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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
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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


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