第23講“基本”粒子目標導航目標導航課程標準課標解讀了解人類對物質結構的探索歷程。1.了解粒子的發現史。2.知道粒子的分類及特點。3.了解夸克模型。知識精講知識精講知識點01基本粒子與粒子的分類一、“基本”粒子1．人們認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子，把它們叫作“基本粒子”。2．隨著科學的發展，科學家們發現很多新粒子不能看作由質子、中子、電子組成，并發現質子、中子等本身也有自己的復雜的結構。二、發現新粒子1932年發現了正電子，1937年發現了μ子,1947年發現了K介子和π介子，后來發現了超子等。三、粒子的分類1．強子：是參與(填“參與”或“不參與”)強相互作用的粒子，質子和中子都是強子。2．輕子：不參與(填“參與”或“不參與”)強相互作用。電子、電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已發現的輕子。3．規范玻色子：是傳遞各種相互作用的粒子，如光子，中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子。4．希格斯玻色子：是希格斯場的量子激發?！局R拓展】1．新粒子的發現發現時間1932年1937年1947年20世紀60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點質量、壽命、自旋等物理性質與對應粒子相同，而電荷等其他性質相反比質子的質量小質量介于電子與質子之間質量比質子大2.粒子的分類分類參與的相互作用發現的粒子備注強子參與強相互作用質子、中子等強子有內部結構，由“夸克”構成輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發現內部結構規范玻色子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子等光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用希格斯玻色子是希格斯場的量子激發【即學即練1】下列說法正確的是（）A．聚變是裂變的逆反應B．核聚變反應須將反應物加熱到數百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量C．輕核聚變比裂變更為安全、清潔D．強子是參與強相互作用的粒子，中子是最早發現的強子【答案】C【解析】A．聚變和裂變的反應物和生成物完全不同，兩者無直接關系，并非互為逆反應，故A錯誤；B．實現聚變反應必須使參加反應的輕核充分接近，需要數百萬開爾文的高溫，但聚變反應一旦實現，所釋放的能量遠大于所吸收的能量，所以聚變反應還是釋放能量，故B錯誤；C．實現聚變需要高溫，一旦出現故障，高溫不能維持，反應就自動終止了，另外，聚變反應比裂變反應生成的廢物數量少，容易處理，故C正確；D．質子是最早發現的強子，故D錯誤。故選C?！炯磳W即練2】關于粒子，下列說法正確的是（）A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的基本粒子B．強子都是帶電粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位【答案】D【解析】由于中子、質子是由不同的夸克組成的，它們不再是基本粒子，夸克模型是探究強子結構的理論，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的不帶電，不同夸克帶電不同，可能為或，說明電子電荷不再是電荷的最小單位.A.電子、質子和中子是組成物質的不可再分的基本粒子，與結論不相符，選項A錯誤；B.強子都是帶電粒子，與結論不相符，選項B錯誤；C.夸克模型是探究三大類粒子結構的理論，與結論不相符，選項C錯誤；D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位，與結論相符，選項D正確；知識點02夸克與粒子物理標準模型1．夸克、夸克模型：1964年，美國科學家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫作夸克。2．粒子物理標準模型是一整套關于粒子的理論．其中，夸克、輕子、規范玻色子和希格斯玻色子是組成物質的幾類最基本的粒子?！局R拓展】1．夸克的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認為強子是由夸克構成的。2．夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。3．夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷是元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)。4．意義：電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數電荷?！炯磳W即練3】已知介子、介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷。ud帶電荷量下列說法正確的是（）A．由u和組成 B．由和d組成C．由u和組成 D．由和d組成【答案】D【解析】根據各種粒子帶電情況，的帶電荷量為，故由u和組成；的帶電荷量為，故由和d組成。故選D。【即學即練4】根據宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產生的粒子是（）A．夸克、輕子、膠子等粒子 B．質子和中子等強子C．光子、中微子和電子等輕子 D．氫核、氘核、氦核等輕核【答案】A【解析】宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經歷了質子和中子等強子時代，再之后是自由的光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子結合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D的產生都在A之后，故B、C、D錯．能力拓展能力拓展考法01恒星的演化【典例1】晴朗的夜空繁星閃爍，有的恒星顏色偏紅，有的恒星顏色偏藍關于“紅星”和“藍星”表面的溫度，下列說法正確的是（）A．恒星表面的溫度越高，表面顏色越偏紅，所以“紅星”表面的溫度高B．恒星表面的溫度越高，表面顏色越偏藍，所以“藍星”表面的溫度高C．“紅星”和“藍星”表面的溫度一樣高D．恒星的表面顏色與其表面溫度無關【答案】B【解析】恒星的表面顏色取決于它的表面溫度，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍。故選B?？挤?2宇宙的演化【典例2】下列關于宇宙的說法錯誤的是（）A．質量大的恒星壽命反而比較短B．恒星的演化分為誕生期、存在期和死亡期C．光年（1.y.）是一個時間單位，表示一年的時間D．銀河系是一種旋渦狀星系，太陽現在正處于其中的一條旋臂上【答案】C【解析】A．恒星的壽命和它的質量有關，質量越大的恒星壽命越短，故A正確；B．恒星的演化分為誕生期、存在期和死亡期，故B正確；C．光在一年中走過的路程是光年，光年是天文學上常用的長度單位，故C錯誤；D．宇宙是由很多星系組成的，銀河系是一種旋渦狀星系，太陽是銀河系中的一顆恒星，故D正確；本題選擇錯誤的，故選C。分層提分分層提分題組A基礎過關練1．下面關于宇宙的說法正確的是（）A．宇宙是由銀河系和太陽系組成的B．宇宙是由地球和銀河系組成的C．太陽系中只有八大行星繞它運行D．宇宙中有數十億個星系，銀河系是其中的一員【答案】D【解析】宇宙中有數十億個星系，銀河系是這數十億個星系中的一員，太陽是銀河系中的一員。太陽周圍除了八大行星之外，還有若干小行星，彗星等天體繞太陽運動。故選D。2．現代宇宙學告訴我們，恒星在演變過程中，會形成密度很大的天體，如白矮星、中子星或黑洞。據推測，中子星物質的質量是，則中子星的密度約（）A． B．C． D．【答案】C【解析】依題意，有，根據密度公式，有可得中子星的密度約為故選C。4．下列關于恒星觀測的敘述正確的是（）A．沒有閃爍現象 B．亮度最大C．在星空中位置相對不變 D．在星空中移動【答案】C【解析】恒星的定義是能夠自身發光發熱的星體稱為恒星，地球是圍繞恒星運動的行星，故觀測恒星時會發現其在星空中的位置相對不變。故選C。5．關于恒星的描述，下列說法中正確的是（）A．質量越大的恒星，壽命越短B．質量越大的恒星，壽命越長C．表面溫度比太陽高的恒星呈現出比太陽稍紅的顏色D．表面溫度比太陽低的恒星呈現出比太陽稍藍的顏色【答案】A【解析】AB．恒星的壽命和它的質量體積有關，質量越大的恒星壽命越短，這是因為質量越大壓力就越大，這種情況下恒星內部的核反應就更加劇烈，故A正確，B錯誤；CD．恒星的表面顏色取決于它的表面溫度，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍。恒星表面顏色主要有四種，分別是紅、黃、白、藍。太陽的表面顏色是黃色，屬于溫度中等偏低的恒星，故CD錯誤。故選A。6．為了探究宇宙起源，科學家將利用阿爾法磁譜儀（AMS）在太空中尋找“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的?！胺戳Ｗ印迸c其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，則反氫原子是（）A．