当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识_图文

1、当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介2010-07-16 05:38:04| 分类:默认分类 |字号大 中 小 订阅 当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介 一、物理概念 :基本粒子 即在不改变物质属性的前提下的最小体积物 质。它是组成各种各样物体的基础。并不会因为小而断定它 不是某种物质。简单介绍:名称:基本粒子 英语名称:elementary particle 基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但在 夸克理论提出后,人们认识到基本粒子也有复杂的结构,故 现在一般不提 “ 基本粒子 ” 这一说法。根据作用力的不同,粒 子分为:1、强子2、轻子3、传播子三大类强子就是是

2、所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸 克组成,已发现的夸克有六种它们是 :1 . 顶夸克2 . 上夸克3 . 下夸克4 . 奇异夸克5 . 粲夸克6 . 底夸克其中理论预言顶夸克的存在, 2007年 1月 30日发现 于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是1 . 强 子2 . 质 子3 . 中 子4 . 介 子等都属于强子。 (另外还发现反物质 , 有著名的反 夸克 , 现已被发现且正在研究其利用方法 , 由此我们推测, 甚至 可能存在反地球 , 反宇宙 轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用,而不参 与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种,包括 :1 . 电 子2 . 电 子 中 微 子3

3、.子4 . 子 中 微 子5 . 子6 . 子 中 微 子电子、 子和 子是带电的,所有的中微子都不带 电,且所有的中微子都存在反粒子; 子是 1975年发现的重 要粒子,不参与强作用,属于轻子,但是它的质量很重,是 电子的 3600倍,质子的 1.8倍,因此又叫重轻子。传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有 8种, 1979年在三喷注现象中被间接发现,它们可以组成胶子 球,由于色禁闭现象,至今无法直接观测到。光子传递电磁 相互作用,而传递弱作用的 W+, W-和 Z0,胶子则传递强相 互作用。重矢量玻色子是 1983年发现的,非常重,是质子的 80一 90倍。二 . 主 要 特 征 :基

4、本粒子要比原子、分子小得多,现有最高倍的电子显 微镜也不能观察到。质子、中子的大小,只有原子的十万分 之一。而轻子和夸克的尺寸更小,还不到质子、中子的万分 之一。粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的 规范理论,所有规范粒子的质量为 零, 而规范不变性以某种方式 被破坏了, 使夸克、 带电轻子、 中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶 子是无质量的,电子质量很小, 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,已知最重 的粒子是顶夸克。己发现的六种夸克,从下夸克到顶夸克, 质量从轻到重。中微子的质量非常小,目前己测得的电子中 微子的质

5、量为电子质量的七万分之一,已非常接近零。 粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。电子、 质子、 中微子是稳定的, 称为 " 长寿命 " 粒子; 而其他绝大多数的粒子是不稳定的,即可以衰变。一个自由 的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子; 一个 介子衰变成一个 子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子,实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子。1932年科学家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;后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子,称为反质子;随后各种反夸克

6、和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭,变成携带能量的光子,即粒子质量转变为能量;反之,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。粒子还有另一种属性自旋。自旋为半整数的粒子称为费米子,为整数的称为玻色子。物质是不断运动和变化的,在变化中也有些东西不变,即守恒。粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律。此外还有其他的守恒定律,例如轻子数和夸克数守恒,这是基于实验上观察不到单个轻子和夸克的产生和湮灭,必须是粒子、反粒子成对地产生和湮灭而总结出来的。微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性,以及粒子的产生和消灭过程

7、的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。三. 主要结构:保罗·狄拉克1933年,狄拉克关于正电子存在的预言被证实,1 936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子,他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆,经过3年的努力,终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年,人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线

