第十五章原子核15.4粒子物理簡介??目標(biāo)導(dǎo)航知識要點(diǎn)難易度1.反粒子：與粒子的質(zhì)量相同、電荷量相反2.加速器種類和原理：回旋、直線和同步3.夸克模型：u、d、s的帶電量是：、、★★★

★★??知識精講一、中微子和正電子的發(fā)現(xiàn)1.β射線的能量卻是連續(xù)分布的，衰變產(chǎn)生的電子的能量竟然小于原子核始、末定態(tài)的能量差。2.能量守恒，在β衰變的同時(shí)產(chǎn)生中微子(符號為)。3.β衰變過程中，核子之間的相互作用不同于核力，物理學(xué)家將這種作用稱為弱相互作用。4.實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的存在，又分別發(fā)現(xiàn)了另外兩種中微子和。5.一對能量為0.51MeV的γ粒子可在真空中產(chǎn)生一對正負(fù)電子對。反過來，如正電子和電子相遇則會發(fā)生湮沒，化成一對γ粒子。6.反粒子與粒子具有相同的質(zhì)量、相反的電荷量。粒子物理學(xué)認(rèn)為，所有粒子都有反粒子，如：反質(zhì)子、反中子，有些粒子(如光子)的反粒子就是它本身。例1.在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出，1953年物理學(xué)家建造了一個由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中的進(jìn)行核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。中微子與水中的發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子（）和正電子（），即中微子+→+，由此可以判定中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是（）(A)0、0(B)0、1(C)1、0(D)1、1答案：A解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒，知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都為0。二、加速器和對撞機(jī)1.加速器種類：回旋加速器、直線加速器和同步加速器。因?yàn)檠芯苛Ｗ游锢硗ǔＰ枰酶吣芗铀倨鳎粤Ｗ游锢韺W(xué)也稱為高能物理學(xué)。2.回旋加速器原理示意圖3.直線加速器原理示意圖電子或離子沿直線路徑通過一系列漂移管(圖中管狀導(dǎo)體)，加在漂移管上的電場是交變的。例如，對于電子而言，每當(dāng)電子到達(dá)兩個相鄰漂移管交界處，電子前方的漂移管總是接在電源正極，電子后方的漂移管總是接在電源的負(fù)極。這樣，電子在漂移管中做勻速運(yùn)動，在漂移管間隙處被加速。電子加速的初期，速度逐漸增大。電子在每節(jié)管中運(yùn)動時(shí)間為交流電T/2。由于電子質(zhì)量很小，經(jīng)加速后，其速度很快接近光速。故直線加速器前段的漂移管長度逐漸增大，而后段漂移管的長度基本相同。直線加速器特別適合對電子的加速。應(yīng)用：對腫瘤進(jìn)行放療的γ射線，就是利用經(jīng)直線加速器加速達(dá)10MeV的電子轟擊金屬后產(chǎn)生的。4.同步加速器同步加速器原理示意圖：

同步加速器將長度相同的漂移管排列在半徑一定的圓周上，被加速的帶電粒子可以通過沿圓周多次繞行獲得更大的能量而無需增加加速器的長度。如圖所示，移管中超導(dǎo)磁鐵的磁場使帶電粒子沿圓周運(yùn)動，而相鄰漂移管間的交變電場使粒子加速。經(jīng)加速的粒子通過每個漂移管的時(shí)間越來越短，同時(shí)粒子做圓周運(yùn)動所需的洛倫茲力越來越大。同步加速器采用同步增大磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度和加速電場變化頻率的方法將粒子約束在圓周軌道上繼續(xù)加速。同步加速器中的帶電粒子沿圓周運(yùn)動會向外輻射電磁波，這種輻射稱為同步輻射。歐洲核子研究中心建有半徑為4.3km的同步加速器，可將質(zhì)子加速至7TeV。5.對撞機(jī)根據(jù)動量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量取決于粒子的相對速度。粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入對撞機(jī)在對撞機(jī)中，兩束粒子流反向沿圓周運(yùn)動，同時(shí)進(jìn)一步被加速，在軌道交叉處相互對撞。北京正負(fù)電子對撞機(jī)于1988年建成，電子和正電子束的對撞能量為2×2.8GeV。目前世界最大的對撞機(jī)是歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)其圓形軌道周長達(dá)27km，位于地下100m處，兩束質(zhì)子在其中對撞的能量可達(dá)2×7TeV。例2.加速器和對撞機(jī)在高能物理實(shí)驗(yàn)中都起到很重要的作用。下列描述中正確的是()A.加速器和對撞機(jī)都是將帶電粒子加速至接近光速的設(shè)備B.加速器和對撞機(jī)都是利用磁場來加速帶電粒子的設(shè)備C.對撞機(jī)是利用磁場將帶電粒子聚焦成束，然后以極高速度發(fā)射至對撞點(diǎn)D.加速器和對撞機(jī)都是利用高頻交流電來加速帶電粒子的設(shè)備答案：C解析：加速器主要是將帶電粒子加速到更高的能量，而通常不會加速到接近光速的程度，A錯誤；加速器是利用電場加速，利用磁場將帶電粒子聚焦成束，BD錯誤，C正確。三、夸克模型1.夸克模型質(zhì)子、中子等粒子都是由更基本的3種夸克組成，分別稱為上夸克(符號為u)、下夸克(符號為d)和奇異夸克(符號為s)，每一種夸克都有對應(yīng)的反粒子反夸克符號分別是、、。u夸克、d夸克、s夸克所帶的電荷量分別是、、。質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d克組成。1個夸克和1個反夸克組成介子，3個夸克或3個反夸克則組成重子，介子和重子統(tǒng)稱為強(qiáng)子。2.注意：夸克模型說明電子所帶電量不是最小電荷單位。電子不是由夸克組成的，到目前為止，電子不能再分。組成所有粒子的夸克是不一樣的。例3.若π+介子、π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，它們所帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。粒子π+πud帶電荷量+ee++(1)按最簡單的組成，π+介子由哪兩種粒子組成？(2)按最簡單的組成，π介子由哪兩種粒子組成？答案：(1)夸克u和反夸克(2)夸克d和反夸克解析：(1)π+介子帶有+e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克u帶和反夸克帶合成電荷量為e。(2)π介子帶有e的電荷量，是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克d帶和反夸克帶合成電荷量為e。??鞏固練習(xí)1.如圖是用來說明原子及原子核結(jié)構(gòu)情況的示意圖。由此圖提供的信息可知：原子是由原子核和核外帶________（“正”或“負(fù)”）電的電子組成的；原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子_______（“有”或“沒有”）更精細(xì)的結(jié)構(gòu)；若該原子_________（“失去”或“得到”）電子后將帶正電。答案：負(fù)