由1個帶正電荷的質子和1個帶負荷的電子構成B．由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成C．由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成【答案】B【解析】反氫原子由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成。故選B。7．以下說法正確的是（）A．最早發現的輕子是電子，最早發現的強子是中子B．質子、中子、介子和超子都屬于強子C．現代實驗發現強子、輕子都有內部結構D．τ子質量比核子質量大，τ子不屬于輕子【答案】B【解析】A．最早發現的強子是質子，最早發現的輕子是電子，A錯誤；C．強子有內部結構，由夸克組成，現代實驗還沒有發現輕子的內部結構，C錯誤；BD．質子、中子、介子、超子都屬于強子，τ子質量比核子質量大，但仍屬于輕子，D錯誤，B正確。故選B。8．讀天體系統層次框圖，完成下列問題。(1)寫出圖中字母所代表的天體系統的名稱：A_______________；B_______________；C_______________；D_______________；(2)圖中天體系統C的中心天體是_______________；(3)目前我們人類能觀測到的最遠的星系估計為________________億光年。【答案】總星系河外星系太陽系地月系太陽150~200【解析】(1)[1]總星系[2]河外星系[3]太陽系[4]地月系(2)[5]圖中天體系統C的中心天體是太陽。(3)[6]目前我們人類能觀測到的最遠的星系估計為150~200億光年。9．仙女座星系是人們能用肉眼看到的最遙遠的天體，但由于光速有限，你看到來自那里的光線，實際上已經在太空中行進了_________年，因此觀察遙遠的天體就等于在觀察__________________．宇宙很大，所以計算天體間的距離時常用_________作為單位，它等于_________．【答案】200萬宇宙的過去光年【解析】[1]仙女座星系離地球大約200萬光年，看到來自那里的光線，實際上已經在太空中行進了200萬年，因此觀察遙遠的天體就等于在觀察宇宙的過去；[2]由于距離太遠，因此常用光年作單位；[3]光年是光一年走過的距離題組B能力提升練1．現已發現的粒子達400多種。它們大體可被分為哪幾種類別（）A．光子、夸克、強子、質子 B．夸克、輕子、強子、電子C．規范玻色子、希格斯玻色子、輕子、強子 D．質子、中子、電子、光子【答案】C【解析】按照粒子與各種相互作用的關系，大體可以把粒子分為四大類，即強子、輕子、規范玻色子和希格斯玻色子，所以選項C正確，ABD錯誤。故選C。2．中國大科學裝置“東方超環”（EAST）近期實現1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破．由于其內部核反應原理與太陽類似，因此“東方超環”也被稱為“人造太陽”“人造太陽”采用的核反應方程可能是（）A． B．C． D．【答案】B【解析】“人造太陽”利用類似于太陽的核聚變原理產生能量，與核電站中的核裂變不同，其核聚變方程可能為ACD錯誤，B正確。故選B。3．關于宇宙，下列說法中正確的是（）A．當恒星變為紅色的巨星或超巨星時，就意味著這顆恒星正處于壯年B．恒星的壽命取決于亮度C．太陽能夠發光、放熱，主要是因為太陽內部不斷發生化學反應D．銀河系是一種旋渦星系，太陽處在其中的一個旋臂上【答案】D【解析】A．當恒星變為紅色的巨星或超巨星時，就意味著這顆恒星處于死亡期了，A錯誤；B．恒星的壽命取決于質量，B錯誤；C．太陽能夠發光、放熱，主要是因為太陽內部不斷發生核反應，C錯誤；D．銀河系是一種旋渦星系，太陽處在其中的一個旋臂上，D正確。故選D。4．“軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核（稱為母核）俘獲一個核外電子，使其內部的一個質子變為中子，并放出一個中微子，從而變成一個新核（稱為子核）的過程。中微子的質量遠小于質子的質量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的，一個靜止的原子核發生“軌道電子俘獲”，衰變為子核并放出中微子，下面說法正確的是（）A．母核的質量數小于子核的質量數B．子核的動量與中微子的動量大小相同C．母核的電荷數小于子核的電荷數D．子核的動能大于中微子的動能【答案】B【解析】A．質量數等于質子數和中子數之和，母核的質子數減少1個但中子數增加1個，說明母核質量數等于子核的質量數，故A錯誤；B．一個靜止的原子核，動量為零，發生“軌道電子俘獲”，系統動量守恒仍為零，所以子核的動量與中微子的動量大小相同，方向相反，故B正確；C．