當(dāng)代物理學(xué)對(duì)物質(zhì)微觀世界基本粒子的認(rèn)識(shí)_圖文

1、當(dāng)代物理學(xué)對(duì)物質(zhì)微觀世界基本粒子的認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)介2010-07-16 05:38:04| 分類:默認(rèn)分類 |字號(hào)大 中 小 訂閱 當(dāng)代物理學(xué)對(duì)物質(zhì)微觀世界基本粒子的認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)介 一、物理概念 :基本粒子 即在不改變物質(zhì)屬性的前提下的最小體積物 質(zhì)。它是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。并不會(huì)因?yàn)樾《鴶喽ㄋ?不是某種物質(zhì)。簡(jiǎn)單介紹:名稱:基本粒子 英語(yǔ)名稱:elementary particle 基本粒子指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小最基本的單位。但在 夸克理論提出后,人們認(rèn)識(shí)到基本粒子也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),故 現(xiàn)在一般不提 “ 基本粒子 ” 這一說(shuō)法。根據(jù)作用力的不同,粒 子分為:1、強(qiáng)子2、輕子3、傳播子三大類強(qiáng)子就是是

2、所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱。它們由夸 克組成,已發(fā)現(xiàn)的夸克有六種它們是 :1 . 頂夸克2 . 上夸克3 . 下夸克4 . 奇異夸克5 . 粲夸克6 . 底夸克其中理論預(yù)言頂夸克的存在, 2007年 1月 30日發(fā)現(xiàn) 于美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)有粒子中絕大部分是1 . 強(qiáng) 子2 . 質(zhì) 子3 . 中 子4 . 介 子等都屬于強(qiáng)子。 (另外還發(fā)現(xiàn)反物質(zhì) , 有著名的反 夸克 , 現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)且正在研究其利用方法 , 由此我們推測(cè), 甚至 可能存在反地球 , 反宇宙 輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用,而不參 與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種,包括 :1 . 電 子2 . 電 子 中 微 子3

3、.子4 . 子 中 微 子5 . 子6 . 子 中 微 子電子、 子和 子是帶電的,所有的中微子都不帶 電,且所有的中微子都存在反粒子; 子是 1975年發(fā)現(xiàn)的重 要粒子,不參與強(qiáng)作用,屬于輕子,但是它的質(zhì)量很重,是 電子的 3600倍,質(zhì)子的 1.8倍,因此又叫重輕子。傳播子也屬于基本粒子。傳遞強(qiáng)作用的膠子共有 8種, 1979年在三噴注現(xiàn)象中被間接發(fā)現(xiàn),它們可以組成膠子 球,由于色禁閉現(xiàn)象,至今無(wú)法直接觀測(cè)到。光子傳遞電磁 相互作用,而傳遞弱作用的 W+, W-和 Z0,膠子則傳遞強(qiáng)相 互作用。重矢量玻色子是 1983年發(fā)現(xiàn)的,非常重,是質(zhì)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,現(xiàn)有最高倍的電子顯 微鏡也不能觀察到。質(zhì)子、中子的大小,只有原子的十萬(wàn)分 之一。而輕子和夸克的尺寸更小,還不到質(zhì)子、中子的萬(wàn)分 之一。粒子的質(zhì)量是粒子的另外一個(gè)主要特征量。按照粒子物理的 規(guī)范理論,所有規(guī)范粒子的質(zhì)量為 零, 而規(guī)范不變性以某種方式 被破壞了, 使夸克、 帶電輕子、 中間玻色子獲得質(zhì)量?，F(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大。光子、膠 子是無(wú)質(zhì)量的,電子質(zhì)量很小, 介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的 280倍;質(zhì)子、中子都很重,接近電子質(zhì)量的 2000倍,已知最重 的粒子是頂夸克。己發(fā)現(xiàn)的六種夸克,從下夸克到頂夸克, 質(zhì)量從輕到重。中微子的質(zhì)量非常小,目前己測(cè)得的電子中 微子的質(zhì)

