第15.4节 粒子物理简介（解析版）

第十五章原子核15.4粒子物理简介🧭目标导航学问要点难易度1.反粒子：与粒子的质量相同、电荷量相反2.加速器种类和原理：回旋、直线和同步3.夸克模型：u、d、s的带电量是：、、★★★

★★📚学问精讲一、中微子和正电子的发觉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.试验所证明的存在，又分别发觉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，全部粒子都有反粒子，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年物理学家建筑了一个由大水槽和探测器组成的试验系统，利用中微子与水中的进行核反应，间接地证明白中微子的存在。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：依据电荷数守恒、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。由于争辩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，速度渐渐增大。电子在每节管中运动时间为沟通电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渐渐增大，而后段漂移管的长度基本相同。直线加速器特殊适合对电子的加速。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10MeV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肯定的圆周上，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。同步加速器接受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连续加速。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。欧洲核子争辩中心建有半径为4.3km的同步加速器，可将质子加速至7TeV。5.对撞机依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肯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2×2.8GeV。目前世界最大的对撞机是欧洲核子争辩中心的大型强子对撞机其圆形轨道周长达27km，位于地下100m处，两束质子在其中对撞的能量可达2×7TeV。例2.加速器和对撞机在高能物理试验中都起到很重要的作用。下列描述中正确的是()A.加速器和对撞机都是将带电粒子加速至接近光速的设备B.加速器和对撞机都是利用磁场来加速带电粒子的设备C.对撞机是利用磁场将带电粒子聚焦成束，然后以极高速度放射至对撞点D.加速器和对撞机都是利用高频沟通电来加速带电粒子的设备答案：C解析：加速器主要是将带电粒子加速到更高的能量，而通常不会加速到接近光速的程度，A错误；加速器是利用电场加速，利用磁场将带电粒子聚焦成束，BD错误，C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.留意：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。组成全部粒子的夸克是不一样的。例3.若π+介子、π-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，它们所带电荷量如表所示，表中e为元电荷。粒子π+π-ud带电荷量+e-e+--+(1)按最简洁的组成，π+介子由哪两种粒子组成？(2)按最简洁的组成，π-介子由哪两种粒子组成？答案：(1)夸克u和反夸克(2)夸克d和反夸克解析：(1)π+介子带有+e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u带和反夸克带合成电荷量为e。(2)π-介子带有-e的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d带和反夸克带合成电荷量为-e。✏️巩固练习1.如图是用来说明原子及原子核结构状况的示意图。由此图供应的信息可知：原子是由原子核和核外带________（“正”或“负”）电的电子组成的；原子核内的质子和中子_______（“有”或“没有”）更精细的结构；若该原子_________（“失去”或“得到”）电子后将带正电。答案：负

有

失去解析：[1][2]由图知，原子是由位于中心的原子核和外围带负电的电子构成，组成的原子核的质子和中子也有更精细的结构：夸克。β衰变为中子变为一个电子和质子。[3]原子不带电，失去带负电的电子后将带正电。2.PET（正电子放射型计算机断层显像）的基本原理是：将放射性同位素注入人体，参与人体的代谢过程，在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清楚的图像。依据PET原理，下列说法不正确的是（）A．衰变的方程式为→B．将放射性同位素注入人体，其作用为示踪原子C．一对正负电子湮灭后也可能只生成一个光子D．PET所选的放射性同位素的半衰期应小于人体的代谢周期答案：C解析：A．衰变的方程式为→，A正确；B．将放射性同位素注入人体，在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清楚的图像，故其作用为示踪原子，B正确；C．一对正负电子湮灭后生成两个光子，C错误；D．PET所选的放射性同位素的半衰期应小于人体的代谢周期，否则无法通过探测器探测到，D正确。3.现代物理科学争辩的重要手段是高能物理试验，加速器和粒子对撞机是这些试验中的重要设备。下列关于加速器和粒子对撞机的说法中正确的是()

A.卢瑟福用粒子对撞机实现了他的原子核式结构模型试验

B.加速器是一种把正电荷从低电势位置推向高电势位置的电子装置

C.现代科学争辩中制造大量带电粒子的一种设备叫直线加速器

D.在对撞机中能使粒子增加的能量来自外加的直流电源答案：C

解析：A.卢瑟福的α粒子散射试验结果表明：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90∘，有的甚至几乎达到180∘而被反弹回来，该试验的结果说明原子具有核式结构。故A错误；

B.回旋加速器利用电场使带电粒子加速，磁场使粒子偏转，不是正电荷从低电势位置推向高电势位置的电子装置。故B错误；

C.现代科学争辩中制造大量带电粒子的一种设备叫直线加速器。故C正确；

D.在对撞机中能使粒子增加的能量来自外加的交变电源。故D错误。

4.在高能物理试验中，常用一种粒子注入器(加速器)产生高能粒子，这些高能粒子与静止在太空中的电子发生碰撞，使电子获得能量，关于这个过程中能量转化的说法中正确的是()

A.动能增大B.电势能增大C.电子的电势能转化为动能D.动能转化为电势能答案：AC

解析：依据能量守恒定律知，电子在碰撞过程中动能增大，电势能减小，转化为内能；在碰撞过程中，电子系统所受合外力为零，动量守恒，则碰撞前后系统总动量守恒。故选AC。5.医学上对某些癌症可接受质子疗法治疗，该疗法(设备如图)用肯定能量的质子束照射肿瘤以杀死癌细胞。现用始终线加速器来加速质子，使其在加速电场(可视为匀强电场)中从静止开头被加速到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/sC.质子加速所需的时间约为8×10-6sD.加速电场的电场强度约为1.3×105N/C答案：D解析：A.依据能量守恒定律得，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.依据牛顿其次定律得:qE=ma，解得：E=1.3×105N/C，故D正确。6.下列关于夸克模型的说法中正确的是