1、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
2、 ， 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 ： ,ePn0110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。 v 为 中 微 子 的 符 号 , 为 v 反 粒 子 的 符 号 。ePn01104 1 2、 粒 子 的 自 旋 到 本 世 纪 30 年 代 末 ， 加
3、 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 为 单 位 ， 只2h能 取 整 数 0、 1、 2， 或 半 整 数 1/
4、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
5、粒 子 的 符 号 上 加一 横 ， 代 表 反 粒 子 ， 如 是 反 中 微 子 。 也 有 的 粒 子 的 反 粒 子 就 是 自 身 ， 而 无 区v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
6、 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 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
7、 。 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 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 。 介K子 和 介 子 的 奇 异 数 为 1; 超 子 的 奇 异
8、 数 为 -1; 超 子 的 奇 异 数0K,01, 0,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。 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 ： 强 子 ： 凡 是 参 与 强 相 互 作 用 的 粒 子 ， 分 为 重 子 和 介 子 两 类 。 轻 子 ： 都 不 参 与 强 相 互 作 用 ， 质 量 一 般 较 小 。 光 子 ： 静 质
9、 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，
10、 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
11、 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 组 成 的 、 质 子 是 由 u、 u 和 d 三d个 夸 克 组 成 的 ； 超 子 是 由 u、 d 和 s 三 个 夸 克 组 成
12、 的 ， 余 此 类 推 。 图 4-1-10为 P、 三 个 强 子 的 结 构 示 意 图 。和0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
13、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
14、 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 。u u d ds du u图 4-1-1
