物理第六章课件

1、第六章第六章 粒子世界粒子世界版权所有 复制必究高等教育出版社微乎其微，但又和宏大无边的宇宙相互联系微乎其微，但又和宏大无边的宇宙相互联系英才辈出，这里云集了众多诺贝尔奖得主的成就英才辈出，这里云集了众多诺贝尔奖得主的成就叹为观止，从对称感受物理世界是美的！叹为观止，从对称感受物理世界是美的！欢迎走进粒子世界欢迎走进粒子世界6.1 6.1 狄拉克的理论和正电子的发现狄拉克的理论和正电子的发现最初认识的基本粒子 20 世纪初认识的基本粒子 质子：带单位正电荷电子：带单位负电荷 光子：不带电都是稳定的粒子 质子发射、吸收光子发射、吸收电子它们通过电磁相互作用互相联系起来让我们先来认识一位物理学家。

2、 他的才华，让杨振宁想起唐朝诗人高适的诗：“灵性出万象，风骨超常伦”。 他的创见，让丁肇中戏称： 一个天才和一个神经不正常的人的距离是很小的。他就是保罗狄拉克（Paul Dirac） 狄拉克的杰出成就之一是，他把20世纪物理学的两项伟大成就相对论和量子力学结合起来，他写出一个相对论性的量子力学方程，叫狄拉克方程。开创了相对论量子力学，时年26岁。在相对论和量子力学里，质量是以平方项的形式出现的。m2可以表示mm，也可以表示为(m)(m)。这也许不会引起普通人的注意，但狄拉克没有放过它，他问m有物理上的意义吗？（丁肇中开玩笑的话就是由此而来） 自由电子的能量.222pcmcE 能量有正有负。怎么

3、理解负的能量呢？狄拉克从新认识了真空的意义，提出了“真空不空”，而是所有负能态都被填满的最低能态，如果负能态中有一个“位置”没有被填满，那意味着少了一个负能电子。教室里少了个同学来上课，就有一个空位子。狄拉克把负能态中的“空位子”叫做“空穴”。少了一个电子，也可以等价理解为多了一个正能粒子。从“空穴”，还有上面提到的m，狄拉克预言了正电子，和正负电子对湮没。狄拉克获得1933年诺贝尔物理学奖。空穴理论示意图 6.2 6.2 中子、反质子和反中子中子、反质子和反中子电子有自己的反粒子正电子其他粒子呢？质子是带正电的粒子，有没有带负电的反质子？中子不带电，它的反粒子会是什么样？电子的第四个自由度自

4、旋 斯特恩斯特恩- -盖拉赫实验装置图盖拉赫实验装置图 反质子和反中子反质子和反中子 质子反质子电荷ee自旋量子数1/21/2重子数11中子反中子电荷00重子数116.3 6.3 汤川的介子场理论汤川的介子场理论我们已经知道：它们通过电磁相互作用互相联系起来我们还知道质子和中子是通过短程核力彼此吸引，组成原子核质子?质子?中子?中子质子发射、吸收光子发射、吸收电子那么日本物理学家汤川秀树预言，核力相互作用是通过交换一种有静止质量的媒介粒子来实现的，质量大约是电子的200倍，介于电子和质子之间汤川叫它介子汤川秀树因为预言介子的存在，获得1949年诺贝尔物理学奖汤川的推理6.4 6.4 子、子、

5、介子、中微子和反中微子介子、中微子和反中微子 子的发现子的发现 汤川的研究成果，起初并没有引起重视。两年后，安德森在宇宙线实验中发现了一些粒子，质量约为电子质量 206.76 倍，带有正单位电荷或负单位电荷，平均寿命2.197 ms。会不会就是 1935 年汤川的介子场理论所预言存在的核力的媒介粒子呢？当时的人们就这样认为，把它命名为 介子。几年后，日本物理学家坂田昌一经过对比分析，指出：汤川理论预言的介子的平均寿命应当比较长，介子不可能是汤川理论所预言的介子。汤川理论所预言的那种介子还没有发现 。子的性质衰变：子电子+中微子+反中微子在发现子之初，人们叫它“重电子”我们来做个对比：电子子电荷

