2025學(xué)年高中物理必修62模塊測試卷：量子力學(xué)與粒子物理實驗題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（本大題共15小題，每小題4分，共60分。在每小題列出的四個選項中，只有一項是最符合題目要求的。）1.小明同學(xué)在實驗室里做量子力學(xué)實驗，他觀察到電子通過一個狹縫后在屏幕上形成了干涉條紋。這個現(xiàn)象最能說明什么問題呢？A.電子具有波動性B.電子具有粒子性C.電子既不是波也不是粒子D.電子的質(zhì)量非常大，所以表現(xiàn)出波動性。我覺得這道題應(yīng)該選A，因為干涉條紋是波特有的現(xiàn)象，說明電子確實像波一樣在空間中傳播和疊加。2.李老師在教學(xué)時提到，一個電子從n=4能級躍遷到n=2能級時會發(fā)出光子。如果這個光子的能量剛好被一個基態(tài)氫原子吸收，使它從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，那么這個激發(fā)態(tài)是哪個能級呢？A.n=2B.n=3C.n=4D.n=5。我覺得應(yīng)該是B，因為能級躍遷是量子化的，4到2發(fā)出的光子能量正好能讓2到3的躍遷發(fā)生。3.趙同學(xué)在做α粒子散射實驗時，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后幾乎沿原方向前進，但有少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，還有極少數(shù)甚至被反射回來。這個實驗最重要的結(jié)論是什么？A.原子中絕大部分空間是空的B.原子核帶正電C.原子核的質(zhì)量非常大D.電子是原子的組成部分。我覺得B和C都挺有道理的，但老師上課時強調(diào)的是原子核帶正電，所以選B。4.陳老師在課堂上展示了一個核反應(yīng)方程：?2?C+?1H→??3Al+?1n。這個反應(yīng)屬于哪種類型？A.裂變反應(yīng)B.聚變反應(yīng)C.α衰變D.β衰變。我覺得應(yīng)該是B，因為小質(zhì)量核合并成了大質(zhì)量核，這是典型的聚變反應(yīng)。5.孫同學(xué)在研究正電子時發(fā)現(xiàn)，正電子和電子相遇會發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個γ光子。這個過程中哪個說法是正確的？A.質(zhì)量完全轉(zhuǎn)化為能量B.電荷數(shù)守恒C.動量守恒D.能量不守恒。我覺得B和C都應(yīng)該對，因為電荷數(shù)在湮滅前后要守恒，而且系統(tǒng)總動量也必須守恒。6.張老師問學(xué)生：如果用中子轟擊鈾235，會發(fā)生什么現(xiàn)象？A.發(fā)生α衰變B.發(fā)生β衰變C.發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎僁.發(fā)生聚變。我覺得應(yīng)該是C，因為鈾235在吸收中子后會變得極不穩(wěn)定，分裂成兩個較小的核，同時釋放出更多的中子和能量。7.某同學(xué)在實驗室用云室觀察μ子衰變，發(fā)現(xiàn)μ子會衰變成電子、一個μ子中微子和一個電子反中微子。這個過程中哪個量是守恒的？A.電荷B.質(zhì)量數(shù)C.動量D.能量。我覺得應(yīng)該是C和D，因為衰變前后系統(tǒng)的總動量和總能量都是守恒的。8.劉老師在講解CP對稱性時提到，弱相互作用下這個對稱性是不成立的。她舉了一個例子：一個中性K介子可以衰變成兩個π介子，但這個衰變過程是CP不守恒的。這個例子最能說明什么？A.弱相互作用下宇稱不守恒B.強相互作用下CP守恒C.光子是中性粒子D.中子會衰變。我覺得應(yīng)該是A，因為K介子的衰變方式確實違背了CP對稱性。9.周同學(xué)在做康普頓效應(yīng)實驗時，發(fā)現(xiàn)入射光子與電子碰撞后波長變長了。這個現(xiàn)象最能說明什么？A.光子具有粒子性B.光子具有波動性C.電子具有波動性D.電子具有粒子性。我覺得應(yīng)該是A，因為康普頓效應(yīng)是光子與電子碰撞后能量和動量都發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是粒子碰撞的特征。10.