高中原子物理教程(9)

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四基本粒子§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:ePn011110,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vePn011110。v为中微子的符号,v为v反粒子的符号。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2h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。K介子和0K介子的奇异数为1;,0,1,0超子的奇异数为-1;0,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、基本粒子分类按照基本粒子之间的相互作用可分为三类:①强子:凡是参与强相互作用的粒子,分为重子和介子两类。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。图4-1-1为P、和0三个强子的结构示意图。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。uuddsduu图4-1-1

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