，安德森在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹。 3．反粒子与粒子具有相同的质量，相反的电荷量。光子的反粒子就是它本身。 二、粒子的分类 1．1964 年，美国物理学家盖尔曼等人提出夸克模型。 （1）质子、中子等粒子都由更基本的 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）。 （2）每一种夸克都有对应的反粒子——夸克，符号分别为 、、。 （3）u 夸克、d 夸克、s 夸克所带的电荷量分别为，− ，− （4）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 夸克组成。 （5）1 个夸克和 1 个反夸克组成介子，3 个夸克或 3 个反夸克组成重子，介子和重子统称为强子。 2．1974 年，美籍华裔物理学家丁肇中及美国物理学家里克特发现了 J/Ψ 粒子。 3．物理学家引入第四种夸克——粲（càn）夸克（符号为 c）。 4．20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家发现底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。 5．1936 年发现了与电子相似但质量约为电子质量 200 倍的 μ 子，1975 年又发现了质量更大的 τ 子，它们以及相应的中微子统称为轻子 6．轻子和夸克是目前已知的构成物质的最基本粒子。 7．四种基本相互作用 相互作用类型 相对强弱 作用距离 强相互作用 1 10−15 m 电磁相互作用 10−2 无穷远 弱相互作用 10−6 10−18 m 引力相互作用 10−38 无穷远 8．物理学家杨振宁和米尔斯提出了规范场理论：微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换胶子（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换中间玻色子（共 3 种，分别为 W+、W− 及 Z0）发生。 9．基本粒子：夸克 36 种，轻子 12 种，规范玻色子 12 种，希格斯粒子 1 种，共 61 种。 思考与讨论： 中微子和正电子的发现 1914 年，查德威克证明 α 射线和 γ 射线的能量是量子化的，α 粒子和 γ 粒子所带走的能量正好等于衰变前后原子核定态能级的差。然而 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。这个现象令物理学家感到不解。奥地利物理学家泡利（图 15 – 25）坚信能量守恒定律不可能对 β 衰变失效。图 15 – 25泡利 （W. Pauli，1900—1958） 1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。这个中性粒子的穿透力极强，很难被探测到。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为中微子（符号为 νe）。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（weak interaction）。 王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，有人按此方案进行实验，得到了与王淦昌预期相符的实验结果，间接地证实了中微子的存在。1956 年，中微子 νe 的存在终于被实验所证实。1962 年和 2000 年，物理学家又分别发现了另外两种中微子 νμ 和 ντ。 大家谈 根据能量守恒定律，请分析 β 衰变所释放的电子和中微子的能量关系。 1928 年，英国理论物理学家狄拉克（图 15-26）从理论上预言了正电子的存在。通过理论分析，一对能量为 0.51 MeV 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。此前，我国物理学家赵忠尧 （图 15 – 27）曾在实验中发现了狄拉克所预言的正负电子对湮没而发出的能量为 0.51 MeV 的辐射。安德森正是受到赵忠尧工作的启发于 1932 年在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹（图 15 – 28）。图 15 – 26 狄拉克（P. Dirac，1902—1984） 图 15 – 27 赵忠尧 （1902—1998） 反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。20 世纪 50 年代以后，反质子、反中子以及其他反物质粒子相继在实验中被发现。粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，有些粒子（如光子）的反粒子就是它本身。 加速器与对撞机图 15 – 28 正电子在云室中的径迹（图中自下而上的弯曲径迹） 加速器是粒子物理学重要的实验工具。我们在必修第三册中曾学习过回旋加速器的工作原理。除了回旋加速器以外，目前应用于粒子物理研究的还有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。 如图 15 – 29 所示，在直线加速器中，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。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。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 的电子轰击金属箔后产生的。图 15 – 29 直线加速器原理示意图 源 同步加速器的运行机制类似于直线加速器，只是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。这样，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 15 – 30（a）所示，漂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 [图 15 – 30（b）]，可将质子加速至 7 TeV。 图 15 – 30 同步加速器 (a) 同步加速器原理示意图 (b) 同步加速器内景 利用粒子相互撞击的实验所获得的数据可以分析被撞击粒子的结构。根据动量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量（即能引起粒子反应的能量）只取决于粒子的相对速度。