6、ee或e自旋量子数1/21/2寿命2.197ms稳定汤川预言的介子是否存在？ 英国物理学家鲍威尔在海拔3000 m的山上，直接收集宇宙射线中的粒子。让收集来的粒子穿过照相乳胶。这些粒子是带电的，所到之处，引起乳胶的溴化银颗粒发生，留下黑色的轨迹。通过对轨迹的研究，可以知道离子的速度。1947年，鲍威尔在宇宙线实验中发现了一种质量约为电子质量 273 倍的带有正单位电荷或负单位电荷的粒子，它与原子核之间有很强的相互作用，称为介子。这是不是就是汤川预言的介子？看看它的性质：平均寿命26.03 ns衰变：介子子+中微子+反中微子 （绝大多数）介子电子+中微子+反中微子 （极少数）19世纪20年代，人

7、们发现，按通常的认识，衰变的能量和动量不守恒为了解决这个问题，泡利假设衰变还放出一种很小的、中性的粒子叫中微子中微子运动时和所遇到的各种物质分子、原子、原子核、电子都没有可以察觉的相互作用，各种物质对于它们都是几乎透明的。当中微子穿过整个地球时，也只有 1010的被吸收掉。 那么，怎么找到中微子？ 我国物理学家王淦昌提出用K俘获方法，验证中微子的存在。1956 年，美国物理学家科恩和莱因斯发现了反中微子。 中微子与反中微子至此，我们认识了：光子、电子、正电子、质子、反质子、中子、反中子、m 子 (m - 、m + ) 、p 介子 ( p -、p +、p 0 ) 、中微子、反中微子14种基本粒子

8、其中，红色的是稳定的6.5 6.5 粒子运动的特点和自然单位制粒子运动的特点和自然单位制“基本粒子”不“基本”粒子运动的特点：l粒子是微观尺度的客体，运动是微观尺度的运动。l粒子运动时是可以做高速运动的，粒子速度的变化常常 可以达到和真空光速相比拟的数量级，相应地能量的变 化常常达到相当于甚至远大于粒子静止能量的数量级， 运动是相对论性的。l粒子运动过程中，常常表现出粒子之间的相互转化，粒 子数目是可变的，粒子可以产生和湮没。换言之，观察 到的粒子系统的自由度数在粒子运动时是可变的。6.6 6.6 微观粒子的主要普遍内禀属性微观粒子的主要普遍内禀属性粒子的一个普遍的基本特性是全同性。 各种粒子

9、分别有各自的内禀属性，这些属性不随粒子产生的来源和粒子的运动状态而变化。一切内禀属性的总和是判别和区分粒子种类的依据，属于同一种粒子的内禀属性完全相同，它们之间互相不可分辨。这就是粒子全同性。质质 量量所有的粒子都有确定的质量。按狭义相对论给出，粒子的质量是速度的函数，随速度 v 的增加而增加。2201)(cvmvm用自然单位制表示为201)(vmvm寿命和宽度寿命和宽度 现在已经发现的粒子共有 479 种，在这些粒子中，除了光子、电子、正电子、质子、反质子、3种中微子和3种反中微子等11种是稳定的外，其余都是不稳定的，它们产生后经过一段时间就会自动“衰变”成两个或更多个其它类型较轻的粒子。

10、粒子产生以后到衰变前存在的时间就是这个粒子的寿命。然而当粒子作高速运动时，由于相对论的时钟延缓效应，观测到的粒子的寿命比它静止时要长。21)(vv电电 荷荷质子带有电荷 e = 1.6021764621019 C。 所有已发现的粒子所带电荷都是质子电荷的简单整数倍，这个性质称为电荷的“量子化”。实验上对电荷的量子化进行了精确的检验，结果给出测量精确到 1021 时仍然没有观测到和整数的差别。自自 旋旋 所有的粒子都有确定的自转性质，称为粒子的自旋。粒子自旋角动量可以用一个自旋量子数 J 来定量描写，也就是自旋角动量大小的平方等于 J ( J + 1 ) 乘约化普朗克常数的平方。粒子可以按自旋量