5、量為電子質(zhì)量的七萬(wàn)分之一,已非常接近零。 粒子的壽命是粒子的第三個(gè)主要特征量。電子、 質(zhì)子、 中微子是穩(wěn)定的, 稱為 " 長(zhǎng)壽命 " 粒子; 而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的,即可以衰變。一個(gè)自由 的中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子; 一個(gè) 介子衰變成一個(gè) 子和一個(gè)中微子。粒子的壽命以強(qiáng)度衰減到一半的時(shí)間來(lái)定義。質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子,實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于10的33次方年。粒子具有對(duì)稱性,有一個(gè)粒子,必存在一個(gè)反粒子。1932年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電子質(zhì)量相同但帶一個(gè)正電荷的粒子,稱為正電子;后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶負(fù)電、質(zhì)量與質(zhì)子完全相同的粒子,稱為反質(zhì)子;隨后各種反夸克

6、和反輕子也相繼被發(fā)現(xiàn)。一對(duì)正、反粒子相碰可以湮滅,變成攜帶能量的光子,即粒子質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?反之,兩個(gè)高能粒子碰撞時(shí)有可能產(chǎn)生一對(duì)新的正、反粒子,即能量也可以轉(zhuǎn)變成具有質(zhì)量的粒子。粒子還有另一種屬性自旋。自旋為半整數(shù)的粒子稱為費(fèi)米子,為整數(shù)的稱為玻色子。物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的,在變化中也有些東西不變,即守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過(guò)程就要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律,例如輕子數(shù)和夸克數(shù)守恒,這是基于實(shí)驗(yàn)上觀察不到單個(gè)輕子和夸克的產(chǎn)生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對(duì)地產(chǎn)生和湮滅而總結(jié)出來(lái)的。微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動(dòng)性。描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性,以及粒子的產(chǎn)生和消滅過(guò)程

7、的基本理論是量子場(chǎng)論。量子場(chǎng)論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。三. 主要結(jié)構(gòu):保羅·狄拉克1933年,狄拉克關(guān)于正電子存在的預(yù)言被證實(shí),1 936年安德森因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1955年塞格雷和錢伯林利用高能加速器發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子,他們因此獲1959年物理獎(jiǎng)。第二年又有人發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。1959年王淦昌等人發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子。這些都為反物質(zhì)的存在提供了證據(jù)。萊因斯等利用大型反應(yīng)堆,經(jīng)過(guò)3年的努力,終于在1956年直接探測(cè)到鈾裂變過(guò)程中所產(chǎn)生的反中微子。他因此獲1995年物理學(xué)獎(jiǎng)。到1968年,人們才探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)的中微子。1947年鮑威爾利用自己發(fā)明的照相乳膠技術(shù)在宇宙線

8、中找到了1934年湯川秀樹提出的介子場(chǎng)理論中預(yù)言的介子。湯川秀樹獲1949年物理獎(jiǎng),鮑威爾獲1950年物理獎(jiǎng)。到50年代末,基本粒子的數(shù)目已達(dá)30種。這些粒子絕大多數(shù)是從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的。自1951年費(fèi)米首次發(fā)現(xiàn)共振態(tài)粒子以來(lái),至80年代已發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)粒子達(dá)300多種。所有的基本粒子都是共振態(tài),共振態(tài)的發(fā)現(xiàn)其實(shí)已經(jīng)揭開了基本粒子的秘密,即所有的基本粒子都是共振態(tài).共振態(tài)分二類,一類是不穩(wěn)定的,如強(qiáng)子類;另一類是穩(wěn)定的,如電子.中子等.它門不容易發(fā)生自發(fā)衰變.不存在絕對(duì)穩(wěn)定的基本粒子,如電子在一定的條件下也會(huì)堙滅(與正電子相遇時(shí)。產(chǎn)生基本粒子的外因是物質(zhì)波的交匯,交匯處形成波包.內(nèi)因是交匯處發(fā)生

9、了共振,客觀表現(xiàn)為共振態(tài)-即基本粒子的產(chǎn)生.夸克模型基本粒子如此之多,難道它們真的都是最基本、不可分的嗎?近40年來(lái)大量實(shí)驗(yàn)實(shí)事表明至少?gòu)?qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。1964年蓋爾曼提出了夸克模型,認(rèn)為介子是由夸克和反夸克所組成,重子是由三個(gè)夸克組成。他因此獲1969年物理獎(jiǎng)。1990年弗里德曼、肯德爾和泰勒因在粒子物理學(xué)夸克模型發(fā)展中的先驅(qū)性工作而獲物理獎(jiǎng)。1965年,費(fèi)曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動(dòng)力學(xué)重整化和計(jì)算方法的貢獻(xiàn),對(duì)基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響而獲物理獎(jiǎng)。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎(chǔ),完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統(tǒng)一理論。他們因此而獲1979年物理獎(jiǎng)。目前統(tǒng)一場(chǎng)論的發(fā)展