有

失去解析：[1][2]由圖知，原子是由位于中心的原子核和外圍帶負(fù)電的電子構(gòu)成，組成的原子核的質(zhì)子和中子也有更精細(xì)的結(jié)構(gòu)：夸克。β衰變?yōu)橹凶幼優(yōu)橐粋€電子和質(zhì)子。[3]原子不帶電，失去帶負(fù)電的電子后將帶正電。2.PET（正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像）的基本原理是：將放射性同位素注入人體，參與人體的代謝過程，在人體內(nèi)衰變放出正電子，與人體內(nèi)負(fù)電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子，被探測器探測到，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清晰的圖像。根據(jù)PET原理，下列說法不正確的是（）A．衰變的方程式為→B．將放射性同位素注入人體，其作用為示蹤原子C．一對正負(fù)電子湮滅后也可能只生成一個光子D．PET所選的放射性同位素的半衰期應(yīng)小于人體的代謝周期答案：C解析：A．衰變的方程式為→，A正確；B．將放射性同位素注入人體，在人體內(nèi)衰變放出正電子，與人體內(nèi)負(fù)電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子，被探測器探測到，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后產(chǎn)生清晰的圖像，故其作用為示蹤原子，B正確；C．一對正負(fù)電子湮滅后生成兩個光子，C錯誤；D．PET所選的放射性同位素的半衰期應(yīng)小于人體的代謝周期，否則無法通過探測器探測到，D正確。3.現(xiàn)代物理科學(xué)研究的重要手段是高能物理實(shí)驗(yàn)，加速器和粒子對撞機(jī)是這些實(shí)驗(yàn)中的重要設(shè)備。下列關(guān)于加速器和粒子對撞機(jī)的說法中正確的是()

A.盧瑟福用粒子對撞機(jī)實(shí)現(xiàn)了他的原子核式結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)

B.加速器是一種把正電荷從低電勢位置推向高電勢位置的電子裝置

C.現(xiàn)代科學(xué)研究中制造大量帶電粒子的一種設(shè)備叫直線加速器

D.在對撞機(jī)中能使粒子增加的能量來自外加的直流電源答案：C

解析：A.盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并有極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至幾乎達(dá)到180°而被反彈回來，該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明原子具有核式結(jié)構(gòu)。故A錯誤；

B.回旋加速器利用電場使帶電粒子加速，磁場使粒子偏轉(zhuǎn)，不是正電荷從低電勢位置推向高電勢位置的電子裝置。故B錯誤；

C.現(xiàn)代科學(xué)研究中制造大量帶電粒子的一種設(shè)備叫直線加速器。故C正確；

D.在對撞機(jī)中能使粒子增加的能量來自外加的交變電源。故D錯誤。

4.在高能物理實(shí)驗(yàn)中，常用一種粒子注入器(加速器)產(chǎn)生高能粒子，這些高能粒子與靜止在太空中的電子發(fā)生碰撞，使電子獲得能量，關(guān)于這個過程中能量轉(zhuǎn)化的說法中正確的是()

A.動能增大B.電勢能增大C.電子的電勢能轉(zhuǎn)化為動能D.動能轉(zhuǎn)化為電勢能答案：AC

解析：根據(jù)能量守恒定律知，電子在碰撞過程中動能增大，電勢能減小，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；在碰撞過程中，電子系統(tǒng)所受合外力為零，動量守恒，則碰撞前后系統(tǒng)總動量守恒。故選AC。5.醫(yī)學(xué)上對某些癌癥可采用質(zhì)子療法治療，該療法(設(shè)備如圖)用一定能量的質(zhì)子束照射腫瘤以殺死癌細(xì)胞?，F(xiàn)用一直線加速器來加速質(zhì)子，使其在加速電場(可視為勻強(qiáng)電場)中從靜止開始被加速到1.0×107m/s。已知質(zhì)子的質(zhì)量為1.67×1027kg、電荷量為1.6×1019C，加速器加速的直線長度為4m。下列說法正確的是()A.加速過程中質(zhì)子的電勢能增加B加速過程中質(zhì)子的加速度約為2.5×1013m/sC.質(zhì)子加速所需的時(shí)間約為8×106sD.加速電場的電場強(qiáng)度約為1.3×105N/C答案：D解析：A.根據(jù)能量守恒定律得，動能增加，電勢能減小，故A錯誤；B.由速度位移的關(guān)系式得：，故B錯誤；C.加速時(shí)間為：，故C錯誤；D.根據(jù)牛頓第二定律得:qE=ma，解得：E=1.3×105N/C，故D正確。6.下列關(guān)于夸克模型的說法中正確的是(