第四章 第七节 小粒子与大宇宙
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第七节
小粒子与大宇宙
知识点 1 粒子分类 强相互作用 1．强子：强子是参与___________的粒子，质子是最早发现
的强子，中子、介子和超子也是强子．
不参与强相互作用 2．轻子：轻子是_________________的粒子，最早发现的轻 子是电子．后来发现了电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ 子中微子．
题型 1
对基本粒子的认识 )
【例题】(双选)下列说法正确的是(
A．目前已经发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部结构
B．自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒
定律，对基本粒子不适用
C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
解析：目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部 结构，故 A 错；自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及 电荷守恒定律，对基本粒子也适用，故 B 错；反粒子带等量异 种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象，故
普遍接受的模型，也得到了不少观测事实的支持．
1．对于宇宙的时空结构、运动状态和物体演化的理论描述，
2．大爆炸宇宙模型认为，宇宙起源于大约 150 亿年前的一
次大爆炸．在宇宙大爆炸的开始，有的只是极高温的热辐射和 其中隐现的高能粒子．其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、 超新星、黑洞以及被称为类星体的遥远发光体等，宇宙还在不 停地向外扩张．
T＝
3π ＝1.19×10－3 s Gρ
即大约千分之一秒时间内中子星的卫星将运行一周． (3)设在该中子星的赤道上有一个质量为 m 的物体， 为了保 证该中子星不会因自转而瓦解，此物体恰好处于将离未离状态 Mm 由 G 2 ＝mω2R 得 R 3ω2 ρ＝ ＝1.27×1014 kg/m3. 4πG
C 对；强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，
故 D 正确．
答案：CD
规律总结：现在已发现的基本粒子达几百种，按照粒子与
各相互关系，可以将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，
轻子无内部结构，质子是最早发现的强子，媒介子是传递各种 相互作用的粒子，如光子.
1．(双选)下列关于基本粒子的说法正确的是( BD ) A．现在已发现的基本粒子达几百种，它们都有各自的复 杂的内部结构
B．质子是最早发现的强子，它有一定的内部结构
C．电子、电子中微子、μ子、光子都是轻子
D．每种粒子都有相应的反粒子，表明物质世界存在一种
正、反对称性
解析：轻子无内部结构，光子不是轻子．
题型 2
宇宙大爆炸模型
【例题】根据宇宙大爆炸理论，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
态的中子很不稳定，容易发生衰变生成一个质子和一个电子．
请写出该核反应方程式，并计算在该核反应中释放的能量为多 少焦耳？
(2)已知某中子星的密度为 1017 kg/m3，半径为 10 km.求： 该中子星的卫星运行的最小周期．(卫星的运行轨道近似为圆轨 道) (3)中子星也在绕自转轴自转，如果某中子星的自转角速度 为 60π rad/s，为了保证该中子星不会因自转而瓦解，其密度至 少为多大？(可能用到的常量：质子质量 mp＝1.007 277 u，中子 质量 mn＝1.008 665 u， 电子质量 me＝0.000 55 u， 原子质量单位 u＝1.66×10－27 kg，万有引力常量 G＝6.67×10－11 N· 2/kg2) m
传递各种相互作用 3．媒介子：媒介子是__________________的粒子，如光子、
中间玻色子、胶子．光子是传递电磁相互作用的粒子，中间玻
色子是传递弱相互作用的粒子，胶子是传递强相互作用的粒子，
核子之间的作用力属于强相互作用．
知识点 2 从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度 1．时间跨度
(1)物质世界中年龄最长的是宇宙的年龄，其数量级约1018 s， 而微观粒子中寿命最短的只有 10－25 s. (2)物质世界的时间尺度：约从 10 －25 s 到 1018 s，跨越了将
答案：1.8×1047J
1．在天体演变的过程中，超红巨星发生“超新星爆炸”后， 会有气体尘埃以云雾的形式向四面八方喷出，而爆炸之后剩余
的星体核心部分，可以形成中子星，中子星是通过中子之间的
万有引力作用结合而成的球状星体，结构极其复杂，具有极高 的密度． (1)中子星中存在着一定量的质子和电子，这是因为自由状
( A ) A．夸克、轻子、胶子等粒子
ห้องสมุดไป่ตู้
B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子
D．氦核、氘核等轻核
解析：最早产生的粒子应该是最小微粒，不可再分的．
2．(双选)下列说法正确的( AC ) A．黑洞是一个封闭的视界，是广义相对论预言的一种特 殊天体
B．可以通过望远镜来看黑洞
C．黑洞是含有巨大能量和质量的宇宙实体
近 43 个数量级．
2．统一场论(微观粒子与宏观宇宙的统一) 物理学向微观和宏观两个领域的研究今天得到了初步统 一，物理学完整、对称的和谐美在这里得到充分体现．“物理 学中研究最大对象和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物 理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条巨蟒咬住了自己的尾巴．”
知识点 3 宇宙演化 称为宇宙模型．在各种宇宙模型中，大爆炸宇宙模型是一种被
解析：r＝ct ＝3.0×108×500 m ＝1.5×1011 m 地球绕太阳做圆周运动，万有引力提供向心力
2π2 Mm G 2 ＝m T r r
解得太阳的质量为：M＝2.0×1030 kg γ 射线爆发的能量大致相当于将太阳的全部质量转化为能量的总 和 即：E＝Mc2 代入数据解得：E＝1.8×1047J.