8、中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖,鲍威尔获1950年物理奖。到50年代末,基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。自1951年费米首次发现共振态粒子以来,至80年代已发现的共振态粒子达300多种。所有的基本粒子都是共振态,共振态的发现其实已经揭开了基本粒子的秘密,即所有的基本粒子都是共振态.共振态分二类,一类是不稳定的,如强子类;另一类是稳定的,如电子.中子等.它门不容易发生自发衰变.不存在绝对稳定的基本粒子,如电子在一定的条件下也会堙灭(与正电子相遇时。产生基本粒子的外因是物质波的交汇,交汇处形成波包.内因是交汇处发生

9、了共振,客观表现为共振态-即基本粒子的产生.夸克模型基本粒子如此之多,难道它们真的都是最基本、不可分的吗?近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。1964年盖尔曼提出了夸克模型,认为介子是由夸克和反夸克所组成,重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。1990年弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获物理奖。1965年,费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法的贡献,对基本粒子物理学产生深远影响而获物理奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年物理奖。目前统一场论的发展

10、正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进。并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合,正在推进着宇宙学的进展。如今,人类为了把宇宙中的四大基本力统一起来,于是Gabriele Veneziano创造了弦论,弦论的一个基本观点就是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦,闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。它已经成为人类探寻宇宙奥秘的一个非常重要的理论四. 基本粒子表:基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着,人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入

11、。1. “基本粒子”的“祖孙”三代从汤姆孙发现电子到1932年发现中子,人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一 切都已搞清楚:质子和中子构成一切原子核;原子核和电子 则构造了自然界的一切原子和分子,而光子仅仅是构成光与 电磁波的最小单元。然而好景不长,对物质结构的这样一种 “ 圆满 ” 的解释并没能持续多久,人们很快发觉当时所发现的 基本粒子不能圆满地解释核力。第一代1935年著名的日本物理学家汤川秀树 (19071981年大胆假设,很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认 为,就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样,核力 是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算

12、出了这种粒 子的质量大约是电子质量的 200倍。 两年之后, 美国物理学家 卡尔 ·戴维 ·安德孙 (1905年 在宇宙射线中发现了一种带电 粒子,它的质量是电子的 200倍左右,被命名为 “ m (缪介 子 ” 。理论预言的成功使人们倍感欣慰,但进一步的考察却令 人十分扫兴。因为这种 m 介子根本不与核子相互作用,很明 显, 它不可能是汤川秀树所预言的粒子。 1947年, 巴西 物理学家塞色, M ·G ·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又 发现了一种介子 p 介子。 p 介子的性质完全符合汤川秀树 的预言,能够解释核力。实际上, “ m 介子 ” 不

13、是介子而是一种轻子, 所以现在将 m 介子称为 “ m 子 ” 。 到 1947年, 人们认 识的粒子已达 14种之多。其中包括当时已发现的 :1. 光 子 ( g 2. 正 电 子 ( e + 3. 负 电 子 (e - 4. 正 m 子 (m + 5. 负 m 子 (m - 6. p + 介 子7. p - 介 子8. p 0 介 子9. 质 子 (p 10. 中 子 (n 11. 正 电 子12. 反 电 子13. 中 微 子14. 反 质 子15. 反 中 子这 15种粒子各有用武之地,其中质子、中子和电子构成 一切稳定的物质;光子是电磁力的传递者, p 介子传递核力, 中微子在 b

14、衰变中扮演不可缺少的角色(b 衰变是原子核自 发地放射出电子或正电子,或者俘获原子内电子轨道上的一 个电子, 而发生的转变 ; 而 m 子则在宇宙射线中出现。 以上这些就构成了第一代粒子。第二代稳定的秩序似乎并没有维持多久, “ 完满 ” 的旧理论很快就 被一系列新的疑问所冲破。在发现 p 介子的 1947年,人们利 用宇宙射线在云室中拍下了两张有 V 字形径迹的照片,衰变 产物是 p ±介子和质子(p 。这两种径迹不能用任何当时已发 现的第一代粒子来解释,于是人们很自然的想到,这一定是 两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里,人们拍 摄了十多万张宇宙射线照片,终于发现了这两种

