第3章6.核聚变7.粒子物理学简介
教科版必修(3-5)第3章第6、7节《粒子物理学简介》ppt课件
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或 两个轻核结合成质 多个中等质量的原 量较大的原子核放 子核放出核能 出核能 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出 的能量大约要大3～4倍
放能多少
核废料处 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得 理难度 多 主要原料是氘，氘 在地球上的储量非 核裂变燃料铀在地球上 常丰富.1 L海水中大 原料的蕴 储量有限，尤其用于核 约有0.03 g 氘，如果 裂变的铀235在铀矿石 藏量 用来进行热核反应 中只占0.7% 放出的能量约和燃 烧300 L汽油相当 速度比较容易进行人工 控制，现在的核电站还 目前，除氢弹以外， 都是用裂变反应释放核 人们还不能控制它 能
图 3－ 6－ 2
即时应用 (即时突破，小试牛刀) 2．太阳每秒辐射出来的能量约为 3.8×1026 J， 这些能量是( ) ①重核的裂变反应中产生的 ②轻核的聚变反应中产生的 ③原子核的衰变反应中产生的 ④热核反应中产生的 A．①② B．②③ C．③④ D．②④
解析：选B.在一次聚变反应中释放的能量不一 定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量 一定大，故 A 错误， B 正确；由于聚变反应中 释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量 发生亏损，故C、D错误．
二、核反应与核能释放分析 1．可以从核子的比结合能上看，如图3－6－1.
图 3－ 6－ 核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子
平均放出的能量大．因此两个比铁轻的原子核 结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能 量．
2 ．根据核子的平均质量图分析，如图 3 － 6 － 2 ， 由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小， 如果原子序数较大的 A裂变成B和 C，或者原子序 数较小的 D 和 E 结合成 F 核，都会有质量亏损，根 据爱因斯坦质能方程，都要放出能量．
粒子物理学的课件
粒子物理学的课件**粒子物理学的课件**粒子物理学是研究物质构成和相互作用的一门科学领域。
通过对基本粒子的研究，我们可以更深刻地理解宇宙的起源和演化。
本文将介绍粒子物理学的基本概念、重要实验以及一些前沿研究成果，帮助读者深入了解这一引人入胜的学科。
### 一、基本概念粒子物理学的研究对象是构成物质的基本粒子，这些粒子包括了夸克、电子、中微子等。
夸克是构成质子、中子等强子的基本组成单元，而电子则是构成原子的基本粒子之一。
中微子是一类质量极小、几乎不与物质相互作用的粒子，它们在宇宙中扮演着重要的角色。
### 二、重要实验#### 1. 大型强子对撞机（LHC）大型强子对撞机是目前世界上能量最高、探测精度最高的粒子加速器。
位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）内，它可以将质子加速到接近光速，并让它们在环形管道内相撞。
这些高能碰撞能够模拟宇宙大爆炸后的早期宇宙条件，从而帮助科学家们了解宇宙的起源。
#### 2. 希格斯玻色子的发现2012年，CERN的ATLAS和CMS两个实验组相继宣布发现了希格斯玻色子，这是一种被认为赋予其他基本粒子质量的粒子。
这一发现在科学界引起了轰动，也为理解基本粒子的质量提供了重要线索。
#### 3. 中微子振荡实验证明20世纪末，科学家们通过实验证明，中微子具有质量，并且能够在不同类型之间发生振荡。
这一发现颠覆了早期对中微子性质的理解，也为粒子物理学的发展开辟了新的方向。
### 三、前沿研究成果#### 1. 超对称理论超对称理论是粒子物理学中的一个重要理论框架，它提出了一种将费米子和玻色子统一起来的假设。
通过引入超对称性，科学家们希望解决一些标准模型无法解释的问题，并寻找新的物理现象。
#### 2. 暗物质研究暗物质是构成宇宙大部分质量的一种未知物质，它不会与电磁波相互作用，因此无法直接观测到。
粒子物理学家们正在进行一系列实验，试图探测暗物质的存在，以揭示它的性质和作用。
《粒子物理简介》 讲义
《粒子物理简介》讲义一、什么是粒子物理粒子物理，有时也被称为高能物理，是物理学的一个重要分支，它专注于研究构成物质的最基本的粒子以及它们之间的相互作用。
当我们思考周围的世界，从微小的原子到巨大的星系，一切都是由基本粒子组成的。
这些粒子的行为和相互关系决定了物质的性质和宇宙的运行规律。
粒子物理的研究范围极其广泛，小到微观世界的夸克，大到宇宙中的高能射线。
它试图回答一系列深刻而又令人着迷的问题，比如：物质的本质是什么？为什么会有质量？宇宙是如何诞生和演化的？二、粒子的种类在粒子物理的世界里，粒子可以分为两大类：费米子和玻色子。
费米子是构成物质的粒子，包括夸克和轻子。
夸克是组成质子和中子等强子的基本成分。
而轻子则包括电子、μ子和τ子，以及它们对应的中微子。
玻色子则负责传递各种相互作用，比如光子传递电磁相互作用，胶子传递强相互作用，W 和 Z 玻色子传递弱相互作用。
夸克具有一种奇特的性质，叫做“色禁闭”，这意味着我们无法在自然界中观察到单独存在的夸克。
质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子则由两个下夸克和一个上夸克组成。
电子是我们最为熟悉的轻子之一，它围绕着原子核旋转，决定了原子的化学性质。
三、粒子的相互作用粒子之间通过四种基本相互作用相互影响，分别是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。
引力相互作用是我们日常生活中最熟悉的，但在粒子物理的尺度上，它的影响非常微弱，通常可以忽略不计。
电磁相互作用则在原子和分子的层面上起着关键作用，比如电子与原子核之间的相互吸引就是电磁相互作用的结果。
强相互作用将夸克紧紧地束缚在质子和中子内部，使原子核保持稳定。
它的作用范围非常小，但强度极大。
弱相互作用则在某些放射性衰变过程中发挥作用，比如β衰变。
四、粒子物理的实验方法为了探索粒子的奥秘，科学家们使用了各种各样的实验手段。
加速器是其中最为重要的工具之一。
通过加速器，将粒子加速到极高的能量，然后让它们相互碰撞，从而产生新的粒子和现象。
物理选修3-5 第3章 6 核聚变+7 粒子物理学简介(选学)
