高中物理競賽教程：4.1《基本粒子》（通用）

1、第四講 基本粒子 4、1、基本粒子411、 什么是基本粒子在古代就有一些哲學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是由原子組成的，原子是組成物質(zhì)的最小顆粒，不可再分。有基本的涵義，可稱為基本粒子。自19世紀(jì)初，英國科學(xué)家道爾頓以化學(xué)反應(yīng)為依據(jù)，提出物質(zhì)是由原子組成的學(xué)說以來，人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子、正電子、中微子、介子等大量的基本粒子，基本粒子數(shù)目的大量增加，使人們認(rèn)識到它們也不可能是最基本的組分，所以有“基本料子不基本”的說法。中微子的發(fā)現(xiàn)，中子不是穩(wěn)定粒子，它衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子：,實驗發(fā)現(xiàn)此衰變中動量不守恒。經(jīng)不斷實驗發(fā)現(xiàn)，中子衰變的正確反應(yīng)應(yīng)為。v為中微子的符號,為v 反粒子的符號。412、 粒子的自旋 到本

2、世紀(jì)30年代末，加上在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的子，人們認(rèn)為，電子、質(zhì)子、中子、中微子、子和光子都是基本粒子。除中子和子是不穩(wěn)定粒子外，其余都是穩(wěn)定的。基本粒子的主要特征除質(zhì)量的電荷外，還有自旋，這是一個量子力學(xué)概念，表征粒子的內(nèi)部屬性，相當(dāng)于經(jīng)典物概念是微粒的自轉(zhuǎn)。它遵從量子力學(xué)的規(guī)律，以為單位，只能取整數(shù)0、1、2，或半整數(shù)1/2、3/2。上述6種粒子，除光子自旋為1外，其余都是自旋為1/2的粒子。自旋為整數(shù)的粒子又稱為玻色子；自旋為半整數(shù)的粒子又稱為費米子。413、 粒子和反粒子 經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，每一種粒子都存在相應(yīng)的反粒子。反粒子和粒子的質(zhì)量、自旋都相同，電量相同而符號相反。對不帶電的粒子，粒子和反

3、粒子有其它的區(qū)分標(biāo)志，這里不具體描述。在粒子的符號上加一橫，代表反粒子，如是反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而無區(qū)別，如光子。1932年安得森發(fā)現(xiàn)了正電子，使反粒子的存在第一次得到了證實。其他反粒子也先后被發(fā)現(xiàn)。如反質(zhì)子和反中子分別是1955年和1956年在加速器中發(fā)現(xiàn)的。粒子和反粒子是互為反粒子的，只是當(dāng)初稱呼電子、質(zhì)子等為粒子而已。我們這個世界是由粒子組成的，而不是由反粒子組成的。414、 強子介子和重子 本世紀(jì)40年代到50年代，從宇宙射線中又發(fā)現(xiàn)了一批粒子。比如發(fā)現(xiàn)了介子和K介子，它們的自旋為零；又發(fā)現(xiàn)了與核子（質(zhì)子和中子）屬于同一類而質(zhì)量更大的粒子，稱為超子，有超子、超子和超子

4、，它們都是不穩(wěn)定粒子。核子和超子統(tǒng)稱為重子。介子和重子又統(tǒng)稱為強子。因為它們之間的相互作用強大。415、 粒子的奇異性 仔細(xì)地分析新發(fā)現(xiàn)的各種粒子的衰變反應(yīng)，以及它們參與的其它反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)K介子和超子具有產(chǎn)生快，衰變慢和同時產(chǎn)生兩個或多個粒子的新特性，與介子和核子所有的性質(zhì)不同，當(dāng)時認(rèn)為有些奇異，引入了一個稱為奇異數(shù)的量子數(shù)來標(biāo)志這種奇異性。 介子和介子的奇異數(shù)為1;超子的奇異數(shù)為-1;超子的奇異數(shù)為-2。具有奇異數(shù)的粒子，如其奇異數(shù)為s，則其反粒子的奇異數(shù)為-s。介子和核子的奇異數(shù)為0。在強相互作用中，奇異數(shù)守恒。416、 基本粒子分類 按照基本粒子之間的相互作用可分為三類：強子：凡是參與強相

5、互作用的粒子，分為重子和介子兩類。輕子：都不參與強相互作用，質(zhì)量一般較小。光子：靜質(zhì)量為零，是傳遞電磁相互作用的粒子。417、 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為基本的粒子組成的呢？1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼和以色列物理學(xué)家茲韋格分別提出了夸克模型。按照夸克理論，一切強子（參與強相互作用的粒子）都是由夸克組成的。初期提出的夸克有三種，分別稱為上夸克u，下夸克d和奇夸克s。它們的自旋都是1/2， 屬于費米子。夸克的重要特征之一是帶有分?jǐn)?shù)電荷。以電子電荷為單位，u的電荷為2/3，d的電荷為-1，s的電荷也是-1/3。此外，s的奇異數(shù)為-1。對于重子，有重

6、子數(shù)作為標(biāo)志，上節(jié)所述的重子的重子數(shù)為1，反重子的重子數(shù)為-1?？淇说闹刈訑?shù)為1/3。對于每一種夸克，都存在相應(yīng)的反夸克。反夸克的質(zhì)量、自旋同于夸克，而電荷、奇異數(shù)和重子數(shù)的數(shù)值相同，符號相反?？淇酥g存在著強相互作用，靠這種相互作用，每一個介子由一個夸克和一和反夸克組成；每一個重子由三個夸克組成，每一個反重子由三個反夸克組成。比如，介子是由u夸克和反下夸克組成的、質(zhì)子是由u、u和d三個夸克組成的；超子是由u、d和s三個夸克組成的，余此類推。圖4-1-1為P、 三個強子的結(jié)構(gòu)示意圖。uuddsuu圖4-1-1目前已被科學(xué)家證實的夸克有：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克等6種。為了符合泡利不相容原理，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了夸克的一種更為深刻的性質(zhì)：每種夸克都具有（顏）色，可以用紅、黃、蘭（或紅、綠、蘭）三種加以區(qū)分，這只不過是借光的顏色名字，夸克的色與光波的色完全是兩回事。就像粒子帶電稱為電荷一樣，夸克帶色，也可以稱為色荷。正是色荷間的相互促進作用，才使強子中的夸克互相吸引而束縛在一起。三種不同色的夸克組成不帶色的重子，好像三原色組成白色一樣。同樣，夸克和反色夸克的色互補，它們組成的介子也不帶色。這就是為什么強子不帶色的原因。在當(dāng)今看來，強子基礎(chǔ)是夸克，夸克是基本粒子。此外，基本粒子族還存在輕子一類。最早發(fā)現(xiàn)了電子和電中微子；后來發(fā)現(xiàn)了子和中微子；70年代，又發(fā)現(xiàn)了子和