2022年人教版選修性必修第3冊高中物理同步講義：“基本”粒子（解析版）

第23講“基本”粒子

0目標導航

課程標準課標解讀

1.了解粒子的發(fā)現(xiàn)史。

了解人類對物質結構的探索歷程。

2.知道粒子的分類及特點。

3.了解夸克模型。

隕:如識精講

知識點01基本粒子與粒子的分類

一、“基本”粒子

1.人們認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子，把它們叫作“基本粒子”。

2.隨著科學的發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)很多新粒子不能看作由質子、中子、電子組成，并發(fā)現(xiàn)質子、中子等本

身也有自己的復雜的結構。

二、發(fā)現(xiàn)新粒子

1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了口子,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和“介子，后來發(fā)現(xiàn)了超子等。

三、粒子的分類

1.強子：是參與（填“參與”或“不參與”）強相互作用的粒子，質子和中子都是強子。

2.輕子：不參與（填“參與”或“不參與”）強相互作用。電子、電子中微子、口子、P子中微子以及T子

和T子中微子都是已發(fā)現(xiàn)的輕子。

3.規(guī)范玻色子：是傳遞各種相互作用的粒子，如光子，中間玻色子（W和Z玻色子）、膠子。

4.希格斯玻色子：是希格斯場的量子激發(fā)。

【知識拓展】

1.新粒子的發(fā)現(xiàn)

發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年20世紀60年代后

K介子與

新粒子反粒子口子超子

n介子

質量、壽命、自旋等物理性質量介于

比質子的

基本特點質與對應粒子相同，而電荷電子與質質量比質子大

質量小

等其他性質相反子之間

2.粒子的分類

參與的相互

分類發(fā)現(xiàn)的粒子備注

作用

參與強相互強子有內部結構，由“夸克”

強子質子、中子等

作用構成

電子、電子中微子、

不參與強相

輕子口子、口子中微子、未發(fā)現(xiàn)內部結構

互作用

T子、7子中微子

光子傳遞電磁相互作用，中間

傳遞各種相光子、中間玻色子、

規(guī)范玻色子玻色子傳遞弱相互作用，膠子

互作用膠子等

傳遞強相互作用

希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)

【即學即練1】下列說法正確的是（）

A.聚變是裂變的逆反應

B.核聚變反應須將反應物加熱到數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量

C.輕核聚變比裂變更為安全、清潔

D.強子是參與強相互作用的粒子，中子是最早發(fā)現(xiàn)的強子

【答案】C

【解析】A.聚變和裂變的反應物和生成物完全不同，兩者無直接關系，并非互為逆反應，故A錯誤；

B.實現(xiàn)聚變反應必須使參加反應的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫，但聚變反應一旦實現(xiàn)，所釋

放的能量遠大于所吸收的能量，所以聚變反應還是釋放能量，故B錯誤；

C.實現(xiàn)聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應就自動終止了，另外，聚變反應比裂變反應生

成的廢物數(shù)量少，容易處理，故C正確；

D.質子是最早發(fā)現(xiàn)的強子，故D錯誤。

故選Co

【即學即練2】關于粒子，下列說法正確的是（）

A.電子、質子和中子是組成物質的不可再分的基本粒子

B.強子都是帶電粒子

C.夸克模型是探究三大類粒子結構的理論

D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位

【答案】D

【解析】由于中子、質子是由不同的夸克組成的，它們不再是基本粒子，夸克模型是探究強子結構的理論,

不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的不帶電，不同夸克帶電不同，可能為+12e或-(]e,說明電子電荷

不再是電荷的最小單位.

