各種粒子介紹

在物理學(xué)中第一個(gè)以“子”結(jié)尾的專有名詞,很可能是“原子”(atom),原子這個(gè)詞源自古希臘文,是不可分割的意思,表示構(gòu)成物質(zhì)的不可再分的最小單元。

值得注意的是古希臘人還有“分子”概念,用以表示幾個(gè)原子構(gòu)成的一個(gè)小集團(tuán),不同原子的集團(tuán)對(duì)應(yīng)不同的物性,古希臘人的這個(gè)想法和近代物理學(xué)家,化學(xué)家講的分子幾乎是一模一樣的。

有了原子的概念,下面就會(huì)有很多“子”,比如光子表示構(gòu)成光的最小單位,電子表示構(gòu)成電的最小單位等等。確實(shí)在原子之后,在物理學(xué)中被廣泛研究和討論的也確實(shí)是光子和電子。

這里插入一下“量子”的概念,量子是普朗克最早提出的,用以表示光能量的最小單位hν,我們現(xiàn)在知道hν就是一個(gè)光子的能量。

原子整體是電中性的,而電子是原子的組成部分,并且是帶負(fù)電的,那么在原子中就一定帶正電的成分,這就是質(zhì)子,質(zhì)子帶正電,并且所帶電量和電子正好相同。但質(zhì)子的質(zhì)量要比電子大將近2000倍。

質(zhì)子位于原子中心的一個(gè)極小區(qū)域內(nèi),我們稱之為原子核,除了存在質(zhì)子外,還有中子,中子和質(zhì)子的質(zhì)量幾乎是完全一樣的,但中子不帶電。中子和質(zhì)子一起構(gòu)成原子核,可能是幾個(gè)質(zhì)子和幾個(gè)中子一起構(gòu)成原子核。

中子并不穩(wěn)定,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子核中的中子會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子,相應(yīng)地原子核中的質(zhì)子數(shù)會(huì)+1。這樣的過(guò)程被稱為β衰變,β粒子在這里指的是從原子核中釋放出來(lái)的電子。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在β衰變中能量似乎是不守恒的,這導(dǎo)致泡利猜測(cè)在β衰變中還有一種質(zhì)量幾乎為0的中性粒子產(chǎn)生,它帶走了一部分能量,這就是中微子。

物理學(xué)家對(duì)宇宙射線的研究又發(fā)現(xiàn)了正電子,這是一種質(zhì)量、電荷與電子完全一樣,但所帶電荷電性與電子正好相反的粒子。正電子可以很好地用狄拉克的相對(duì)論性量子力學(xué)予以解釋。

玻色子和費(fèi)米子概念是物理學(xué)家在研究幾個(gè)粒子構(gòu)成的物理系統(tǒng)的時(shí)候提出的,根據(jù)量子力學(xué),相同種類的微觀粒子具有完全一樣的電荷、質(zhì)量、自旋等,它們是無(wú)法區(qū)分的,如果我們?cè)噲D通過(guò)“軌跡”象區(qū)分經(jīng)典粒子那樣去區(qū)分微觀粒子的話,這是不可能完成的任務(wù),因?yàn)閷?duì)量子力學(xué)而言,存在位置-動(dòng)量不確定原理,我們不可能無(wú)限精確地同時(shí)確定微觀粒子的位置和動(dòng)量,這意味著無(wú)限精細(xì)的軌道是不存在的,原則上我們無(wú)法區(qū)分兩個(gè)相同種類的微觀粒子。

這反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)描述粒子系統(tǒng)的波函數(shù)提出要求,即波函數(shù)對(duì)交換兩個(gè)粒子的指標(biāo)或者是對(duì)稱的,或者是反對(duì)稱的,如果波函數(shù)對(duì)稱的話,對(duì)應(yīng)的粒子就是玻色子,反之就是費(fèi)米子。

以上粒子中玻色子有:光子,剩下的:電子、正電子、質(zhì)子、中子和中微子都是所謂費(fèi)米子。

值得一提的是現(xiàn)在的物理學(xué)家又提出超對(duì)稱的概念,認(rèn)為每一種作為費(fèi)米子的基本粒子會(huì)有一種超對(duì)稱玻色子與之對(duì)應(yīng),而每一種玻色子又有一種超對(duì)稱費(fèi)米子與之對(duì)應(yīng)。比如電子的超對(duì)稱伙伴就是超電子,而光子的超對(duì)稱伙伴就是光微子等等。

但可惜的是迄今為止我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何超對(duì)稱粒子。

根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型(如圖),我們可以通過(guò)相互作用對(duì)粒子進(jìn)行分類。

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夸克參與強(qiáng)相互作用,有:u(上),c(粲),t(上),d(下),s(奇),b(底)六種;

參與弱相互作用的是:e(電子),μ子,τ子,電子中微子,μ子中微子,和τ子中微子。

以上都是費(fèi)米子。

規(guī)范玻色子是傳遞相互作用的媒介粒子:膠子傳遞強(qiáng)相互作用,光子傳遞電磁相互作用,Z和W+-玻色子傳遞弱相互作用,當(dāng)然我們還可以說(shuō)引力子傳遞引力,但引力的量子化尚未完成,引力子也沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

最后還有一個(gè)標(biāo)量玻色子——希格斯玻色子,它解釋了為什么某些基本粒子具有質(zhì)量。

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