6.核聚变7．粒子物理学简介(选学)[先填空]1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．2．热核反应(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He ＋10n＋17.60 MeV(2)反应条件①轻核的距离要达到10－15 m以内．②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．(3)优点①轻核聚变产能效率高．②地球上聚变燃料的储量丰富．③轻核聚变更为安全、清洁．3．可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展．(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式．(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希望．3．恒星演化中的核反应(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84 Be→126C.[再判断]1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)[后思考]1．核聚变为什么需要几百万度的高温？【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．4．核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区别1．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E ．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能 【解析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m ，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，E 错误；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．【答案】 ABC2．如图3-6-1所示，托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是( )图3-6-1A ．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B ．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C ．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D ．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行E．这种装置是利用电场来约束带电粒子的【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确，E错误；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确．【答案】ABD3．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋1n＋17.6 MeV(1)这个核反应称为________．(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝ΔEc2≈3×10－29 kg.【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－29(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.[先填空]1．基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后，人们又陆续发现了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子．(2)1932年，安德森发现了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子．2．基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子．3．加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机．[再判断]1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)4．回旋加速器加速带电粒子时，高频电源的频率应等于回旋粒子的频率．(√)[后思考]1．为什么说基本粒子不基本？【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．2．北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，你了解对撞机的工作原理吗？它有什么作用？【提示】对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机．在对撞机里两束粒子流反方向回旋，并进一步加速，在轨道交叉的地方相互碰撞．对撞机的出现，大大提高了有效作用能，因此它在高能物质实验中起着日益显著的作用．近年来，在粒子物质中的一系列重大发现和研究成果，几乎都是在对撞机上获得的．1．新粒子的发现及特点夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．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．强子中也有不带电的粒子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E．超子的质量比质子的质量还大【解析】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错误，B正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确，超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E正确．【答案】BDE5．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在.【导学号：11010053】(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即：中微子＋11H→10n＋01e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(2)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01e＋0－1e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．【答案】0和08.2×10－14 J见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．。
高中物理第三章原子核3.7粒子物理学简介教案教科版选
