第一篇第四章宇宙的結構層次與物質(zhì)的基本單元

1、第一篇第四章宇宙的結構層次與物質(zhì)的基本單元（p78-79）第一節(jié)宇宙的宇觀、宏觀和微觀三個層次構成物質(zhì)的基本單位是夸克、輕子和傳播子。宇宙按其空間尺度和質(zhì)量大小可分為宇觀、宏觀和微觀三個層次。一、微觀層次（弱、強相互作用和電磁相互作用是支配微觀層次的決 定性因素）微觀層次通常又分為粒子亞原子和原子分子兩個層次。隨著原子核增大，質(zhì)子間靜電排斥逐漸增大，最終超過核力的約束， 就不存在穩(wěn)定的原子核，強相互作用與電磁相互作用的平衡條件決定 原子大小的上限。二、宏觀層次（電磁相互作用是支配宏觀層次的決定性因素）宏觀物質(zhì)是由大量原子分子形成的凝聚體系， 其穩(wěn)定條件是電子受原 子核的為庫倫吸引與電子之間因泡

2、利不相容而有的排斥之間的平衡。密度隨體積或質(zhì)量的增加而略有增加，萬有引力逐漸增強并開始起作 用。三、宇觀層次（萬有引力相互作用則是支配宇觀層次的決定性因素。） 在這個系列中，隨著尺度和質(zhì)量的增加，密度逐漸減小。萬有引力作用與電磁相互作用不同，它不能屏蔽和中和，隨著質(zhì)量的增加，萬有 引力逐漸占支配地位的相互作用。弱強相互作用和電腦相互作用是支配微觀層次的決定性因素，電磁相互作用是支配宏觀層次的決定性因素，而萬有引力相互作用則是支配 宇觀層次的決定性因素。1661年，英國科學家玻意耳提出了化學元素概念，為科學地研究化 學奠定了基礎。1803年，英國化學家和物理學家道爾頓用原子的概念闡明化合物的 組

3、成及其所服從的定量規(guī)律，并通過實驗來測定不同元素的原子質(zhì)量 之比。這種始于化學的原子假說叫做“化學原子論”。1811年，意大利科學家阿伏伽德羅提出了分子假說，彌補了道爾頓 原子學說中忽視了原子和分子區(qū)別的缺陷，兩者結合成為“原子一一分子學說”。1869年，俄國科學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素的周期性遞變規(guī)律并制成 了元素周期表。在人類認識物質(zhì)結構的進程中，這是一個重大的成就。 第三節(jié)物質(zhì)結構的基本單元1964年，蓋爾曼提出了夸克模型，認為強子，包括質(zhì)子和中子，都 是由夸克組成的。一、第一粒子一一電子的發(fā)展1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線粒子稱為“電子”。電子有一種運動屬性，叫做自旋，自旋是微觀世界粒子特

4、有的屬性， 電子是人類發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)這種特性的第一個粒子。 只參與電磁相互作用和 弱相互作用，電子是質(zhì)量很小的粒子，成為輕子。電子的Q=-1,輕子數(shù)L=+1。湯姆孫1906年獲諾貝爾物理學獎，被譽為“一位最先打開通向基本 粒子物理學大門的偉人”。二、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)英國物理學家盧瑟福證實了質(zhì)子的存在。 參與包括強相互作用在內(nèi)的一切相互作用。質(zhì)子的質(zhì)量大，稱為重子。質(zhì)子的重子數(shù)B=1。三、中子的發(fā)現(xiàn)查德威克由于發(fā)現(xiàn)中子而獲1935年度諾貝爾物理學獎。證明了原子 包含質(zhì)子，中子（氫原子例外），其質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子和中子相對質(zhì)量 的總和，原子序數(shù)等于質(zhì)子數(shù)目。中子不帶電，參與強相互作用在內(nèi) 的一切相互作用。重子數(shù)B

