2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——亞原子粒子的性質(zhì)及其相互作用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項前的字母填在題后括號內(nèi)。每小題3分，共30分）1.下列哪一種粒子不屬于輕子？（）A.電子B.μ子C.中子D.τ子2.組成原子核的基本粒子是？（）A.電子和正電子B.夸克和膠子C.質(zhì)子和中子D.中微子和光子3.下列相互作用中，作用范圍最短的是？（）A.電磁相互作用B.弱相互作用C.強相互作用D.引力相互作用4.在量子色動力學(xué)（QCD）中，傳遞強相互作用的粒子是？（）A.光子B.W和Z玻色子C.膠子D.希格斯玻色子5.一個中子（質(zhì)量為1.675×10?2?kg）衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和一個反中微子。該過程的衰變模式是？（）A.α衰變B.β?衰變C.β?衰變D.γ衰變6.夸克模型中，上夸克（u）和下夸克（d）組成的粒子，其電荷為+1e，該粒子是？（）A.π?介子B.π?介子C.proton（質(zhì)子）D.neutron（中子）7.下列哪個物理量不是描述粒子內(nèi)在屬性？（）A.質(zhì)量B.電荷C.速度D.自旋8.云室主要用于觀察什么的徑跡？（）A.光子B.中微子C.帶電粒子D.中子9.在盧瑟福散射實驗中，主要觀察到的現(xiàn)象是？（）A.α粒子幾乎直線穿過金箔B.α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)C.α粒子被金箔強烈吸收D.α粒子只發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)10.能夠提供高能粒子束流用于粒子碰撞或散射實驗的設(shè)備是？（）A.核反應(yīng)堆B.粒子加速器C.閃爍計數(shù)器D.氣泡室二、填空題（請將答案填在橫線上。每空3分，共30分）1.描述粒子自旋量子數(shù)的量子數(shù)符號是________。2.強子的量子數(shù)________是守恒的。3.原子核的半徑大致與質(zhì)量的________次方根成正比。4.傳遞電磁相互作用的規(guī)范玻色子是________。5.弱相互作用能夠改變原子核的________。6.半衰期是指放射性核素有________的原子核發(fā)生衰變所需的時間。7.在粒子物理學(xué)中，規(guī)范對稱性是理解基本相互作用的理論基礎(chǔ)。8.探測器用于記錄粒子________或能量沉積。9.質(zhì)子是帶________電荷的重子。10.標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)一了________相互作用和弱相互作用。三、簡答題（每小題10分，共40分）1.簡述四種基本相互作用的共同點和主要區(qū)別。2.解釋什么是粒子衰變的半衰期，并說明半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系。3.簡述夸克模型的基本思想，并說明為什么在實驗中觀察不到自由夸克。4.簡述氣泡室作為粒子探測器的原理及其主要優(yōu)點。四、計算題（每小題15分，共30分）1.一個能量為1TeV的π?介子（靜止質(zhì)量為140MeV/c2）進(jìn)入一個勻強磁場，磁場方向垂直于介子的運動方向。若介子在磁場中做半徑為10cm的圓周運動，求該磁場的磁感應(yīng)強度大小。（提示：考慮π?介子的動量和能量關(guān)系，以及洛倫茲力提供向心力）2.一個放射性同位素的半衰期為5天?，F(xiàn)有一份該同位素的樣品，初始質(zhì)量為100克。計算：a.經(jīng)過10天后，樣品剩余多少克？b.經(jīng)過多少天后，樣品剩余質(zhì)量為25克？---試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.B6.C7.C8.C9.B10.B二、填空題1.s2.重子數(shù)（B）3.三分之一（1/3）或1/3次方4.光子（photon）5.原子核類型（或核素種類）6.一半（一半）7.規(guī)范（或推廣）8.信號（或事件）9.正（或+）10.強（或強核）三、簡答題1.共同點：都是基本相互作用；都有相應(yīng)的規(guī)范場理論描述；都遵守能量、動量、電荷等守恒定律。區(qū)別：作用范圍（強>電磁>弱>引力）；相對強度（強>>電磁>弱>>引力）；傳遞粒子（強-膠子；電磁-光子；弱-W/Z玻色子；引力-引力子）；作用對象（強-夸克、膠子；電磁-帶電粒子；弱-費米子；引力-所有物質(zhì)能量）；是否具有宇稱破壞（弱相互作用具有）。2.半衰期定義：放射性核素樣品中，有半數(shù)原子核發(fā)生衰變所需的時間。關(guān)系：半衰期T?/?與衰變常數(shù)λ的關(guān)系為T?/?=ln(2)/λ≈0.693/λ。衰變常數(shù)λ表示單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。3.基本思想：認(rèn)為構(gòu)成強子的粒子（夸克）不是點粒子，而是由更基本的粒子（夸克）組成；強子由三個夸克或一個夸克和兩個膠子組成；夸克具有分?jǐn)?shù)電荷和色荷。自由夸克難以觀察原因：夸克被強相互作用“囚禁”在強子內(nèi)部，違反了量子色動力學(xué)的色約束（confinement）。實驗中觀察到的“孤立”夸克或膠子，通常是強子碰撞產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體狀態(tài)，或是由頂夸克等壽命極短的粒子衰變產(chǎn)生的短暫狀態(tài)。4.原理：高能帶電粒子在液體（如氬、丙烷）中運動時，會因能量損失而失去電荷，留下短暫的離子軌跡。如果在液體中溶解少量過飽和蒸汽，粒子軌跡周圍的離子會作為凝結(jié)核，使蒸汽沿軌跡凝結(jié)成可見的小液滴。優(yōu)點：可以直接觀察高能帶電粒子的空間軌跡；能記錄不同類型的粒子（根據(jù)軌跡形狀、彎曲程度判斷電荷、質(zhì)量、能量）；相對簡單、直觀。四、計算題1.解析思路：a.計算π?介子的總能量E。E=γmc2，其中m是靜止質(zhì)量，γ=1/√(1-v2/c2)是洛倫茲因子。由于E=1TeV=1.0×1012eV，m=140MeV/c2，可以近似認(rèn)為E≈γmc2(因為E>>mc2)。b.由能量計算π?介子的總動量p。p=γmv=(E/c)/v。對于高速粒子，p≈E/c。c.應(yīng)用洛倫茲力提供向心力公式：p=qBR。其中q是電荷（π?介子，q=e=1.6×10?1?C），B是磁感應(yīng)強度，R是軌道半徑（R=0.1m）。d.聯(lián)立公式求解B。B=p/(qR)≈(E/c)/(qR)。e.將數(shù)值代入計算。注意單位統(tǒng)一，1TeV=1.0×1012eV=1.0×1012×(1.6×10?1?J/eV)=1.6×10??J。計算過程（略）答案（示例）：B≈(1.6×10??J)/(1.6×10?1?C×0.1m)≈1.0T2.解析思路：a.使用放射性衰變公式N(t)=N?e?λt。半衰期T?/?=ln(2)/λ，所以λ=ln(2)/T?/?。b.將t=10天和λ代入公式計算N(10)。N(10)=N?e?(ln(2)/T?/?)*10。c.將N(10)轉(zhuǎn)換為剩余質(zhì)量M(10)=N(10)*m?/N?=m?*e?(ln(2)/T?/?)*10。其中m?=100g。d.對于b問，設(shè)經(jīng)過t'天后剩余質(zhì)量為M(t')=m?/2。即m?*e?(ln(2)/T?/?)*t'=m?/2。兩邊同時除以m?，得到e?(ln(2)/T?/?)*t'=1/2。取自然對數(shù)ln，得到-(ln(2