7．粒子物理学简介【教学目标】1.明白聚变反映，关注受控聚变反映研究的进展.2.通过核能的利用，试探科学技术与社会进步的关系.3.初步了解粒子物理学的基础知识.4.了解、感受科学进展进程中蕴藏着的科学和人文精神.【知识脉络】【教学进程】1．大体粒子(1)1897年汤姆孙发觉了电子后，人们又陆续发觉了质子、中子，以为电子、中子、质子是组成物质的大体粒子．(2)1932年，安德森发觉了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成了大体粒子．2．大体粒子的分类按粒子参与彼此作用的性质把粒子分为三类：它们别离是：媒介子、轻子、强子．3．加速器粒子加速器是用人工方式产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机．【判断】1．质子、中子、电子都是不可再分的大体粒子．(×)2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)3．依照夸克模型，电子所带电荷再也不是电荷的最小单元．(√)4．回旋加速器加速带电粒子时，高频电源的频率应等于回旋粒子的频率．(√)【试探】1．为何说大体粒子不大体？【提示】一方面是因为这些原来被以为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发觉的很多种新粒子都不是由原来以为的那些大体粒子组成的．2．北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，你了解对撞机的工作原理吗？它有什么作用？【提示】 对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机．在对撞机里两束粒子流反方向回旋，并进一步加速，在轨道交叉的地方彼此碰撞．对撞机的出现，大大提高了有效作用能，因此它在高能物质实验中起着日趋显著的作用．最近几年来，在粒子物质中的一系列重大发觉和研究功效，几乎都是在对撞机上取得的．1．新粒子的发觉及特点 发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后新粒子反粒子 μ子K 介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大分类 参与的相互作用发现的粒子 备注媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构强子 参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提示(1)质子是最先发觉的强子，电子是最先发觉的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．【指津】对核反映中新生成粒子的熟悉：新生成的粒子和实物粒子一样，它们之间发生彼此作历时，一样遵循动量守恒定律等力学规律．【教学反思】。
核聚变、粒子和宇宙 课件
• (2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不 及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用__激_光_____从 各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
知识点 3 “基本粒子”不基本 • 1．“基本”粒子 • 19世纪末，许多人认为光子、电子、__质__子____和___中__子___是组成物质的不
• 3．应用
• 目前，热核反应主要用在核武器上，那就是_氢_弹______， 需要用__原_子__弹_____爆炸产生的高温高压引发核爆炸。
• 4．太阳能
• 太阳的主要成分是__氢____，太阳中心温度可达1.5×107K ，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太 阳能就来自于太阳内部__聚_变_____释放的核能。
高温高压引发热核聚变爆炸。
• 1．轻核聚变是放能反应
• 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚 变反应是一个放能反应。
• 2．聚变发生的条件
• 要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10 －15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15m就 必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足 够的动能。方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高 温。
(3)太阳每秒释放的能量为 3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量 Δm＝ΔcE2 ＝33.8××11008226kg＝4.2×109kg 太阳还能用 t＝Δmm＝42.×2×1013009s＝4.76×1020s＝1.5×1013 年
答案：(1)2－01e＋411H―→42He (2)3.24×10－12J (3)4.2×109kg 1.5×1013 年
高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚变 3.7 粒子物理学简介课件 教科版选修3-5.pptx
1
[目标定位] 1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放 的核能.2.知道热核反应，了解可控热核反应及其研究和发 展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史.
2
一、核聚变 1．定义：两个轻核结合成 较重 原子核的反应，轻核聚变必须在
高温下进行，因此又叫 热核反应 ． 2．能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量． 3．核反应举例：21H＋31H→ 42He ＋10n＋17.6 MeV. 4．核反应条件：必须使它们的距离达到 10－15 m 以内，使核具
A.21H＋13H→42He＋10n 是聚变 B.29325U＋10n→15440Xe＋9348Sr＋210n 是裂变 C.28286Ra→28262Rn＋42He 是 α 衰变 D.2114Na→2142Mg＋－10e 是裂变 答案 D
()
13
解析 A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的 核，是聚变反应，故 A 选项正确；B 选项的核反应中是铀核捕获 中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂 变反应，故 B 选项正确；在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自 发地放出了 α 粒子，是 α 衰变，C 选项是正确的；而 D 应是 β 衰 变，不正确；故答案为 D.
