第一篇第四章宇宙的结构层次与物质的基本单元

1、第一篇第四章宇宙的结构层次与物质的基本单元（p78-79）第一节宇宙的宇观、宏观和微观三个层次构成物质的基本单位是夸克、轻子和传播子。宇宙按其空间尺度和质量大小可分为宇观、宏观和微观三个层次。一、微观层次（弱、强相互作用和电磁相互作用是支配微观层次的决 定性因素）微观层次通常又分为粒子亚原子和原子分子两个层次。随着原子核增大，质子间静电排斥逐渐增大，最终超过核力的约束， 就不存在稳定的原子核，强相互作用与电磁相互作用的平衡条件决定 原子大小的上限。二、宏观层次（电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素）宏观物质是由大量原子分子形成的凝聚体系， 其稳定条件是电子受原 子核的为库伦吸引与电子之间因泡

2、利不相容而有的排斥之间的平衡。密度随体积或质量的增加而略有增加，万有引力逐渐增强并开始起作 用。三、宇观层次（万有引力相互作用则是支配宇观层次的决定性因素。） 在这个系列中，随着尺度和质量的增加，密度逐渐减小。万有引力作用与电磁相互作用不同，它不能屏蔽和中和，随着质量的增加，万有 引力逐渐占支配地位的相互作用。弱强相互作用和电脑相互作用是支配微观层次的决定性因素，电磁相互作用是支配宏观层次的决定性因素，而万有引力相互作用则是支配 宇观层次的决定性因素。1661年，英国科学家玻意耳提出了化学元素概念，为科学地研究化 学奠定了基础。1803年，英国化学家和物理学家道尔顿用原子的概念阐明化合物的 组

3、成及其所服从的定量规律，并通过实验来测定不同元素的原子质量 之比。这种始于化学的原子假说叫做“化学原子论”。1811年，意大利科学家阿伏伽德罗提出了分子假说，弥补了道尔顿 原子学说中忽视了原子和分子区别的缺陷，两者结合成为“原子一一分子学说”。1869年，俄国科学家门捷列夫发现了元素的周期性递变规律并制成 了元素周期表。在人类认识物质结构的进程中，这是一个重大的成就。 第三节物质结构的基本单元1964年，盖尔曼提出了夸克模型，认为强子，包括质子和中子，都 是由夸克组成的。一、第一粒子一一电子的发展1897年，汤姆孙发现阴极射线粒子称为“电子”。电子有一种运动属性，叫做自旋，自旋是微观世界粒子特

4、有的属性， 电子是人类发现体现这种特性的第一个粒子。 只参与电磁相互作用和 弱相互作用，电子是质量很小的粒子，成为轻子。电子的Q=-1,轻子数L=+1。汤姆孙1906年获诺贝尔物理学奖，被誉为“一位最先打开通向基本 粒子物理学大门的伟人”。二、质子的发现英国物理学家卢瑟福证实了质子的存在。 参与包括强相互作用在内的一切相互作用。质子的质量大，称为重子。质子的重子数B=1。三、中子的发现查德威克由于发现中子而获1935年度诺贝尔物理学奖。证明了原子 包含质子，中子（氢原子例外），其质量数等于质子和中子相对质量 的总和，原子序数等于质子数目。中子不带电，参与强相互作用在内 的一切相互作用。重子数B

5、=1,自由中子是不稳定的，它会蜕变为（一 个质子、一个电子、一个反中微子）（参见p84）反中微子是一种既 无质量又不带电的粒子。四、反粒子一一正电子的发现安德森通过观测云室照片，发现了正电子e+,正电子的发现具有十分 重要的意义，它是人类认识反粒子的开端。正电子参与磁相互作用和 弱相互作用，电子的Q=+1,轻子数L=-1。同样，互为正反粒子的质 子和反质子的质量m寿命r、自旋J都相同，仅电荷数Q重子数B 等符号相反。正反粒子相互作用的特征是它们碰撞时湮没，生成相加量子数为零的态。五、原子核结构模型与n介子的发现1936年，玻尔发现原子核的密度几乎都相同，因此提出了液滴模型。这个模型比较好地解释

6、了核裂变现象。宇宙间有两种普遍的相互作用，一是万有引力，一是电磁力。1935年，日本物理学家汤川秀树为了解释核子之间的相互作用，提 出了它们之间是通过交换n介子而实现的。汤川秀树指出，n介子的 自旋角动量J=0,参与强相互作用在内的一切相互作用。n介子有三 种：n +介子，Q=+1 n 0介子，Q=Q n -介子，Q=-1。汤川秀树还预 言了 n介子的质量mn。1937年，安德森在宇宙射线的研究中发现了一种质量为电子207倍的粒子，它并不是传递核力的那种介子，而是另一种粒子叫做卩，属 于轻子类。1947年，英国物理学家鲍威尔用乳胶研究宇宙射线终于发现了n介 子，其质量是电子的273倍。以n介子