A.電子、質子和中子是組成物質的不可再分的基本粒子，與結論不相符，選項A錯誤；

B.強子都是帶電粒子，與結論不相符，選項B錯誤；

C.夸克模型是探究三大類粒子結構的理論，與結論不相符，選項C錯誤；

D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位，與結論相符，選項D正確；

知識點02夸克與粒子物理標準模型

1.夸克、夸克模型：1964年，美國科學家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這

種成分叫作夸克。

2.粒子物理標準模型是一整套關于粒子的理論.其中，夸克、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子是組成物

質的幾類最基本的粒子。

【知識拓展】

1.夸克的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認為強子是由夸克構成的。

2.夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克⑹和頂夸克(t)。

21

3.夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷是元電荷的或一亍

4.意義：電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數(shù)電荷。

【即學即練3】已知萬+介子、乃一介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克G或反夸

克&)組成的，它們的帶電荷量如下表所示，表中e為元電荷。

兀*TTudud

2121

帶電荷量+e-e+—e——e——eH_一e

3333

下列說法正確的是()A.乃+由u和u組成B.乃+由u和d組成

C.乃一由u和d組成D.乃一由u和d組成

【答案】D

【解析】根據(jù)各種粒子帶電情況，萬+的帶電荷量為+e,故由u和&組成；萬-的帶電荷量為-e,故由G和d

組成。

故選D。

【即學即練4】根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后

最早產(chǎn)生的粒子是()

A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質子和中子等強子

C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、笊核、氫核等輕核

【答案】A

【解析】宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質子和中子等強子時代，再之后是

自由的光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子結合成笊核，并形成氮核的核時代,

之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A正確，B、C、D的產(chǎn)生都在A之后，故B、

C、D錯.

U能力拓展

考法01恒星的演化

【典例1】晴朗的夜空繁星閃爍，有的恒星顏色偏紅，有的恒星顏色偏藍關于“紅星”和“藍星”表面的溫度，

下列說法正確的是（）

A.恒星表面的溫度越高，表面顏色越偏紅，所以“紅星”表面的溫度高

B.恒星表面的溫度越高，表面顏色越偏藍，所以“藍星”表面的溫度高

C.“紅星”和“藍星”表面的溫度一樣高

D.恒星的表面顏色與其表面溫度無關

【答案】B

【解析】恒星的表面顏色取決于它的表面溫度，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍。

故選B。

考法02宇宙的演化

【典例2】下列關于宇宙的說法錯誤的是（）

A.質量大的恒星壽命反而比較短

B.恒星的演化分為誕生期、存在期和死亡期

C.光年（l.y.）是一個時間單位，表示一年的時間

D.銀河系是一種旋渦狀星系，太陽現(xiàn)在正處于其中的一條旋臂上

【答案】C

【解析】A.恒星的壽命和它的質量有關，質量越大的恒星壽命越短，故A正確；

B.恒星的演化分為誕生期、存在期和死亡期，故B正確；

C.光在一年中走過的路程是光年，光年是天文學上常用的長度單位，故C錯誤；

D.宇宙是由很多星系組成的，銀河系是一種旋渦狀星系，太陽是銀河系中的一顆恒星，故D正確；

本題選擇錯誤的，故選C。

羔分層提分

題組A基礎過關練

1.下面關于宇宙的說法正確的是（）

A.宇宙是由銀河系和太陽系組成的

B.宇宙是由地球和銀河系組成的

C.太陽系中只有八大行星繞它運行

D.宇宙中有數(shù)十億個星系，銀河系是其中的一員

【答案】D

【解析】宇宙中有數(shù)十億個星系，銀河系是這數(shù)十億個星系中的一員，太陽是銀河系中的一員。太陽周圍

除了八大行星之外，還有若干小行星，彗星等天體繞太陽運動。

故選D。

2.現(xiàn)代宇宙學告訴我們，恒星在演變過程中，會形成密度很大的天體，如白矮星、中子星或黑洞。據(jù)推測,

Icn?中子星物質的質量是1.5x10，，則中子星的密度約（）

A.1.5xl012kg/m3B.1.5xl015kg/m3

C.1.5xlO18kg/m3D.1.5xl021kg/m3

【答案】C

【解析】依題意，有

36

It=103kg,1cm=10~nl③

根據(jù)密度公式，有

m

P=—

V

可得中子星的密度約為

1.5x10-xlQ-kg=15xl（）18

〃10-6m36

故選C。

4.下列關于恒星觀測的敘述正確的是（)