所以，采用粒子对撞的方法效果更为明显而且更加经济。这就是粒子对撞机的设计初衷。近几十年发展起来的高能加速器多数是对撞机，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。图 15 – 31 北京正负电子对撞机首次成功对撞 我国的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（图 15 – 31）。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。 图 15 – 32 上海质子重离子医院的放疗设备 图 15 – 33 上海同步辐射光源内的线站 STSE 加速器除了直接用于粒子物理的基础研究以外，还在其他领域的科学研究和技术应用中发挥了重要的作用。质子和重离子放疗（图 15 – 32）是国际公认的尖端放疗技术，用同步加速器将质子或碳离子加速至约 0.7 c 后，将离子束引出，对肿瘤患者实施放疗。整个治疗过程好比是针对肿瘤的“立体定向爆破”，能够对肿瘤病灶进行强有力的照射，同时又避免照射正常组织，实现疗效最大化。 同步加速器中所产生的同步辐射（图 15-33）已经成为生命科学、材料科学、环境科学、物理学、化学、医药学、地质学等学科的研究中先进的、不可替代的工具。 粒子的分类 自从电子、质子及中子被发现后，微观世界的图像变得十分清晰，物质由原子构成，原子由电子与原子核构成，而原子核由质子与中子构成。但随着理论和实验技术的不断发展，物理学家发现了越来越多的微观粒子。很显然，这些粒子不可能都是基本的。1960 年以后，一些物理学家开始尝试寻找物质构成的基本粒子及其内在规律。 1964 年，美国物理学家盖尔曼（M. Gell-Mann，1929—2019）等人提出夸克模型，认为质子、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 e、− e、− e。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 夸克组成。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。利用夸克模型可以对当时所发现的各种粒子进行分类并预言新的粒子。20 世纪 60 年代，中国物理学家也提出了类似的层子模型。 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，表示为 p = uud；中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，表示为 n = udd。试用以上方式表示反质子 和反中子 。 自 主 活 动 1974 年，美籍华裔物理学家丁肇中（1936— ）及美国物理学家里克特（B. Richter，1931— ）领导的研究组分别发现了 J/ψ 粒子。与同类型的强子相比，J/ψ 粒子有一些新的性质无法用已有的 3 种夸克来解释。为此，物理学家引入了第 4 种夸克——粲夸克（符号为 c），并认为 J/ψ 粒子是由 c 夸克和 夸克所组成。20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家又利用对撞机先后发现了底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。不同的 u、d、s、c、b、t 被称为夸克的味，进一步的研究发现，每一种味的夸克还有红、蓝、绿 3 种不同的色，再加上各自的反夸克，一共有 36 种不同的夸克和反夸克。 需要指出，夸克的味或色只是用来表示夸克的属性，并不是说夸克真有不同的味道或颜色。实际上我们并不能看到自由的夸克，夸克只能通过强子的形式被观察到，这一性质称为夸克禁闭。 电子被发现后，1936 年在宇宙线中发现了与电子相似但质量约为电子质量 200 倍的 μ 子，1975 年又发现了质量更大的 τ 子。这 3 种粒子以及相应的中微子 νe、νμ、ντ 统称为轻子。考虑到反粒子，轻子一共有 12 种。轻子和夸克是目前已知的构成物质的最基本粒 子，在目前的能量条件下，尚未发现轻子和夸克有内部结构。 自然界有四种基本相互作用（fundamental interactions），即强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。前两种相互作用只在很短的距离内起作用，称为短程力。我们熟知的电磁相互作用和引力相互作用都是长程力。 表 15-1 自然界的四种相互作用 相互作用类型 相对强弱 作用距离 强相互作用 1 10−15 m 电磁相互作用 10−2 无穷远 弱相互作用 10−6 10−18 m 引力相互作用 10−38 无穷远 1954 年，为了描述这些相互作用，物理学家杨振宁（1922— ）和米尔斯提出了规范场理论，微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。规范玻色子一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换“胶子”（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换“中间玻色子”（共 3 种，分别为 W+、W− 及 Z0）发生。 为了解释微观粒子质量的产生，英国物理学家希格斯（P. Higgs，1929— ）在 1964 年引入了希格斯粒子。2013 年欧洲核子研究中心宣布探测到了希格斯粒子。基本的粒子种类达到 61 种。 描述电磁相互作用的理论称为量子电动力学，描述强相互作用的理论称为量子色动力学，描述弱相互作用和电磁相互作用的理论称为弱电统一理论，这些都是规范场理论。规范场理论可以很好地描述微观粒子及其相互作用，与实验结果符合得很好，因而被称为粒子物理的标准模型，它代表着当今人类对微观物质世界的认识。标准模型的成功也推动了天体物理、宇宙学和核物理学等学科的重大发展。现在人类探索物质世界的进程仍在继续。 一、单选题 1．太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向（　　） A．一定与μ子同方向 B．一定与μ子反方向 C．一定与μ子在同一直线上 D．不一定与μ子在同一直线上 【答案】C 【详解】中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律，μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向必定也在这条直线上，由于质量关系不确定，则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反。 