15、不带电的新 粒子。其中一个质量为电子质量的 1000倍,现在被叫做 “ k0介子 ” ;另一个约为电子质量的 2200倍,现在称为 l 粒子(读 “ 兰布塔 ” 。我们称它们为第二代粒子,这是因为它们有两个 明显的特点:(1 产生快,衰变慢;(2 成对(协同产生,单个衰变。这些特点用过去的 理论是无法解释的,所以又称它们为 “ 奇异粒子 ” 。为了对这些奇异粒子进行定量研究, 光靠宇宙射线是不够的。50 年代初,一些大型加速器陆续建成,使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核,以研究奇异粒子。到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子,使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“

16、第二代粒子”。第三代如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类,那么其中有的粒子是稳定的,例如质子、电子等;有的粒子却要自发地衰变成其它粒子,例如m ±、p±、0、k0、0等。它们衰变的时间一般在10-20 10-16秒或大于10-10秒,分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代,由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展,在实验上也发现了衰变时间在10-2410-23秒范围的快衰变粒子,其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为“共振态粒子”,也称“第三代粒子”。由于它们的出现,使粒子种类猛增到上百种.基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论,它在许多方面还不能

17、令人满意,其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清,即:层次结构问题(见物质结构层次和相互作用统一问题(见相互作用的统一理论。在物质结构的原子层次上,可以把原子中的电子和原子核分割开来;在原子核层次上,也可以把微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性,以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。基本粒子理论:于基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论。它的理论体系就是量子场论。按照量子场论的观点,每一类型的粒子都由相应的量子场描述,粒子之间的相互作用就是这些量子场之间的耦合,而这种相互作用是由规范场量

18、子传递的。20世纪30年代以来,基本粒子理论在实验的基础上有了很大进展。在粒子结构方面,人们已经通过对称性的研究深入到了一个层次,肯定了强子是由层子和反层子组成的,对真空特别是对真空自发破缺也有了新的认识。在相互作用方面,发展了可描述电磁相互作用的量子电动力学,发展了能统一描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论,可用于描述强相互作用的量子色动力学。它们无一例外都是量子规范场理论,并且都在很大程度上与实验一致,从而使人们对各种相互作用的规律性有了更深一层的了解。基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论,它在许多方面还不能令人满意,其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清,即:层次结构问题(见物

19、质结构层次和相互作用统一问题(见相互作用的统一理论。在物质结构的原子层次上,可以把原子中的电子和原子核分割开来;在原子核层次上,也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。可是进入到"基本粒子"层次后,情况有了变化。这种变化在于强子虽然是由带"色"的层子和反层子组成的,但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。这种现象被称为"色"禁闭。于是,在"基本粒子"层次,物质可分的概念增添了新的内容。可分并不等于可分割,强子以层子和反层子作为组分,但却不能从强子中分割出层子和反层子。"色"禁闭现象的原

20、因至今还未能从理论上找到明确答案。80年代已知的层子、反层子已达36种,轻子、反轻子已达12种,再加上作为力的传递者的规范场粒子以及Higgs粒子,总数已很多,这就使人们去设想这些粒子的结构。物理学家们对此已经给出许多理论模型,但各模型之间差别很大,近期内还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。在弱电统一理论获得成功之后,人们又探求强作用和弱作用、电磁作用三者之间的统一,提出了各种大统一模型理论。这种理论预言质子也会衰变,其寿命约为1032±2年。但还没有得到实验上的证实。在探索力的统一理论时不能不考虑引力。但引力和弱作用力、电磁作用力、强作用力有重要差别,因为它直接与空间、时间的测

21、度有联系,它的传递者引力子的自旋不同于其他三种作用力的传递者,它的耦合常数有量纲(质量-2 ,从而会出现无穷多种发散,不能重整化。如果再考虑到A.爱因斯坦所提出的引力方程的非线性性质,就更增加了引力理论量子化、重整化的困难。初步的探讨认为,引力场也是一种规范场,这就意味着引力和其他三种基本力在逻辑上最终会统一起来。但从问题的深度上可以看到,有一些关键性的因素人们还没有掌握。基本粒子分族特性:族电荷质量(注平均寿命(s共有的衰变产物反粒子轻子-e 106 2.2*10-6evv-e+1稳定e+ve 0 0 稳定v-e v0 0 稳定v-重子p +e 938.26稳定p-n 0 939.55930

