粒子

粒子

粒子(particle)指能夠以自由狀態存在的最小物質組分。最早發現的粒子是原子、電子和質子,1932年又發現中子,確認原子由電子、質子和中子組成,它們比起原子來是更為基本的物質組分,于是稱之為基本粒子。以後這類粒子發現越來越多,累計已超過幾百種,且還有不斷增多的趨勢;此外這些粒子中有些粒子迄今的實驗尚未發現其有內部結構,有些粒子實驗顯示具有明顯的內部結構。看來這些粒子並不屬于同一層次,因此基本粒子一詞已成為歷史,如今統稱為粒子。粒子並不是像中子、質子等實際存在的具體的物質,而是它們的統稱,是一種模型理念。

  • 中文名稱
    粒子
  • 外文名稱
    particle
  • 別名
    基本粒子
  • 定義
    指構成一切物質實體的基本成分

​簡要介紹

概括

粒子:能夠以自由狀態存在最小物質組分。最早發現的粒子是電子質子,目前已發現的粒子累計超過幾百種。粒子簡介 需要說明的是,粒子並不是像中子、質子等實際存在的具體的物質,而是它們的統稱,是一種模型理念。就好比說“動物”,有獅子、老虎等,但並沒有“動物”這種生物,所以“動物”一詞是一個統稱,“粒子”也一樣。

電子、質子、中子-內部結構模型圖電子、質子、中子-內部結構模型圖

作用

粒子之間存在著相互作用,有強相互、電磁相互、弱相互和引力相互作用,其中引力相互作用非常弱,可以忽略。通過這些相互作用,產生新粒子或發生粒子衰變等粒子轉化現象。按照參與相互作用的性質將粒子分成以下幾類:①規範粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子,已發現的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W、Z粒子。②輕子。不直接參與強作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子,已發現的有電子、μ子、τ子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強子。直接參與強作用,也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數的強子稱為介子,自旋為半整數的強子稱為重子。強子的數目眾多,其中大部分是通過強作用衰變的粒子,其壽命極短,是不穩定的粒子,也稱為共振態。

粒子 W、Z粒子-內部結構模型圖W、Z粒子-內部結構模型圖

粒子的性質

各種粒子分別有各自的內稟性質,有粒子的質量m(靜質量,以能量表示)、壽命τ(平均壽命,指靜止系的平均壽命)、電荷Q(以質子的電荷為單位)、自旋J(以為單位)、宇稱P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子數B、輕子數Le、、Lr、奇異數S、粲數C 、底數d等等。下面給出部分穩定粒子及其性質一覽表

輕子和誇克-內部結構模型圖輕子和誇克-內部結構模型圖

在現有實驗的精度下,輕子的行為類似點粒子,沒有顯示出具有內部結構,而強子顯示是復合粒子,具有一定的結構。按照現代粒子物理的觀點,介子由一對正反誇克構成,重子由3個誇克構成,輕子和誇克屬于同一層次。

基本粒子

elementary particles

粒子

基本粒子簡介

構成一切物質實體的基本成分;也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴格地說,基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下,隻有誇克和輕子兩族基本粒子。但是,雖然質子和中子由誇克組成,這兩類重子都不可能分解為它們的誇克成分,因為獨立的誇克是不能存在的。

所以,盡管質子和中子以及其他重子由誇克組成,它們常被看成是基本粒子。

電子的發現

直到19世紀末,原子一直被認為是物質的基本建築砌塊。後來,英國粒子物理學先驅、劍橋卡文迪什實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson,1856—1944),發現原子產生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來的帶電微粒流來解釋,現在知道這種帶電微粒就是電子。

原子核的研究

既然電子帶負電荷,而原子呈電中性,很明顯,原子內部必然有另外的帶

粒子

正電荷的粒子,以抵消電子的負電荷。20世紀初葉,工作于曼徹斯特的紐西蘭裔物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937) (後來繼湯姆孫任卡文迪什實驗室主任)證明,這一正電荷與原子的大部分質量一起,都集中在很小的中心核內。

