2018版 第4章 4.4粒子物理与宇宙的起源

9.1×10－31 kg， 反应中产生的每个光子的能量约为______J． 正电子与电子相遇不 可能只转变为一个光子，原因是________． (3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小． 【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中 微子的质量数和电荷数都是 0，A 正确． (2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为 E E 零，则 E＝Δmc2，故一个光子的能量为 2 ，代入数据得 2 ＝8.2×10－14 J．正电子 与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只 产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律． h (3)物质波的波长为 λ＝p，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示 出来即 p＝ 2mEk，因为 mn>me，所以 pn>pe，故 λn<λe. 【答案】见解析
根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期.在大爆 炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核 合成时代.继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系.恒 星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞.)
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1．关于粒子，下列说法正确的是(
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A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．所有的强子都是带电的 C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不，故 A、B 错误；夸克模型是 2 e 研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋3e 和－3，说明电子电荷不 再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确．
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[核心点击] 1．恒星的诞生 大爆炸 10 万年后，温度下降到 3 000 K 左右，开始了恒星的形成过程：宇 万有引力 万有引力 宙 尘 埃 ― ― ― ― ― → 更 密 集 的 尘 埃 ― ― ― ― ― → 气 体 状 态 的 星 云 团 恒星． 2．恒星的稳定期 当温度超过 107 K 时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的 形式向外辐射． 辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星核稳 定下来．恒星在这一阶段已停留了 50 亿年．太阳目前正处于这一阶段的中期， 要再过 50 亿年才会转到另一个演化阶段． 3．恒星的衰老 当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星 核在引力作用下再次收缩． 这时引力势能产生的热将使温度升得更高，于是发生 了氦核聚合成碳核的聚变反应．类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、 硅，直到铁等更重的元素．恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也发生 周期性的变化． 当各种热核反应都不再发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了．星体 在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大． 4．恒星的归宿 恒星最终归宿与恒星的质量大小有关： 当恒星的质量小于 1.4 倍太阳质量时， 演变为白矮星；当恒星的质量是太阳质量的 1.4 倍～2 倍时，演变为中子星；当 恒星的质量更大时，演变为黑洞．
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母) A．0 和 0 C．1 和 0 B．0 和 1 D．1 和 1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整
0 体后，可以转变为两个光子(γ)，即＋0 1e＋－1e―→2γ.已知正电子和电子的质量都为
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【答案】D 2．在 β 衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分 特别，因此在实验中很难探测.1953 年，莱尼斯和柯文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1 1H 的核反应，间接地证实了中微子的 存在．
1 0 (1)中微子与水中的1 1H 发生核反应，产生中子(0n)和正电子(＋1e)，即中微子＋ 1 1 0 1H―→0n＋＋1e.
3．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时 期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( A．电子 C．轻子 )
B．质子 D．中子
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【解析】宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子 和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再 之后是中子和质子组合成氘核， 并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合 成氢原子，最后形成恒星和星系，因此 C 正确，A、B、D 错误． 【答案】C 4．关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是( A．宇宙已经停止演化 B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定 C．恒星最终都会演化为黑洞 D．恒星最终演化为中子星 【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A 错．恒星在主序星阶段时停留时间最 长、 最稳定， B 对． 根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞， C、D 错． 【答案】B 5．已知从地球上的逃逸速度 v＝ 2GM R ，其中 G、M、R 分别为万有引力