A.沒有閃爍現(xiàn)象B.亮度最大

C.在星空中位置相對不變D.在星空中移動

【答案】C

【解析】恒星的定義是能夠自身發(fā)光發(fā)熱的星體稱為恒星，地球是圍繞恒星運動的行星，故觀測恒星時會

發(fā)現(xiàn)其在星空中的位置相對不變。

故選C。

5.關于恒星的描述，下列說法中正確的是（）

A.質量越大的恒星，壽命越短

B.質量越大的恒星，壽命越長

C.表面溫度比太陽高的恒星呈現(xiàn)出比太陽稍紅的顏色

D.表面溫度比太陽低的恒星呈現(xiàn)出比太陽稍藍的顏色

【答案】A

【解析】AB.恒星的壽命和它的質量體積有關，質量越大的恒星壽命越短，這是因為質量越大壓力就越大,

這種情況下恒星內部的核反應就更加劇烈，故A正確，B錯誤；

CD.恒星的表面顏色取決于它的表面溫度，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍。恒星表面顏

色主要有四種，分別是紅、黃、白、藍。太陽的表面顏色是黃色，屬于溫度中等偏低的恒星，故CD錯誤。

故選Ao

6.為了探究宇宙起源，科學家將利用阿爾法磁譜儀（AMS）在太空中尋找“反物質”，所謂“反物質”是由“反

粒子”構成的?！胺戳Ｗ印迸c其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，則反氫原

子是（）

A.由1個帶正電荷的質子和1個帶負荷的電子構成

B.由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成

C.由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成

D.由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成

【答案】B

【解析】反氫原子由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成。

故選B。

7.以下說法正確的是（）

A.最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，最早發(fā)現(xiàn)的強子是中子

B.質子、中子、介子和超子都屬于強子

C.現(xiàn)代實驗發(fā)現(xiàn)強子、輕子都有內部結構

D.T子質量比核子質量大，T子不屬于輕子

【答案】B

【解析】A.最早發(fā)現(xiàn)的強子是質子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，A錯誤；

C.強子有內部結構，由夸克組成，現(xiàn)代實驗還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內部結構，C錯誤；

BD.質子、中子、介子、超子都屬于強子，工子質量比核子質量大，但仍屬于輕子，D錯誤，B正確。

故選Bo

8.讀天體系統(tǒng)層次框圖，完成下列問題。

廠厘返)一回一回

因七回

(1)寫出圖中字母所代表的天體系統(tǒng)的名稱：

A；B；C；D；

(2)圖中天體系統(tǒng)C的中心天體是；

(3)目前我們人類能觀測到的最遠的星系估計為億光年。

【答案】總星系河外星系太陽系地月系太陽150?200

【解析】總星系⑵河外星系［3］太陽系⑷地月系

(2)［5］圖中天體系統(tǒng)C的中心天體是太陽。

⑶⑹目前我們人類能觀測到的最遠的星系估計為150-200億光年。

9.仙女座星系是人們能用肉眼看到的最遙遠的天體，但由于光速有限，你看到來自那里的光線，實際上已

經(jīng)在太空中行進了年，因此觀察遙遠的天體就等于在觀察.宇宙很大，所以

計算天體間的距離時常用作為單位，它等于.

【答案】200萬宇宙的過去光年9.46xl015m

【解析】［1］仙女座星系離地球大約200萬光年，看到來自那里的光線，實際上已經(jīng)在太空中行進了200萬

年，因此觀察遙遠的天體就等于在觀察宇宙的過去；

⑵由于距離太遠，因此常用光年作單位；

［3］光年是光一年走過的距離

1光年。3*10隈365乂24x3600m=9.46x101

題組B能力提升練

1.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的粒子達400多種。它們大體可被分為哪幾種類別()