起初人們認為,原子核是電子與荷正電的質子的混合物。到了1932年,也在卡文迪什實驗室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick,1891—1937)才發現了不帶電的質量幾乎與質子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強核相互作用,或強力,維持在一起的質子和中子的集合。

那時,這三種粒子——電子、質子和中子——似乎是構成一切物質的僅有基本粒子,但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實驗卻表明,還存在其他類型‘亞原子’粒子;不過這些‘新’粒子是不穩定的,它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射,以我們熟悉的電子、質子和中子告終。

重要的是應該懂得,這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質子)的‘內部’;它們是從註入加速器的能量中,按照愛因斯坦的公式 (或者,在所討論的情況下,更恰當的是)創造出來的。

然而,在它們的短暫壽命期間,它們是具備質量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子,應該曾經在大爆炸的高能條件下大量出現。

介子的研究

物理學家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論,他們嘗試解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時,仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力,想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什麽東西製造的呢?

介子-內部結構模型圖介子-內部結構模型圖

誇克理論

有一段時期,局面極其混亂。但1960和1970年代發展的誇克理論使局面趨于明朗。誇克理論認為,所有已知粒子可以分成兩族。一族由誇克組成,能夠‘感知’隻在誇克之間起作用的強力,叫做強子。另一族叫做輕子,它們不能感知強力,但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用),比如,放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強子既能參與強相互作用,也能感知弱力。

誇克理論-模型表誇克理論-模型表

輕子

是名副其實的基本粒子,它們不由任何別的東西構成。典範的輕子就是電子,電子與另一種叫做中微子(嚴格說應是電子中微子)的輕子相伴生。當電子參與放射衰變這類過程時,總有中微子卷入。

粒子

由于一些無人知曉的原因,這一基本圖像已經復製了兩次,產生了三‘代’輕子。除電子本身外,還有比較重的叫做μ介子,它們除了比電子重207倍外,完全像是電子;還有一種甚至更重的粒子叫做τ粒子,它的質量接近質子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子,所以輕子族有六種(三對)粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量製造或從宇宙線產生,但它們很快衰變,轉化成電子或中微子。

強子族

強子族本身又再分為兩類。由三個誇克構成的粒子叫做重子,就是我們常說的‘物質’粒子,包括質子和中子(重子和輕子都是費米子族的成員,費米子實際上是普通物質粒子的別稱)。由成對的誇克構成的粒子叫做介子,它們是攜帶基本力的粒子,盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

隻需要兩種誇克(它們的名字很怪,叫做‘上’誇克和‘下’誇克)就能解釋質子和中子的結構。一個質子由通過強力維持在一起的兩個上誇克和一個下誇克構成,而一個中子由通過強力維持在一起的兩個下誇克和一個上誇克構成。

力本身可視為膠子的交換,而膠子本身又由誇克對組成,因而是介子。

粒子

正如輕子族復製了三代,誇克族也如此。雖然隻需要兩種誇克來解釋質子和中子的本質,但復製的兩代誇克卻一代比一代重,其中一代叫做‘奇’誇克和‘粲’誇克,最重的一代叫做‘底’誇克和‘頂’誇克。和重輕子一樣,這些粒子能夠在高能實驗中產生(因而大霹靂時必定大量存在過),但迅速衰變成它們的較輕對應物。雖然不可能分離出單個誇克,但粒子加速器實驗已經提供了誇克族所有這六個成員存在的直接證據;最後一種(頂)誇克是芝加哥費密實驗室的科學家于2007年找到的。

對誇克的質量和其他性質的研究表明,不可能有更多代的誇克,隻能有三族誇克和三族輕子。幸而標準大霹靂模型也認為不可能存在多于三代的粒子;不然的話,極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應該驅動宇宙過快地膨脹,從而使留存下來的氦含量與極年老恆星的觀測結果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據之一,表明粒子物理學和宇宙學兩者的標準模型對宇宙行為的描述,都同基本真理相去不遠。

三族誇克和三族輕子-內部結構模型圖三族誇克和三族輕子-內部結構模型圖

但是,除了大霹靂的最早片刻之外,第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣東西都能用兩種誇克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明;確實,由于單個的誇克不能獨立存在,我們看到的每樣東西的行為,仍然能夠用1932年就已經知道的電子、中子和質子再加上電子中微子,以及四種基本力,相當準確地予以近似說明。

最新進展

電子可分裂

新華社倫敦09年8月2日電(記者黃堃)英國研究人員最近通過實驗證實了電子可分裂為自旋子和空穴子的理論假設,這一進展將有助于研製下一代量子電腦

粒子

英國劍橋大學日前發布新聞公報說,該校研究人員和伯明翰大學的同行合作完成了這項研究。公報稱,電子通常被認為不可分。但1981年有物理學家提出,在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。

劍橋大學研究人員將極細的“量子金屬絲”置于一塊金屬平板上方,控製其間距離為約30個原子寬度,並將它們置于約零下273攝氏度的超低溫環境下,然後改變外加磁場,發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和空穴子。

研究人員說,人們對電子性質的研究曾掀起了半導體革命,使電腦產業飛速發展,現在又出現了實際研究自旋子和空穴子性質的機會,這可能會促進下一代量子電腦的發展,帶來新一輪的電腦革命。

費米實驗室發現新粒子

費米實驗室證實,Tevatron粒子加速器產生出新的粒子Xi-sub-b。Xi-sub-b屬于重子,由三個誇克構成,一個奇誇克,一個上誇克和一個底誇克。它的存在已被標準模型所預言,觀察到中性粒子Xi-sub-b的意義在于它能加強我們對誇克形成物質的理解。

自11維大霹靂奇異點衰變到3維的原子及反原子結構模型表

空間超弦,粒子
11維時空
超重力場
大霹靂奇異點
TOE「E8×E8’混成型雜弦」
10維時空
起源10秒
GUT「E型雜弦」GUT「O型雜弦」
10維空間
大統一場
五種超弦
Ⅰ型弦
重力子。
衰變如下:
E型雜弦
Y玻色子。
衰變如下:
ⅡA型左旋閉弦
(反)陰磁單極子。
衰變如下:
ⅡB型右旋閉弦
(正)陽磁單極子。
衰變如下:
O型雜弦
X玻色子。
衰變如下:
Ⅰ型弦
重力子。
衰變如下:
9維空間
希格斯場
第5,4,3期
重力子-
傳遞各維空間重力
第5,4,3期
中性希格斯玻色子
第5,4,3期
Z弱玻色子(同右)
第5,4,3期
引力型-及
磁力型-
中性膠子
第5,4,3期
Z弱玻色子衰變成-10,9,8,7,6,5代(正負)t’,t,m陽陰電子加nt’,nt,nm正反微中子及磁力型中性膠子
第5,4,3期
W弱玻色子
衰變成-第
10,9,8,7,6,5代(負陰)電子加反微中子及陰電膠子。
第5,4,3期
陰電希格斯玻色子
衰變成10,9,8,7,6,5代反上誇克及下誇克(下誇克由3/4
陰磁單極子加1/4陽磁單極子組成)
第5,4,3期
中性希格斯玻色子
(1/2陰磁單極子加1/2陽磁單極子組成)
10,9,8,7,6,5代
反微中子
磁力型-中性膠子
(加陽磁單極子).
第5,4,3期
陽電希格斯玻色子
衰變成10,9,8,7,6,5代上誇克及反下誇克(反下誇克由3/4陽磁單極子加1/4陰磁單極子組成)
第5,4,3期
中性希格斯玻色子
(1/2陽磁單極子加1/2陰磁單極子組成)
10,9,8,7,6,5代微中子
磁力型-中性膠子
(加陰磁單極子).
第5,4,3期
Z弱玻色子衰變成-10,9,8,7,6,5代(負正)t’,t,m陰陽電子加nt’,nt,nm反正微中子及磁力型中性膠子
第5,4,3期
W弱玻色子,
衰變成-第
10,9,8,7,6,5代
(正)陽電子加微中子及陽電膠子。
第5,4,3期
重力子-
傳遞各維空間重力
第5,4,3期
中性希格斯玻色子
第5,4,3期
Z弱玻色子(同左)
第5,4,3期
引力型-及
磁力型-
中性膠子
8維空間至
4維空間
第2,1期
重力子-
傳遞各維空間重力
第2,1期
中性希格斯玻色子。
第2,1期
Z弱玻色子(同右).
第2,1期
引力型-及
磁力型-
中性膠子
第2,1期
Z弱玻色子衰變成-第4,3,2代(正負)t’,t,m陽陰電子加nt’,nt,nm正反微中子及
磁力型中性膠子
第2,1期
W弱玻色子
衰變成-第4,3,2代(負)t’,t,m陰電子加nt’,nt,nm反微中子及陰電膠子
g光子
(加t,t,m正電子)
第2,1期
陰電希格斯玻色子
衰變成第4,3,2代t’,t,c反上誇克及b’,b,s下誇克,再由第4,3,2代誇克組成反超子及反介子nt’,nt,nm反微中子。第2,1期
中性希格斯玻色子
(組成同第5,4,3期)
磁力型-中性膠子(加陽磁單極子).
第2,1期
陽電希格斯玻色子
衰變成第4,3,2代t’,t,c上誇克及b’,b,s反下誇克,再由第4,3,2代誇克組成之超子及介子。
nt’,nt,nm微中子。
第2,1期
中性希格斯玻色子(組成同第5,4,3期)
磁力型-中性膠子
(加陰磁單極子).
第2,1期
Z弱玻色子衰變成-第4,3,2代(負正)t’,t,m
陰陽電子加nt’,nt,nm
反正微中子及
磁力型中性膠子
第2,1期
W弱玻色子,
衰變成-第4,3,2代(正)t’,t,m陽電子加nt’,nt,nm微中子及陽電膠子。
g光子
(加t-’,t-,m-電子)
第2,1期
重力子-
傳遞各維空間重力
第2,1期
中性希格斯玻色子。
第2,1期
Z弱玻色子(同左).
第2,1期
引力型-及
磁力型-
中性膠子
3維空間
3維空間
第1期
第1代
重力子-
傳遞各維空間重力
第1期
中性希格斯玻色子。
第1期
Z弱玻色子(同右).
第1期
第1代
引力型-及
磁力型-
中性膠子
第1期
Z弱玻色子衰變成-第1代(正負)t’,t,m陽陰電子加nt’,nt,nm正反微中子及
磁力型中性膠子
第1期
W弱玻色子
衰變成第1代(負陰)e電子加ne反微中子及陰電膠子
g光子
(加e正電子)
第1期
陰電希格斯玻色子
衰變成第
1代u反上誇克及d下誇克,ne反微中子。 第1期
中性希格斯玻色子
(組成同第5,4,3期)
磁力型-中性膠子
(加陽磁單極子).
第1期
陽電希格斯玻色子
衰變成第
1代u上誇克及d反下誇克,ne微中子。 第1期
中性希格斯玻色子
(組成同第5,4,3期)
磁力型-中性膠子(加陰磁單極子).
第1期
Z弱玻色子衰變成-
第1代(負正)t’,t,m
陰陽電子加nt’,nt,nm
反正微中子及
磁力型中性膠子
第1期
W弱玻色子,
衰變成第1代(正)e陽電子加ne微中子及陽電膠子。
g光子
(加e電子)
第1期
第1代
重力子-
傳遞各維空間重力
第1期
中性希格斯玻色子。
第1期
Z弱玻色子(同左).
第1期
第1代
引力型-及
磁力型-
中性膠子
e+e=g光子反質子(2反u+1反d)+反中子(1反u+2反d)+e正電子=反原子。 質子(2u+1d)+中子(1u+2d)+e電子=原子。

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