教科版选修3-5核裂变学案

这是一份教科版选修3-5核裂变学案，共15页。
5.了解受控热核反应及其研究和发展。
知识点一 核裂变 链式反应
1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？
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1.核裂变
把重核分裂成几个________原子核的核反应现象称为核裂变。
2.铀核裂变
用一个低速中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的铀核裂变是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋________。
3.链式反应
如果一个反应过程的________能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去，这样的反应称为链式反应。
4.临界体积
把能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作临界体积。
5.1 g铀235完全裂变释放的能量相当于燃烧约________煤放出的化学能，而且这么多能量是在短短不到1 s的时间之内释放出来的。
【思考】 如图为铀核裂变示意图。
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
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例1 (多选)关于重核裂变的说法正确的是( )
A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多
B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应
C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子
D.裂变过程中释放能量，质量亏损
听课笔记_____________________________________________________________
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例2 现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(143, 60)Nd＋Zr＋3eq \\al(1,0)n＋8eq \\al( 0,－1)e＋ν
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u相当于931.5 MeV的能量，试计算1 kg铀235完全裂变大约能产生的能量是多少？
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知识点二 核反应堆 核电站
如图是慢中子反应堆的示意图，则：
(1)铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？
(2)如何控制裂变反应的激烈程度？
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1.核反应堆
(1)是一种________的核裂变链式反应装置。核反应堆按引起裂变的中子能量可分为________反应堆和快中子反应堆。
(2)慢化剂：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。为此在铀棒周围放置慢化剂，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量损失，变成慢中子。常用作慢化剂的物质有普通水(也叫轻水)、________和石墨。
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插入一些控制棒。制造控制棒的材料是镉或硼等能强烈吸收中子的物质，当反应过于剧烈时，就把控制棒插入得深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。反之则把控制棒向外拔出一些。
2.核电站
(1)核能发电指利用核反应堆中________所释放出的核能进行发电。
(2)核能转变成水的________，使水变成高温高压的蒸气，推动汽轮发电机发电。
(3)核电站的主要部件及作用如下表
(4)核电站发电的优点
①消耗的核燃料少。
②作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大。
③对环境的污染要比火力发电小。
【思考】 (1)核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？
(2)慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？
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例3 (多选)用中子(eq \\al(1,0)n)轰击铀核(eq \\al(235, 92)U)产生裂变反应，会产生钡核(eq \\al(141, 56)Ba)和氪核(eq \\al(92,36)Kr)并释放中子(eq \\al(1,0)n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(eq \\al(235, 92)U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19 J，1 u＝1.66×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV能量)，以下说法正确的是( )
A.eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋eq \\al(1,0)n
B.eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
C.eq \\al(235, 92)U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D.一个eq \\al(235, 92)U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
听课笔记__________________________________________________________
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训练1 如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是( )
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
知识点三 核聚变 受控热核反应
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
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1.核聚变
(1)定义：把轻原子核聚合成____________的反应称为聚变反应，简称核聚变。
(2)条件：在聚变反应中，要使两个带正电的轻核聚合成一个质量较大的核，必须使它们具有足够的________去克服库仑斥力，进入到核力作用范围(10－15 m)内，然后通过________的作用结合发生聚变。核聚变反应一旦发生，就不再需要外界继续提供能量，靠自身产生的能量就可以使反应继续进行下去。
(3)举例：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→________________。
(4)热核反应：要启动上述核聚变反应，必须要上亿摄氏度的温度，使eq \\al(2,1)H核和eq \\al(3,1)H核具有足够的动能克服库仑斥力进入到核力作用范围之内。因此，核聚变反应也称热核反应。
(5)核聚变反应和核裂变反应相比，具有很多优越性。①在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多的能量。②核裂变反应时产生放射性废料，处理起来比较困难，而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。
2.受控热核反应
(1)实现可控核聚变反应的难点：把高达上亿摄氏度的反应体放在何处。
(2)控制方法
①磁约束：利用________约束参加反应的物质