11、子数 J 的取值分为两类： J = 0，1，2， ，时是玻色子；J = 1/2，3/2，5/2， ，时是费米子。6.7 6.7 场、粒子、真空和相互作用场、粒子、真空和相互作用最初认识的微粒是物质存在的基本形式微粒在空间占有一定的体积，有不可入性有质量、能量、动量、角动量场本身也是物质存在的基本形式场也具有质量、能量、动量、角动量场是充满全空间的，没有不可入性场可以脱离微粒而独立存在，独立地运动、传播和演化。这时，微粒和场被认为是物质存在的两种基本形式。量子场论给出了物质存在形式的一个基本物理图像量子场论给出了物质存在形式的一个基本物理图像：1与每种粒子相对应存在一种场，场没有不可入性，充 满

12、全空间。2各种场的能量最低的状态称为这种场的基态，当一种 场处于基态时，这种场就不能通过状态的变化释放出 能量而输出任何信号，从而不会显现出直接的物理效 应，这时表现为看不到存在这种粒子。 3场处于激发状态时表现为出现相应的粒子，场的不同 激发状态表现为粒子的数目和运动状态的不同。 4一般说来，场的运动状态用一个复数量来描写，场的 激发也通过复量来描写，互为复共轭的两种激发状态 表现为粒子和反粒子互换的两种物理状态。5如果有某种场是用实数量来描写的，相应地这种场 的激发也是用实数量来描写，这时它的复共轭就是 它自己本身，这种粒子就是它自身的反粒子。这种 场就是纯中性场，这种场的激发表现的粒子就

13、是纯 中性粒子。6当所有的场都处于基态的时候，任何一个场都不可 能释放出能量而给出信号，显现出存在粒子。这时 是物理上的真空。7互相重叠充满全空间的各种场之间有相互作用，无 论是处于基态还是处于激发状态的场都同样地与其 它场相互作用。四种相互作用四种相互作用 引力相互作用：万有引力 长程力 微弱 电磁相互作用：带电物体之间、带电物体和电磁场 之间的相互作用 长程力 有光子参与的也是电磁相互作用 强相互作用： 强子参与的相互作用 四种相互作用 中最强的 短程力 弱相互作用： 强子不参与的相互作用 四种相互 作用中力程最短的作用类型强相互作用电磁作用弱相互作用引力作用媒介粒子介子、 胶子光子W、

14、Z引力子粒子自旋0，1、 1112质量/GeV0.1396 0080.2， 91.20力程/fm1.4130.00246宏观表现无有无有作用强度0.150.00736.3410 1 05.9010 3 9相互作用是通过交换一定粒子实现的相互作用是通过交换一定粒子实现的作用类型引力作用电磁作用弱作用强作用交换粒子引力子光子胶子(W+ 、WZ0 粒子)玻色子6.8 6.8 对称、对称性和守恒量对称、对称性和守恒量对称对称破缺 对称的分类空间对称：空间平移对称、空间旋转对称时间对称 内特尔定理 内特尔定理指出：如果运动规律在某一个不明显依赖于时间的变换下具有不变性，必对应存在一个守恒定律。 按照内特

15、尔定理： 物理规律如果具有3维空间坐标平移不变性，则相应地 存在 3 个守恒定律，即动量守恒定律。 物理规律如果具有3维空间转动不变性，则相应地存在 3 个守恒定律，即角动量守恒定律。 物理规律如果具有时间平移不变性，则相应地存在 1 个 守恒定律，即能量守恒定律。守恒量 我们已经知道： 能量、动量、角动量、电荷 在微观物理学中，除了以上守恒量之外，还出现许多新的守恒量。如： 同位旋、奇异数、粲数、底数、顶数、轻子数、重子数、P 宇称、C 宇称、G 宇称、CP 宇称 微观物理学中遇到的守恒量，从它与经典物理学的关系来说，又可以区分为两类：有经典对应的守恒量：能量、动量、角动量、电荷等无经典对应

