遼寧省專升本2025年物理學(xué)粒子物理試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。在每小題列出的四個選項中，只有一個是符合題目要求的，請將正確選項字母填在題后的括號內(nèi)。)1.下列哪一種粒子被發(fā)現(xiàn)在云室中呈現(xiàn)直線路徑，且不受磁場影響？A.電子B.α粒子C.μ子D.中子2.質(zhì)子、中子、電子分別屬于下列哪一類粒子？A.夸克、輕子、玻色子B.輕子、重子、玻色子C.重子、重子、輕子D.玻色子、玻色子、輕子3.自然界四種基本相互作用中，將夸克束縛在質(zhì)子和中子內(nèi)部的相互作用是？A.電磁相互作用B.弱相互作用C.強相互作用D.萬有引力4.粒子的自旋量子數(shù)為1/2，則該粒子屬于？A.玻色子B.費米子C.媒介子D.基本粒子5.下列哪個物理量在強相互作用和電磁相互作用中守恒？A.重子數(shù)B.輕子數(shù)C.電荷D.奇異數(shù)6.中微子最初被提出是為了解釋哪個實驗現(xiàn)象？A.α衰變B.β衰變C.μ子衰變D.康普頓散射7.宇稱不守恒現(xiàn)象首次在哪個實驗中被觀測到？A.吳健雄的鈷-60衰變實驗B.查德威克的中子發(fā)現(xiàn)實驗C.盧瑟福的α粒子散射實驗D.費米的β衰變實驗8.標準模型理論描述了自然界中哪三種基本相互作用的粒子載體？A.介子、引力子、光子B.光子、W和Z玻色子、膠子C.膠子、引力子、中微子D.介子、W和Z玻色子、引力子9.將一個中性π介子（π?）衰變?yōu)閮蓚€γ光子（γ）的過程，下列說法正確的是？A.電荷數(shù)守恒B.重子數(shù)守恒C.輕子數(shù)守恒D.奇異數(shù)守恒10.下列哪個粒子不是標準模型預(yù)言但尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子？A.膠子B.引力子C.希格斯玻色子D.上夸克二、判斷題（每小題1分，共10分。請將正確的命題填“√”，錯誤的命題填“×”。）1.所有基本粒子都具有靜止質(zhì)量。（）2.質(zhì)子的電荷量為基本電荷的+1倍。（）3.弱相互作用可以改變原子核的質(zhì)子數(shù)。（）4.原子核的放射性衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核并釋放粒子的過程。（）5.正電子是電子的反粒子，它們的靜止質(zhì)量和自旋量子數(shù)相同。（）6.量子場論是描述粒子物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論框架。（）7.在粒子物理中，CP守恒意味著弱相互作用和強相互作用沒有區(qū)別。（）8.夸克模型認為質(zhì)子和中子是由更深層次的基本粒子——夸克組成的。（）9.粒子的能量和動量之間的關(guān)系式E2=p2c2+m2c?適用于所有相對論性粒子。（）10.中微子是電中性的，且?guī)缀醪慌c物質(zhì)發(fā)生相互作用。（）三、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在題中的橫線上。）1.1897年，湯姆孫通過_______實驗發(fā)現(xiàn)了電子。2.1932年，安德森在_______云室中發(fā)現(xiàn)了正電子。3.1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了_______，它是不帶電的中性粒子。4.粒子的自旋量子數(shù)為s，若s為半整數(shù)（如1/2,3/2...），該粒子屬于_______子；若s為整數(shù)（如0,1,2...），該粒子屬于_______子。5.將一個質(zhì)子（質(zhì)子數(shù)為1，中子數(shù)為0）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子（質(zhì)子數(shù)為0，中子數(shù)為1）并釋放出一個_______粒子。6.描述自然界四種基本相互作用的統(tǒng)一理論之一是_______理論。7.1956年，李政道和楊振寧提出_______不守恒假說，解釋了θ介子和τ介子無法區(qū)分的現(xiàn)象。8.標準模型中傳遞強相互作用的粒子是_______。9.希格斯機制解釋了為什么標準模型中的_______粒子具有靜止質(zhì)量。10.在Rutherford散射實驗中，α粒子與金箔原子核發(fā)生劇烈相互作用的主要力是_______。四、簡答題（每小題5分，共15分。請簡要回答下列問題。）1.簡述粒子物理標準模型的主要內(nèi)容。2.解釋什么是守恒定律，并列舉粒子物理中常見的四種守恒量。3.簡述中微子未被發(fā)現(xiàn)前，物理學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)是什么。五、計算題（每小題10分，共20分。請列出必要的公式和計算步驟。）1.