2020-2021学年5 “基本”粒子一课一练

第五章原子核

第五节“基本”粒子

一、单选题

1．关于恒星，以下说法中正确的是 （　　）

A．恒星的质量越小，寿命越短

B．视星等越高的恒星，表面温度就越高

C．绝对星等越高的恒星，表面温度一定越高

D．恒星的颜色与表面温度有关，温度低的呈暗红色，更热的比太阳稍蓝

2．氚核发生β衰变除了产生β粒子和新核外，还会产生质量数和电荷数都是0的反中微子Ve。若氚核在云室中发生β衰变后，产生的反中微子和β粒子的运动方向在同一条直线上，设反中微子的动量为P1，β粒子动量为P2，则。

A．上述核反应方程为

B．β粒子在云室中穿过会留下清晰的路径，此体现了粒子的波动性

C．氚核内部某个中子转变为质子时，会向外发射粒子

D．新核的动量为

3．物理学重视逻辑推理，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上，下列说法正确的是（    ）

A．电子的发现使人们认识到原子具有核式结构

B．天然放射现象说明原子核内部是有结构的

C．粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的

D．密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的

4．1995年美国费米国家实验室在实验中观察到了顶夸克，测得它的静止质量m＝3.1×10﹣25kg，寿命τ＝0.4×10﹣24s，这是近二十几年粒子物理研究最重要的实验进展之一。正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为，式中r是正、反顶夸克之间的距离，as是强相互作用耦合常数，而且是一个没有单位的常数，k是与单位制有关的常数，则在国际单位制中k的单位是（　　）

A．m B． C．J D．无单位

5．太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向（　　）

A．一定与μ子的方向相同 B．一定与μ子的方向相反

C．一定与μ子在同一直线上 D．不一定与μ子在同一直线上

6．为了探究宇宙起源，科学家将利用阿尔法磁谱仪（AMS）在太空中寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是（　　）

A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成

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

7．现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为（　　）

A．-4，-2 B．4，-2 C．-4，2 D．4，2

8．已知介子、介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。

下列说法正确的是（　　）

A．由u和组成 B．由和d组成

C．由u和组成 D．由和d组成

9．甲、乙两辆汽车沿平直的公路做直线运动，其v-t图像如图所示。已知时，甲车领先乙车5km，关于两车运动的描述，下列说法正确的是（　　）

A．0~4h时间内，甲车做匀速直线运动

B．0~4h时间内，甲、乙两车相遇3次

C．时，甲、乙两车第一次相遇

D．时，甲车领先乙车5km

10．如图，空间中存在一勾强磁场区域，磁场方向与竖直面（纸面）垂直，磁场的上、下边界（虚线）均为水平面；纸面内磁场上方有一个正方形导线框abcd，其上、下两边均与磁场边界平行，边长小于磁场上、下边界的间距。若线框自由下落，从ab边进入磁场时开始，直至ab边到达磁场下边界为止，线框下落的速度大小可能（　　）

A．始终减小 B．始终不变 C．始终增加 D．先增加后减小

11．介子方程为，其中介子和介子是带负电的基元电荷，介子不带电。一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径与之比为21，如图所示，介子的轨迹未画出，由此可知介子的动量大小与介子的动量大小之比为 （ ）

A．11 B．12 C．13 D．16

12．“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核（称为母核）俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核（称为子核）的过程。中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的，一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下面说法正确的是（  ）

A．母核的质量数小于子核的质量数

B．子核的动量与中微子的动量大小相同

C．母核的电荷数小于子核的电荷数

D．子核的动能大于中微子的动能

二、填空题

13．恒星的颜色与______有关；恒星的亮度取决于它的体积、温度以及离地球的距离。恒星的相对亮度通常用___________来描述。

14．恒星的相对亮度常用________来表示，直接由光度测量得到的星等称为________，恒星在离一个标准距离情况下所具有的亮度称为________．

15．我们观测到得恒星有____________、____________、____________、____________和____________．其中____________体积最大，____________和太阳差不多大，____________像地球一样大，____________直径只有左右．

16．一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星虽然可以燃烧的核燃料较多，但它____________，所以寿命____________．试利用图估算，一颗质量为太阳2倍的恒星的寿命约为____________．

三、解答题

17．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mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，电子质量为me＝0.000 55 u）

(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？

18．若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（反夸克或反夸克）组成的，它们所带电荷量如表所示，表中e为元电荷。

(1)按最简单的组成，π+介子由哪两种粒子组成？

(2)按最简单的组成，π-介子由哪两种粒子组成？

19．古希腊某地理学家通过长期观察，发现某日正午时刻，在北半球A城阳光与重垂方向成7.5°角射入，而在A城正南方，与A城地面距离为的B城，阳光恰好沿重垂方向射入，如图所示，射到地球的太阳光可视为平行光，据此他估算出了地球的半径，试写出估算地球半径的表达式．

20．2010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，揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。

问题探究：

(1)什么是反粒子？

(2)请推测反氢原子的结构？

参考答案

1．D

【解析】A．恒星的寿命和它的质量体积有关，质量越大的恒星寿命越短，这是因为质量越大压力就越大，这种情况下恒星内部的核反应就更加剧烈，故A错误；

BC．恒星的星等衡量的是发光能力，而发光能既和表面温度有关，也和发光面积有关，故星等越高的恒星表面温度不一定越高，也不一定越亮，故BC错误；

D．恒星表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高越偏蓝，所以最冷的呈红色，最热的比太阳稍蓝，故D正确。