吳老師在課堂上提到，一個質(zhì)子的電荷量是1.6×10?1?庫侖，一個反質(zhì)子的電荷量是-1.6×10?1?庫侖。如果它們相遇湮滅，會產(chǎn)生多少個γ光子？A.1個B.2個C.3個D.無法確定。我覺得應(yīng)該是B，因為質(zhì)子和反質(zhì)子湮滅時，正負電荷會中和，同時釋放出能量，通常產(chǎn)生兩個γ光子。11.某同學(xué)在研究基本粒子時發(fā)現(xiàn)，一個μ子中微子可以與一個電子反中微子發(fā)生相互作用，生成一個Z?玻色子。這個過程中哪個粒子是不參與相互作用的？A.W?玻色子B.Z?玻色子C.γ光子D.膠子。我覺得應(yīng)該是D，因為膠子只在強相互作用中出現(xiàn)，而中微子和Z?玻色子參與的是弱相互作用。12.鄭老師問學(xué)生：為什么夸克會組合成質(zhì)子和中子？A.因為夸克帶有分數(shù)電荷B.因為夸克之間有強相互作用C.因為夸克質(zhì)量比輕子大D.因為夸克會湮滅。我覺得應(yīng)該是B，因為正是強相互作用把夸克束縛在一起，形成了穩(wěn)定的復(fù)合粒子。13.某同學(xué)在研究τ輕子時發(fā)現(xiàn)，τ輕子可以衰變成一個μ子、一個μ子中微子和一個τ子中微子。這個衰變過程涉及哪種相互作用？A.強相互作用B.弱相互作用C.電磁相互作用D.引力相互作用。我覺得應(yīng)該是B，因為輕子的衰變都屬于弱相互作用。14.楊老師在講解標(biāo)準(zhǔn)模型時提到，希格斯機制可以解釋為什么粒子有質(zhì)量。她問學(xué)生：希格斯玻色子的自旋是多少？A.0B.1C.2D.3/2。我覺得應(yīng)該是A，因為希格斯玻色子是標(biāo)量粒子，自旋為0。15.趙同學(xué)在做粒子對產(chǎn)生實驗時，發(fā)現(xiàn)一個高能光子在原子核附近可以產(chǎn)生一個電子和一個正電子。這個過程中哪個量是守恒的？A.電荷B.質(zhì)量數(shù)C.動量D.能量。我覺得應(yīng)該是A、C和D，因為對產(chǎn)生過程要滿足電荷守恒、動量守恒和能量守恒。二、填空題（本大題共5小題，每小題4分，共20分。把答案填在題中橫線上。）16.一個中子衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個電子反中微子，這個衰變過程釋放的能量是多少？如果這個能量全部轉(zhuǎn)化為一個γ光子的能量，那么這個γ光子的頻率是多少？（普朗克常數(shù)h=6.63×10?3?焦耳·秒，光速c=3.00×10?米/秒）17.在盧瑟福α粒子散射實驗中，一個α粒子與金箔上的原子核發(fā)生正碰，距離最近時距離原子核中心有多近？（α粒子的電荷量為2e，質(zhì)量為4u，原子核的電荷量為79e，質(zhì)量為238u，1u=1.66×10?2?千克）18.一個質(zhì)子與一個反質(zhì)子相遇湮滅，產(chǎn)生的兩個γ光子的總能量是多少？（質(zhì)子的靜止能量為938兆電子伏特）19.在標(biāo)準(zhǔn)模型中，傳遞弱相互作用的粒子有哪些？它們的自旋分別是多少？20.如果一個中微子與一個電子發(fā)生散射，這個散射過程屬于哪種相互作用？為什么？三、簡答題（本大題共3小題，每小題6分，共18分。）21.解釋一下什么是量子隧穿效應(yīng)，并舉例說明它在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。22.為什么說中微子是輕子的一種？它與普通輕子（如電子、μ子）有什么區(qū)別？23.簡述一下標(biāo)準(zhǔn)模型的四個基本相互作用，并說明它們是如何傳遞的。四、論述題（本大題共1小題，10分。）24.康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)都是光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象，但它們描述的是不同的物理過程。請分別解釋這兩種效應(yīng)，并說明它們對光的本性的認識有何貢獻。五、實驗題（本大題共1小題，12分。）25.某同學(xué)在實驗室里用云室觀察α粒子散射實驗，他記錄了以下數(shù)據(jù)：α粒子的入射速度v?=1.0×10?米/秒，α粒子與原子核的最小距離d=4.0×10?1?米，α粒子的質(zhì)量mα=6.64×10?2?千克。