②激光惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。所以，在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
【思考】
1.为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？
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2.受控核聚变中磁约束的原理是什么？
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例4 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 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。
(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？
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总结提升 重核裂变与轻核聚变的区别
训练2 中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，刷新了世界纪录。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(2,1)H→X＋eq \\al(1,0)n，下列说法正确的是( )
A.反应产物X为eq \\al(4,2)He
B.核聚变后的产物X的比结合能小于eq \\al(2,1)H的比结合能
C.可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁
D.要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起
知识点四 粒子物理学发展概况
1.“基本”粒子
(1)人们认为光子、电子、________和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作”基本粒子”。
(2)随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、________、电子组成，并发现________、中子等本身也有自己的复杂的结均。
2.粒子“全家福”
粒子的分类：大体可分为________、________和规范玻色子几种类型。具体如下表格。
3.夸克模型
(1)1964年美国科学家盖尔曼和茨威格各自独立提出了强子结构的夸克模型。他们认为强子是由3种更基本的粒子组成的，并称这些粒子为________。
(2)强子由3种基本粒子组成，这3种粒子是：上夸克(u)、下夸克(d)和奇异夸克(s)。各种夸克都有相应的反夸克。强子由这3种夸克和相应的反夸克组成。每个夸克的电荷量不是e(元电荷)的整数倍，而是e的eq \f(1,3)或eq \f(2,3)。
此外，还是粲夸克(c)，底夸克(b)和顶夸克(t)以及它们的反夸克。按夸克模型，质子由3个夸克(uud)组成，所带电荷量恰好是e。中子也由3个夸克(ddu)组成，总电荷量为零。
夸克还有一种叫“色荷”的性质。色荷共分三种，可标示为“蓝”“绿”“红”，每一种色荷都有其对应的反色荷——“反蓝”“反绿”“反红”。每一个夸克都带一种色，而每一个反夸克则带一种反色，所以夸克共有36种。
例5 (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.光子是规范玻色子
听课笔记___________________________________________________________
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训练3 (多选)已知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u或反夸克d)组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
下列说法正确的是( )
A.π＋由u和d组成 B.π＋由d和u组成
C.π－由u和d组成 D.π－由d和u组成
随堂对点自测
1.(核裂变 链式反应)铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是( )
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
2.(核反应堆 核电站)(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放。核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子能量减少变为慢中子。下列说法正确的是( )
A.慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获
B.裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能
C.链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
D.一个eq \\al(235, 92)U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg
3.(核聚变 受控热核反应)某同学通过上网了解到利用氦3eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(eq \\al(3,2)He))和氘核进行的核聚变安全无污染，容易控制。月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一，“嫦娥五号”是我国首个实施无人月面取样返回的月球探测器。已知一个氘核eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(eq \\al(2,1)H))和一个氦3聚变的生成物是氦4(eq \\al(4,2)He)和一个未知粒子，eq \\al(2,1)H的质量为m1，eq \\al(3,2)He的质量为m2，eq \\al(4,2)He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则( )
A.未知粒子是质子
B.该核反应属于原子核的人工转变
C.反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4
D.氦4的结合能一定小于氦3的结合能
4.(粒子及其分类)(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是( )
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.粒子大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
4 核裂变 核聚变
5 粒子物理学发展概况
知识点一
导学 提示 铀核的裂变。
知识梳理
1.中等质量 2.3eq \\al(1,0)n 3.产物 5.3 t
[思考]
提示 (1)当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积。
例1 AD [重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因此分裂后的中等质量核总的中子数减少，故A正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须达到其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，故B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。]
例2 (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV
解析 (1)由电荷数、质量数守恒可得锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；
核反应方程中应用符号eq \\al(90,40)Zr表示。
(2)1 kg铀235的铀核数为
n＝eq \f(1 000,235)×6.02×1023＝2.56×1024(个)
不考虑核反应中生成的电子质量
一个铀核反应发生的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
知识点二
导学 提示 (1)慢中子。