D．黑洞是不存在的，是人们想象的
解析：黑洞是一个封闭的视界，是广义相对论预言的一种 特殊天体．它本身不发光，任何强大的望远镜都看不见黑洞． 黑洞是含有巨大能量和质量的宇宙实体．
解：(1)中子发生衰变生成一个质子和一个电子的核反应方 程式为
1 n→1H＋－0e 0 1 1
该核反应释放的能量为 ΔE＝Δmc2＝(mn－mp－me)c2 代入数据，解得 ΔE＝1.25×10－13 J. (2)求该中子星的卫星运行的最小周期，即该卫星贴中子星 表面飞行 Mm 4π2 由 G 2 ＝m 2 R 得 R T
【例题】科学家发现太空中 γ 射线一般都是很远的星体放 射出来的．当 γ 射线爆发时，在数秒内所产生的能量相当于太 阳在过去 100 亿年所产生的能量总和的 1 000 倍左右，大致相 当于将太阳的全部质量转化为能量的总和．科学家利用超级计 算机对 γ 射线的状态进行模拟，发现 γ 射线的爆发是起源于一 个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以 发出这么巨大的能量． 已知光照射到地球上大约需要 8 min 20 s 的时间， 由此来估算在宇宙中， 一次 γ 射线爆发放出的能量． (万 有引力常量 G＝6.67×10－11N· 2/kg2， 年时间约为 3.15×107 s) m 1
小粒子与大宇宙
知识点 1 粒子分类 强相互作用 1．强子：强子是参与___________的粒子，质子是最早发现
的强子，中子、介子和超子也是强子．
不参与强相互作用 2．轻子：轻子是_________________的粒子，最早发现的轻 子是电子．后来发现了电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ 子中微子．
题型 1
对基本粒子的认识 )
【例题】(双选)下列说法正确的是(
A．目前已经发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部结构
B．自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒
定律，对基本粒子不适用
C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
解析：目前还未发现媒介子、轻子和夸克三类粒子的内部 结构，故 A 错；自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及 电荷守恒定律，对基本粒子也适用，故 B 错；反粒子带等量异 种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象，故
普遍接受的模型，也得到了不少观测事实的支持．
1．对于宇宙的时空结构、运动状态和物体演化的理论描述，
2．大爆炸宇宙模型认为，宇宙起源于大约 150 亿年前的一
次大爆炸．在宇宙大爆炸的开始，有的只是极高温的热辐射和 其中隐现的高能粒子．其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、 超新星、黑洞以及被称为类星体的遥远发光体等，宇宙还在不 停地向外扩张．
T＝
3π ＝1.19×10－3 s Gρ
即大约千分之一秒时间内中子星的卫星将运行一周． (3)设在该中子星的赤道上有一个质量为 m 的物体， 为了保 证该中子星不会因自转而瓦解，此物体恰好处于将离未离状态 Mm 由 G 2 ＝mω2R 得 R 3ω2 ρ＝ ＝1.27×1014 kg/m3. 4πG
C 对；强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，
故 D 正确．
答案：CD
规律总结：现在已发现的基本粒子达几百种，按照粒子与
各相互关系，可以将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，
轻子无内部结构，质子是最早发现的强子，媒介子是传递各种 相互作用的粒子，如光子.