6
3．夸克模型 (1)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，认为强子是由 夸克 构成的． (2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶 夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的 ＋23 或 －13 ，每种夸 克都有对应的 反夸克 ． (3)意义：元电荷不再是电荷的 最小单位 ，即存在分数电荷． (4)夸克的“禁闭” 夸克不能以 自由 的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁 闭”．
粒子物理学的基本概念
粒子物理学的基本概念粒子物理学是研究微观世界的一门学科，旨在探索物质的基本构成和相互作用规律。
它的发展对于我们理解宇宙的结构和演化具有重要的意义。
本文将介绍粒子物理学的基本概念，包括基本粒子、相互作用、标准模型等。
一、基本粒子基本粒子是组成物质的最基本的构成单元，也被称为元素粒子。
按照标准模型的分类，基本粒子可以分为两类：费米子和玻色子。
费米子具有半整数自旋，受到保守荷守恒定律的制约，包括夸克和轻子。
夸克是构成核子的基本粒子，包括上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克和奇异夸克；轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。
玻色子具有整数自旋，不受保守荷守恒定律的制约，包括光子、胶子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子。
二、相互作用粒子之间的相互作用是粒子物理学研究的核心内容之一，常见的相互作用包括重力、电磁力、强力和弱力。
重力是最常见的相互作用，负责宏观物体之间的相互吸引，但在微观尺度下效果微弱。
电磁力是粒子物理中最为熟知的相互作用，负责电荷粒子之间的相互吸引和排斥，包括静电力和磁力。
强力是负责夸克之间的相互作用，也被称为色力。
它使得夸克能够组合成为介子和重子。
弱力是负责一些放射性衰变过程的相互作用，包括β衰变和电弱相互作用等。
三、标准模型标准模型是粒子物理学中最为成功的理论框架，它能够解释和预测基本粒子相互作用的结果。
标准模型包括了电磁力、弱力和强力，但不包括引力。
标准模型将基本粒子分为三代，每代包括两种夸克和两种轻子。
标准模型预言了许多重要的实验发现，包括电弱统一、胶玻子质量与强相互作用耦合等。
希格斯玻色子是标准模型中唯一一个未被实验证实的基本粒子，其存在解释了其他粒子获得质量的机制。
四、现代实验为了验证粒子物理学理论，科学家们进行了大量的实验。
其中最著名的是粒子对撞机实验，包括欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）等。
通过高能粒子对撞，科学家们可以模拟宇宙早期的极端条件，观测到一些高能量、短寿命的粒子，以验证理论。
高三物理核聚变粒子和宇宙(课件)
发生聚变的条件:
使原子核间的距离达到10-15m 实现的方法有:
1、用加速器加速原子核； 不经济 ２、把原子核加热到很高的温度；
108～109K 聚变反应又叫热核反应
核聚变的利用——氢弹
弹体
三种炸药：
普通炸药
小 型
普通炸药
爆炸
铀235 外壳
原
子 Ｕ235 裂变
弹
氘、氚、重 氢化钾等
根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:
2 1H3 1H 4 2He0 1n
氘核的质量：mD＝2.014102u 氚核的质量：mT＝3.016050u 氦核的质量：mα＝4.002603u 中子的质量：mn=1.008665u
m m D m T (m m n )0.0188u8
E m 2 c 0 .01 9 8.3 5 8 M 1 4 eV
A．
B．
C．
D．
核聚变普遍存在于宇宙中
第十九章 原子核 第八节 粒子和宇宙
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室 证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
强子 轻子（共12种） 媒介子
强子分类
分类
粒子名称
介子
、 、 K介子等
自旋 整数
玻色 子
重子
核子 超子
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
宙 时 各大 间 处爆 的 同炸 零 时是 点 产在
生无 限 的 宇
五、恒星的演化
粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归
17．(2004天津) 中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个 电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为 r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表 示出各夸克所受静电作用力的是:
第三章 6 核聚变 7 粒子物理学简介(选学)
6核聚变7粒子物理学简介(选学)[学习目标] 1.知道核聚变，了解核聚变的特点和条件.2.会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量.3.了解可控热核反应及其研究和发展.4.了解构成物质的基本粒子和粒子物理学的发展史.5.了解几种典型的粒子加速器．一、核聚变1．聚变两个轻原子核结合成较重原子核的反应．轻核聚变需要在高温下进行，因此聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程举例2H＋31H―→42He＋10n＋17.60 MeV.13．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15m以内，这要克服电荷间巨大的静电斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，温度必须达到108 K的高温．4．特点：(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应释放更多的能量．(2)核聚变反应没有放射性废料产生．(3)核聚变反应所用的燃料氘在地球上的储量非常丰富．二、受控热核反应1．聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高；第二，地球上聚变燃料的储量丰富；第三，轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．2．聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．