10、正向著把強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來(lái)的大統(tǒng)一理論和把引力統(tǒng)一進(jìn)來(lái)的超統(tǒng)一理論前進(jìn)。并且這種有關(guān)小宇宙的理論與大宇宙研究的結(jié)合,正在推進(jìn)著宇宙學(xué)的進(jìn)展。如今,人類為了把宇宙中的四大基本力統(tǒng)一起來(lái),于是Gabriele Veneziano創(chuàng)造了弦論,弦論的一個(gè)基本觀點(diǎn)就是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子。這些看起來(lái)像粒子的東西實(shí)際上都是很小很小的弦的閉合圈(稱為閉合弦或閉弦,閉弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。它已經(jīng)成為人類探尋宇宙奧秘的一個(gè)非常重要的理論四. 基本粒子表:基本粒子的概念也在隨著物理學(xué)的發(fā)展而不斷的變化著,人們的認(rèn)識(shí)也在朝著揭示微觀世界的更深層次不斷地深入

11、。1. “基本粒子”的“祖孫”三代從湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子到1932年發(fā)現(xiàn)中子,人們認(rèn)識(shí)到質(zhì)子、中子、電子和光子可以稱為基本粒子。當(dāng)時(shí)一度認(rèn)為一 切都已搞清楚:質(zhì)子和中子構(gòu)成一切原子核;原子核和電子 則構(gòu)造了自然界的一切原子和分子,而光子僅僅是構(gòu)成光與 電磁波的最小單元。然而好景不長(zhǎng),對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的這樣一種 “ 圓滿 ” 的解釋并沒(méi)能持續(xù)多久,人們很快發(fā)覺(jué)當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的 基本粒子不能圓滿地解釋核力。第一代1935年著名的日本物理學(xué)家湯川秀樹 (19071981年大膽假設(shè),很可能還有未曾發(fā)現(xiàn)的新粒子。湯川秀樹認(rèn) 為,就像電磁相互作用是通過(guò)交換光子而實(shí)現(xiàn)的那樣,核力 是通過(guò)核子間交換一種介子而實(shí)現(xiàn)的。他還估算

12、出了這種粒 子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的 200倍。 兩年之后, 美國(guó)物理學(xué)家 卡爾 ·戴維 ·安德孫 (1905年 在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種帶電 粒子,它的質(zhì)量是電子的 200倍左右,被命名為 “ m (繆介 子 ” 。理論預(yù)言的成功使人們倍感欣慰,但進(jìn)一步的考察卻令 人十分掃興。因?yàn)檫@種 m 介子根本不與核子相互作用,很明 顯, 它不可能是湯川秀樹所預(yù)言的粒子。 1947年, 巴西 物理學(xué)家塞色, M ·G ·拉帝斯等人利用核乳膠在宇宙射線中又 發(fā)現(xiàn)了一種介子 p 介子。 p 介子的性質(zhì)完全符合湯川秀樹 的預(yù)言,能夠解釋核力。實(shí)際上, “ m 介子 ” 不

13、是介子而是一種輕子, 所以現(xiàn)在將 m 介子稱為 “ m 子 ” 。 到 1947年, 人們認(rèn) 識(shí)的粒子已達(dá) 14種之多。其中包括當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的 :1. 光 子 ( g 2. 正 電 子 ( e + 3. 負(fù) 電 子 (e - 4. 正 m 子 (m + 5. 負(fù) m 子 (m - 6. p + 介 子7. p - 介 子8. p 0 介 子9. 質(zhì) 子 (p 10. 中 子 (n 11. 正 電 子12. 反 電 子13. 中 微 子14. 反 質(zhì) 子15. 反 中 子這 15種粒子各有用武之地,其中質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成 一切穩(wěn)定的物質(zhì);光子是電磁力的傳遞者, p 介子傳遞核力, 中微子在 b