請根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算原子核的質(zhì)量，并說明這個質(zhì)量與實際原子核質(zhì)量（約1.67×102?千克）相比有什么差異。為什么會出現(xiàn)這種差異？三、簡答題（本大題共3小題，每小題6分，共18分。）21.解釋一下什么是量子隧穿效應(yīng)，并舉例說明它在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用。量子隧穿效應(yīng)這事兒啊，我平時跟學(xué)生講的時候，他們往往覺得挺神奇的。你想想看，按咱們經(jīng)典物理的看法，一個球要滾上一個坡坎，沒足夠的能量是過不去的。但在量子世界里，這球兒好像有本事“鉆”過去一樣，即使它的能量連坡坎的高度都不夠。這其實就是量子隧穿效應(yīng)。簡單說，就是微觀粒子可以像波一樣，穿過一個它本身能量不足以逾越的勢壘。這跟波函數(shù)的性質(zhì)有關(guān)，波函數(shù)會隨著距離衰減，但不會完全消失，所以有一定的概率能穿透過去。我在課堂上通常會舉隧道二極管的例子，這玩意兒就是利用了電子的隧穿效應(yīng)。當(dāng)電壓不高時，電子很難通過P型和N型半導(dǎo)體之間的勢壘，但當(dāng)電壓達到一定值時，電子就能隧穿過去，形成電流。這技術(shù)在現(xiàn)代電子學(xué)里用得可廣泛了，像固態(tài)硬盤（SSD）里的閃存，就是利用了隧穿效應(yīng)來存儲信息的。每次寫入或擦除數(shù)據(jù)，其實就是改變隧道效應(yīng)的隧穿概率。22.為什么說中微子是輕子的一種？它與普通輕子（如電子、μ子）有什么區(qū)別？中微子這小子啊，真是個特別的存在。說它是輕子的一種，主要是看它在標(biāo)準(zhǔn)模型里的分類。輕子家族分三大類：費米子有電子、μ子、τ子這三種charged輕子，還有中微子這三種neutral輕子。中微子不帶電，而且質(zhì)量非常非常小，甚至有可能是零（雖然現(xiàn)在實驗證據(jù)傾向于它有非常非常小的質(zhì)量）。它在反應(yīng)里常常是“神出鬼沒”，因為不帶電，跟電磁力沒發(fā)，而且質(zhì)量小，跟強相互作用也搭不上界，主要就是參與弱相互作用。我跟學(xué)生講的時候，會強調(diào)它“幽靈般”的性質(zhì)。跟電子、μ子比，區(qū)別太大了。首先，電荷，電子帶負電，μ子跟電子差不多，中微子不帶電。其次，質(zhì)量，電子和μ子都有明顯的靜止質(zhì)量，中微子質(zhì)量小得多得多。再次，相互作用，電子和μ子參與電磁相互作用和弱相互作用，中微子主要只參與弱相互作用（理論上可能還參與引力，但還沒實驗證據(jù)）。還有一個關(guān)鍵區(qū)別是，電子和μ子有對應(yīng)的反粒子，而且它們可以跟其他粒子發(fā)生散射，但中微子直到上世紀(jì)50年代才被間接發(fā)現(xiàn)，它的反粒子后來才找到，而且它很難跟其他粒子發(fā)生散射，必須用特殊的大質(zhì)量探測器才能捕捉到它。我在課堂上會拿它們的質(zhì)量和相互作用范圍做比喻，說中微子就像個“小不點”，跑得快，不愛跟別人打交道。23.簡述一下標(biāo)準(zhǔn)模型的四個基本相互作用，并說明它們是如何傳遞的。標(biāo)準(zhǔn)模型里，我們認識到的基本相互作用有四種，我平時講課，會一個一個給同學(xué)們介紹。首先是引力相互作用，這大家最熟悉了，萬物皆有的引力，由交換引力子傳遞，但這個引力子在標(biāo)準(zhǔn)模型里還沒被實驗證實，而且引力在微觀尺度上表現(xiàn)得很弱。我通常會跟學(xué)生說，宏觀上我們靠引力，微觀上它就“蔫兒了”。然后是電磁相互作用，這個由交換光子傳遞，光子是不帶電的中性粒子，速度是光速，它使得帶電粒子之間產(chǎn)生吸引或排斥力。這個相互作用范圍是無限遠的，而且隨著距離增加而減弱，但非常強。我在課堂上會拿磁鐵吸引鐵釘來說明，雖然距離遠了也吸，但距離太遠就吸不住了。接下來是強相互作用，這個是維系原子核的“膠水”，由交換膠子（八種）傳遞，膠子本身不帶電，但強相互作用會隨著距離增加而迅速增強，所以原子核能穩(wěn)穩(wěn)地待在一起。我通常會打個比方，說它像膠水一樣把夸克粘在質(zhì)子和中子里。最后是弱相互作用，這個負責(zé)一些粒子衰變，比如中子衰變成質(zhì)子、電子和反中微子，就是由交換W和Z玻色子傳遞的，這個相互作用范圍非常短，比強相互作用還短得多，而且相對弱。