7、传递方式产生的相互作用具有 这样的特点：强度极大、独立于电荷、作用距离和作用时间均极短。 这种相互作用被称为强相互作用。六、第一代“基本粒子”汤川秀拥的理论被确立之后，原子核内相互作用的理论研究开始活跃起来 x介子发现以后，许雾物理学家认为，组成物质的基本单元（称为第一代基本粒 子）都找到了4它们列在-4-3-1中®表中的质子p、中子口组成原子核， 加上电子组成原子E介子传递核力小光干传递电磁力宀体现弱作用，仅出 物理学家认识到原子核由质子 P和中子n组成，通常就把质子和中子 称为核子。核子由比电磁相互作用（电磁力）更强的相互作用该相互作用（核力）结合成原子核，原子核就会因为带正电荷

8、的质子间 的斥力而崩解。核力就是强相互作用力。核力仅在原子核线度（约 10-13cm）范围内呈现，它是短程力。核力是一种强吸引的短程力。七、超子的发现1. A超子的发现与奇异数S的引入A粒子有自旋角动量J，参与强相互作用的一切相互作用。 Q=0A粒子质量比核子（质子和中子）大，称为超子。超子也属于重子一 类，A超子的重子数B=1。奇异数是强子（重子和介子）的重要属性， 它在相互作用过程前后的变化量的值是过程能否发生，是强作用、电磁作用或弱作用的判据。2. Q超子的寻找1964年，在美国的布洛克海文国家实验室在氢气泡室中发现了 Q-粒子，Q -粒子的发现是超多重态理论的重大胜利。超子是奇异数S不

9、为零的重子的通称。超子的寿命大于 10-22s，以发射光子或以弱相互 作用方式衰变。超子的发现说明，第一代基本粒子并不是构成物质结 构的基本单位。八、夸克模型1964年，盖尔曼和茨威格分别独立提出了形象的、易于理解的强子 结构模型一一夸克模型，该模型认为“强子是由三个更基本的粒子（上 夸克、下夸克和奇异夸克）组成” 。九、物质的基本单元在20世纪70年代建立起来的描述强力、电磁力和弱力的标准模型中，是把 夸克和轻子放在同一物质结枸层次上来看待的。在这个层次上，构成物质的基 本单元只有如下几种基本粒子： 六种轻子；电子、缪子、陶子、电子中微子、缪子中徴子、陶子中微子： 六种夸克：上夸克下夸克、粲

10、夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克； 五种传播子:光子、带电中间玻色子.中性中间玻色子、胶子、引力子； 希格斯粒子。夸克的主要性质如下上 夸克是费米子=保证构成各种强子卡 电荷数Q和蚩子数B为分数，这是三个夸克构成境子所要求的* 有奇异数S/0的夸克，以组成奇异粒子； 满足盖尔曼-西岛关系。根据夸克摸型，介子由一个夸克和一个反夸克组成*重子由三个夸克组成。 例如，质子由两个上夸克和一个下夸克组成中子由两个下夸克和一个上夸克 组成“第四节微观粒子的性质自然界存在着四种基本的相互作用力，即万有引力、电磁相互作用力、 弱相互作用力和强相互作用力。微观粒子参与四种基本的相互作用。1. 万有引力 万有引力表

11、现为所有粒子之间的一种长程吸引力。（万有引力：太阳系中任何两个天体间存在着相互吸引的作用力，并且这一引力也存在于地面的任何两个物体之间。 这一引力的大小不仅 与物体间的距离平方成反比，而且与两物体的质量的乘积成正比 万有引力定律。）2. 电磁相互作用力这种力是使同号电荷相互排斥而异号电荷相互吸引的一种长程力。电流产生、化学反应、原子和分子的构成、晶体的形成等，都是电磁力 起的作用。建立电磁场理论的是苏格兰卓越的物理学家麦克斯韦。原子得以构成并保持其稳定性，全靠电磁力起作用。分子的形成则是 靠电磁力的剩余作用。一切化学力都是剩余电磁力，即本质上是电磁 力。包括人类在内的所有生物的存在形式，全是由

