“基本”粒子+高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第五章原子核5.5“基本”粒子新發(fā)現(xiàn)的粒子分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子.強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子；輕子不參與強(qiáng)相互作用；規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子,如膠子傳遞強(qiáng)相互作用,中間玻色子傳遞弱相互作用,光子傳遞電磁相互作用；希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā).直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒。后來發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子，并且知道了原子核和電子組成了原子，質(zhì)子和中子組成了原子核于是許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子，并把它們叫作“基本粒子”。然而，隨著科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)家們認(rèn)識到這些粒子并不“基本”。這是因為，一方面，科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的新粒子，它們并不能看作由質(zhì)子、中子電子組成的；另一方面，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。所以，從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。道爾頓(原子)盧瑟福(質(zhì)子)湯姆遜(電子)查德威克(中子)?發(fā)現(xiàn)新粒子從20世紀(jì)30年代以來，人們在對宇宙線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ

子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和元介子。后來還發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大很多，叫作超子。1932年發(fā)明的粒子加速器，能使帶電粒子加速到很高的能量。讓這些高能粒子在對撞機(jī)中彼此對撞，就可能產(chǎn)生新的粒子。利用加速器和對撞機(jī)，人們發(fā)現(xiàn)了更多的粒子。粒子物理的研究不再單純依賴宇宙線。高能量的對撞機(jī)往往極為龐大和復(fù)雜。如圖5.5-1，歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是世界上最龐大的科學(xué)裝置之一，放置在一個周長27km的圓形地下隧道內(nèi)。它由全球85個國家的大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)，逾8000位物理學(xué)家合作興建，建造過程歷時十余年。圖5.5-1大型強(qiáng)子對撞機(jī)內(nèi)部設(shè)備的一個局部下表呈現(xiàn)的是自20世紀(jì)30年代至今物理學(xué)家通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)的一部分新粒子。下表呈現(xiàn)的是自20世紀(jì)30年代至今物理學(xué)家通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)的一部分新粒子。下表呈現(xiàn)的是自20世紀(jì)30年代至今物理學(xué)家通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)的一部分新粒子。實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)，存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子。例如，電子的反粒子是正電子，它的電荷量與電子相同，但帶的是正電荷質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子，它的電荷量與質(zhì)子相同同，但帶的是負(fù)電荷。?

粒子的分類現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種。它們大體可被分為強(qiáng)子、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類別。強(qiáng)子強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子。質(zhì)子和中子都是強(qiáng)子。輕子輕子不參與強(qiáng)相互作用。最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，后來發(fā)現(xiàn)的輕子有電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ

子和τ

子中微子。每種輕子都有對應(yīng)的反粒子。目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有這6種，其中τ

子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量還大，但從相互作用的性質(zhì)上講它仍然屬于輕子?，F(xiàn)代實(shí)驗還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子如光子、中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用。希格斯玻色子希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。希格斯玻色子是這幾種基本粒子中最后一個被發(fā)現(xiàn)的。2012年，歐洲核子研究中心利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。道爾頓(原子)盧瑟福(質(zhì)子)湯姆遜(電子)查德威克(中子)蓋爾曼(夸克)夸克與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型許多實(shí)驗事實(shí)表明，強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的(圖5.5-2)。

夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷?？茖W(xué)家們直到今天還從未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。在夸克模型的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們發(fā)展出了描述強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)理論——量子色動力學(xué)。以量子色動力學(xué)和電弱統(tǒng)一理論為核心，人們已經(jīng)完成了一整套關(guān)于粒子的理論，稱為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型和大量實(shí)驗吻合得很好，取得了很大的成功。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克、輕子、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子是組成物質(zhì)的幾類最基本的粒子(圖5.5-3)華人科學(xué)家在粒子物理學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)在粒子物理學(xué)的發(fā)展史上，有一批華人科學(xué)家作出了眾多舉世矚目并被載入史冊的重大貢獻(xiàn)。1930年，在美國加州理工學(xué)院學(xué)習(xí)的趙忠堯和英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)硬γ射線在重元素中的“反常吸收”。同年，他又發(fā)現(xiàn)了γ射線在重元素中的“額外散射”。這實(shí)際上是對正負(fù)電子對產(chǎn)生和湮滅過程的最早觀察(盡管趙忠堯當(dāng)時并未意識到這一點(diǎn))。更重要的是他的實(shí)驗結(jié)果直接激發(fā)美國物理學(xué)家安德森完成了發(fā)現(xiàn)正電子的著名實(shí)驗。1933年，謝玉銘和美國科學(xué)家豪斯頓合作對氫原子光譜進(jìn)行了精準(zhǔn)測量，發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果和當(dāng)時的理論有差異，并提出這可能是由于當(dāng)時關(guān)于光和物質(zhì)相互作用的理論還需要改進(jìn)。他們發(fā)現(xiàn)的這個問題被美國物理學(xué)家蘭姆等人的實(shí)驗進(jìn)一步確認(rèn)，而理論確實(shí)因此而作了重要改進(jìn)。粒子物理學(xué)中極其重要的重整化理論就是由此誕生的。1942年，王淦昌提出證實(shí)中微子存在的一種實(shí)驗方案：觀察輕原子K俘獲過程中的核反沖。半年后，美國物理學(xué)家阿倫照此方案進(jìn)行實(shí)驗，找到了中微子。王昌還預(yù)言在100億電子伏特質(zhì)子同步加速器上有可能找到反超子，并于1959年找到了一個與反西格瑪負(fù)超子有關(guān)的實(shí)例。1954年，楊振寧和美國物理學(xué)家米爾斯提出了楊一米爾斯規(guī)范場理論。后來的電弱統(tǒng)一理論和量子色動力學(xué)都是在楊一米爾斯規(guī)范場理論的基礎(chǔ)上建立的。1956年，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用過程中字稱不守恒，并提出了實(shí)驗驗證的建議。1957年，吳健雄領(lǐng)導(dǎo)的小組在鉆60的衰變中證實(shí)了字稱不守恒的論斷。不久，字稱不守恒在其他弱相互作用過程中也得到了證實(shí)。為此，楊振寧、李政道獲得1957年的諾貝爾物理學(xué)獎。1974年，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子。這種粒子有兩個奇怪的性質(zhì)：質(zhì)量大，大約是質(zhì)子質(zhì)量的3.3倍；壽命長，比一般介子的壽命長5000倍。這個發(fā)現(xiàn)證實(shí)了人們對存在第四種夸克——粲夸克的預(yù)測。美國科學(xué)家里克特也在這一年獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了這種粒子，丁肇中與里克特共獲1976年的諾貝爾物理學(xué)獎。這種