14、衰變中扮演不可缺少的角色(b 衰變是原子核自 發(fā)地放射出電子或正電子,或者俘獲原子內(nèi)電子軌道上的一 個(gè)電子, 而發(fā)生的轉(zhuǎn)變 ; 而 m 子則在宇宙射線中出現(xiàn)。 以上這些就構(gòu)成了第一代粒子。第二代穩(wěn)定的秩序似乎并沒(méi)有維持多久, “ 完滿 ” 的舊理論很快就 被一系列新的疑問(wèn)所沖破。在發(fā)現(xiàn) p 介子的 1947年,人們利 用宇宙射線在云室中拍下了兩張有 V 字形徑跡的照片,衰變 產(chǎn)物是 p ±介子和質(zhì)子(p 。這兩種徑跡不能用任何當(dāng)時(shí)已發(fā) 現(xiàn)的第一代粒子來(lái)解釋,于是人們很自然的想到,這一定是 兩種未發(fā)現(xiàn)的粒子衰變所形成的。在之后的幾年里,人們拍 攝了十多萬(wàn)張宇宙射線照片,終于發(fā)現(xiàn)了這兩種

15、不帶電的新 粒子。其中一個(gè)質(zhì)量為電子質(zhì)量的 1000倍,現(xiàn)在被叫做 “ k0介子 ” ;另一個(gè)約為電子質(zhì)量的 2200倍,現(xiàn)在稱為 l 粒子(讀 “ 蘭布塔 ” 。我們稱它們?yōu)榈诙Ｗ?這是因?yàn)樗鼈冇袃蓚€(gè) 明顯的特點(diǎn):(1 產(chǎn)生快,衰變慢;(2 成對(duì)(協(xié)同產(chǎn)生,單個(gè)衰變。這些特點(diǎn)用過(guò)去的 理論是無(wú)法解釋的,所以又稱它們?yōu)?“ 奇異粒子 ” 。為了對(duì)這些奇異粒子進(jìn)行定量研究, 光靠宇宙射線是不夠的。50 年代初,一些大型加速器陸續(xù)建成,使人們有可能利用加速器所加速的粒子來(lái)轟擊原子核,以研究奇異粒子。到1964年人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子,使人們發(fā)現(xiàn)的粒子種類達(dá)到了33種。這些奇異粒子統(tǒng)稱為“

16、第二代粒子”。第三代如果我們把已發(fā)現(xiàn)的30多種粒子按它們的穩(wěn)定程度來(lái)分類,那么其中有的粒子是穩(wěn)定的,例如質(zhì)子、電子等;有的粒子卻要自發(fā)地衰變成其它粒子,例如m ±、p±、0、k0、0等。它們衰變的時(shí)間一般在10-20 10-16秒或大于10-10秒,分別屬于電磁作用衰變和弱作用衰變。到了60年代,由于加速器的能量逐步提高和高能探測(cè)器的迅速發(fā)展,在實(shí)驗(yàn)上也發(fā)現(xiàn)了衰變時(shí)間在10-2410-23秒范圍的快衰變粒子,其衰變屬?gòu)?qiáng)作用衰變。這些粒子被稱為“共振態(tài)粒子”,也稱“第三代粒子”。由于它們的出現(xiàn),使粒子種類猛增到上百種.基本粒子理論在本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論,它在許多方面還不能

17、令人滿意,其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問(wèn)題尚待澄清,即:層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題(見物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次和相互作用統(tǒng)一問(wèn)題(見相互作用的統(tǒng)一理論。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上,可以把原子中的電子和原子核分割開來(lái);在原子核層次上,也可以把微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動(dòng)性。描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性,以及粒子的產(chǎn)生和消滅過(guò)程的基本理論是量子場(chǎng)論。量子場(chǎng)論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用?；玖Ｗ永碚?于基本粒子的結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化規(guī)律的理論。它的理論體系就是量子場(chǎng)論。按照量子場(chǎng)論的觀點(diǎn),每一類型的粒子都由相應(yīng)的量子場(chǎng)描述,粒子之間的相互作用就是這些量子場(chǎng)之間的耦合,而這種相互作用是由規(guī)范場(chǎng)量

18、子傳遞的。20世紀(jì)30年代以來(lái),基本粒子理論在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有了很大進(jìn)展。在粒子結(jié)構(gòu)方面,人們已經(jīng)通過(guò)對(duì)稱性的研究深入到了一個(gè)層次,肯定了強(qiáng)子是由層子和反層子組成的,對(duì)真空特別是對(duì)真空自發(fā)破缺也有了新的認(rèn)識(shí)。在相互作用方面,發(fā)展了可描述電磁相互作用的量子電動(dòng)力學(xué),發(fā)展了能統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統(tǒng)一理論,可用于描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。它們無(wú)一例外都是量子規(guī)范場(chǎng)理論,并且都在很大程度上與實(shí)驗(yàn)一致,從而使人們對(duì)各種相互作用的規(guī)律性有了更深一層的了解?；玖Ｗ永碚撛诒举|(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論,它在許多方面還不能令人滿意,其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問(wèn)題尚待澄清,即:層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題(見物