3．控制方法：(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器．(2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性的约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．三、粒子1．“基本粒子”不基本“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为电子、质子、中子是组成物质的“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子．2．粒子的分类：按粒子参与相互作用的性质，可将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子．3．夸克模型夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．至今发现的夸克有6种．四、3种典型的粒子加速器1．直线加速器(1)粒子的运动轨迹是一条直线．(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系．(3)优点：粒子束的强度高．2．回旋加速器(1)粒子运动轨迹：在磁场中做匀速圆周运动．(2)满足条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率．(3)优点：粒子被加速到的能量可达40 MeV.3．对撞机(1)定义：能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫做对撞机．(2)工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，两束粒子流反方向回旋，在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量．判断下列说法的正误．(1)核聚变时吸收能量．(×)(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．(√)(3)轻核聚变比裂变更安全、清洁．(√)(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度．(√)(5)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦的阶段，以电磁波的形式向外辐射核能．(√)一、核聚变1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到10－15m以内，这要克服电荷间强大的静电斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到108 K的高温．2．轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．聚变方程21H＋31H―→42He＋10n＋17.6 MeV.4．重核裂变与轻核聚变的区别反应方式比较项目重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其可用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油释放的能量相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多命题角度1核聚变的特点例1关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加答案 B解析一次聚变反应中释放的能量不一定比一次裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大，故选项A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大的能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项C、D错误．命题角度2聚变反应中释放核能的计算例2太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(已知质子质量为m H ＝1.007 3 u ，氦核质量为m He ＝4.001 5 u ，正电子质量为m e ＝0.000 55 u,1 u 相当于931.5 MeV 的能量) (1)写出这个核反应方程． (2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？答案 (1)411H →42He ＋20＋1e (2)24.78 MeV (3)4.22×109kg 解析 (1)由题意可得核反应方程应为411H →42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m H ＝4×1.007 3 u ＝4.029 2 u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.001 5 u ＋2×0.000 55 u ＝4.002 6 u ，Δm ＝m 1－m 2＝0.026 6 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝0.026 6×931.5 MeV ≈24.78 MeV .(3)由质能方程ΔE ＝Δmc 2得太阳每秒减少的质量 Δm ＝ΔE ′c 2＝3.8×1026(3×108)2 kg ≈4.22×109 kg. 针对训练1 氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m 1、m 2、m 3、m 4，氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子：21H ＋31H →42He ＋10n.对于这个反应，以下说法正确的是( )A ．氘核和氚核的比结合能比氦核大，所以该反应会释放核能B ．氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大，所以该反应会吸收一定的能量C ．该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是Δm ＝m 1＋m 2－(m 3＋m 4)D ．该反应是轻核的聚变，反应中释放的核能为(m 3＋m 4－m 1－m 2)c 2 答案 C解析 氘核和氚核的比结合能小于氦核的比结合能，氘核和氚核的核子平均质量比氦核大，该反应会放出一定的能量，故A 、B 错误；该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是Δm ＝m 1＋m 2－(m 3＋m 4)，释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝(m 1＋m 2－m 3－m 4)c 2，故C 正确，D 错误． 