12、电磁力来约束的。3. 弱相互作用力弱力属于微观力。在微观粒子世界中，粒子之间的相互作用是通过碰 撞而实现的。对于弱相互作用力来说，表现为中子的B衰变。即：中子衰变成质 子、电子与电子中微子。 实验测得这种力的强度比电磁力弱得多， 于是把这种力称为弱力。在费曼图中表现为：中子与电子中微子发生碰撞，在碰撞过程中发 生了力的作用，这种力就是弱相互作用力。碰撞后的中子改变方向， 其固有能量与动量都发生改变，变成了质子（准确的说是：碰撞后中 子改变运动方向，与观测时空成角，被观测成了质子）。同样，电子 中微子也改变方向，固有能量与动量也发生改变，变成了电子（准确 的来说是：碰撞后电子中微子改变运动方向，

13、与观测时空成角，被观 测成了电子）。4. 强相互作用最初人们推测强力是一种能使原子核得以形成并保持稳定的力，故又称核力。最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结 合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的 （根据 夸克模型，介子由一个夸克和一个反夸克组成；重子由三个夸克组成。 例如，质子由两个上夸克和一个下夸克组成， 中子由两个下夸克和一 个上夸克组成），强作用是夸克之间的相互作用力。强作用最强，也 是一种短程力。强作用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。强 作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，强衰 变粒子称为不稳定粒子或共振态。5. 强子

14、、轻子和传播子根据作用力的特点，可把微观粒子分为强子、轻子和传播子三大类。 强子是所有参与强力作用的粒子的总称， 它们由夸克组成。现有粒子 中绝大部分是强子，例如质子、中子（根据夸克模型，介子由一个夸 克和一个反夸克组成；重子由三个夸克组成。例如，质子由两个上夸 克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成）、n介子等属于强子。轻子只参与弱力、电磁力和引力相互作用，而不参与强相互作用。轻 子共有六种，即电子、电子中微子、缪子、缪子中微子、陶子、陶子 中微子。电子、缪子和陶子是带电的，所有的中微子则不带电。陶子 是1975年发现的重要粒子。它的质量很大，是电子的 3600倍，质子 的1.

15、8倍，不参与强作用，仍属轻子，因而又称重轻子。传播子也属于基本粒子。每一种力都通过一种相应的传播子来传播。弱子的传播子是 W W和Z中间玻色子，它们是1983年被发现的， 非常重，质量是质子的80-90倍。电磁力的传播子是光子。强力的传 播子是胶子。引力的传播子叫引力子，由于引力作用太弱，极难探测 到，至今尚未发现。二、微观粒子的尺度三、微观粒子的质量微观粒子的质量是粒子的主要特征量。 现有的粒子质量范围很大，包 括从0到90GeV光子、胶子是无静止质量的；电子质量很小，只有 0.5MeV;n介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近 电子质量的2000倍，约为1GeV已知重要的粒子

16、是 Z0,其质量为90GeV已被确认的六种夸克，从下夸克到底夸克，质量从小到大。四、微观粒子的寿命粒子的寿命也不尽相同。电子、质量、中微子和光子及其各自的反粒 子的寿命长，它们被称为稳定例子，也称“长寿命”粒子，而其他绝 大多数的粒子是不稳定的粒子。（不稳定的意思是指这些粒子存在的 时间很短）五、正、反粒子对称19世纪未（1897年，汤姆孙）发现了电子，测得了它的质量和所带 的负电荷。1932年安德森发现了一个与电子质量相同但带一个正电 荷的粒子，称为正电子。每一个粒子都有相应的反粒子。质子、中子、 电子、夸克和轻子均是如此。反粒子的反粒子就是它的本身。两个粒 子是相互的反粒子，那么它们就有相

17、反的电荷（电荷大小相等但符号 相反）和相同的质量。有些电中性的粒子，如光子，是它们自己的反 粒子。一对正、反粒子相碰可以湮没，变成携带能量的光子，即粒子 质量转变为能量。两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒 子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。六、微观粒子的自旋粒子还有另一种属性一一自旋。微观粒子一个非常重要的区别是它们 的自旋角动量不同。自旋是在数值上描述粒子绕自己的轴旋转的快 慢。自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子。光子、 中间玻色子和胶子的自旋值是1。电子、质子、轻子和夸克的自旋量 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、微观粒子的电荷量微观粒子的电荷量是微观粒子的重要属性。 以元电荷为单位，质子带电为+1,电子、缪子和陶子带电为-1，中子、胶子、弓I力子、希格斯粒子和中微子不带电，上夸克、粲夸克和顶夸克带电为+2/3 ,下夸克、 奇异夸克和底夸克带