22、pev-en-0 1115. 2.5*1p-,n-6 0-1 00+ +e 1189.48*10-10p 0, n + -0 0 1192.5小 于10-14, 辐 射+- -e 1197.31.5*10-1n - +- -e 1321.21.7*10-1- +0 0 1314.73*10-100 0介子+ +e 139.62.6*10-8+v- -e 139.62.6*10-8-v +0 0 135. 10-辐射 00 6K+ +e 493.81.2*10-8+v, +0K-K- -e 493.81.2*10-8-v , -0 K+K0 0 497.88.6*10-11+-, 20 K0(快

23、衰变 方式 5.4*10-830, +-0(慢衰变 方式 +v -, + ev-, -+v-, -e+vK0(0 497. 衰 变 K0反 粒 子 8 方 式 与 K0相同0 548.830, 0+-, +-, 辐 射 注:表中粒子的质量是按能量单位 1MeV (兆电子伏 给出的。 如 果 与 日 常 单 位 比 较 1MeV 相 当 于 以 1kW 功 率 工 作 1.6*10-16s.基本粒子物理学 :研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质, 和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物 理学分支。又称高能物理学。其发展大致经历 3个阶段 :第一阶段(18971937可追

24、溯到 1897年发现第一个基本粒子电子 。 1932 年 J. 查德威克在用 a 粒子轰击核的实验中发现了中子,随即人们 认识到原子核是由质子和中子构成的,从而形成所有物质都 是由基本的结构单元 质子、中子、电子构成的统一的世 界图像。质子、中子、电子和 A. 爱因斯坦提出并被 R.A. 密立 根和 A.H. 康普顿等人实验证实的光子、 W. 泡利假设存在的 中微子(1956年最终被实验证实以及 P .A.M. 狄拉克预言并 被 C.D. 安德森 1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认 为是基本粒子或亚原子粒子。量子力学在此阶段,理论上建立了量子力学,这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。在

25、相对论量子力学的基础上,通过场 的量子化初步建立量子场论,很好地解决了场的粒子性和描 述粒子的产生、湮没等问题。随着原子核物理的发展,发现 在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作 用之外,还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作 用和引力作用之间的弱相互作用,前者是核子结合成核的核 力,后者引起原子核的 衰变。对于核力的研究认识到核力 是通过交换介子而产生的,并根据核力的电荷无关性建立起 同位旋概念。第二阶段(19371964先后陆续发现了众多的粒子。 1937年从宇宙线中发现 子, 后来证实它不参与强作用,它和与之相伴的 中微子同电子 及与之相伴的电子中微子可归入一类 ,统

26、称为轻子 。 1947年发现 ±介子 , 1950年发现 0介子 , 1947 年还发现奇 异粒子。 50年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很大发展, 从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期,各种粒子的反粒子被证实;发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现,其中大部分是强子,人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类,提出颇为成功的强子分类的“八重法”。这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的研究进一步解释宇称不守恒。关于描述电磁场量子化的量子电动力学,通过重正化方法消除了发散困难,对于电子和子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与实

27、验结果精确符合。量子电动力学经受众多实验检验,成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与守恒定律联系在一起,关于相互作用中对称性的研究,最为重要的结果是1956年李政道、杨振宁提出弱作用下宇称不守恒,21957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实,这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这些研究推动弱作用理论的进展。第三阶段(19641994以提出强子结构的夸克模型为标志。1964 年M.盖耳曼和G.兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成,夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种,它们的电荷、重子数为分数。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持,实验显示出质子和中子内部存在点状结构,这些点状结构可以认为是夸克