二、粒子的分类和夸克模型 1．粒子的分类递电磁、弱、强相互作用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)． (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＋23或－13.例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e3.(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷． 例3 (多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( ) A ．强子是由更基本的夸克组成的 B ．夸克的电荷量分别为元电荷的＋23或－13C ．每种夸克都有对应的反夸克D ．夸克能以自由的状态单个出现 答案 ABC解析 夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误．针对训练2 2010年3月31日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功．科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，提示宇宙形成之谜．欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子．请推测反氢原子的结构是( ) A ．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成 B ．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成 C ．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成 D ．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成 答案 B解析 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷．因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量，所以B 正确．1．(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为232He ―→211H ＋42He ，关于32He 聚变，下列表述正确的是()A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用32He聚变反应发电答案 B解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B正确，A、C错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电，D错误．2．(对核聚变的理解)(多选)月球土壤里大量存在着一种叫“氦3(32He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将可为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(32He)”与氘核聚变，下列说法正确的是() A．核反应方程为32He＋21H→42He＋11HB．核反应生成物的质量将大于参加反应物的质量C．“氦3(32He)”一个核子的结合能大于“氦4(42He)”一个核子的结合能D．“氦3(32He)”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量答案AD解析根据质量数守恒、电荷数守恒和已知条件可以写出核反应方程为32He＋21H→42He＋11H，故A正确；由于此核反应过程中放出能量将出现质量亏损，所以B、C错误，D正确．3．(核反应方程的理解)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一．下列释放核能的反应方程中，表述正确的是()A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变答案AC解析两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错．重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对．原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核的衰变的反应物只有一种，故D错．4.(核聚变释放核能的计算)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：21H＋21H→32He＋10n.已知21H的质量为2.013 6 u，32He的质量为3.015 0 u，1n的质量为1.008 7 u，1 u＝931.5 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7 MeV B．3.3 MeVC．2.7 MeV D．0.93 MeV答案 B解析反应的质量亏损Δm＝2m H－m He－m n＝0.003 5 u，则ΔE＝0.003 5×931.5 MeV≈3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误．考点一对核聚变的理解1．(多选)下列关于聚变的说法，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108 K的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生108 K的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案ABC解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m以内，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108K的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，故B、C 正确；在太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．2．(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是()A．这是一个聚变反应B．核反应方程式为21H＋31H→42He＋10nC．目前核电站都采用上述核反应发电D．