我會在課堂上舉中子衰變的例子，解釋為什么它會變成質(zhì)子。這四種相互作用，傳遞機制都是通過交換粒子實現(xiàn)的，就像兩個人傳遞一個球一樣，這個“球”就是力介子，不過物理里叫力子。這四種作用力的強度、作用范圍和參與粒子都是標(biāo)準(zhǔn)模型的核心內(nèi)容。四、論述題（本大題共1小題，10分。）24.康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)都是光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象，但它們描述的是不同的物理過程。請分別解釋這兩種效應(yīng)，并說明它們對光的本性的認識有何貢獻?？灯疹D效應(yīng)和光電效應(yīng)，這倆可是光學(xué)里的兩個重要效應(yīng)，它們都揭示了光與物質(zhì)相互作用的不同側(cè)面，也幫助咱們理解了光的雙重性質(zhì)。首先說光電效應(yīng)吧，這效應(yīng)我上課時經(jīng)常用光電管來演示。當(dāng)光子照射到金屬表面時，如果光子的能量足夠大，就能把金屬里的電子打出來，形成光電流。這個效應(yīng)的關(guān)鍵點在于，光電流的大小跟入射光的強度有關(guān)，但產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率必須大于某個閾值頻率，跟強度沒關(guān)系。這個現(xiàn)象用經(jīng)典的波動理論是解釋不通的，因為按照波動理論，光強越大，光子能量就越大，應(yīng)該隨便什么頻率都能打出電子來才對。但實驗結(jié)果不是這樣。愛因斯坦在1905年提出了光量子假說，認為光是由一份份不連續(xù)的能量子組成的，每個能量子就是光子，能量E=hν（h是普朗克常數(shù)，ν是頻率）。只有當(dāng)光子的能量足夠大（hν≥W?，W?是金屬的逸出功）時，才能打出一個電子。這個解釋不僅完美符合實驗事實，還預(yù)言了截止頻率的存在，后來的實驗證實了這一點。所以，光電效應(yīng)證明了光的粒子性，特別是證明了光的能量是不連續(xù)的，為光的量子理論奠定了基礎(chǔ)。然后是康普頓效應(yīng)，這個效應(yīng)我通常會拿X射線管和石墨靶來講解。當(dāng)高能光子跟物質(zhì)中的自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞時，光子會把一部分能量和動量傳遞給電子，自身能量減小，波長變長，并且改變傳播方向。這個效應(yīng)的關(guān)鍵點是，散射后的光子波長發(fā)生了變化，而且這個波長的改變量跟散射角度有關(guān)，還跟散射物質(zhì)有關(guān)。這個現(xiàn)象同樣無法用經(jīng)典的波動理論解釋，因為按照波動理論，光子跟電子碰撞后，只是能量和動量交換，但波長不應(yīng)該發(fā)生變化?？灯疹D在1923年提出了解釋，仍然采用光量子假說，認為光子跟電子是發(fā)生彈性碰撞，遵守能量守恒和動量守恒定律。碰撞后，電子獲得動能，光子能量減小，所以頻率降低，波長變長。康普頓效應(yīng)不僅進一步證實了光的粒子性，還揭示了光子不僅具有能量，還具有動量。這個效應(yīng)還間接證明了電子的質(zhì)量比光子質(zhì)量大得多，因為在完全彈性碰撞中，如果電子質(zhì)量跟光子質(zhì)量相差不多，大部分能量會傳給電子，光子能量變化不會那么明顯。康普頓效應(yīng)的成功解釋，使光的量子理論更加深入人心，也為后來發(fā)展起來的量子電動力學(xué)（QED）提供了重要的實驗依據(jù)?？偟膩碚f，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)從不同角度揭示了光的粒子性，一個是關(guān)于光子與電子相互作用的基礎(chǔ)現(xiàn)象，一個是關(guān)于光子與電子彈性碰撞的進階現(xiàn)象，它們共同構(gòu)成了我們理解光的本性的重要基石。五、實驗題（本大題共1小題，12分。）25.某同學(xué)在實驗室里用云室觀察α粒子散射實驗，他記錄了以下數(shù)據(jù)：α粒子的入射速度v?=1.0×10?米/秒，α粒子與原子核的最小距離d=4.0×10?1?米，α粒子的質(zhì)量mα=6.64×10?2?千克。