(2)控制棒由镉或硼等强烈吸收中子的物质做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，反之，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些。
知识梳理
1.(1)人为可控 慢中子 (2)重水 2.(1)核裂变 (2)内能
[思考]
提示 (1)控制棒由镉或硼等制成。它们吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度。
(2)慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应。不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率。
例3 BCD [eq \\al(235, 92)U的裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n，故A错误，B正确；当铀块体积大于或等于临界体积时链式反应才发生，C正确；200 MeV相当于0.214 7u，故质量亏损Δm＝1.66×10－27×0.214 7 kg≈3.6×10－28 kg，故D正确。]
训练1 B [快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，故选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故选项C、D错误。]
知识点三
导学 提示 轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。
知识梳理
1.(1)较重原子核 (2)动能 核力 (3)eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n 2.(2)①磁场
[思考]
1.提示 因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，比结合能更小，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大。
2.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，达到约束原子核的作用。
例4 (1)4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al( 0,＋1)e (2)24.78 MeV (3)4.22×109 kg
解析 (1)由题意可得核反应方程应为4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al( 0,＋1)e。
(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＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE＝Δm·c2得太阳每秒减少的质量Δm′＝eq \f(ΔE′,c2)＝eq \f(3.8×1026,（3×108）2) kg＝4.22×109 kg。
训练2 C [根据核聚变反应方程满足电荷数和质量数守恒，可知反应物X为eq \\al(3,2)He，选项A错误；比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X的比结合能大于eq \\al(2,1)H的比结合能，选项B错误；可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用，由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑力，而不是核力，选项D错误。]
知识点四
1.(1)质子 (2)中子 质子 2.强子 轻子 3.(1)夸克
例5 BCD [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；光子是规范玻色子，D正确。]
训练3 AD [因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，则夸克u带＋eq \f(2,3)e和反夸克d带＋eq \f(1,3)e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克d组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克u组成，所以A、D正确。]
随堂对点自测
1.C [要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积(或临界质量)，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的几率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。]
2.BCD [中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂变反应不能进行下去，A错误；重核裂变会有质量亏损，会释放核能，平均结合能大的原子核更稳定，故新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能，B正确；链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个eq \\al(235, 92)U裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm＝eq \f(ΔE,c2)≈3.6×10－28 kg，D正确。]
3.A [氘核eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(eq \\al(2,1)H))和氦3聚变的核反应方程是eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,2)He→eq \\al(4,2)He＋X，根据核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知X的质量数为1，电荷数为1，所以X是质子，A正确；该核反应是原子核的聚变反应，B错误；核反应中会释放核能，释放的核能来源于核反应中的质量亏损，而亏损的质量为Δm＝m1＋m2－m3－m4，因为Δm≠0，故m1＋m2≠m3＋m4，C错误；组成原子核的核子越多，结合能越大，氦4比氦3多一个核子，故氦4的结合能要大些，D错误。]
4.ABC [许多粒子都有自己的反粒子，“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，故A正确；粒子大体可分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别，质子和中子属于强子，光子属于规范玻色子，故B、C正确，D错误。]
部件名称
项目
慢化剂
控制棒
冷却剂
安全壳
采用的材料
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
镉(或硼等)
水或液态的金属钠
很厚的水泥外壳
作用
降低中子速度，便于铀235吸收
吸收中子，控制反应速度
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线，防止放射性污染
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
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，人们还不能完全控制它
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简单得多
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
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
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
规范玻色子
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、弱相互作用、强相互作用
名称
u
d
s
c
b
t
电荷
eq \f(2,3)e
－eq \f(1,3)e
－eq \f(1,3)e
eq \f(2,3)e
－eq \f(1,3)e
eq \f(2,3)e
粒子
π＋
π－
u
d
u
d
带电荷量
＋e
－e
＋eq \f(2e,3)
－eq \f(e,3)
－eq \f(2e,3)
＋eq \f(e,3)