3.两点提醒 (1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ 子的质量比核子的质 量大，但力的性质决定了它属于轻子． (2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生 “湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子． 4．加速器的种类有：(1)回旋加速器，(2)直线加速器，(3)对撞机．
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)
常量、 地球的质量和半径 .已知 G＝6.67×10
N· m2/kg2， 光速 c＝2.99×108 m/s，
逃逸速度大于真空中的光速的天体叫黑洞，设黑洞的质量等于太阳的质量 M＝ 1.98×1030 kg，求它可能的最大半径. 【导学号：06092040】 【解析】由题目所提供的信息可知，任何天体均存在其所对应的逃逸速度 2GM v2，对于黑洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即 v2>c，所以 R< c2 ＝2.95 km，即太阳成为黑洞时的最大半径为 2.95 km. 【答案】2.95 km
发现的粒子
备注 强子有内部结构，由
强子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
“夸克”构成；强子 又可分为介子和重子
轻子
不 参 与 强 相 互 作 电子、电子中微子、μ 子、μ 用 传递各种相互作 用 子中微子、τ 子、τ 子中微子
未发现内部结构 光子、中间玻色子、
介媒 子
光子、中间玻色子、胶子
胶子分别传递电磁、 弱、强相互作用
处理新粒子问题的方法 核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发 生相互作用时， 同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识
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和物理规律，并灵活应用．
宇 宙 和 恒 星 的 演 化
[先填空] 1．宇宙的演化 宇宙是由一个超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸而开始形成 的．大爆炸之后随温度的降低，宇宙物质从密到疏，逐渐形成气态物质、气云、 恒星体系，成为今天的宇宙天体． 2．恒星的演化 (1)形成：大量星际物质逐渐凝聚成星云，大块星云在引力作用下逐渐凝成 原恒星． (2)演化 ①原恒星收缩，温度升高达 7×106 K 时，开始氢聚变成氦的热核反应，产 生的斥力与引力达到平衡， 恒星进入相对稳定阶段， 迄今 90%的恒星处在该阶段， 时间持续约 100 亿年左右． ②随着氢的减少，核反应的能量不足，星体又开始收缩、温度随之上升，温 度达到 1×108K 时，发生“氦燃烧”形成碳，恒星演化为红巨星． ③恒星核能耗尽就进入末期，其形态有白矮星、中子星和黑洞． [再判断] 1．目前，太阳内的热核反应主要是氢核聚变为氦核的反应．(√) 2．宇观世界和微观世界是彼此孤立的，没有任何相互联系．(×) 3．宇宙将一直会膨胀下去．(×) [后思考] 物理学家把自然界的力归结为哪几种相互作用？ 【提示】物理学家已经把自然界多得数不胜数的力，归结为强相互作用、电 磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用这四种作用．物理学家的进一步追求， 就是把这四种各有特色的相互作用再综合在一个统一的理论体系中．
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2 1 下夸克带的电荷量分别为元电荷的＋3e 或－3e. (3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷，但人们还无 法获得自由的夸克． 3．粒子的类型 (1)强子：参与强相互作用，包括质子、中子、介子和超子． (2)轻子：不参与强相互作用，包括电子、μ 子、τ 子以及与之相联系的三种 中微子． (3)传递相互作用的粒子：包括传递电磁作用的光子、传递弱相互作用的中 间玻色子 W±、Z0，以及传递强相互作用的胶子． 4 ． 加速器和粒子物理： 粒子物理学研究的工具是高能加速器和粒子探测 器．高能加速器是指能使粒子能量达到 3×109 eV 以上的加速器． [再判断] 1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×) 2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√) 3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√) [后思考] 1．为什么说基本粒子不基本？ 【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结 构， 另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组 成的． 2．什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？ 【提示】实验发现， 许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相 反的粒子，叫反粒子．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子．
4.4 粒子物理与宇宙的起源
学 习 目 标 1.知道人类对“基本粒子”的 认识过程，初步了解粒子物理 学的发展．(重点) 2. 理 解 夸 克 模 型 及 夸 克 的 种 类 ， 知道 各种 夸克 的带 电 情 况．(重点) 3. 了 解 宇 宙 的 演 化 过 程 和 黑 洞，知道现代宇宙大爆炸理论 的观点．(重点) 知 识 脉 络
[核心点击] 1．新粒子的发现及特点 发现时间 新粒子 1932 年 反粒子 1937 年 μ子
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1947 年 K 介子与 π 介子
20 世纪 60 年代 后 超子
质量与相对应的粒子 基本特点 相同而电荷及其他一 些物理性质相反 2.粒子的分类 分类 参与的相互作用