19、質(zhì)結(jié)構(gòu)層次和相互作用統(tǒng)一問(wèn)題(見相互作用的統(tǒng)一理論。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上,可以把原子中的電子和原子核分割開來(lái);在原子核層次上,也可以把組成原子核的質(zhì)子和中子從原子核中分割出來(lái)。可是進(jìn)入到"基本粒子"層次后,情況有了變化。這種變化在于強(qiáng)子雖然是由帶"色"的層子和反層子組成的,但卻不能把層子或反層子從強(qiáng)子中分割出來(lái)。這種現(xiàn)象被稱為"色"禁閉。于是,在"基本粒子"層次,物質(zhì)可分的概念增添了新的內(nèi)容?？煞植⒉坏扔诳煞指?強(qiáng)子以層子和反層子作為組分,但卻不能從強(qiáng)子中分割出層子和反層子。"色"禁閉現(xiàn)象的原

20、因至今還未能從理論上找到明確答案。80年代已知的層子、反層子已達(dá)36種,輕子、反輕子已達(dá)12種,再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場(chǎng)粒子以及Higgs粒子,總數(shù)已很多,這就使人們?nèi)ピO(shè)想這些粒子的結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們對(duì)此已經(jīng)給出許多理論模型,但各模型之間差別很大,近期內(nèi)還很難由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和判斷究竟哪個(gè)模型正確。在弱電統(tǒng)一理論獲得成功之后,人們又探求強(qiáng)作用和弱作用、電磁作用三者之間的統(tǒng)一,提出了各種大統(tǒng)一模型理論。這種理論預(yù)言質(zhì)子也會(huì)衰變,其壽命約為1032±2年。但還沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。在探索力的統(tǒng)一理論時(shí)不能不考慮引力。但引力和弱作用力、電磁作用力、強(qiáng)作用力有重要差別,因?yàn)樗苯优c空間、時(shí)間的測(cè)

21、度有聯(lián)系,它的傳遞者引力子的自旋不同于其他三種作用力的傳遞者,它的耦合常數(shù)有量綱(質(zhì)量-2 ,從而會(huì)出現(xiàn)無(wú)窮多種發(fā)散,不能重整化。如果再考慮到A.愛(ài)因斯坦所提出的引力方程的非線性性質(zhì),就更增加了引力理論量子化、重整化的困難。初步的探討認(rèn)為,引力場(chǎng)也是一種規(guī)范場(chǎng),這就意味著引力和其他三種基本力在邏輯上最終會(huì)統(tǒng)一起來(lái)。但從問(wèn)題的深度上可以看到,有一些關(guān)鍵性的因素人們還沒(méi)有掌握。基本粒子分族特性:族電荷質(zhì)量(注平均壽命(s共有的衰變產(chǎn)物反粒子輕子-e 106 2.2*10-6evv-e+1穩(wěn)定e+ve 0 0 穩(wěn)定v-e v0 0 穩(wěn)定v-重子p +e 938.26穩(wěn)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, 輻 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-輻射 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、衰變 方式 5.4*10-830, +-0(慢衰變 方式 +v -, + ev-, -+v-, -e+vK0(0 497. 衰 變 K0反 粒 子 8 方 式 與 K0相同0 548.830, 0+-, +-, 輻 射 注:表中粒子的質(zhì)量是按能量單位 1MeV (兆電子伏 給出的。 如 果 與 日 常 單 位 比 較 1MeV 相 當(dāng) 于 以 1kW 功 率 工 作 1.6*10-16s.基本粒子物理學(xué) :研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì), 和在很高能量下這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)生原因和規(guī)律的物 理學(xué)分支。又稱高能物理學(xué)。其發(fā)展大致經(jīng)歷 3個(gè)階段 :第一階段(18971937可追

