8　粒子和宇宙教学实录

高三物理选修3-5第十九章原子核第八节粒子与宇宙导学案

【教学目标】

1．初步了解粒子物理学的基础知识。

2．初步了解恒星的演化。

3．学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。

【教学重点】

了解粒子的种类

【教学难点】

了解恒星的演化

【自主学习】

一、

“基本粒子”不基本

在19世纪末，人们认为光子、

、

和

是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并把它们叫做“基本粒子”。然而，随着科学的进一步发展，科学家们认识到这些粒子并不

“基本”。这是因为，一方面，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的；另一方面，科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。

二、发现新粒子

1．新粒子：1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子；以后又发现了质量比质子大的叫做_____．

2．反粒子：实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量与它相同，而电荷等其他性质______这些粒子，叫做反粒子。例如，电子的反粒是正电子，质子的反粒子是反质子等。

3．粒子分类：按照粒子与各种相互作用的关系分为三大类：______、轻子和________。

粒子分类参考表格

强子

介子

π介子

重子

K介子

质子、中子、超子

轻子

电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子τ子中微子

媒介子

光子、中间玻色子、胶子

三、夸克模型

1．什么是夸克：强子(质子、中子)有着自己复杂的结构，它们有更为基本的成分组成，科学家认为这种成分叫夸克。

2．分类：上夸克、_______、奇异夸克、粲夸克、_______、顶夸克共有六种，它们带的电荷分别为元电荷的

。每种夸克都有对应的反夸克。

3．意义：夸克理论的最大突破是________不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。

4．夸克禁闭：夸克不能以___________________，这种性质称为夸克的禁闭．。

四、宇宙的演化

1．研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙理论竟然相互沟通、相互支撑。

2．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。在大爆炸之后约10-44s，那时的温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度降到1013K左右，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到1011K时，只剩下少量夸克，而自由

的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代。当温度下降到109K时，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成，此时成为核合成时代。大爆炸一万年之后，温度降到了104K，此时的宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。当温度降到3000K时，电子与质子复合成为中性的氢原子。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。

3．宇宙演化过程的示意图：

大爆炸

夸克、轻子、胶子等

强子时代

轻子时代

核合成时代

电子与质子复合成氢原子

形成恒星和星系。

五、恒星的演化

1．根据大爆炸宇宙学，大爆炸10万年后，温度下降到了3000K左右，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃。某些尘埃间的距离相对近些，由于万有引力的作用，形成了更密集的尘埃。尘埃像滚雪球一样越滚越大，形成了气体状态的星云团。星云团的进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高。温度上升到一定程度就开始发光。于是，恒星诞生了。这颗星继续收缩、继续升温。当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时停留的时间最长。太阳目前正处于这一阶段的中期。再过50亿年后，当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下收缩。这时引力势能产生的热将使温度升的更高，于是发生核核聚合成碳核的聚变反应。类似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素。恒星在这个阶段要经历多次膨胀与收缩，光度也会反复变化。当各种热核反应都不在发生时，由热核反应维持的辐射压力也消失了。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度达到极大。

2．恒星的最后归宿是：质量小于太阳质量的1.4倍的恒星会演变成_______，即体积很小，质量不太小的恒星。如果恒星的质量大于1.4倍小于2倍太阳质量，会演变成________。当恒星的质量更大时，会演变成更为神奇的天体——黑洞。

3．恒星演化过程的示意图：

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。

【随堂练习】

1．下列关于原子的说法正确的是（

）

A．原子是构成一切物质的基本粒子

B．原子是一切变化中的最小粒子

C．原子是不能再分的粒子

D．原子的质量约等于原子核内质子和中子质量之和

2．有关夸克的说法正确的是（

）

A．夸克是目前发现的最小基本粒子

B．质子和中子都由夸克构成

C．不是所有分子中都存在夸克粒子

D．夸克模型指出电子电荷不再是电荷最小单元，存在分数电荷

3．关于粒子和宇宙，下列说法正确的是（

）

A．夸克能以自由状态单个出现

B．以后不可能在发现比夸克更小的粒子

C．夸克、质子、原子核、原子是按空间尺度由小到大的顺序排列的

D．研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙理论竟然相互沟通、相互支撑

24．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成。u夸克带电荷量为e，d夸31克带电荷量为－e，e为元电荷。下列论断可能正确的是（

