高中物理第4章从原子核到夸克4.4粒子物理与宇宙的起源学案沪科版选修3-5
4.4 粒子物理与宇宙的起源
学习目标 1．知道粒子的分类及其作用。 2．知道夸克模型。 3．初步知道宇宙与恒星的演化。
重点难点 重点：粒子的分类与宇宙的演化。 难点：夸克模型的理解。 一、物质结构的更深层次 1．对粒子的认识过程
（1）基本粒子：19世纪末，人们认为电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子。原子核中放出电子的事实，使人们认识到“基本粒子”还有复杂结构。
（2）新粒子：20世纪中叶，科学家通过高能加速器进行实验，发现了更多的新粒子，如μ子、K介子、π介子和Λ子。
2．夸克模型
（1）夸克：1964年，美国物理学家盖尔曼提出了组成强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。
（2）分类：目前已经知道的夸克有六种：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。
3．粒子的分类
已经发现的粒子分三大类：参与强相互作用的强子、不参与强相互作用的轻子和传递相互作用的粒子。
预习交流1
夸克的带电荷量是怎样的？现在能否获得自由夸克？
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答案：夸克带电荷量为元电荷的分数，如上夸克带电荷为＋e，下夸克带电荷为－e。
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现在还不能获得自由的夸克。 二、自然界两极的奇妙会合 1．暴胀的宇宙
宇宙是一个超高温、超高密度的“原始火球”发生大爆炸开始形成的。 2．恒星的演化
（1）形成：大块的星云由于引力作用收缩，逐渐凝成原恒星。
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（2）稳定期：原恒星内部的温度达到7×10 K时，氢聚变成氦的热核反应产生的斥力与引力作用达到平衡时，恒星不再收缩，进入相对稳定期。目前发现的90%的恒星处于恒星一生中时间最长的稳定期。
（3）衰老期：当氦核质量占到恒星质量的10%～15%时，核反应能量供应不足，恒星稳定状态遭到破坏，恒星变化为红巨星。
（4）末期：恒星核能耗尽后进入末期，末期形态有三种：白矮星、中子星和黑洞。 预习交流2
自然界中存在哪四种相互作用？这四种相互作用能统一起来吗？
答案：自然界中存在四种相互作用，它们分别是强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。目前科学家正试图把这四种相互作用统一起来。
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一、对粒子的认识
新粒子各是哪年发现的？它们有什么特点？ 答案：
发现 1932年 1937年 时间 新粒子 反粒子 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 μ子 1947年 K介子 与π介子 60年代后 超子 基本 特点 比质子的质量小 质量介于电子与质子之间 其质量比 质子大
关于粒子，下列说法正确的是（ ）。
A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．质子、中子本身也是复合粒子，它们拥有复杂的结构 C．质子是带电的强子
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 答案：BCD
解析：质子和中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错、B对；不同的夸克组成强子，有的强子带电，有的强子不带电，质子是最早发现的强子，故C正确；夸
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克模型是研究强子的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－e，这说明电子电荷不再
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是电荷的最小单位，故D正确。
粒子分类 参与的 分类 相互作用 强子 参与强相互作用 不参与强相互作用 传递各种相互作用 发现的粒子 备注 轻子 媒介子 强子有内部结构，质子、中子、介子、由“夸克”粒子超子 构成的 电子、电子中微子、μ子、μ子未发现内部结构 中微子、τ子、τ子中微子 光子、玻色子、胶光子、中间玻色子分别传递电磁、子、胶子 弱、强相互作用 二、关于宇宙大爆炸的模型
1932年勒梅特首次提出现代宇宙大爆炸理论，这个理论是目前多数科学家认可的宇宙起源，你通过读书能对这个理论做简单的阐述吗？
答案：宇宙的演化可用下面的方框图表示出来：
温度10 K温度10 K温度10 K温度10 K一万年后
宇宙大爆炸→→→→――→
夸克，轻子状态强子时代轻子时代核合成时代温度10 K温度3 000 K继续冷却
→――→恒星和星系
混合电离态中性氢原子
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在天体演变过程中，红巨星发生“超新星爆炸”后，可以形成中子星（电子被迫同原子核中的质子结合而形成中子），中子星具有极高的密度。
（1）写出质子演变成中子的反应方程；
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（2）若已知某中子星的密度为10 kg/m，该中子星的卫星绕它做圆轨道运动，试求该中子星的卫星运行的最小周期。
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答案：（1）1H＋－1e→0n （2）1.2×10 s
101解析：（1）1H+?1e?0n。
（2）如图所示，设中子星的卫星圆轨道半径为R，质量为m，由万有引力提供向心力，
GMm4π2mR2?m?R?可得。 22RT
又当R=r（中子星的半径）时，卫星运行周期最小，注意到M?Tmin=1.2×10 s。
-3
43πr?，由此可得3物理学的研究范围很广，小到微观粒子，大到浩瀚的宇宙，诺贝尔物理
学奖得主格拉肖曾经非常形象地把从宇观世界到微观世界的链条比喻成一条咬住自己尾巴的大蛇，从尾到首依次为粒子、原子核、原子、细胞、一直到星系团、整个宇宙。
1．已知π介子、π介子都是由一个夸克（夸克u或反夸克d）和一个反夸克（反夸
＋
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克u或反夸克d）组成的，它们的带电荷量如下表所示，e为元电荷。
π π ＋－u 2＋e 3d 1－e 3u 2－e 3d 1＋e 3带电 ＋e －e 荷量 下列说法中正确的是（ ）。 ＋
＋
A．π由u和d组成 B．π由d和u组成 C．π由u和d组成 D．π由d和u组成
答案：AD
＋
解析：因π介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则只有夸
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克u带＋e和一个反夸克d带＋e合成后电荷量为e，那么π介子就是由夸克u和反夸
33克d组成，同理π介子由夸克d和反夸克u组成，故A、D正确，B、C错。
2．2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过20Ca（钙48）轰击 98Cf（锎249）
发生核反应，成功合成第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素，实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次α衰变后，变成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中粒子x是（ ）。
A．中子 B．质子 C．电子 D．α粒子 答案：A
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