24、溯到 1897年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)基本粒子電子 。 1932 年 J. 查德威克在用 a 粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子,隨即人們 認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的,從而形成所有物質(zhì)都 是由基本的結(jié)構(gòu)單元 質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世 界圖像。質(zhì)子、中子、電子和 A. 愛(ài)因斯坦提出并被 R.A. 密立 根和 A.H. 康普頓等人實(shí)驗(yàn)證實(shí)的光子、 W. 泡利假設(shè)存在的 中微子(1956年最終被實(shí)驗(yàn)證實(shí)以及 P .A.M. 狄拉克預(yù)言并 被 C.D. 安德森 1932 年在宇宙線中觀察到的正電子都被認(rèn) 為是基本粒子或亞原子粒子。量子力學(xué)在此階段,理論上建立了量子力學(xué),這是微觀粒子運(yùn)動(dòng)普遍遵從的基本規(guī)律。在

25、相對(duì)論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上,通過(guò)場(chǎng) 的量子化初步建立量子場(chǎng)論,很好地解決了場(chǎng)的粒子性和描 述粒子的產(chǎn)生、湮沒(méi)等問(wèn)題。隨著原子核物理的發(fā)展,發(fā)現(xiàn) 在相當(dāng)于原子核大小的范圍內(nèi)除了引力相互作用電磁相互作 用之外,還存在比電磁作用更強(qiáng)的強(qiáng)相互作用和介于電磁作 用和引力作用之間的弱相互作用,前者是核子結(jié)合成核的核 力,后者引起原子核的 衰變。對(duì)于核力的研究認(rèn)識(shí)到核力 是通過(guò)交換介子而產(chǎn)生的,并根據(jù)核力的電荷無(wú)關(guān)性建立起 同位旋概念。第二階段(19371964先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多的粒子。 1937年從宇宙線中發(fā)現(xiàn) 子, 后來(lái)證實(shí)它不參與強(qiáng)作用,它和與之相伴的 中微子同電子 及與之相伴的電子中微子可歸入一類 ,統(tǒng)

26、稱為輕子 。 1947年發(fā)現(xiàn) ±介子 , 1950年發(fā)現(xiàn) 0介子 , 1947 年還發(fā)現(xiàn)奇 異粒子。 50年代粒子加速器和各種粒子探測(cè)器有了很大發(fā)展, 從而開始了用加速器研究并大量發(fā)現(xiàn)基本粒子的新時(shí)期,各種粒子的反粒子被證實(shí);發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不少的壽命極短的共振態(tài)?；玖Ｗ拥拇罅堪l(fā)現(xiàn),其中大部分是強(qiáng)子,人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強(qiáng)子進(jìn)行分類,提出頗為成功的強(qiáng)子分類的“八重法”。這一階段理論上最重要的進(jìn)展是重正化理論的建立和相互作用中對(duì)稱性的研究進(jìn)一步解釋宇稱不守恒。關(guān)于描述電磁場(chǎng)量子化的量子電動(dòng)力學(xué),通過(guò)重正化方法消除了發(fā)散困難,對(duì)于電子和子反常磁矩以及蘭姆移位的理論計(jì)算與實(shí)

27、驗(yàn)結(jié)果精確符合。量子電動(dòng)力學(xué)經(jīng)受眾多實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),成為描述電磁相互作用的成功的基本理論。對(duì)稱性與守恒定律聯(lián)系在一起,關(guān)于相互作用中對(duì)稱性的研究,最為重要的結(jié)果是1956年李政道、楊振寧提出弱作用下宇稱不守恒,21957年被吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)及其他實(shí)驗(yàn)證實(shí),這些實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證實(shí)了在弱作用下電荷共軛宇稱不守恒。這些研究推動(dòng)弱作用理論的進(jìn)展。第三階段(19641994以提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型為標(biāo)志。1964 年M.蓋耳曼和G.茲韋克在強(qiáng)子分類八重法的基礎(chǔ)上分別提出強(qiáng)子由夸克構(gòu)成,夸克共有上夸克u、下夸克d和奇異夸克s三種,它們的電荷、重子數(shù)為分?jǐn)?shù)?？淇四Ｐ涂梢哉f(shuō)明當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的各種強(qiáng)子?？淇四Ｐ偷玫胶髞?lái)進(jìn)行的高能電子、高能中微子對(duì)質(zhì)子和中子的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的支持,實(shí)驗(yàn)顯示出質(zhì)子和中子內(nèi)部存在點(diǎn)狀結(jié)構(gòu),這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是夸克