）

3A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成

5．按照现代的粒子理论，可以将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，质子和中子属于强子。强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇夸克、璨夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为±e/3或±2e/3，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是（

）

A．上夸克的电荷量为＋2e/3 B．下夸克的电荷量为－e/3 C．上夸克的电荷量为－2e/3 D．下夸克的电荷量为＋2e/3 E．上夸克的电荷量为＋e/3

）组成的，6．已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克（反夸克

或反夸克

它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。下列说法正确的是（

）

组成

A．π+由u和

u d

粒子

π+

π-

B．π+由d和

组成

组成

C．π-由u和

+e -e -e +e +e -e 带电量

D．π-由d和

组成

7．K-介子衰变的方程为：K-＝π-＋π0，其中K-介子和π-介子带负的元电荷e，π0介子不带电。如图所示，一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK和Rπ之比为2∶1。π0介子的轨迹未画出．由此可知π-的动量大小与π0的动量大小之比为（

）

A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6

8．K-介子衰变的方程式K-→π-+π0，其中K-介子和π-介子带负的元电荷e，π0介子不带电。如图所示，两匀强磁场方向相同，以虚线MN为理想边界，磁感应强度分别为B1、B2。今有一个K-介子沿垂直与磁场的方向射入匀强磁场B1中，其轨迹为圆弧AP，P在MN上，K-在P点时的速度为v，方向与MN垂直。在P点该介子发生了上述衰变，衰变后产生的π-介子沿v反方向射出，其运动轨迹为如图虚线所示的“心”形图线。则以下说法正确的是（

）

A．π-介子的运动轨迹为PDMCNBP B．π-介子运行一周回到P用时为T=2πm/eB2

C．B1=4B2

D．π0介子向右做匀速直线运动

9．下列有关恒星演化的说法中正确的是（

）

A．人在一生中可以看到一颗恒星演化的全过程

B．质量较小的恒星的最后归宿是中子星

C．星云中的气体和尘埃一旦紧缩成一个原恒星时，一颗新的恒星就诞生了

D．恒星的燃料消耗殆尽时，他就会进一步收缩，中心密度达到极大

10．宇宙演化的过程经历了（

）

A．温度由低到高

B．温度由高到低

C．物质密度由密到稀

D．物质密度由稀到密

【巩固提高】

1．关于放射现象，下列说法正确的是（

）

A．只有原子序数大于83的元素才具有放射性

B．α射线是由氦原子核衰变产生的

C．在β衰变中反应前后原子核的质量数不变

D．在原子核发生α衰变或β衰变时，常常伴随有γ射线产生

2．现有5个方程：

A．

B．

C．

D．

E．

（1）______是发现中子的核反应方程，______是研究原子弹的基本核反应方程式，

是研究氢弹的基本核反应方程。

（2）B项中X的质量数为______，中子数为______。

（3）以上五个方程的反应类型是：A．______B．______C．______D．_____E．______。

3．在家居装饰中常用到花岗岩、大理石等天然石材，这些岩石都含有不同程度的放射性元素。下列关于说法中正确的是（

）

A．放射性元素

发生α衰变的方程是

B．α衰变中，α粒子获得的能量越大，其德布罗意波波长越短

C．β衰变中产生的电子来源于原子核的内部，故半衰期会受元素化学状态的影响

D．若某一原子核衰变辐射出一个频率为的γ光子，该过程质量亏损为Δm，则h>Δmc2

4．核电池又叫“放射性同位素电池”，一个硬币大小的核电池，就可以让手机不充电使用5000年。燃料中钚（ 是一种人造同位素，可以通过下列反应合成：①用氘核（

轰击铀（ 生成镎（Np238）

） ）

）

和两个相同的粒子X，核反应方程是

2X；

②镎（Np238）放出一个粒子Y后转变成钚（ ，核反应方程是 ）

，则X粒子的符号为

，Y粒子的符号为

。

5．核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，

是核电站常用的核燃料。

受一个中子轰 击后裂变成 和 两部分，并产生___个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要___（选填“大于”或者“小于”）它的临界体积。

6．已知质子的质量为mp=1.6726×10-27kg，中子的质量为mn=1.6749×10-27kg，α粒子的质量为mα=6.6467×10-27kg，光速c=3.0×108m/s，请计算α粒子的结合能。（计算结果保留两位有效数字）