该核反应没有质量亏损答案AB解析1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为21H＋31H→42He＋10n，这是聚变反应，故A、B正确；目前核电站采用重核裂变发电，故C错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏损，故D错误．3．(多选)关于核反应的类型，下列表述正确的有()A.238 92U―→234 90Th＋42He是α衰变B.14 7N＋42He―→17 8O＋11H是β衰变C.21H＋31H―→42He＋10n是轻核聚变D.8234Se―→8236Kr＋20－1e是重核裂变答案AC4．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10n，故A项正确，B错误；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确，D错误．5.如图1所示，托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)，kamera(真空室)，magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下列判断中错误的是()图1A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B．线圈的作用是通电时产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不飞出C．这种装置是科学家设想的其中一种方案D．该装置是利用聚变物质的惯性进行约束答案 D解析聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不飞出，故B对；该装置是科学家设想的其中一种方案：磁约束装置，另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束，故C对，D错．考点二轻核聚变中核能的计算6．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为1H＋12 6C―→13 7N＋Q1①11H＋15 7N―→12 6C＋X＋Q2②1方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：以下推断正确的是()A．X是32He，Q2>Q1B．X是42He，Q2>Q1C．X是32He，Q2<Q1D．X是42He，Q2<Q1答案 B解析由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为42He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u －4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1.根据质能方程ΔE＝Δmc2可求得Q2>Q1，故选B.7．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42 He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，光速为c，下列说法正确的是()A．这种装置中发生的核反应方程式是21H＋31H―→42He＋10nB．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同答案 A解析核反应方程为21H＋31H―→42He＋10n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用装置核反应原理为核裂变，选项D错误．8．现在太阳向外辐射的能量是由于太阳内部氢核聚变产生的，大约在40亿年以后太阳内部将会启动另一种核反应，其核反应方程为：42He＋42He＋42He→12 6C，到那时太阳向外辐射的能量是由上述两种核反应共同产生的．已知42He 的质量为m 1，12 6C 的质量为m 2，则下列判断正确的是( ) A ．3m 1>m 2 B ．3m 1<m 2 C ．3m 1＝m 2 D ．m 1＝3m 2答案 A解析 由于发生上述核聚变时释放核能，根据爱因斯坦质能方程可知，该反应存在质量亏损，所以3m 1>m 2，选项A 正确． 考点三 粒子的分类及夸克模型9．关于粒子的分类，目前人们认为构成粒子世界的三类粒子是( ) A ．媒介子、夸克、强子 B ．夸克、轻子、强子 C ．媒介子、轻子、强子 D ．质子、中子、电子 答案 C解析 按粒子参与相互作用的性质，把粒子分为三大类，即强子、轻子和媒介子，所以选项C 正确．10．(多选)关于粒子，下列说法正确的是( ) A ．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B ．质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构 C ．质子是带电的强子D ．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元 答案 BCD解析 质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A 错误，B 正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C 正确；夸克模型是研究强子的理论，不同的夸克带电不同，分别为＋23e 或－13e ，这说明电子电荷不再是电荷的最小单元，故D 正确．11．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量m D ＝2.013 6 u ，氦核质量m He ＝3.015 0 u ，中子质量m n ＝1.008 7 u,1 u ＝931.5 MeV/c 2.若反应前两氘核的动能均为E k0＝ 0.35 MeV ，它们正碰发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？答案0.99 MeV 2.97 MeV解析核反应方程为：221H→32He＋10n反应质量亏损Δm＝2m D－m He－m n＝0.003 5 u.由质能方程得释放的核能ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.将两氘核作为一个系统，由动量守恒有0＝m He v He＋m n v n①由能量守恒有12＋12m n v n2＝ΔE＋2E k0②2m He v He由①②代入数据可得E kHe≈0.99 MeV，E kn≈2.97 MeV.12．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 2 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1 u＝1.66×10－27 kg.