16、的守恒量：同位旋、奇异数、粲数、底数、 顶数、轻子数、重子数、P 宇 称、C 宇称、G 宇称、CP 宇称 从守恒量的数学表述来看，基本的守恒量可以区分为两大类： 第一类守恒量，一个复合体系的总守恒量是其各组成部分所贡献该守恒量的代数和。第二类守恒量，一个复合体系的总守恒量是其各组成部分该守恒量的乘积，一般说来，这类守恒量的可取值只能是 +1 或 -1。这种守恒量的可取值只能是+或 - 。这两类守恒量可以分别称为相加性守恒量和相乘性守恒量。从物理学上考察， 连续变换：连续变换不变性所决定的守恒量是相加性守恒量，也就是守恒性质表现为系统中各部分该守恒量的代数和在运动过程中不变。 分立变换：分立变换

17、不变性所决定的守恒量是相乘性守恒量，也就是守恒性质表现为系统中各部分该守恒量的乘积在运动过程中不变。守恒定律 严格守恒定律 近似守恒定律（或部分守恒定律）从而把守恒量也分为两类 有经典对应的相加性严格守恒量：能量、动量、角动量、电荷无经典对应的相加性严格守恒量：轻子数、重子数 守恒定律：一个孤立系统某物理量的总量在运动过程中不随时间改变。 守恒定律的成立与否直接和孤立系统的运动规律有关，特别是与相互作用有关。 同位旋、奇异数、粲数、底数、顶数是无经典对应的相加性近似守恒量: 同位旋只在强相互作用下守恒。 奇异数、粲数、底数、顶数在强相互作用和电磁相互作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒。 P

18、 宇称、C 宇称、G 宇称、CP 宇称是无经典对应的相乘性近似守恒量 ：G 宇称只在强相互作用下守恒。P 宇称、C 宇称在强相互作用和电磁相互作用下守恒， 但在弱相互作用下可以不守恒。CP 宇称在强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用下 都守恒，但在弱相互作用下可以有约2/1000的不守恒。全同粒子交换变换是无经典对应的相乘性严格守恒量。6.9 6.9 宇称不守恒问题宇称不守恒问题宇称：描写粒子在空间反演下变换性质的物理量取值：+1、空间反演：镜面反演：点P，坐标为变换点P1 ，坐标为),(zyxr),(zyxrP(x，y，z) 变换P1 (x，y，z) 生活中，物和镜子中的像是不同的，这称为不

19、具有镜面反演对称性。 物理学的规律，无论是对空间反演还是对时间反演都应具有对称性，原因是，空间是均匀对称的。例如，中学学过的欧姆定律，在以下两个回路中都应成立。 宇称守恒： 任何物理过程的镜面反演像所表示的过程都是在实际中可实现的物理过程，而且所遵守的物理规律与原过程的规律相同。“-”疑难 曾经人们认为，包括粒子反应在内的各种过程中，宇称都是守恒的。 但是，两种质量、寿命和电荷都相同的粒子和 ，衰变时，+0 （总角动量如为零，宇称为正） + +0 （总角动量为零，宇称为负）从产物粒子的宇称来看，如果宇称守恒，那么和粒子应当宇称不同。然而，从质量和寿命看，这两种粒子应当是同一种粒子。 1956

20、年，物理学家李政道和杨振宁指出，在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的判定性检验的，但是在弱相互作用过程中，宇称守恒并没有得到实验的判定性检验。李政道和杨振宁提出，这个疑难产生的原因在于弱相互作用过程中宇称可以不守恒。 1957 年，物理学家吴健雄精确地进行了这个实验，证实了李政道和杨振宁提出的分析判断。 当年，李政道和杨振宁获诺贝尔物理奖。 李政道和杨振宁在获奖时，是持出国时的中国留学生护照，所以他们是首次获此殊荣的中国人。 弱相互作用下宇称不守恒的确立告诉人们： 各种守恒定律的适用范围可以是不同的，有些物理量在一切相互作用过程中都是守恒的，而有些物理量则只在某些相互作用过程

