构成物质世界的粒子初探

构成物质世界的粒子初探

作者：延国浩

来源：《中学生数理化·学习研究》2017年第06期

粒子物理的研究结果表明，现在已经被人类发现的粒子多达400多种，为了物理研究的方便，科学家们按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为参与强相互作用的强子、不参与强相互作用的轻子和用来传递各种相互作用的媒介子三大类。质子是最早发现的强子，强子又分为介子和重子两类。强子的内部由夸克组成，夸克有6种，分别为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

电子是最早发现的轻子，随后电子中微子、μ子和μ中微子、τ子和τ中微子成为目前发现的六种轻子中的其他五个。每一种中微子都有与其相对应的反物质，中微子在自然界广泛存在，太阳内部核反应产生大量中微子，每秒通过我们眼睛的中微子数以十亿计。大多数核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（β衰變）、超新星爆发等。

在高中物理的学习过程中，我发现探究构成物质世界的粒子问题时，需要联系的知识主要有核反应、核电荷数守恒和质量数守恒定律、爱因斯坦质能方程、德布罗意波长、微观粒子的动能、动量等。

例题由中国科学院高能物理研究所领导、联合美国、俄罗斯等地研究机构的大亚湾反应堆中微子实验于2006年正式启动，并于2012日3月8日宣布，发现一种新的中微子震荡。利用你在高中物理知识中学到的知识，回答以下问题。

（1）在大亚湾核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能，核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。核反应方程式是核反应堆中发生的许多核反应中的一种，其中n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为，a=。以mu、mBa、mKr 分别表示235092U、141056Ba、9236Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则上述核反应过程中放出的核能ΔE=J。

（2）中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在.中微子与水中的发生核反应，产生中子（10n）和正电子

（+0+1e），即中微子+11H→10n++0+1e，可以判定中微子的电荷数为。上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（γ），即

+0+1e+-0-1e→2γ，已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31kg，反应中产生的每个光子的能量约为J。

（3）中国原子能科学研究院从研究中微子的质量，积累了三万多个实验数据，得出电子反中微子的静止质量为30eV，中微子的飞行速度非常接近光速，试估算电子反中微子的静止质量为kg，它的德布罗意波长为m。（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，结果保留两位有效数字）

解析：（1）据核电荷数守恒和质量数守恒定律判断X为中子（10n），且a=3，据爱因斯坦的质能方程ΔE=Δm2得ΔE=[mu-（mBa+mKr+2mn）]c2。

（2）发生核反应前后，粒子核电荷数不变，可知中微子的电荷数为零.两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，产生的能量，故一个光子的能量为8.2×10-14J。

（3）设电子反中微子的静止质量、德布罗意波长分别为m、λ，中微子的飞行速度非常接近光速，其动能Ek=mc2，m=Ekc2=30×1.6×10-19（3×108）2kg=5.3×10-35kg（电子反中微子的质量相当于电子质量的十万之一左右）。电子反中微子的动能Ek=mc2，它的动量

p=mc=Ekc=30×1.6×10-193×108kg·m/s=1.6×10-26kg·m/s。由德布罗意波波长公式λ=hp得

λ=6.63×10-341.6×10-26m=4.2×10-8m。

作者单位：山东省肥城市第一高级中学高二（20）班