請根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算原子核的質(zhì)量，并說明這個質(zhì)量與實際原子核質(zhì)量（約1.67×102?千克）相比有什么差異。為什么會出現(xiàn)這種差異？這個實驗題啊，我平時會讓學(xué)生結(jié)合盧瑟福的散射公式來解。根據(jù)盧瑟福散射公式，α粒子被原子核散射的角度θ滿足tan(θ/2)=(Z?Z?e2/(4πε?hd))，其中Z?是α粒子的電荷數(shù)（2），Z?是原子核的電荷數(shù)（未知），e是基本電荷（1.6×10?1?庫侖），ε?是真空介電常數(shù)（8.85×10?12庫侖2/牛頓·米2），h是普朗克常數(shù)（這個題目里好像不用，可能是題目數(shù)據(jù)有誤或者想考察其他方面），d是α粒子與原子核的最小距離。不過，題目里給的是最小距離，這其實對應(yīng)的是α粒子跟原子核中心的最短距離，這時候α粒子的動量方向跟原子核中心的距離垂直。我們可以利用能量守恒和角動量守恒來計算原子核的質(zhì)量。最小距離時，α粒子的動能幾乎完全轉(zhuǎn)化為勢能，根據(jù)能量守恒，mv?2/2=k(Z?Z?e2/d)，其中m是α粒子的質(zhì)量，v?是α粒子的入射速度，k是庫侖常數(shù)（k=1/(4πε?))。同時，根據(jù)角動量守恒，mv?d=mdv⊥，其中dv⊥是α粒子在最小距離時的速度垂直分量。因為α粒子在最小距離時速度方向跟動量方向垂直，所以dv⊥實際上就是α粒子的散射角θ非常小時，v?≈dv。所以，我們可以近似認為mv?2≈2k(Z?Z?e2/d)?，F(xiàn)在我們來計算原子核的質(zhì)量M。根據(jù)角動量守恒，mv?d=Mv，其中v是原子核的反沖速度。因為α粒子的質(zhì)量遠大于原子核的質(zhì)量，所以α粒子的速度變化很小，可以近似認為原子核的反沖速度v≈mv?。所以，M=mv?2/v≈mv?2/mv?=mv?/v?，F(xiàn)在我們來看能量守恒方程，mv?2≈2k(Z?Z?e2/d)，所以M≈2k(Z?Z?e2/d)/v2。因為v≈v?，所以M≈2k(Z?Z?e2/d)/v?2。代入數(shù)據(jù)，M≈2*(9×10?)*(2*1.6×10?1?)2/(4.0×10?1?)/(1.0×10?)2≈1.97×102?千克。這個計算結(jié)果跟實際原子核質(zhì)量（約1.67×102?千克）相比，差異還是挺大的，計算結(jié)果大了差不多1.2倍。為什么會出現(xiàn)這種差異呢？主要有兩個原因。第一，這個計算方法是一種近似方法，它假設(shè)了α粒子與原子核之間的相互作用完全是庫侖力，忽略了原子核內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和其他相互作用。實際上，原子核并不是一個點電荷，它的大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會影響散射結(jié)果。第二，這個計算假設(shè)了原子核是靜止的，但實際上原子核也會因為α粒子的散射而獲得反沖，這個反沖在計算中已經(jīng)被考慮進去了，但原子核內(nèi)部的粒子也會隨之運動，這會增加原子核的“有效質(zhì)量”。所以，理論計算值比實際值要大，這也是物理學(xué)研究中常見的現(xiàn)象，理論模型總會有一些簡化，跟實際情況會有出入。不過，這個實驗還是很重要的，它間接證明了原子核的存在和大小，為后來的核物理發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本次試卷答案如下一、選擇題1.A。解析思路：干涉條紋是波特有的現(xiàn)象，體現(xiàn)了波的疊加原理。電子能形成干涉條紋，說明它在空間中傳播時表現(xiàn)出波動性，驗證了德布羅意波的理論。2.B。解析思路：能級躍遷是量子化的，4到2能級發(fā)出的光子能量E=hc/λ，這個能量剛好被基態(tài)氫原子吸收，使其從n=1躍遷到n=2能級，吸收的能量也是hc/λ。所以這個光子能量對應(yīng)的躍遷是2到3，即n=2到n=3。3.B。解析思路：絕大多數(shù)α粒子幾乎沿原方向前進，說明原子大部分空間是空的；少數(shù)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，說明遇到了一個帶正電的很小區(qū)域，這個區(qū)域就是原子核；極少數(shù)被反射回來，進一步說明原子核帶正電且體積很小。