第5节　“基本”粒子

知识点归纳

知识点一、粒子和宇宙

1．“基本粒子”不基本．

(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．

(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

2．发现新粒子．

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

3．夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

4．宇宙的演化．

宇宙大爆炸温度为10³² k，产生了夸克、轻子、胶子等粒子温度下降到10¹³ K左右，强子时代→温度下降到10¹¹ K时，轻子时代→温度下降到10⁹K时，核合成时代温度下降到10⁴，混合电离态→温度下降到3 000 K时，中性的轻原子恒星和星系．

5．恒星的演化．

宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞．

知识点二、对粒子的认识

1．新粒子的发现及特点．

新粒子	反粒子	μ子	K介子与π介子	超子
发现 时间	1932年	1937年	1947年	20世纪60年代后
基本 特点	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	比质子的质量小	质量介于电子与核子之间	其质量比质子大

2.粒子的分类．

分类	参与的相互作用	发现的粒子	备注
强子	参与强相互作用	质子、中子、介子、超子	强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子
轻子	不参与强相互作用	电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子	未发现内部结构
媒介子	传递各种相互作用	光子、中间玻色子、胶子	光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用

3.夸克模型．

(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．

(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的－或＋.例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－.

(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．

典例分析

对粒子的理解

例  如图所示，中子内有一个电荷量为＋e的上夸克和两个电荷量为－e的下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上．在下图给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是(　　)

 

解析 本题考查的是库仑力的大小、方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个力的作用．电荷量为＋e的上夸克受两个下夸克的吸引力，合力的方向一定向下．

对其中一个下夸克，受力如图所示，由于F₁的水平分力与F₂大小相等，方向相反，故F₁与F₂的合力的方向竖直向上．

答案 B

自我检测

1．关于粒子，下列说法正确的是(　　)

A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．强子都是带电的粒子

C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

解析　由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，A错误；不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，C错误；不同夸克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，D正确。

答案　D

2．加拿大萨德伯里中微子观测站揭示了失踪的部分中微子在运动过程中转化为一个μ子和一个τ子。在上述研究中有以下说法，正确的是(　　)

①若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相反

②若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一致

③若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一致

④若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相反

A．①③  B．②③  C．③④  D．①②

解析　中微子在转化为μ子和τ子的前后过程中满足动量守恒定律。

答案　B

3．现在科学家正在设法寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”组成的，则反α粒子的符号是(　　)

A.He  B.He  C.He  D.He

解析　反物质是质量相同，而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，α粒子的符号为He，因而反α粒子的质量数为4，而电荷数为－2，符号为He，A、B、D错误，C正确。

答案　C

4.关于粒子的分类，目前人们认为粒子世界是由下列哪三类粒子构成的（　　）

A.媒介子、夸克、强子　                  B.夸克、轻子、强子

C.媒介子、轻子、强子                    D.质子、中子、电子

解析  按照粒子与各种相互作用的不同关系，把粒子分为三大类，即强子、轻子和媒介子.

答案  C

5．太阳和许多恒星发光是内部核聚变的结果，核反应方程H＋H→X＋e＋ν_c是太阳内部的许多核反应中的一种，其中e为正电子，ν_c为中微子．

(1) 确定核反应方程中a、b的值．

(2)在质子与质子达到核力作用范围完成核聚变前必须要克服强大的库仑斥力．设质子的质量为m，电子质量相对小得多可忽略，中微子质量为零，克服库仑力做功为W.若一个运动的质子与一个速度为零的质子发生上述反应，运动质子速度至少多大？

解析 (1)根据核反应的质量数及电荷数守恒可知a＝1，b＝2.

(2)由动量守恒定律可知：mv₀＝2mv

由能量关系可知：－W＝(2m)v²－mv.

解得v₀＝ .

答案 (1)a＝1，b＝2　(2)

6.已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10^－15 m.试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）.

解析 质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的.按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为F_uu＝k＝k

代入数值解得F_uu＝46 N，为斥力上、下夸克之间的静电力F′_ud＝k＝k

代入数值解得：F′_ud＝23 N，为吸引力.

答案 上夸克间静电力F＝46 N，为斥力上、下夸克间静电力为23 N，为吸力