1．(双选)下列关于基本粒子的说法正确的是( BD ) A．现在已发现的基本粒子达几百种，它们都有各自的复 杂的内部结构
B．质子是最早发现的强子，它有一定的内部结构
C．电子、电子中微子、μ子、光子都是轻子
D．每种粒子都有相应的反粒子，表明物质世界存在一种
正、反对称性
解析：轻子无内部结构，光子不是轻子．
题型 2
宇宙大爆炸模型
【例题】根据宇宙大爆炸理论，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
态的中子很不稳定，容易发生衰变生成一个质子和一个电子．
请写出该核反应方程式，并计算在该核反应中释放的能量为多 少焦耳？
(2)已知某中子星的密度为 1017 kg/m3，半径为 10 km.求： 该中子星的卫星运行的最小周期．(卫星的运行轨道近似为圆轨 道) (3)中子星也在绕自转轴自转，如果某中子星的自转角速度 为 60π rad/s，为了保证该中子星不会因自转而瓦解，其密度至 少为多大？(可能用到的常量：质子质量 mp＝1.007 277 u，中子 质量 mn＝1.008 665 u， 电子质量 me＝0.000 55 u， 原子质量单位 u＝1.66×10－27 kg，万有引力常量 G＝6.67×10－11 N· 2/kg2) m
传递各种相互作用 3．媒介子：媒介子是__________________的粒子，如光子、
中间玻色子、胶子．光子是传递电磁相互作用的粒子，中间玻
色子是传递弱相互作用的粒子，胶子是传递强相互作用的粒子，
核子之间的作用力属于强相互作用．
知识点 2 从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度 1．时间跨度
(1)物质世界中年龄最长的是宇宙的年龄，其数量级约1018 s， 而微观粒子中寿命最短的只有 10－25 s. (2)物质世界的时间尺度：约从 10 －25 s 到 1018 s，跨越了将
答案：1.8×1047J
1．在天体演变的过程中，超红巨星发生“超新星爆炸”后， 会有气体尘埃以云雾的形式向四面八方喷出，而爆炸之后剩余
的星体核心部分，可以形成中子星，中子星是通过中子之间的
万有引力作用结合而成的球状星体，结构极其复杂，具有极高 的密度． (1)中子星中存在着一定量的质子和电子，这是因为自由状
( A ) A．夸克、轻子、胶子等粒子
ห้องสมุดไป่ตู้
B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子
D．氦核、氘核等轻核
解析：最早产生的粒子应该是最小微粒，不可再分的．
2．(双选)下列说法正确的( AC ) A．黑洞是一个封闭的视界，是广义相对论预言的一种特 殊天体
B．可以通过望远镜来看黑洞
C．黑洞是含有巨大能量和质量的宇宙实体
近 43 个数量级．
2．统一场论(微观粒子与宏观宇宙的统一) 物理学向微观和宏观两个领域的研究今天得到了初步统 一，物理学完整、对称的和谐美在这里得到充分体现．“物理 学中研究最大对象和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物 理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条巨蟒咬住了自己的尾巴．”
知识点 3 宇宙演化 称为宇宙模型．在各种宇宙模型中，大爆炸宇宙模型是一种被
解析：r＝ct ＝3.0×108×500 m ＝1.5×1011 m 地球绕太阳做圆周运动，万有引力提供向心力
2π2 Mm G 2 ＝m T r r
解得太阳的质量为：M＝2.0×1030 kg γ 射线爆发的能量大致相当于将太阳的全部质量转化为能量的总 和 即：E＝Mc2 代入数据解得：E＝1.8×1047J.
D．黑洞是不存在的，是人们想象的
解析：黑洞是一个封闭的视界，是广义相对论预言的一种 特殊天体．它本身不发光，任何强大的望远镜都看不见黑洞． 黑洞是含有巨大能量和质量的宇宙实体．
解：(1)中子发生衰变生成一个质子和一个电子的核反应方 程式为
1 n→1H＋－0e 0 1 1
该核反应释放的能量为 ΔE＝Δmc2＝(mn－mp－me)c2 代入数据，解得 ΔE＝1.25×10－13 J. (2)求该中子星的卫星运行的最小周期，即该卫星贴中子星 表面飞行 Mm 4π2 由 G 2 ＝m 2 R 得 R T
【例题】科学家发现太空中 γ 射线一般都是很远的星体放 射出来的．当 γ 射线爆发时，在数秒内所产生的能量相当于太 阳在过去 100 亿年所产生的能量总和的 1 000 倍左右，大致相 当于将太阳的全部质量转化为能量的总和．科学家利用超级计 算机对 γ 射线的状态进行模拟，发现 γ 射线的爆发是起源于一 个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以 发出这么巨大的能量． 已知光照射到地球上大约需要 8 min 20 s 的时间， 由此来估算在宇宙中， 一次 γ 射线爆发放出的能量． (万 有引力常量 G＝6.67×10－11N· 2/kg2， 年时间约为 3.15×107 s) m 1