5、=1,自由中子是不穩(wěn)定的，它會蛻變?yōu)椋ㄒ?個質(zhì)子、一個電子、一個反中微子）（參見p84）反中微子是一種既 無質(zhì)量又不帶電的粒子。四、反粒子一一正電子的發(fā)現(xiàn)安德森通過觀測云室照片，發(fā)現(xiàn)了正電子e+,正電子的發(fā)現(xiàn)具有十分 重要的意義，它是人類認識反粒子的開端。正電子參與磁相互作用和 弱相互作用，電子的Q=+1,輕子數(shù)L=-1。同樣，互為正反粒子的質(zhì) 子和反質(zhì)子的質(zhì)量m壽命r、自旋J都相同，僅電荷數(shù)Q重子數(shù)B 等符號相反。正反粒子相互作用的特征是它們碰撞時湮沒，生成相加量子數(shù)為零的態(tài)。五、原子核結構模型與n介子的發(fā)現(xiàn)1936年，玻爾發(fā)現(xiàn)原子核的密度幾乎都相同，因此提出了液滴模型。這個模型比較好地解釋

6、了核裂變現(xiàn)象。宇宙間有兩種普遍的相互作用，一是萬有引力，一是電磁力。1935年，日本物理學家湯川秀樹為了解釋核子之間的相互作用，提 出了它們之間是通過交換n介子而實現(xiàn)的。湯川秀樹指出，n介子的 自旋角動量J=0,參與強相互作用在內(nèi)的一切相互作用。n介子有三 種：n +介子，Q=+1 n 0介子，Q=Q n -介子，Q=-1。湯川秀樹還預 言了 n介子的質(zhì)量mn。1937年，安德森在宇宙射線的研究中發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量為電子207倍的粒子，它并不是傳遞核力的那種介子，而是另一種粒子叫做卩，屬 于輕子類。1947年，英國物理學家鮑威爾用乳膠研究宇宙射線終于發(fā)現(xiàn)了n介 子，其質(zhì)量是電子的273倍。以n介子

7、傳遞方式產(chǎn)生的相互作用具有 這樣的特點：強度極大、獨立于電荷、作用距離和作用時間均極短。 這種相互作用被稱為強相互作用。六、第一代“基本粒子”湯川秀擁的理論被確立之后，原子核內(nèi)相互作用的理論研究開始活躍起來 x介子發(fā)現(xiàn)以后，許霧物理學家認為，組成物質(zhì)的基本單元（稱為第一代基本粒 子）都找到了4它們列在-4-3-1中®表中的質(zhì)子p、中子口組成原子核， 加上電子組成原子E介子傳遞核力小光干傳遞電磁力宀體現(xiàn)弱作用，僅出 物理學家認識到原子核由質(zhì)子 P和中子n組成，通常就把質(zhì)子和中子 稱為核子。核子由比電磁相互作用（電磁力）更強的相互作用該相互作用（核力）結合成原子核，原子核就會因為帶正電荷

8、的質(zhì)子間 的斥力而崩解。核力就是強相互作用力。核力僅在原子核線度（約 10-13cm）范圍內(nèi)呈現(xiàn)，它是短程力。核力是一種強吸引的短程力。七、超子的發(fā)現(xiàn)1. A超子的發(fā)現(xiàn)與奇異數(shù)S的引入A粒子有自旋角動量J，參與強相互作用的一切相互作用。 Q=0A粒子質(zhì)量比核子（質(zhì)子和中子）大，稱為超子。超子也屬于重子一 類，A超子的重子數(shù)B=1。奇異數(shù)是強子（重子和介子）的重要屬性， 它在相互作用過程前后的變化量的值是過程能否發(fā)生，是強作用、電磁作用或弱作用的判據(jù)。2. Q超子的尋找1964年，在美國的布洛克海文國家實驗室在氫氣泡室中發(fā)現(xiàn)了 Q-粒子，Q -粒子的發(fā)現(xiàn)是超多重態(tài)理論的重大勝利。超子是奇異數(shù)S不

