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4.1.基本粒子


第四讲

基本粒子

§4、1、基本粒子

4.1.1、

什么是基本粒子

在古代就有一些哲学家认为物质是由原子组成的,原子是组成物质的 最小颗粒,不可再分。有基本的涵义,可称为基本粒子。自 19 世纪初,英 国科学家道尔顿以化学反应为依据,提出物质是由原子组成的学说以来, 人们

相继发现了电子、质子、中子、正电子、中微子、介子等大量的基本 粒子,基本粒子数目的大量增加,使人们认识到它们也不可能是最基本的 组分,所以有“基本料子不基本”的说法。 中微子的发现,中子不是稳定粒子,它衰变为质子和电子: 0 n?1 P ? ?1 e ,
1 1 0

实验发现此衰变中动量不守恒。经不断实验发现,中子衰变的正确反应应 为 0 n?1 P ? ?1 e ? v 。v 为中微子的符号, v 为 v 反粒子的符号。
1 1 0

4.1.2、

粒子的自旋

到本世纪 30 年代末,加上在宇宙射线中

发现的 ? 子,人们认为,电子、质子、中子、中微子、 ? 子和光子都是基本 粒子。除中子和 ? 子是不稳定粒子外,其余都是稳定的。基本粒子的主要特 征除质量的电荷外,还有自旋,这是一个量子力学概念,表征粒子的内部 属性,相当于经典物概念是微粒的自转。它遵从量子力学的规律,以 h 2? 为 单位,只能取整数 0、1、2??,或半整数 1/2、3/2??。上述 6 种粒子, 除光子自旋为 1 外,其余都是自旋为 1/2 的粒子。自旋为整数的粒子又称为 玻色子;自旋为半整数的粒子又称为费米子。 4.1.3、 粒子和反粒子 经实验发现,每一种粒子都存在相应的

反粒子。反粒子和粒子的质量、自旋都相同,电量相同而符号相反。对不

1

带电的粒子,粒子和反粒子有其它的区分标志,这里不具体描述。在粒子 的符号上加一横,代表反粒子,如 v 是反中微子。也有的粒子的反粒子就是 自身,而无区别,如光子。1932 年安得森发现了正电子,使反粒子的存在 第一次得到了证实。其他反粒子也先后被发现。如反质子和反中子分别是 1955 年和 1956 年在加速器中发现的。粒子和反粒子是互为反粒子的,只是 当初称呼电子、质子等为粒子而已。我们这个世界是由粒子组成的,而不 是由反粒子组成的。 4.1.4、 强子——介子和重子 本世纪 40 年代到 50 年代,从宇

宙射线中又发现了一批粒子。比如发现了π 介子和 K 介子,它们的自旋为 零;又发现了与核子(质子和中子)属于同一类而质量更大的粒子,称为 超子,有 ? 超子、 ? 超子和 ? 超子,它们都是不稳定粒子。核子和超子统称 为重子。介子和重子又统称为强子。因为它们之间的相互作用强大。 4.1.5、 粒子的奇异性 仔细地分析新发现的各种粒子的衰变

反应,以及它们参与的其它反应,发现 K 介子和超子具有产生快,衰变慢 和同时产生两个或多个粒子的新特性,与π 介子和核子所有的性质不同, 当时认为有些奇异,引入了一个称为奇异数的量子数来标志这种奇异性。
0, ?1, 0 ? ? 0 K ? 介子和 K 0 介子的奇异数为 1; ? ? ? , ? 超子的奇异数为-1; ? , ? 超子

的奇异数为-2。具有奇异数的粒子,如其奇异数为 s,则其反粒子的奇异数 为-s。π 介子和核子的奇异数为 0。在强相互作用中,奇异数守恒。 4.1.6、 类: ①强子:凡是参与强相互作用的粒子,分为重子和介子两类。 基本粒子分类 按照基本粒子之间的相互作用可分为三

2

②轻子:都不参与强相互作用,质量一般较小。 ③光子:静质量为零,是传递电磁相互作用的粒子。 4.1.7、 夸克模型 原子不再是基本粒子,原子核一不是基本粒

子,介子和重子是否也由更为基本的粒子组成的呢?1964 年,美国物理学 家盖尔曼和以色列物理学家兹韦格分别提出了夸克模型。 按照夸克理论, 一切强子 (参与强相互作用的粒子) 都是由夸克组成的。 初期提出的夸克有三种,分别称为上夸克 u,下夸克 d 和奇夸克 s。它们的 自旋都是 1/2, 属于费米子。夸克的重要特征之一是带有分数电荷。以电 子电荷为单位,u 的电荷为 2/3,d 的电荷为-1,s 的电荷也是-1/3。此外,s 的奇异数为-1。对于重子,有重子数作为标志,上节所述的重子的重子数为 1,反重子的重子数为-1。夸克的重子数为 1/3。对于每一种夸克,都存在相 应的反夸克。反夸克的质量、自旋同于夸克,而电荷、奇异数和重子数的 数值相同,符号相反。 夸克之间存在着强相互作用,靠这种相互作用,每一个介子由一个夸克 和一和反夸克组成;每一个重子由三个夸克组成,每一个反重子由三个反 夸克组成。比如, ? 介子是由 u 夸克和反下夸克 d 组成的、质子是由 u 、 u
?

和 d 三个夸克组成的; ?0 超子是由 u 、 d 和 s 三个夸克组成的,余此类推。
0 ? 图 4-1-1 为 P、 ? 和? 三个强子的结构示意图。

3

d u u u

s u d

d

图 4-1-1

目前已被科学家证实的夸克有:上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底 夸克和顶夸克等 6 种。为了符合泡利不相容原理,物理学家还发现了夸克 的一种更为深刻的性质:每种夸克都具有(颜)色,可以用红、黄、兰(或 红、绿、兰)三种加以区分,这只不过是借光的颜色名字,夸克的色与光 波的色完全是两回事。就像粒子带电称为电荷一样,夸克带色,也可以称 为色荷。正是色荷间的相互促进作用,才使强子中的夸克互相吸引而束缚 在一起。三种不同色的夸克组成不带色的重子,好像三原色组成白色一样。 同样,夸克和反色夸克的色互补,它们组成的介子也不带色。这就是为什 么强子不带色的原因。在当今看来,强子基础是夸克,夸克是基本粒子。 此外,基本粒子族还存在轻子一类。最早发现了电子和电中微子;后来发 现了 ? 子和 ? 中微子;70 年代,又发现了 ? 子和 ? 中微子. ? 子的质量比核子 质量还大, 它不能由轻重来区它们了。 虽然 ? 子的质量大, 但从其性质上看, 仍属于轻子一类。这样,轻子也分 6 种,类似于夸克的味。时至今日,实 验研究还没有发现轻子的内部结构。也就是说,这 6 种轻子也属于基本粒 子。

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