7．两个氘核以相等动能Ek=0.5MeV相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核。已知氘核质量mD=2.0136u，氦核质量mHe=3.0150u，中子质量mn=1.0087u。

（1）写出核反应方程

（2）计算释放多少核能

（3）若反应后释放的核能全部转化为动能，求中子和氦核的动能分别为多少

（4）若共有1kg的完全反应，求放出的总能量

8．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为 下列说法正确的是（

）

，A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能

B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小

C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间

D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量

9．我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是（

）

A．

B．

C．

D．

10．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反应方程是：

已知

1u=931MeV/c2。

，

的质量为2.0136u，

的质量为3.0150u，

的质量为1.0087u，氘核聚变反应中释放的核能约为（

）

A．3.7MeV

B．3.3MeV

C．2.7MeV

D．0.93MeV

11．原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正的有（

）

A．

核的结合能约为14MeV

B．

核比

核更稳定

C．两个

核结合成

核时释放能量

D．

核中核子的平均结合能比 核中的大

7 12．一静止的铝原子 核俘获一速度为1.0×10m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核 ，下列说法正确的是（

）

A．核反应方程为p+

B．核反应方程过程中系统动量守恒

C．核反应过程中系统能量不守恒

D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和

E．硅原子核速度的数量级为105m/s，方向与质子初速度方向一致

13．若一个氡核（ ）发生一次α衰变生成新核钋（ ）,并放出一个能量为E=0.09MeV的γ光子，氡的半衰期为3.8天，则（

）

A．钋核与原来的氡核比中子数少了2 B．若有12个氡原子核，经3.8天后一定剩下6个氡原子核

C．氡核α衰变中产生的γ光子是从钋核中放出的

D．氡核的比结合能大于钋核的比结合能

14．一个静止的放射性原子核处于垂直纸面向里的匀强磁场中，由于发生了某种衰变而形成了如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为1：16，有（

）

A．该原子核发生了β衰变

B．原来静止的原子核的原子序数为15 C．反冲核沿小圆作逆时针方向运动

D．该衰变过程结束后其系统的总质量略有增加

15．某静止放射性元素的原子核在磁感应强度B=2.5T的匀强磁场中发生衰变，轨迹如图所示，测得两圆的半径之比R1：R2=42：1，且R1=0.2m。已知α粒子质量mα=6.64×10-27kg，β粒子质量mβ=9.1×10-31kg。

（1）判断发生的是何种衰变

（2）判断衰变前原子核的种类

（3）求出放出粒子的速度大小

16．在下列描述的核反应的方程中，属于α衰变的是___，属于β衰变的是___，属于裂变的是___，属于聚变的是___．（填正确答案的标号）

A．

B．

C．

D．

E．

F．

G．

17．在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次α衰变。放射出α粒子（

）在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量。

（1）放射性原子核用

表示，新核的元素符号用Y表示，写出该α衰变的核反应方程

（2）α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小

（3）设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能，新核的质量为M，求衰变过程的质量亏损Δm。

18．在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次α衰变，放出的α粒子的质量为m，电荷量为q，运动轨迹在与磁场垂直的平面内，且轨道半径为R。若原子核衰变时其能量都以α粒子和新核的动能形式释放，求它释放出的总能量(亏损的质量在与粒子质量相比时可忽略)。

【教学反思】

参考答案：

【随堂练习】

1．D 2．ABD 3．CD 4．B 5．AB 6．AD 7．C 8．ABD 9．CD 10．BD

【巩固提高】

1．CD 2．（1）E，B，A；（2）144，90；（3）A轻核聚变B重核裂变Cβ衰变Dα衰变E人工转变

3．AB

4．

，

5．3，大于

6．4.3×10-12J 7．（1）；（2）3.26MeV；（3）3.195 MeV，1.065 MeV；（4）7.8×1013J 8．B 9．A 10．B 11．BC 12．ABE 13．AC 14．AB 15．（1）该衰变为α衰变；（2）衰变前原子核为氡核；（3）放出粒子的速度大小为2.4×107m/s 16．C，AB，E，F 17．（1）；（2,2πm/qB，q2B/2πm；（3）Δm=(M+m)(qBR)2/2mMc2

18．M(qBR)2/2m(M-m)