9、為零的重子的通稱。超子的壽命大于 10-22s，以發(fā)射光子或以弱相互 作用方式衰變。超子的發(fā)現(xiàn)說明，第一代基本粒子并不是構成物質(zhì)結 構的基本單位。八、夸克模型1964年，蓋爾曼和茨威格分別獨立提出了形象的、易于理解的強子 結構模型一一夸克模型，該模型認為“強子是由三個更基本的粒子（上 夸克、下夸克和奇異夸克）組成” 。九、物質(zhì)的基本單元在20世紀70年代建立起來的描述強力、電磁力和弱力的標準模型中，是把 夸克和輕子放在同一物質(zhì)結枸層次上來看待的。在這個層次上，構成物質(zhì)的基 本單元只有如下幾種基本粒子： 六種輕子；電子、繆子、陶子、電子中微子、繆子中徴子、陶子中微子： 六種夸克：上夸克下夸克、粲

10、夸克、奇異夸克、頂夸克、底夸克； 五種傳播子:光子、帶電中間玻色子.中性中間玻色子、膠子、引力子； 希格斯粒子?？淇说闹饕再|(zhì)如下上 夸克是費米子=保證構成各種強子卡 電荷數(shù)Q和蚩子數(shù)B為分數(shù)，這是三個夸克構成境子所要求的* 有奇異數(shù)S/0的夸克，以組成奇異粒子； 滿足蓋爾曼-西島關系。根據(jù)夸克摸型，介子由一個夸克和一個反夸克組成*重子由三個夸克組成。 例如，質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成中子由兩個下夸克和一個上夸克 組成“第四節(jié)微觀粒子的性質(zhì)自然界存在著四種基本的相互作用力，即萬有引力、電磁相互作用力、 弱相互作用力和強相互作用力。微觀粒子參與四種基本的相互作用。1. 萬有引力 萬有引力表

11、現(xiàn)為所有粒子之間的一種長程吸引力。（萬有引力：太陽系中任何兩個天體間存在著相互吸引的作用力，并且這一引力也存在于地面的任何兩個物體之間。 這一引力的大小不僅 與物體間的距離平方成反比，而且與兩物體的質(zhì)量的乘積成正比 萬有引力定律。）2. 電磁相互作用力這種力是使同號電荷相互排斥而異號電荷相互吸引的一種長程力。電流產(chǎn)生、化學反應、原子和分子的構成、晶體的形成等，都是電磁力 起的作用。建立電磁場理論的是蘇格蘭卓越的物理學家麥克斯韋。原子得以構成并保持其穩(wěn)定性，全靠電磁力起作用。分子的形成則是 靠電磁力的剩余作用。一切化學力都是剩余電磁力，即本質(zhì)上是電磁 力。包括人類在內(nèi)的所有生物的存在形式，全是由

12、電磁力來約束的。3. 弱相互作用力弱力屬于微觀力。在微觀粒子世界中，粒子之間的相互作用是通過碰 撞而實現(xiàn)的。對于弱相互作用力來說，表現(xiàn)為中子的B衰變。即：中子衰變成質(zhì) 子、電子與電子中微子。 實驗測得這種力的強度比電磁力弱得多， 于是把這種力稱為弱力。在費曼圖中表現(xiàn)為：中子與電子中微子發(fā)生碰撞，在碰撞過程中發(fā) 生了力的作用，這種力就是弱相互作用力。碰撞后的中子改變方向， 其固有能量與動量都發(fā)生改變，變成了質(zhì)子（準確的說是：碰撞后中 子改變運動方向，與觀測時空成角，被觀測成了質(zhì)子）。同樣，電子 中微子也改變方向，固有能量與動量也發(fā)生改變，變成了電子（準確 的來說是：碰撞后電子中微子改變運動方向，

13、與觀測時空成角，被觀 測成了電子）。4. 強相互作用最初人們推測強力是一種能使原子核得以形成并保持穩(wěn)定的力，故又稱核力。最早認識到的質(zhì)子、中子間的核力屬于強相互作用，是質(zhì)子、中子結 合成原子核的作用力，后來進一步認識到強子是由夸克組成的 （根據(jù) 夸克模型，介子由一個夸克和一個反夸克組成；重子由三個夸克組成。 例如，質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成， 中子由兩個下夸克和一 個上夸克組成），強作用是夸克之間的相互作用力。強作用最強，也 是一種短程力。強作用具有最強的對稱性，遵從的守恒定律最多。強 作用引起的粒子衰變稱為強衰變，強衰變粒子的平均壽命最短，強衰 變粒子稱為不穩(wěn)定粒子或共振態(tài)。5. 強子

14、、輕子和傳播子根據(jù)作用力的特點，可把微觀粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。 強子是所有參與強力作用的粒子的總稱， 它們由夸克組成?，F(xiàn)有粒子 中絕大部分是強子，例如質(zhì)子、中子（根據(jù)夸克模型，介子由一個夸 克和一個反夸克組成；重子由三個夸克組成。例如，質(zhì)子由兩個上夸 克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成）、n介子等屬于強子。輕子只參與弱力、電磁力和引力相互作用，而不參與強相互作用。輕 子共有六種，即電子、電子中微子、繆子、繆子中微子、陶子、陶子 中微子。電子、繆子和陶子是帶電的，所有的中微子則不帶電。陶子 是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子。它的質(zhì)量很大，是電子的 3600倍，質(zhì)子 的1.

15、8倍，不參與強作用，仍屬輕子，因而又稱重輕子。傳播子也屬于基本粒子。每一種力都通過一種相應的傳播子來傳播。弱子的傳播子是 W W和Z中間玻色子，它們是1983年被發(fā)現(xiàn)的， 非常重，質(zhì)量是質(zhì)子的80-90倍。電磁力的傳播子是光子。強力的傳 播子是膠子。引力的傳播子叫引力子，由于引力作用太弱，極難探測 到，至今尚未發(fā)現(xiàn)。二、微觀粒子的尺度三、微觀粒子的質(zhì)量微觀粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量。 現(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大，包 括從0到90GeV光子、膠子是無靜止質(zhì)量的；電子質(zhì)量很小，只有 0.5MeV;n介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重，接近 電子質(zhì)量的2000倍，約為1GeV已知重要的粒子

16、是 Z0,其質(zhì)量為90GeV已被確認的六種夸克，從下夸克到底夸克，質(zhì)量從小到大。四、微觀粒子的壽命粒子的壽命也不盡相同。電子、質(zhì)量、中微子和光子及其各自的反粒 子的壽命長，它們被稱為穩(wěn)定例子，也稱“長壽命”粒子，而其他絕 大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的粒子。（不穩(wěn)定的意思是指這些粒子存在的 時間很短）五、正、反粒子對稱19世紀未（1897年，湯姆孫）發(fā)現(xiàn)了電子，測得了它的質(zhì)量和所帶 的負電荷。1932年安德森發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一個正電 荷的粒子，稱為正電子。每一個粒子都有相應的反粒子。質(zhì)子、中子、 電子、夸克和輕子均是如此。反粒子的反粒子就是它的本身。兩個粒 子是相互的反粒子，那么它們就有相

17、反的電荷（電荷大小相等但符號 相反）和相同的質(zhì)量。有些電中性的粒子，如光子，是它們自己的反 粒子。一對正、反粒子相碰可以湮沒，變成攜帶能量的光子，即粒子 質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊蓚€高能粒子碰撞時有可能產(chǎn)生一對新的正、反粒 子，即能量也可以轉(zhuǎn)變成具有質(zhì)量的粒子。六、微觀粒子的自旋粒子還有另一種屬性一一自旋。微觀粒子一個非常重要的區(qū)別是它們 的自旋角動量不同。自旋是在數(shù)值上描述粒子繞自己的軸旋轉(zhuǎn)的快 慢。自旋為半整數(shù)的粒子稱為費米子，為整數(shù)的稱為玻色子。光子、 中間玻色子和膠子的自旋值是1。電子、質(zhì)子、輕子和夸克的自旋量 值是1/2。引力子的自旋值是2。希格斯粒子的自旋值是0。七、微觀粒子的電荷量微觀粒子的電荷量是微觀粒子的重要屬性。 以元電荷為單位，質(zhì)子帶電為+1,電子、繆子和陶子帶電為-1，中子、膠子、弓I力子、希格斯粒子和中微子不帶電，上夸克、粲夸克和頂夸克帶電為+2/3 ,下夸克、 奇異夸克和底夸克帶