21、中才是守恒的。 宇称就是人们认识的第一个只在某些相互作用过程中才守恒的相乘性守恒量。 基本相互作用和守恒定律基本相互作用和守恒定律 强相互作用弱相互作用电磁相互作用能量守恒守恒守恒动量守恒守恒守恒角动量守恒守恒守恒电荷守恒守恒守恒轻子数守恒守恒守恒e轻子数守恒守恒守恒重子数守恒守恒守恒奇异数守恒不守恒守恒宇称守恒不守恒守恒6.10 CP 6.10 CP 守恒和守恒和 CP CP 破坏问题破坏问题粒子世界有三个基本的分立变换： P变换：空间反射变换，也就是说， ，生活 中常见的镜面反射。rrC变换：将体系的所有粒子变成相应的反粒子。T变换：时间反演变换，tt 。 理论上可以证明一个重要的基本定理

22、，即 CPT 定理：在正反粒子变换、空间反射变换、时间反演变换的联合作用之下，满足因果关系和自旋统计关系的点粒子运动规律是不变的。 在李政道和杨振宁发现弱相互作用中宇称可以不守恒之后，经过物理学家的研究，很快就确认弱相互作用的运动规律是在 C 变换下不再保持不变。但是弱相互作用的运动规律在正反粒子变换和空间反射变换的联合变换，即 CP 变换下仍然是不变的。6.11 6.11 奇异粒子和奇异奇异粒子和奇异数数奇异粒子“奇异”在什么地方？ (1) 协同产生，独立衰变 KpKp0KKp0,K,K0都是奇异粒子 它们产生后都分别独立地衰变，例如： K00n,pn0, K(2) 快产生、慢衰变 为描述奇

23、异粒子的“奇异”特性，引入“奇异数”S只能取整数值过去熟知的普通粒子的奇异数都定为零奇异粒子的奇异数不为零盖耳-曼-西岛关系)(213SbIQ6.12 6.12 粒子的分类粒子的分类规范玻色子：各种相互作用的媒介粒子粒子传递的相互作用自旋质量个数胶子G强相互作用108光子电、弱相互作用101中间玻色子W+ 、W、Z0电、弱相互作用1mp3引力子g引力相互作用201胶子和引力子已被理论确认，但实验上尚未找到。轻子：参与电磁相互作用，不直接参与强相互作用的粒子已知：12种粒子（反粒子）电荷重子数轻子数寿命/s电子（反电子）-1（+1）0+1（-1）稳定（）-1（+1）0+1（-1）不稳定（）-1（

24、+1）0+1（-1）不稳定中微子（反中微子）00+1（-1）稳定注：中微子（反中微子）包括6种粒子北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机强子：参与四种相互作用，直接参与强相互作用，包 括介子和重子分类粒子名称自旋 介子、 、 K介子等整数或0玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)费米子超子超子及反粒子已知：467种 重子：294种介子：173种粒子与相互作用粒子与相互作用 万有引力万有引力电磁力电磁力弱相互作用弱相互作用强相互作用强相互作用引力子引力子参与参与 光子光子参与参与参与参与 轻子轻子参与参与参与参与参与参与 强子强子参与参与参与参与参与参与参与参与6.13 6.13

25、 夸克模型理论和强子结构夸克模型理论和强子结构现在，你是否有这样的感觉？遨游在粒子世界，就像剥洋葱剥下一层又一层基本粒子不“基本” 轻子 强子 夸克模型 符号电荷/e自旋量子数重子数奇异数上夸克u2/31/21/30下夸克d-1/31/21/30奇异夸克s-1/31/21/3-1强子结构的基本模型 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s粲夸克 c 底夸克 b 顶夸克 t1. 质子质子 (uud)0SeeeeQ313232电荷电荷1313131B重子数重子数2/1I2/1J奇异数奇异数自旋自旋同位旋同位旋2. 奇异粒子奇异粒子 （uus）eeeeQ313232电荷电荷1313131B重子数重子数1S2/1J奇异数奇异数自旋自旋3.+ 介子介子)d(ueeeQ313203131B重子数重子数0 S电荷电荷奇异数奇异数自旋自旋同位旋分量同位旋分量1