粒子的微观世界

1、粒子的微观世界第1页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的微觀世界1. 粒子的定義2. 粒子的性質3. 粒子的分類4. 大自然物質的相互作用5. 粒子的應用第2页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的定義 眾所周知，我們的世界是由很多不同的分子與化合物所組成，而分子與化合物則是由不同的原子所組成。原子在初時被認為是組成物質的最基本單元,而且不可分割，但後來科學家發現原子是由原子核及環繞在其週間的電子所組成，原子核更是由質子及中子所組成。由分子到原子，再到電子、質子和中子此等更細小的粒子，這是否意味著微觀物質的尺度至此已到盡頭?第3页，共25页，202

2、2年，5月20日，8点41分，星期二粒子的定義 近年科學家發現中子和質子是有結構性的，意味著它們是由更細小的粒子所組成，那便是夸克了。以下要探討的便是這些組成我們物質世界、比原子更微小的粒子基本粒子。第4页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二質子與中子的電荷比第5页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二量子色動力學的基本構想第6页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的性質 基本粒子具有各種不同的性質，它們便是質量、電荷、壽命和自旋。第7页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二a) 質量 粒子每刻都進行著運動。它們會因應不同

3、的能量狀態而進行加速運動，而質量便是加速運動的阻力：質量愈大，加速愈小，所以質量與加速成反比，與能量成正比。質量在靜止時是不變的，在加速運動時卻與能量成正比。第8页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二b) 電荷某些基本粒子會表現出極性，如帶負極的電子和帶正極的質子；某些卻不會出現極性，如電荷為0 的中子。此等極化粒子相互之間會產生電磁力，使它們加速。同極相拒，異極相吸，相反，非極性粒子則不會與其他粒子產生電磁力。電荷便是在一個它們能被極化至甚麼程度的體量，與電磁力和速度成正比。第9页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二c) 壽命 絕大部分已經發現的粒子是不穩

4、定的，即自由粒子存在經過一定時間後就變為其他粒子，粒子產生後到衰絞變前存在的時間就是該粒子的壽命。這裡是指粒子靜止的壽命，亦指扣除了運動時鐘的延緩效應的結果。第10页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二d) 自旋基本粒子是會自轉的，其自轉是以其運動方向為軸心。若粒子沿運動方向右旋則其自旋為正，若是左旋則為負。第11页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二d) 自旋第12页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二 除此以外，基本粒子有時更會以波的形式表現出來，會有一切波擁有的特性，這便是粒子的波粒二重性，例如光子在宏觀世界裡會表現為波，有波長，有頻

5、率；但到了原子的微觀世界裡會表現成粒子，有自旋。第13页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的分類首先，除了光子外，每個基本粒子都有其反粒子，反粒子和粒子有相同的質量與壽命，但有相反的電荷和自旋，例如電子與正電子、中子與反中子等。粒子與反粒子碰撞後會消失，並生成射線。真空的射線又會轉化成正反粒子，所以在自然界裡射線與正反粒子是不斷的互相轉化著！第14页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的分類 科學家把已經發現，粒子按它們參與各種相互作用的性質分為幾類：1. 玻色子 玻色子是傳遞相互作用的媒介粒子，它們是8個膠子、光子、W、Zo 及還未被發現的重力子

6、。第15页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的分類2. 強子強子是直接參與強相互作用的粒子，他們又分為兩類：介子與重子。介子的自旋為整數，而重子的自旋則不是整數。 介子的例子有 兀介子，重子的例子有質子和中子。第16页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的分類3. 費米子費米子又分為輕子和夸克。它們的自旋都是1/2。輕子有電荷為負一的電子、子和子，及有電荷為0的三種中微子；夸克則有電荷為2/3的 u、c、t 夸克，及電荷為-1/3的 d、s、b 夸克。三個夸克組成重子，或兩個正反夸克組成介子。第17页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，

7、星期二粒子的分類粒子的分類定義成員介子:由兩個正反夸克組成重子:由三個夸克組成質子中子U d s c b t 與這些的反粒子自旋 介子:整數重子:半整數U:1/Z=1/2D:1/z=1/2輕子(Lepton)不參與強作用力的粒子e+ e-+-+ - Ve V V 重子(Hadron)所有參與強作用力的粒子(由夸克組成)核子(Necleon)構成原子核的主要粒子夸克(Quark)第18页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二大自然物質的相互作用規模子 備註 強作用9膠子 Gluon(8個) 電磁作用 r光子 Photon(1個) 弱作用 W+、W-、Z0(個) 重力作用 重力子

8、graviton(?) 重力場論 第19页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二粒子的應用 在這次project中，我們會主要探討超導體的應用！第20页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二超導體 電子是粒子的一種，當兩個電子組合成玻色子，超導體的應用就能夠解釋得到。超導體並不是簡單的零電阻導體。在常溫狀態下，磁力線會穿過金屬球，而在超低溫超導狀態下磁力線會被推出金屬球外，這種現象超導體是理想的導電體和抗電體。第21页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二超導體超導體表面有一層薄而強的電流層，電流層形成的磁場將外部磁場推到體外。當一個電子的能量接近於費米子能量時,在其周圍的電子因被其吸引而變為正電荷，於是進一步吸引其他電子。這時速度V和-V的兩電子形成組合。第22页，共25页，2022年，5月20日，8点41分，星期二超導體此時應將電子當為電子波。在這種情況下，兩電子就形成速度相同但方向相反的波長定長電子波。波的兩端就是超導體的兩端，所以這種電子波的波長達到了肉眼所能看