最重要的結(jié)論是原子核帶正電。4.B。解析思路：小質(zhì)量核（氫核）合并成大質(zhì)量核（鋁核），同時釋放能量，這是典型的聚變反應(yīng)特征。裂變是重核分裂成輕核，α衰變是重核放出一個α粒子，β衰變是中子變質(zhì)子或質(zhì)子變中子伴隨電子或正電子發(fā)射。5.B。解析思路：正電子和電子相遇湮滅，正負電荷中和，所以總電荷數(shù)為0，電荷數(shù)守恒。湮滅過程質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，但系統(tǒng)總動量必須守恒，所以動量也守恒。能量守恒也成立，因為E=mc2，轉(zhuǎn)化前后能量守恒。題目問哪個說法正確，電荷數(shù)守恒是最直接的結(jié)論。6.C。解析思路：鈾235吸收中子后變得極不穩(wěn)定，會分裂成兩個中等質(zhì)量的核，同時釋放出2-3個中子，這就是鏈?zhǔn)搅炎?。鏈?zhǔn)搅炎兪呛朔磻?yīng)堆和原子彈的原理。7.C。解析思路：μ子衰變成電子、μ子中微子和電子反中微子，這個過程中弱相互作用介導(dǎo)了變化。因為衰變前后系統(tǒng)總動量守恒，且涉及中微子，所以動量守恒。能量也守恒，因為質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為能量。電荷數(shù)也守恒，電子帶負電，反電子中微子帶虛擬電荷，μ子中微子不帶電，總電荷數(shù)為0。題目問哪個量守恒，動量是粒子相互作用的基本守恒量。8.A。解析思路：中性K介子衰變成兩個π介子，實驗發(fā)現(xiàn)這個衰變過程存在CPviolation（CP破缺），說明CP對稱性在弱相互作用下不成立。強相互作用和電磁相互作用下CP對稱性成立。光子是中性粒子，與CP對稱性無關(guān)。中子會衰變是β衰變的常識。9.A。解析思路：康普頓效應(yīng)是光子與電子碰撞后，光子將部分能量和動量傳遞給電子，自身能量減小，波長變長。這是光子與電子發(fā)生類似彈弓碰撞的過程，體現(xiàn)了光的粒子性。波動理論無法解釋波長變化。10.B。解析思路：質(zhì)子和反質(zhì)子相遇湮滅，正負電荷中和，質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2。這個能量以兩個γ光子的形式釋放，每個光子攜帶相等能量，所以產(chǎn)生兩個γ光子。11.B、C。解析思路：中微子與電子散射（如彈性散射或非彈性散射）屬于弱相互作用，因為中微子主要參與弱相互作用。傳遞弱相互作用的粒子是W和Z玻色子，它們的自旋都是1。12.B。解析思路：夸克帶有分數(shù)電荷（+2/3e或-1/3e），而輕子（電子、μ子、τ子、中微子）都帶整數(shù)倍的基本電荷（-e或0）。夸克之間通過交換膠子發(fā)生強相互作用，將它們束縛在一起形成質(zhì)子和中子?？淇瞬粫螠纾荒芙M合或轉(zhuǎn)化。13.B。解析思路：τ輕子可以衰變成一個μ子、一個μ子中微子和一個τ子中微子，這個衰變過程必須由弱相互作用介導(dǎo)，因為μ子和τ子都是弱相互作用粒子，中微子也主要通過弱相互作用參與相互作用。強相互作用和電磁相互作用無法介導(dǎo)這種包含輕子的衰變。14.A。解析思路：希格斯玻色子是標(biāo)量粒子，自旋為0。標(biāo)準(zhǔn)模型中的規(guī)范玻色子（W、Z、γ）都是矢量粒子，自旋為1。希格斯機制通過希格斯場和希格斯粒子（玻色子）賦予其他粒子質(zhì)量。15.A、C、D。解析思路：高能光子在原子核附近產(chǎn)生電子-正電子對，這個過程必須滿足電荷守恒（產(chǎn)生一個電子和一個正電子，電荷數(shù)分別為-1和+1，總電荷數(shù)為0）、動量守恒（光子靜止，總動量為零，產(chǎn)生粒子對后總動量也必須為零）和能量守恒（光子能量等于粒子對的總靜止能量加上動能）。中微子可能參與相互作用，但題目未明確要求。二、填空題16.0.511兆電子伏特，1.24×101?赫茲。解析思路：中子衰變釋放的能量ΔE=mc2=1.67×10?2?千克×(3.00×10?米/秒)2=1.50×10?1?焦耳=938.3兆電子伏特?；鶓B(tài)氫原子從n=1躍遷到n=2需要吸收10.2-13.6=3.4電子伏特=5.49×10?1?焦耳。所以釋放的能量轉(zhuǎn)化為γ光子能量，E=ΔE-ΔE_h=938.3-5.49=932.8兆電子伏特=9.33×10?電子伏特。光子頻率ν=E/h=9.33×10?電子伏特×(1.60×10?1?焦耳/電子伏特)/(6.63×10?3?焦耳·秒)=2.24×101?赫茲。γ光子能量E=hc/λ，頻率ν=E/h，所以ν=1.24×101?赫茲。17.2.2×10?1?米。解析思路：α粒子與原子核正碰時，兩者中心距離最小，設(shè)為r。根據(jù)庫侖定律和牛頓第二定律，α粒子在最近距離時受到的庫侖力提供向心力：k(Z?Z?e2)/r2=mαv?2/r。代入數(shù)據(jù)：k(2×79×1.6×10?1?)2/r2=6.64×10?2?×(1.0×10?)2/r。解得r=k(2×79×1.6×10?1?)2/(6.64×10?2?×1.0×101?)≈2.2×10?1?米。18.1.88×10?電子伏特。解析思路：質(zhì)子和反質(zhì)子湮滅時，質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，E=mc2。質(zhì)子靜止能量為938兆電子伏特，反質(zhì)子質(zhì)量與質(zhì)子相同，所以反質(zhì)子靜止能量也為938兆電子伏特?？偰芰縀=(938+938)兆電子伏特=1876兆電子伏特=1.88×10?電子伏特。產(chǎn)生的兩個γ光子總能量等于湮滅前兩粒子的總能量，即1.88×10?電子伏特。19.W?、W?、Z?玻色子，自旋分別為1、1、1。解析思路：標(biāo)準(zhǔn)模型中，傳遞弱相互作用的粒子是W?、W?、Z?玻色子。這三種玻色子都屬于規(guī)范玻色子，自旋都是1。W玻色子負責(zé)chargedcurrent（帶電currents）的弱相互作用，Z玻色子負責(zé)neutralcurrent（中性currents）的弱相互作用。20.弱相互作用，因為中微子主要參與弱相互作用，而且這種散射過程涉及輕子間的轉(zhuǎn)化，是弱相互作用的特征。解析思路：中微子與電子發(fā)生散射（如彈性散射或非彈性散射），這種相互作用主要是弱相互作用。因為中微子是弱相互作用的基本粒子，而且散射過程可能涉及粒子類型的改變（如電子的能量和動量變化），這是弱相互作用的典型特征。強相互作用和電磁相互作用不涉及中微子，引力相互作用更弱，無法介導(dǎo)這種散射。三、簡答題21.量子隧穿效應(yīng)是指微觀粒子可以像波一樣，穿過一個它本身能量不足以逾越的勢壘。簡單說，就是粒子有一定的概率能“鉆”過壁壘，到達壁壘的另一側(cè)。這跟波函數(shù)的性質(zhì)有關(guān)，波函數(shù)會隨著距離衰減，但不會完全消失，所以有一定的概率能穿透過去。我在課堂上通常會舉隧道二極管的例子，這玩意兒就是利用了電子的隧穿效應(yīng)。當(dāng)電壓不高時，電子很難通過P型和N型半導(dǎo)體之間的勢壘，但當(dāng)電壓達到一定值時，電子就能隧穿過去，形成電流。這技術(shù)在現(xiàn)代電子學(xué)里用得可廣泛了，像固態(tài)硬盤（SSD）里的閃存，就是利用了隧穿效應(yīng)來存儲信息的。每次寫入或擦除數(shù)據(jù)，其實就是改變隧道效應(yīng)的隧穿概率。例如，在閃存中，通過施加電壓使電子隧穿通過絕緣層，改變浮柵中的電荷數(shù)量，從而表示不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。22.中微子是輕子家族中的一員，跟電子、μ子、τ子同屬輕子類。之所以說它是輕子，是因為它不參與強相互作用（除了可能存在的引力相互作用，但尚未實驗證實），而且質(zhì)量非常小，甚至可能是零。輕子家族分為三代，中微子屬于第三代輕子，有三種類型：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它們與電子、μ子、τ子對應(yīng)，但都不帶電，質(zhì)量極小。與普通輕子（電子、μ子、τ子）相比，主要區(qū)別在于：1）電荷：普通輕子帶電荷（電子和μ子帶-e，τ子帶-e），中微子不帶電。2）質(zhì)量：電子和μ子有明顯的靜止質(zhì)量，而中微子質(zhì)量非常小，約為電子質(zhì)量的百萬分之一，甚至可能為零。3）相互作用：電子和μ子參與電磁相互作用和弱相互作用，而中微子主要只參與弱相互作用。4）性質(zhì)：中微子非常難被探測到，因為它們不帶電，幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，穿透力極強。我在課堂上會打個比方，說中微子就像個“幽靈”，在粒子世界中游來游去，很難被抓住。它們在宇宙演化、恒星內(nèi)部核聚變以及基本粒子物理中都扮演著重要角色。23.標(biāo)準(zhǔn)模型里，我們認識到的基本相互作用有四種。首先是引力相互作用，這大家最熟悉了，萬物皆有的引力，由交換引力子傳遞，但這個引力子在標(biāo)準(zhǔn)模型里還沒被實驗證實，而且引力在微觀尺度上表現(xiàn)得很弱。我通常會跟學(xué)生說，宏觀上我們靠引力，微觀上它就“蔫兒了”。然后是電磁相互作用，這個由交換光子傳遞，光子是不帶電的中性粒子，速度是光速，它使得帶電粒子之間產(chǎn)生吸引或排斥力。這個相互作用范圍是無限遠的，但隨著距離增加而減弱，非常強。我在課堂上會拿磁鐵吸引鐵釘來說明，雖然距離遠了也吸，但距離太遠就吸不住了。接下來是強相互作用，這個是維系原子核的“膠水”，由交換膠子（八種）傳遞，膠子本身不帶電，但強相互作用會隨著距離增加而迅速增強，所以原子核能穩(wěn)穩(wěn)地待在一起。我通常會打個比方，說它像膠水一樣把夸克粘在質(zhì)子和中子里。最后是弱相互作用，這個負責(zé)一些粒子衰變，比如中子衰變成質(zhì)子、電子和反中微子，就是由交換W和Z玻色子傳遞的，這個相互作用范圍非常短，比強相互作用還短得多，而且相對弱。我會在課堂上舉中子衰變的例子，解釋為什么它會變成質(zhì)子。這四種相互作用，傳遞機制都是通過交換粒子實現(xiàn)的，就像兩個人傳遞一個球一樣，這個“球”就是力介子，不過物理里叫力子。這四種作用力的強度、作用范圍和參與粒子都是標(biāo)準(zhǔn)模型的核心內(nèi)容。四、論述題24.康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)都是光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象，但它們描述的是不同的物理過程。光電效應(yīng)我上課時經(jīng)常用光電管來演示。當(dāng)光子照射到金屬表面時，如果光子的能量足夠大，就能把金屬里的電子打出來，形成光電流。這個效應(yīng)的關(guān)鍵點在于，光電流的大小跟入射光的強度有關(guān)，但產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率必須大于某個閾值頻率，跟強度沒關(guān)系。這個現(xiàn)象用經(jīng)典的波動理論是解釋不通的，因為按照波動理論，光強越大，光子能量就越大，應(yīng)該隨便什么頻率都能打出電子來才對。但實驗結(jié)果不是這樣。愛因斯坦在1905年提出了光量子假說，認為光是由一份份不連續(xù)的能量子組成的，每個能量子就是光子，能量E=hν（h是普朗克常數(shù)，ν是頻率）。只有當(dāng)光子的能量足夠大（hν≥W?，W?是金屬的逸出功）時，才能打出一個電子。這個解釋不僅完美符合實驗事實，還預(yù)言了截止頻率的存在，后來的實驗證實了這一點。所以，光電效應(yīng)證明了光的粒子性，特別是證明了光的能量是不連續(xù)的，為光的量子理論奠定了基礎(chǔ)?？灯疹D效應(yīng)我通常會拿X射線管和石墨靶來講解。當(dāng)高能光子跟物質(zhì)中的自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞時，光子會把一部分能量和動量傳遞給電子，自身能量減小，波長變長，并且改變傳播方向。這個效應(yīng)的關(guān)鍵點是，散射后的光子波長發(fā)生了變化，而且這個波長的改變量跟散射角度有關(guān)，還跟散射物質(zhì)有關(guān)。這個現(xiàn)象同樣無法用經(jīng)典的波動理論解釋，因為按照波動理論，光子跟電子碰撞后，只是能量和動量交換，但波長不應(yīng)該發(fā)生變化?？灯疹D在1923年提出了解釋，仍然采用光量子假說，認為光子跟電子是發(fā)生彈性碰撞，遵守能量守恒和動量守恒定律。碰撞后，電子獲得動能，光子能量減小，所以頻率降低，波長變長?？灯疹D效應(yīng)不僅進一步證實了光的粒子性，還揭示了光子不僅具有能量，還具有動量。這個效應(yīng)還間接證明了電子的質(zhì)量比光子質(zhì)量大得多，因為在完全彈性碰撞中，如果電子質(zhì)量跟光子質(zhì)量相差不多，大部分能量會傳給電子，光子能量變化不會那么明顯?？灯疹D效應(yīng)的成功解釋，使光的量