A.光子、夸克、強子、質子B.夸克、輕子、強子、電子

C.規(guī)范玻色子、希格斯玻色子、輕子、強子D.質子、中子、電子、光子

【答案】C

【解析】按照粒子與各種相互作用的關系，大體可以把粒子分為四大類，即強子、輕子、規(guī)范玻色子和希

格斯玻色子，所以選項C正確，ABD錯誤。

故選Co

2.中國大科學裝置“東方超環(huán)”（EAST）近期實現(xiàn)1億攝氏度等離子體運行等多項重大突破.由于其內部核

反應原理與太陽類似，因此“東方超環(huán)”也被稱為“人造太陽”“人造太陽”采用的核反應方程可能是（）

A.背U.記Th+；HeB.fH+fH->^He+^n

C.腎u+；n-；丁Xe+；；Sr+2；,nD.^He+^AlP+*n

【答案】B

【解析】“人造太陽”利用類似于太陽的核聚變原理產(chǎn)生能量，與核電站中的核裂變不同，其核聚變方程可能

為

:He+]n

ACD錯誤，B正確。

故選B。

3.關于宇宙，下列說法中正確的是（）

A.當恒星變?yōu)榧t色的巨星或超巨星時，就意味著這顆恒星正處于壯年

B.恒星的壽命取決于亮度

C.太陽能夠發(fā)光、放熱，主要是因為太陽內部不斷發(fā)生化學反應

D.銀河系是一種旋渦星系，太陽處在其中的一個旋臂上

【答案】D

【解析】A.當恒星變?yōu)榧t色的巨星或超巨星時，就意味著這顆恒星處于死亡期了，A錯誤；

B.恒星的壽命取決于質量，B錯誤；

C.太陽能夠發(fā)光、放熱，主要是因為太陽內部不斷發(fā)生核反應，C錯誤；

D.銀河系是一種旋渦星系，太陽處在其中的一個旋臂上，D正確。

故選D。

4.“軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核（稱為母核）俘獲一個核外電子，使其

內部的一個質子變?yōu)橹凶樱⒎懦鲆粋€中微子，從而變成一個新核（稱為子核）的過程。中微子的質量遠

小于質子的質量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的，一

個靜止的原子核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆樱旅嬲f法正確的是（）

A.母核的質量數(shù)小于子核的質量數(shù)

B.子核的動量與中微子的動量大小相同

C.母核的電荷數(shù)小于子核的電荷數(shù)

D.子核的動能大于中微子的動能

【答案】B

【解析】A.質量數(shù)等于質子數(shù)和中子數(shù)之和，母核的質子數(shù)減少1個但中子數(shù)增加1個，說明母核質量數(shù)

等于子核的質量數(shù)，故A錯誤；

B.一個靜止的原子核，動量為零，發(fā)生“軌道電子俘獲”，系統(tǒng)動量守恒仍為零，所以子核的動量與中微子

的動量大小相同，方向相反，故B正確；

C.母核失去了一個質子變成子核，因此電荷數(shù)大于子核的電荷數(shù)，故C錯誤；

D.子核和中微子動量大小相等，動量和動能關系為

2m

因子核質量大，所以子核的動能小于中微子的動能，故D錯誤。

故選B。

5.一個靜止的放射性同位素的原子核：*衰變?yōu)槟躨,另一個也靜止的天然放射性元素的原子核轉Th衰變

為多Pa,在同一磁場中得到衰變后粒子的運動軌跡1、2、3、4,如圖所示，則這四條徑跡依次是（）

A.電子、常pa、si、正電子

B.；：pa、電子、正電子、能i

C.：：Si、正電子、電子、；fpa

D.正電子、Si、；：Pa、電子

【答案】B

【解析】放射性元素放出正電子時，正粒子與反沖核的速度方向相反，而電性相同，則兩個粒子受到的洛

倫茲力方向相反，兩個粒子的軌跡應為外切圓.而放射性元素放出「粒子時，￡粒子與反沖核的速度方向相

反，而電性相反，則兩個粒子受到的洛倫茲力方向相同，兩個粒子的軌跡應為內切圓.放射性元素放出粒

mvP

子時，兩帶電粒子的動量守恒.由半徑公式/=右=二，可得軌跡半徑與動量成正比，與電量成反比，而

qBqB

正電子和P粒子的電量比反沖核的電量小，則正電子和。粒子的半徑比反沖核的半徑都大，故軌跡1、2、3、

4依次是：TP。、電子、正電子、:矽,故B正確，ACD錯誤.