一個靜止的π介子（π?）衰變?yōu)橐粋€μ子（μ?）和一個μ子反中微子（ν??）。已知π?的靜止質(zhì)量為139.6MeV/c2，μ?的靜止質(zhì)量為105.7MeV/c2。假設(shè)衰變過程動量守恒，求衰變后μ?和ν??的動能分別為多少？2.一個能量為1TeV的光子在穿過一厚度為1米的水（假設(shè)水的密度為1g/cm3，原子數(shù)密度為3.34x1022cm?3）時，有多少比例的能量會被水吸收？水的電子質(zhì)量為0.511MeV/c2，普朗克常數(shù)h=6.626x10?3?J·s，光速c=3x10?m/s。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.B5.C6.B7.A8.B9.A10.B二、判斷題1.×2.√3.√4.√5.√6.√7.×8.√9.√10.√三、填空題1.陰極射線管2.布萊克3.中子4.費米；玻色5.正電子(或β?)6.統(tǒng)一7.宇稱8.膠子9.希格斯10.強相互作用(或核力)四、簡答題1.標準模型主要內(nèi)容：將強相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一在一個框架內(nèi)，認為它們是夸克和輕子通過交換規(guī)范玻色子（光子、W/Z玻色子、膠子）而發(fā)生的。弱相互作用以交換W/Z玻色子的形式存在。模型包含六類輕子（電子型、τ子型各三代）、六類夸克（上、下各三代）以及傳遞相互作用的規(guī)范玻色子（光子、W?/W?、Z?、膠子）和希格斯玻色子。2.守恒定律：在物理過程中保持不變的物理量的定律。粒子物理中常見守恒量：電荷守恒、重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒（近似）、同位旋守恒（強相互作用）、宇稱守恒（強、電磁、引力相互作用）、C宇稱守恒、G宇稱守恒（弱相互作用下可能不守恒）、strangeness奇異數(shù)守恒（強相互作用）。3.中微子未被發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)：早期β衰變實驗發(fā)現(xiàn)電子能量分布連續(xù)，無法用能量守恒和動量守恒解釋，若認為存在未探測到的中性粒子攜帶部分能量和動量，則能自洽解釋實驗結(jié)果，但該粒子性質(zhì)未知且難以探測，導(dǎo)致其存在長期受到質(zhì)疑。五、計算題1.解析思路：*根據(jù)動量守恒：π?靜止，故μ?和ν??動量等大反向，設(shè)為p。*根據(jù)能量守恒：π?的靜止能量E_π=m_πc2=初始總能量。衰變后總能量為μ?的總能量E_μ+ν??的總能量E_ν??。*對于μ?和ν??，總能量E=√(p2c2+m2c?)，動量p=mv。*μ?的動能T_μ=E_μ-m_μc2=√(p2c2+m_μ2c?)-m_μc2。*ν??的動能T_ν??=E_ν??-m_ν??c2。由于中微子靜止質(zhì)量m_ν??≈0，故T_ν??≈E_ν??=√(p2c2+m_ν??2c?)≈pc。*由動量守恒p=m_μv_μ，代入μ?動能公式。*利用能量守恒E_π=E_μ+E_ν??，并將E_μ,E_ν??表達式代入，解出p。*將p代回T_μ和T_ν??的表達式，注意m_ν??≈0。*計算結(jié)果：T_μ≈17.3MeV，T_ν??≈122.7MeV。*（注：實際計算中需更精確考慮中微子質(zhì)量，此處簡化處理）2.解析思路：*光子在介質(zhì)中能量損失主要通過光電效應(yīng)、康普頓散射等過程。水對高能光子主要發(fā)生康普頓散射。*單個散射事件中，光子損失的能量ΔE=E?-E?，其中E?為入射光子能量，E?為散射光子能量。ΔE與散射角度θ有關(guān)。*康普頓散射截面σ_C與入射光子能量E?和電子質(zhì)量有關(guān)。對于遠高于電子靜止質(zhì)量的入射光子（E?>>mec2），平均每個散射事件光子損失的能量近似為ΔE_avg≈(1+α)mec2，其中α=mec2/E?。*當(dāng)光子能量E?=1TeV時，α=(0.511MeV/c2)/(1TeV/c2)=5.11x10??。*因此，平均每個散射事件光子損失的能量ΔE_avg≈(1+5.11x10??)*0.511MeV≈0.5115MeV。*光子在水中的平均自由程l≈1/(nσ)，其中n為電子數(shù)密度，σ為散射截面。對于E?>>mec2，散射截面σ≈(8π/3)*(mec2/αE?)2。*l≈1/[(n*8π/3)*(mec2/αE?)2]。*吸收概率P_abs≈ΔE_avg/E?=mec2/E?=α。*估算平均自由程：σ≈(8π/3)*(5.11x10??*0.511MeV/1TeV)2≈3.3x10?22cm2。l≈1/(3.34x1022cm?3*3.3x10?22cm2)≈0.9cm。*水層厚度為1m=100cm，包含約100/0.9≈111個平均自由程。*經(jīng)過n個自由程，光子剩余能量E_n=E?*(1-P_abs)?。P_abs≈α。*