故选C。 2．下列核反应方程式的书写正确的是（　　） A．钴60衰变的方程为 B．碳14发生衰变的方程为 C．核泄漏污染物的衰变方程为 D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程为 【答案】C 【详解】A．钴60衰变的方程为，A错误； B．碳14发生衰变的方程为；B错误； C．核泄漏的污染物的衰变方程为，C正确； D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程式为，D错误。 故选C。 3．按照宇宙大爆炸理论思想，在宇宙大爆炸的过程中，关于恒星的演化，下列说法中正确的是（　　） A．小质量恒星燃料耗尽后会收缩成密度极小的白矮星 B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星 C．超巨星爆炸后外层物质会扩散到太空中成为星云，内部物质形成新的恒星 D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，中子星就形成了 【答案】B 【详解】A．小质量恒星燃料耗尽后会收缩成白矮星，但密度不是极小的，故A错误； B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星，故B正确； C．超巨星爆炸后外层物质会扩散到太空中成为星云的组成部分，而后这些星云会收缩成为一颗新的恒星，故C错误； D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，恒星就形成了，故D错误。 故选B。 4．关于恒星的演化，下列说法正确的是（　　） A．小质量恒星燃料耗尽后会收缩成密度极大的白矮星 B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星 C．超巨星爆炸后外层物质会扩散到宇宙中成为星云，内部物质形成新的恒星 D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，中子星就形成了 【答案】B 【详解】A．小恒星燃料耗尽后会收缩成白矮星，但密度并非极大，白矮星的密度小于中子星，故A错误； B．恒星燃料耗尽后外层开始膨胀，变成巨星或超巨星，故B正确； C．超巨星爆炸后外层物质继续扩散到太空中，成为星云的组成部分，而后这些星云会收缩成为一颗新的恒星，故C错误； D．星云在引力作用下不断收缩，内部温度升高引发了核反应，恒星就形成了，故D错误。 故选B。 5．关于粒子的说法，正确的是（    ） A．发生衰变时放出的射线是电子流，射线来自原子核，说明原子核里有电子 B．德布罗意通过实验验证了实物粒子具有波动性 C．发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间 D．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，叫作“基本粒子” 【答案】C 【详解】A．发生衰变时放出的电子流是原子核内部中子转变成质子，同时释放出一个电子，不是原子核里有电子，故A错误； B．德布罗意通过理论提出实物粒子具有波动性，故B错误； C．光子能量不可再分，发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间，故C正确； D．光子不是组成物质的不可再分的最基本粒子，故D错误。 故选C。 6．科学家通过对星系光谱的研究发现，所有的星系都在远离我们而去，宇宙中星系间的距离在不断扩大，这说明（　　） A．宇宙处在不断的膨胀中 B．银河系是一个庞大的天体系统 C．太阳是太阳系的中心天体 D．太阳和太阳系最终也会走向“死亡” 【答案】A 【详解】A．由题目给出的信息可知，星系之间的距离在不断扩大，那么整个宇宙的体积也就在不断的扩大，也就是整个宇宙在不断的膨胀中，故A正确； B．据材料“宇宙中星系间的距离在不断扩大”说明宇宙在扩大，而不是说明银河系是一个庞大的天体系统，故B错误。 C．太阳是太阳系的中心天体，但是与宇宙在扩大无关，故C错误； D．太阳和太阳系最终也会走向“死亡”，但是材料表述的是宇宙在扩大，故D错误。 故选A。 7．下列说法中正确的是（　　） A．在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度高 B．太阳发出的光和热来自于太阳上碳、氧等物质的燃烧 C．太阳系中距离太阳越近的行星，公转速度越小 D．由于光速有限，因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去 【答案】D 【详解】A．恒星的颜色是由温度决定的，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝。在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度低，A错误; B．太阳发出的光和热来自于在太阳内部进行着大规模的核聚变释放的能量，B错误； C．根据 解得 可知太阳系中距离太阳越近的行星，公转速度越大，C错误； D．由于光速有限，因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去，D正确。 故选D。 8．关于天体及其演化，下列说法中正确的是（　　） A．红色的恒星温度最高 B．恒星的寿命随其质量的增大而增大 C．红巨星最终一定会变成中子星 D．超新星爆发后会形成中子星 【答案】D 【详解】A．恒星的颜色是由温度决定的，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝，故A错误； B．恒星的寿命和它的质量有关，质量越大的恒星寿命越短，故B错误； C．小质量恒星的演化过程是：原始星云→恒星→红巨星→白矮星，故C错误； D．超新星爆发后会形成中子星，故D正确。 故选D。 9．若即将燃烧殆尽的红超巨星突然发生爆炸，就会发出比以前的亮度高几百万倍的强光，形成（　　） A．白矮星 B．黑矮星 C．超新星 D．中子星 【答案】C 【详解】若即将燃烧殆尽的红超巨星突然发生爆炸，就会发出比以前的亮度高几百万倍的强光，形成超新星。ABD错误，C正确。 故选C。 10．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。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $