热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

核物理 | 基本粒子杂谈

2021-08-18 08:36     来源:FI知识分享平台     核物理宇宙射线
注意

本文内容有关于前沿物理学,如果展开叙述会过于冗长且有悖于该系列的主旨;若读者对更详细的内容有兴趣,建议自行搜索相关条目,或加入群聊咨询物理系专业人士。后续我们会尽量在本公众号核物理系列更新详细的讲解。

什么是基本粒子

“基本粒子”,即组成物质的最小单位,“不可分割”——当然,是不是基本粒子还是得看人们对物质的认识水平。主张万物由原子构成的原子论诞生之后,“基本粒子”自然是原子。但发现原子内部存在分离的正负电荷后,人们认识到原子内部还有独立的粒子,它们是:1897年发现的带负电的电子,1918年发现的带正电的质子,1932年发现的不带电的中子。若带上没有静质量的光子,这便是最早的基本粒子模型。但1932年发现的正电子,让物质的组成又变得扑朔迷离。

物质和反物质

正电子或反电子,反物质的一种。

早在1928年,量子力学大师保罗·狄拉克就预言了“反粒子”的存在。反物质听起来非常唬人,对此,近两个世纪的科幻作品(尤其是那些带有太空军事要素的)要付主要责任。实际上反物质并不是在最尖端的加速器中才能存在的稀客;它也没有那种因操作不当就会毁天灭地的脾气。甚至有些物质天然地会产生反物质,比如钠的同位素,钠-22的衰变反应会放出正电子。正电子仅仅是和它的“正版”电荷相反(即带一个正电),质量则相同。由于电子的超轻质量,正负电子湮灭(用E=mc2计算)产生的能量基本可以忽略不记;而且正电子和电子都会使其接触的物质带电,从而破坏DNA等遗传物质引发癌变。所以正电子束和电子束一样危险,要时刻记得远离或屏蔽。

反质子(带一个负电)和反中子(不带电,但磁性相反)则分别于1955和1956年被发现。

夸克

既然质子可以克服彼此间的电磁斥力,那么一定存在另一种比电磁力更强的相互作用力使它们结合到一起。早期的核科学家对于放射性原子核质量的研究表明,一定比例(该比例被称为“幻数”)的质子和中子会让原子核变得稳定,取走任意一个质子或中子都会失稳进而导致原子核嬗变。因此,质子和中子似乎都包含了某些更深层次的相互作用。

1940到1950年间,人们在宇宙射线和加速器中发现了大量新奇的粒子——介子和超子。介子的质量介于电子和核子(即质子或中子)之间;超子的质量则比核子大,而且通常成对产生但独立衰变,被称之为“奇异粒子”。人们认识到,使核子结合在一起的核力(如今我们称之为强相互作用力)是通过交换介子产生的——正如同电磁作用力是通过交换光子产生的一样。而超子说明核子可能并不只包括质子和中子。1964年,默里·盖尔曼和乔治·茨威格各自独立地提出了夸克模型,指出质子等粒子是由更小的带分数电荷的夸克组成。

费米子和玻色子

在量子力学中,一切粒子都有一个叫“自旋”的量子数(叫“量子数”,意味着这个数只能取某个基数的整数倍)。费米子是所有自旋不为整数的粒子(比如电子的自旋数为1/2),其微观状态的统计函数服从费米-狄拉克分布。而玻色子是所有自旋为整数的粒子(比如光子的自旋为1),其微观状态的统计函数服从玻色-爱因斯坦分布。简单来说,费米子是物质的基础组成部分(反物质即由对应的反费米子组成),而玻色子则负责相互作用(即经典力学中的力)的传递。下图中的夸克、轻子都属于费米子的范围。

现代基本粒子模型

现代的基本粒子模型包括6“味”(即种类的另一种说法)夸克、6“味”轻子、4“味”规范玻色子以及新发现的“上帝粒子”——希格斯玻色子。若特别区分夸克带有的“色”属性(夸克可能具有的三个量子态,分别是红、蓝、绿;该名称仅为了区分状态,和颜色并无关联),则共有18种夸克。其中奇夸克存在于上文中提到的奇异粒子——超子,其带有独特的量子数,“奇异数”,该量子数在强相互作用中守恒。

轻子则包括电子、μ子、τ子和其对应的中微子。轻子对,例如电子和电子中微子对,通常产生于弱相互作用,例如原子的衰变反应。

夸克模型下的核子衰变

质子由u、u、d(电荷为2/3+2/3-1/3=1)三种夸克组成,中子则是u、d、d(电荷为2/3-1/3-1/3=0)。原子的衰变要满足电荷守恒和质量守恒。在普通原子(即不带奇夸克的原子)的α衰变中,仅仅是放出两个质子和两个中子,不涉及核子衰变;而在β-衰变过程中(β表示该过程放出β射线,即电子),中子的一个下夸克(down quark)d转变为上夸克u(up quark),即该中子变为质子,同时放出一个电子和电子中微子;β+衰变过程(即钠-22衰变)则和β-衰变过程相反,质子的一个u转变为d,该质子变为中子,同时放出一个正电子和正电子中微子(或反电子中微子)。

β-衰变(上)和β+衰变(下)

n为中子,p为质子,e为电子,ve为中微子

左上标表示原子序数,左下标表示电荷量

推荐阅读

孟杰课题组与合作者预言由六个粲夸克组成的双重子系统在强相互作用下存在束缚态

物质结构及其属性是基本的科学问题。原子核作为由质子和中子组成的有限量子多体系统,是物质结构的一个基本层次。 2021-08-20

寻找无菌中微子

早在中微子被提出来的时候,科学家们就不确定他们是否会探测到中微子;现在他们正在寻找一种可能更加难以捉摸的粒子版本。 2021-08-19

失重与高辐射的挑战:如何度过危险的火星之旅?

SpaceX公司称未来的火箭将能一次搭载100名乘客前往月球,甚至火星。然而防晒霜和钙补充剂都不足以为前往火星的太空旅行者提供足够的保护,他们依然要面临辐射和外太空失重的影响。 2021-08-19

钞票上的物理学史——原子论的提出

原子是指不可再分的意思,在现代科学中指的是在化学反应中不可再分的粒子。严复将“莫能破”与西方的“原子”对应,简化为一个名词“莫破”。原子的概念诞生于古希腊对于世界本源的哲学思考。 2021-08-19

作为宇宙信使的X射线

文章重点介绍最有代表性的X射线源,包括中子星和黑洞X射线双星、超大质量黑洞和活动星系核、星系团,以及伽马暴、超新星和潮汐瓦解恒星事件等爆发天体。 2021-08-18

阅读排行榜