6.某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為，；H+；2Cf；N+Q1,

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：H+；N^C+X+Q2,方程式中Q,Q表示釋放的能量，相關的原子核質量見下表：

原子核；He2He"C

質量/"1.00783.01604.002612.000013.005715.0001

以下推斷正確的是()A.X是如e,Q2>QIB.X是;He,。2>。

C.X是;He,Q2<Q1D.X是;He,Q<Q

【答案】B

【解析】AC.由核反應方程遵循質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知：X是；He,AC錯誤；

BD.前一核反應過程的質量虧損

zfm;=(1.0078+12.0000-13.0057)u=0.0021u

而后一核反應的質量虧損

zfm2=(1.0078+15.0001-12.0000-4.0026)u=0.0053u,Am2>Ami,故Q2>QI

D錯誤，B正確。

故選B。

題組C培優(yōu)拔尖練

1.下列有關核反應的方程中，表述正確的是()

A.+：H-He+jn是核聚變反應B.：H+：Hf；He+；n是a衰變

C.；HeTH+；H是核裂變反應D.■u+jn-魯Ba+*Kr+3；n是核裂變反應

【答案】AD

【解析】AB.：H+；Hf；He+；n是輕核聚變反應，A正確，B錯誤；

C.核裂變是重核在中子轟擊下分裂成中等核，并放出大量核能的反應，；He-；H+；H不是核裂變反應,

C錯誤;

D.常51;+；）11-宵：82+箓后+3；）11是重核裂變反應，D正確。

故選ADo

2.科學家使用核反應獲取瓶，再利用笊和瓶的核反應獲得能量，核反應方程分別為

X+Y.；He+：H+L9MeV和;H+：H.；He+X+17.6MeV.下列表述正確的有（

A.X是中子B.丫的質子數(shù)是3,中子數(shù)是6

C.兩個核反應都沒有質量虧損D.笊和旅的核反應是核聚變反應

【答案】AD

【解析】A.根據(jù)核反應方程

He+X

X的質量數(shù)

叫=2+3—4=1

電荷數(shù)

Z]=1+1-2=0

所以X是中子，A正確；

B.根據(jù)核反應方程

X+YYHe+1H

X是中子，所以丫的質量數(shù)

m2=4+3—1=6

電荷數(shù)

z2=2+1-0=3

所以丫的質子數(shù)是3,中子數(shù)是3,B錯誤；

C.兩個核反應都有大量的能量釋放出來，所以一定都有質量虧損，C錯誤；

D.笊和旅的核反應是核聚變反應，D正確。

故選AD,

3.關于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說法正確的是（）

A.許多粒子都有自己的反粒子

B.把粒子分為強子、輕子、媒介子，根據(jù)是粒子與各種相互作用的關系

C.質子屬于強子

D.光子屬于輕子

【答案】ABC

【解析】A.許多粒子都有自己的反粒子，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電量，但電

荷的符號相反，故A正確；

BCD.粒子分為三大類：媒介子、輕子和強子，依據(jù)其相互作用的關系，質子和中子屬于強子，光子屬于

媒介子，t子屬于輕子，故BC正確，D錯誤；

故選ABCO

4.2017年10月16□,全球多國科學家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次利用激光干涉法直接探測到

來自雙中子星合并（距地球約1.3億光年）的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號，此

后2秒，美國費米太空望遠鏡觀測到同一來源發(fā)出的伽馬射線暴，這是人類歷史上第一次使用引力波天文

臺和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標志著以多種觀測方式為特點的“多信使”天文學進入一

個新時代，也證實了愛因斯坦100多年前在廣義相對論中有關引力波的預言，引力波是由黑洞、中子星等

碰撞產(chǎn)生的一種時空漣漪，宛如石頭丟進水里產(chǎn)生的波紋.根據(jù)以上信息判斷正確的是

A.引力波的傳播速度等于光束

B.具有質量的物體能產(chǎn)生引力波

C.干涉是波具有的性質，所以激光也是一種波

D.引力波的傳播需要空氣作為介質

【答案】ABC

【解析】A.發(fā)現(xiàn)引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號，說明引力波的傳播速度等于光

束，故A正確；

B.引力波是由黑洞、中子星等碰撞產(chǎn)生的一種時空漣漪，因此具有質量的物體能產(chǎn)生引力波，故B正確；

C.引力波是以光速傳播的時空擾動，是橫波，故引力波應該有偏振現(xiàn)象，故C正確；

D.天文臺探測到引力波，說明引力波可以在真空中傳播，故D錯誤；

故選ABC.

5.太陽內部