8　粒子和宇宙第二课时教学实录

第8节

粒子和宇宙

1.知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型．

2.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．

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21由夸克构成的，带电量为±e或±e. 334．宇宙的演化

宇宙大爆炸――→温度为10K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子――→温度下降到1013K左右，强子时代→温度下降到1011K时，轻子时代→温度下降到109K时，核合成时代――→温度下降到104K，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．

．

知识点一

粒子的分类及夸克模型

1．粒子与反粒子：随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子．粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这类粒子叫做反粒子，例如正电子带正电荷，反质子带负电荷．

2．夸克模型

(1)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)．

一万年后继续冷却约10－44s后32约106s后－

12(2)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＋.332ee例如上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－. 33(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．

－＋－

(多选)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u或反夸克d)组成的；它们的带电荷量如下表所示(表中e为元电荷)：

带电荷量

π

＋e ＋π

－e －u 2＋e 3d 1－e 3－u

2－e 3－d

1＋e

3下列说法正确的是(

) －＋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

2＋[解析]

根据核反应中电荷数、质量数守恒可求得，π电荷量为＋e，u电荷量为＋e，3211－－＋e＋＋e＝＋e，故选项A正确，选项B错d电荷量为＋e，则u和d的总电荷量为333121－2－－－e＋－e误；π电荷量为－e，d电荷量为－e，u电荷量为－e，则d和u的总电荷量为3333＝－e，故选项D正确，选项C错误．

[答案]

AD

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：选D.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，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理2e论，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，C错误，33D正确．故正确答案为D.

[随堂达标]

1．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，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是(

) A．夸克、轻子、胶子等粒子

B．质子和中子等粒子

C．光子、中微子和电子等粒子

D．氦核、氚核、氦3等轻核

解析：选A.宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的产生都在A之后，因此A正确．

2．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(

) A．铀块的质量是重要因素，与体积无关

B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子

C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生

D．能否发生链式反应与铀块的质量无关

解析：选C.要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．

23513．一个

23592U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为

92U＋0n94→X＋38Sr＋210n，则下列叙述正确的是(

) A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加

D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少

解析：选A.X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140(个)，B错误．中子数为140－(92－38)＝86(个)，A正确．裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误．

4．(多选)(2016·鞍山一中高二检测)下列关于聚变的说法中正确的是(

) A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D．自然界中不存在天然的热核反应

解析：选ABC.轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，所以必须克服库仑斥力

做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．

2345．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：1H＋1H→2He＋X，24式中X是某种粒子．已知：1H、34.002 1H、2He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、931.56 u和1.008 7 u；1 u＝2

MeV，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子cX是______，该反应释放出的能量为________ MeV(结果保留3位有效数字)．

1解析：根据质量数和电荷数守恒可得X是0n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u

所以该反应释放出的能量为

ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV.

答案：10n(或中子)

17.6 根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为

ΔE＝0.025 5×931.5 MeV＝23.75 MeV.

(3) 根据爱因斯坦质能方程得太阳每秒减少的质量为

ΔE′3.8×10269Δm′＝2＝82

kg＝4.2×10 kg. c（3×10）40答案：(1)411H→2He＋21e

(2)23.75 MeV (3)4.2×109 kg