母核失去了一個質子變成子核，因此電荷數大于子核的電荷數，故C錯誤；D．子核和中微子動量大小相等，動量和動能關系為因子核質量大，所以子核的動能小于中微子的動能，故D錯誤。故選B。5．一個靜止的放射性同位素的原子核衰變為，另一個也靜止的天然放射性元素的原子核衰變為，在同一磁場中得到衰變后粒子的運動軌跡1、2、3、4，如圖所示，則這四條徑跡依次是（）A．電子、、、正電子B．、電子、正電子、C．、正電子、電子、D．正電子、、、電子【答案】B【解析】放射性元素放出正電子時，正粒子與反沖核的速度方向相反，而電性相同，則兩個粒子受到的洛倫茲力方向相反，兩個粒子的軌跡應為外切圓．而放射性元素放出β粒子時，β粒子與反沖核的速度方向相反，而電性相反，則兩個粒子受到的洛倫茲力方向相同，兩個粒子的軌跡應為內切圓．放射性元素放出粒子時，兩帶電粒子的動量守恒．由半徑公式，可得軌跡半徑與動量成正比，與電量成反比，而正電子和β粒子的電量比反沖核的電量小，則正電子和β粒子的半徑比反沖核的半徑都大，故軌跡1、2、3、4依次是：、電子、正電子、，故B正確，ACD錯誤．6．某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為，，，方程式中Q1，Q2表示釋放的能量，相關的原子核質量見下表：原子核質量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001以下推斷正確的是（）A．X是，Q2>Q1 B．X是，Q2>Q1C．X是，Q2<Q1 D．X是，Q2<Q1【答案】B【解析】AC．由核反應方程遵循質量數守恒和電荷數守恒知：X是He，AC錯誤；BD．前一核反應過程的質量虧損Δm1=(1.0078+12.0000-13.0057)u=0.0021u而后一核反應的質量虧損Δm2=(1.0078+15.0001-12.0000-4.0026)u=0.0053u，Δm2>Δm1，故Q2>Q1D錯誤，B正確。故選B。題組C培優拔尖練1．下列有關核反應的方程中，表述正確的是（）A．是核聚變反應 B．是衰變C．是核裂變反應 D．是核裂變反應【答案】AD【解析】AB．是輕核聚變反應，A正確，B錯誤；C．核裂變是重核在中子轟擊下分裂成中等核，并放出大量核能的反應，不是核裂變反應，C錯誤；D．是重核裂變反應，D正確。故選AD。2．科學家使用核反應獲取氚，再利用氘和氚的核反應獲得能量，核反應方程分別為和．下列表述正確的有（）A．是中子 B．的質子數是3，中子數是6C．兩個核反應都沒有質量虧損 D．氘和氚的核反應是核聚變反應【答案】AD【解析】A．根據核反應方程的質量數電荷數所以是中子，A正確；B．根據核反應方程是中子，所以的質量數電荷數所以的質子數是3，中子數是3，B錯誤；C．兩個核反應都有大量的能量釋放出來，所以一定都有質量虧損，C錯誤；D．氘和氚的核反應是核聚變反應，D正確。故選AD。3．關于人們發現的新粒子，下列說法正確的是（）A．許多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分為強子、輕子、媒介子，根據是粒子與各種相互作用的關系C．質子屬于強子D．光子屬于輕子【答案】ABC【解析】A．許多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電量，但電荷的符號相反，故A正確；BCD．粒子分為三大類：媒介子、輕子和強子，依據其相互作用的關系，質子和中子屬于強子，光子屬于媒介子，τ子屬于輕子，故BC正確，D錯誤；故選ABC。4．2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣布人類第一次利用激光干涉法直接探測到來自雙中子星合并（距地球約1.3億光年）的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號，此后2秒，美國費米太空望遠鏡觀測到同一來源發出的伽馬射線暴，這是人類歷史上第一次使用引力波天文臺和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標志著以多種觀測方式為特點的“多信使”天文學進入一個新時代，也證實了愛因斯坦100多年前在廣義相對論中有關引力波的預言，引力波是由黑洞、中子星等碰撞產生的一種時空漣漪，宛如石頭丟進水里產生的波紋．根據以上信息判斷正確的是A．引力波的傳播速度等于光束B．具有質量的物體能產生引力波C．干涉是波具有的性質，所以激光也是一種波D．引力波的傳播需要空氣作為介質【答案】ABC【解析】A．發現引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號，說明引力波的傳播速度等于光束，故A正確；B．引力波是由黑洞、中子星等碰撞產生的一種時空漣漪，