故选D。

2．C

【解析】A．氚核在云室中发生β衰变，没有中子参与，故核反应方程为，故A错误；

B．β粒子在云室中穿过会留下清晰的路径，此体现了粒子的粒子性，故B错误；

C．氚核内部某个中子转变为质子时，会发射电子，即射线，故C正确；

D．由于不知道氚核的初始动量，故由动量守恒无法求出新核的动量，故D错误；

故选C。

3．B

【解析】A．卢瑟福的粒子散射实使人们认识到原子的核式结构，A错误；

B．贝克勒尔发现天然放射现象说明原子核内部是有结构的，B正确；

C．密立根用油滴法首先从实验上证明了，微小粒子带电量的变化不连续，它只能是元电荷e的整数倍，即粒子的电荷是量子化的，C错误；

D．轨道量子化是波尔在卢瑟福模型的基础上加以改进而提出的，D错误。

故选B。

4．B

【解析】由

得

as没有单位，r的单位是m，Ep的单位是J，所以在国际单位制中k的单位是，故ACD错误，B正确。

故选B。

5．C

【解析】中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律，μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向必定也在这条直线上，由于质量关系不确定，则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反。

故选C。

6．B

【解析】反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成。

故选B。

7．B

【解析】因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反。所以，反α粒子质量数为4，电荷数为-2。

故选B。

8．D

【解析】根据各种粒子带电情况，的带电荷量为，故由u和组成；的带电荷量为，故由和d组成。

故选D。

9．B

【解析】A．根据题图可知，在0~4h时间内，甲车做匀减速直线运动，选项A错误；

BC．根据速度—时间图像与坐标轴围成图形的面积表示位移可知，在0~0.5h内两车相遇一次，在t＝1h时两车第二次相遇，在t＝3h时两车第三次相遇，即在0~4h时间内，甲、乙两车相遇3次，选项B正确，C错误；

D．在t＝0到t＝4h的时间内，甲车的位移为

x甲＝×40×4km＝80km

乙车的位移为

x乙＝×40×1km＋20×3km＋×20×1km＝90km

由x乙－x甲－5km＝5km可知，t＝4h时，甲车落后乙车5km，选项D错误。

故选B。

10．C

【解析】AD．导线框开始做自由落体运动，ab边以一定的速度进入磁场，ab边切割磁场产生感应电流，根据左手定则可知ab边受到向上的安培力，当安培力大于重力时，线框做减速运动，当线框完全进入磁场后，线框不产生感应电流，此时只受重力，做加速运动，故先减速后加速运动，故A错误、D错误；

B．当ab边进入磁场后安培力等于重力时，线框做匀速运动，当线框完全进入磁场后，线框不产生感应电流，此时只受重力，做加速运动，故先匀速后加速运动，故B错误；

C．当ab边进入磁场后安培力小于重力时，线框做加速运动，当线框完全进入磁场后，线框不产生感应电流，此时只受重力，做加速运动，故C正确。

11．C

【解析】因为，，它们的半径与之比为2：1，所以，介子在P点发生衰变，衰变后介子的运动方向与介子相反，衰变过程根据动量守恒定律有：

解得

所以有

A.介子的动量大小与介子的动量大小之比为11，与分析不一致，故A错误；

B.介子的动量大小与介子的动量大小之比为12，与分析不一致，故B错误；

C.介子的动量大小与介子的动量大小之比为13，与分析相一致，故C正确；

D.介子的动量大小与介子的动量大小之比为16，与分析不一致，故D错误。

故选C.

12．B

【解析】A．质量数等于质子数和中子数之和，母核的质子数减少1个但中子数增加1个，说明母核质量数等于子核的质量数，故A错误；

B．一个静止的原子核，动量为零，发生“轨道电子俘获”，系统动量守恒仍为零，所以子核的动量与中微子的动量大小相同，方向相反，故B正确；

C．母核失去了一个质子变成子核，因此电荷数大于子核的电荷数，故C错误；

D．子核和中微子动量大小相等，动量和动能关系为

因子核质量大，所以子核的动能小于中微子的动能，故D错误。

故选B。

13．表面温度    星等   

【解析】[1]恒星的颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝。

[2]恒星的相对亮度通常用星等来描述。

14．星等    视星等    绝对星等   

【解析】[1][2][3] 恒星的相对亮度常用星等来表示，直接由光度测量得到的星等称为视星等恒星在离一个标准距离情况下所具有的亮度称为绝对星等.

15．超巨星    巨星    主序星    白矮星    中子星    超巨星    主序星    白矮星    中子星   

【解析】[1][2][3][4][5][6][7][8][9] 我们观测到得恒星有超巨星、巨星、主序星、白矮星、中子星；超巨星体积最大，主序星和太阳差不多大，白矮星像地球一样大，中子星直径只有左右．

16．放射出的能量也比较多    短    20亿年   

【解析】[1][2][3] 一颗恒星的寿命取决于它的质量，质量大的恒星虽然可以燃烧的核燃料较多，但它放射出的能量也比较多所以寿命短，根据图像可知一颗质量为太阳2倍的恒星的寿命约为20亿年。

17．(1)；(2)24.78 MeV；(3)4.22×109 kg

【解析】(1)由题意可得核反应方程应为

 (2)反应前的质量

m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u

反应后的质量

m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u

Δm＝m1－m2＝0.026 6 u

由质能方程得，释放能量

ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV

(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量

Δm＝≈4.22×109 kg

18．(1)π+介子是由夸克u和反夸克组成的；(2)π-介子由夸克d和反夸克组成

【解析】(1)π+介子带有+e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u带和反夸克带合成电荷量为e。

(2)π-介子带有-e的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d带和反夸克带合成电荷量为-e。

19．

【解析】

如图所示，由题意可知

故A、B距离可表示为

故地球半径为

20．(1)见解析；(2) 见解析

【解析】(1)“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷；

(2)“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且相等的电荷量，所以反氢原子是核和构成的。