(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果均保留两位有效数字)(1)写出氘和氚聚变的反应方程．(2)试计算这个核反应释放出来的能量．(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量．答案(1)21H＋31H→42He＋10n(2)2.8×10－12 J (3)23 kg解析(1)聚变方程为21H＋31H→42He＋10n(2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 2－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×(3.0×108)2 J≈2.8×10－12 J(3)每个氘原子质量m D＝2.014 1×1.66×10－27 kg≈3.34×10－27 kg核聚变电站产生的电能Pt＝ηm·ΔEm D则m＝PtηΔE·m D，代入数据得m≈23 kg.。
《粒子物理学简介》 知识清单
《粒子物理学简介》知识清单一、什么是粒子物理学粒子物理学，又称为高能物理学，是研究构成物质世界的最基本粒子以及它们之间相互作用和转化规律的学科。
它探索的是微观世界中极小尺度下的物质结构和运动规律。
在我们日常生活中，所接触到的物质都是由原子组成的。
而原子又由原子核和核外电子构成，原子核则由质子和中子组成。
但粒子物理学告诉我们，质子和中子并非最基本的粒子，它们还可以进一步分解为更小的粒子，如夸克。
二、粒子物理学的研究对象1、基本粒子基本粒子包括夸克、轻子和规范玻色子。
夸克有六种“味”，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。
轻子包括电子、μ子、τ子以及它们相应的中微子。
规范玻色子则包括光子、胶子、W及 Z 玻色子等，它们负责传递基本粒子之间的相互作用。
2、复合粒子由两个或更多基本粒子组成的粒子称为复合粒子。
例如，质子和中子就是由三个夸克通过强相互作用结合而成的。
三、粒子物理学中的相互作用1、强相互作用强相互作用是四种基本相互作用中最强的一种，它将夸克紧紧束缚在质子和中子内部，并使原子核保持稳定。
强相互作用由胶子传递。
2、电磁相互作用电磁相互作用在日常生活中非常常见，如电荷之间的相互吸引或排斥，磁体之间的作用等。
电磁相互作用由光子传递。
3、弱相互作用弱相互作用支配着某些放射性衰变过程，如β衰变。
W 及 Z 玻色子是传递弱相互作用的粒子。
4、引力相互作用引力相互作用在微观世界中相对较弱，但在宏观尺度上，如天体之间的作用，引力起着主导作用。
四、粒子物理学的研究方法1、对撞机实验这是粒子物理学中最重要的研究手段之一。
通过将粒子加速到极高的能量，并使其相互碰撞，从而产生新的粒子和现象，科学家可以观察和分析这些结果，以探索物质的本质。
2、探测器在对撞机实验中，需要高精度的探测器来捕捉和测量碰撞产生的粒子的各种信息，如能量、动量、电荷等。
3、理论计算物理学家运用数学和物理理论来计算和预测粒子的行为和相互作用，与实验结果相互印证和补充。
物理粒子物理学简介(选学)-20211113153857
物理粒子物理学简介第一章：粒子物理学的起源与发展粒子物理学是研究物质基本组成和相互作用的基础学科。
其起源可以追溯到20世纪初，当时科学家们开始探索原子的内部结构。
1911年，欧内斯特·卢瑟福通过α粒子散射实验，提出了原子核模型，这一发现标志着粒子物理学的诞生。
随后，科学家们通过一系列实验和理论研究，逐渐揭示了原子核和基本粒子的性质。
1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这一发现为理解原子核的结构提供了关键线索。
1932年，约瑟夫·约翰·汤姆孙发现了正电子，这一发现揭示了反物质的存在。
20世纪50年代，粒子物理学进入了快速发展阶段。
科学家们通过高能加速器实验，发现了许多新的基本粒子，如μ子、τ子、介子等。
同时，理论学家们提出了夸克模型，这一模型解释了强相互作用和基本粒子的内部结构。
第二章：基本粒子的分类与性质粒子物理学中，基本粒子被分为两类：费米子和玻色子。
费米子是构成物质的基本粒子，包括夸克和轻子。
玻色子则是传递相互作用的粒子，包括光子、W和Z玻色子、胶子等。
夸克是构成质子和中子的基本粒子，它们通过强相互作用结合在一起。
轻子包括电子、μ子和τ子，它们不参与强相互作用。
玻色子则通过交换作用，传递相互作用的力，如光子传递电磁力，W和Z玻色子传递弱力，胶子传递强力。
第三章：相互作用与基本力粒子物理学中，基本粒子之间的相互作用主要分为四种：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。
强相互作用是夸克之间的相互作用，它通过胶子传递。
电磁相互作用是带电粒子之间的相互作用，它通过光子传递。
弱相互作用是轻子和夸克之间的相互作用，它通过W和Z玻色子传递。
引力相互作用是所有物质之间的相互作用，它通过引力子传递。
这四种相互作用共同构成了粒子物理学的基本框架。
科学家们通过研究这些相互作用，试图揭示宇宙中物质的基本规律。
第四章：粒子物理学的实验方法粒子物理学的研究主要依赖于实验方法。
粒子物理学：基本粒子的分类与发现
媒介粒子在环境 保护中的应用： 放射性粒子的监 测和净化
轻子的应用前景
添加标题
核物理研究：轻子在 核聚变和核裂变过程 中起着重要作用，可 用于研究核能的利用
和开发。
添加标题
宇宙射线探测：轻子 是宇宙射线的主要成 分之一，通过探测轻 子可以研究宇宙射线
的起源和传播。
添加标题
粒子加速器：轻子是 粒子加速器中的重要 粒子，可用于加速其 他粒子并研究其性质。
轻子的特性与作用
轻子不带电荷， 参与弱相互作
用
轻子参与光子、 弱相互作用和 引力相互作用
轻子在宇宙射 线、核反应和 粒子加速器实
验中观测到
轻子对宇宙演 化、恒星发光 和太阳中微子 等有重要作用
夸克的特性与作用
夸克是组成原子核的基本粒子之一 夸克具有色禁闭的特性，只能在夸克禁闭的条件下存在 夸克具有分数电荷，是电子电荷的分数倍 夸克通过强相互作用结合在一起，形成各种强子
Part Three
基本粒子的分类
媒介粒子
媒介粒子是传 递基本力的粒 子，包括光子、 弱矢量和重力
子。
媒介粒子在粒 子物理学中扮 演着传递力的 角色，是构成 物质世界的基 本要素之一。
媒介粒子的性 质和行为由相 应的力来决定， 例如光子传递 电磁力，弱矢 量传递弱力。
媒介粒子的发 现和性质研究 对于深入理解 物质世界的基 本规律和结构 具有重要意义。
夸克
定义：夸克是组成质子和中子等强子的基本粒子
种类：有上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克等
特性：夸克具有分数电荷，是强相互作用力的承载者
发现历程：自20世纪60年代以来，通过一系列实验逐渐确认了夸克的存在
规范玻色子