《高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙学案 新人教版选修3-5》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙学案 新人教版选修3-5（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、8粒子和宇宙1粒子和粒子的分类(1)电子、质子和中子直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子。随着科学家们的研究逐步发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。(2)新粒子从20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子，宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少，人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了子，1947年发现了K介子和介子，此后不久又发现了超子
2、。(3)粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子，如下表所示。分类参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子强子有内部结构轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子无内部结构媒介子各种相互作用光子、玻色子、胶子光子传递电磁相互作用玻色子传递弱相互作用胶子传递强相互作用(4)反物质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，叫做反粒子。如电子和正电子，质子和反质子。由反粒子构成的物质叫反物质。反粒子与其相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，同时消失而转化成其他的粒子。(5)夸克模型
3、：强子内部有复杂结构，1964年美国人盖尔曼提出了强子结构的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受，现代科学认为夸克有：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。夸克带电荷量为元电荷的或倍。【例1】 已知介子、介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的；它们的带电荷量如下表所示：ud带电荷量eeeeee表中e为元电荷。下列说法正确的是()A由u和组成B由d和组成C由u和组成 D由d和组成解析：根据核反应中电荷数、质量数守恒可求得，电荷量为e，u电荷量为e，电荷量为e，则u和的总电荷量为(e)(e)e，故A选项正确，
4、B错误。电荷量为e，d电荷量为e，电荷量为e，则d和的总电荷量为(e)(e)e，故D选项正确，C选项错误。答案：AD2宇宙和恒星的演化(1)宇宙的演化过程宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。(2)恒星的演化过程【例2】 如下一系列核反应是恒星内部发生的。pCNNCepCN pNOONe pNC其中p为质子，为粒子，e为正电子，是一种中微子。已知质子的质量为mp1.672 6481027 kg，粒子的质量为m6.644 9291027 kg，正电子的质量数为me9.111031 kg，中微子的质量可忽略不计。真空中的光速c3.00108 m/s，试计算该系列反应完成后释放的能量。解析：为求
5、出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p2e2设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2mc22mec2Q代入数值可得Q3.951012 J。答案：3.951012 J3微观粒子与宏观宇宙的统一本节内容告诉我们，研究微观世界“小粒子”的粒子理论、量子理论，与研究“大宇宙”的理论是相互沟通、相互支撑的。宇宙的空间跨度物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一，统一场论在逐渐形成。物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现。正如绪言中所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接
6、在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴。”从上面的图可以看到，人类所在物质世界的空间跨度竟呈现出如此的对称美。名师点拨：中微子e静止质量为零，m中不包括中微子的质量。假定银河系均匀放出能量。一次核聚变生成一个氦核。第一条途径生成23%的氦，第二条途径生成2%的氦。【例3】 天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核(H)聚变成氦核(He)，同时放出2个正电子(e)和2个中微子(e)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量
7、。(2)研究表明，银河系的年龄约为t3.81017 s，每秒钟银河系产生的能量约为11037 J(即P11037 J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中由此产生的氦的含量(最后结果保留一位有效数字)。(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。(可能用到的数据：银河系质量约为M31041 kg，原子质量单位1 u1.661027 kg,1 u相当于1.51010 J的能量，电子质量me0.000 5 u，氦核质量m4.002 6 u，氢核质量mp1.007 8 u，中微子e质量为零。)规范解答：(1)核反应方程：4HHe2e2e，质量亏损：m4mpm2m
8、e0.027 6 u释放的能量Emc20.027 61.51010 J4.141012 J。(2)银河系产生的总能量EPt3.81054 J发生氢核聚变的次数N次9.21065次，氦的质量mNm9.210654.002 61.661027 kg61039 kg氦的含量100%2%。(3)由估算结果知，2%远小于25%，故氦主要是宇宙诞生后3分钟左右生成的。4黑洞的巨大能量和质量关于宇宙和我们人类所在的太阳系结构问题，是人类文化历史中最古老的课题之一。这些问题的科学研究，也就是天文学，推动了物理学的发展，并且对哲学也产生了巨大的影响，今天，天文学已成为物理学不可分割的组成部分，研究它的目的是为了
9、认识宇宙以及构成它的所有宏观部分的形成和发展。这就需要把经验研究，就是观测和实验，与理论研究结合起来，这就使天文学必然与许多物理领域产生必不可少的联系，特别是粒子物理。黑洞是一种非常神秘的天体。它的体积很小，但密度却大得惊人，每立方厘米就有几百亿吨甚至更高。由于它的密度大，所以引力也特别强大，不管什么东西，只要被它吸进去，就别想“爬”出来，连跑得最快的光也逃脱不掉黑洞巨大的引力。由于黑洞本身不发光，所以用任何强大的望远镜都看不见黑洞。尽管如此，大多数科学家仍相信，宇宙中有着许许多多黑洞。当大质量的恒星演化到晚年，经过超新星爆发，就有可能坍缩成黑洞。在宇宙早期，也会形成一些小黑洞。小黑洞的体积只
10、有原子核那么大，质量和一座山差不多，达到上亿吨，里面蕴藏的能量相当于10个大型的发电站。【例4】 已知物体从地球上的逃逸速度v，其中G、M、R分别是万有引力常量、地球的质量和半径。已知G6.671011 Nm2/kg2、光速c2.99108 m/s，求下列问题：(1)逃逸速度大于真空中光速的天体叫做黑洞，设某黑洞的质量等于太阳的质量M1.981030 kg，求它可能的最大半径；(2)在目前天文观测范围内，物质的平均密度为0.4 kg/m3，如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物体都不能脱离宇宙。问宇宙的半径至少为多大？解析：(1)由题目所提供的信息可知，任何天体都存在其所对应的逃逸速度v，对于黑洞来说，其逃逸速度大于真空中的光速，即vc，所以R2.93 km，即太阳成为黑洞时的最大半径为2.93 km。(2)把宇宙视为一普通天体，则质量为MV，其中R为宇宙半径，为宇宙密度，则宇宙所对应的逃逸速度为v，由于宇宙密度使其逃逸速度大于光速，即vc，由以上的三个关系可得R4.21010光年。答案：(1)2.93 km(2)4.21010光年4
高中物理 第十九章 原子核 8 粒子和宇宙学案 新人教版选修3-5
