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    什么是基本粒子

    2016/10/14 13:51:12

    基本粒子是一种术语,指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位。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,且并不会因为小而断定它不是某种物质。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,故一般不提"基本粒子"这一说法。

    根据作用力的不同,粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

    基本粒子同样是一门交叉语言哲学的学科。有着多学科的科学应用。现在科学家利用粒子加速器加速一些粒子,有时候用粒子相撞的方法,来研究基本粒子的性质和组成。

    大小

     

    基本粒子要比原子、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。

    质量

    夸克、轻子-内部结构模型图
    夸克、轻子-内部结构模型图
    ​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,π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,己测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一,已非常接近零。

    寿命

    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π介子衰变成一个μ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。
    对称性

    粒子具有对称性,有一种粒子,必存在一种反粒子。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。
    自旋

    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。

    首先对基本粒子提出自转与相应角动量概念的是1925年由 Ralph Kronig 、George Uhlenbeck 与 Samuel Goudsmit 三人所为。然而尔后在量子力学中,透过理论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子,是故物体自转无法直接套用到自旋角动量上来,因此仅能将自旋视为一种内在性质,为粒子与生俱来带有的一种角动量,并且其量值是量子化的,无法被改变(但自旋角动量的指向可以透过操作来改变)。
    守恒

    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,例如质量守恒、动量守恒、角动量守恒,以及微观现象中不连续的宇称守恒、电荷守恒,还有重子数守恒、轻子数守恒、奇异数守恒、同位旋守恒等。

    双重属性

    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


    电荷
    质量(MeV)
    平均寿命(s)
    共有的衰变产物
    反粒子
    轻子
    μ
    -e
    106
    2.2*10^-6
    evμv-e
    μ+
    e
    -e
    0.511
    稳定
    --
    e+
    ve
    0
    0
    稳定
    --
    v-e

    0
    0
    稳定
    --
    v-μ
    τ
    vτ     
    重子
    p
    +e
    938.26
    稳定
    --
    p-
    n
    0
    939.55
    930
    pev-e
    n-
    λ
    0
    1115.6
    2.5*10^-10
    pπ-,nπ0
    λ-
    Σ+
    +e
    1189.4
    8*10^-10
    pπ0,nπ+
    Σ-
    Σ0
    0
    1192.5
    小于10^-14
    λ,辐射
    Σ+
    Σ-
    -e
    1197.3
    1.5*10^-10
    nπ-
    Σ+
    Ξ-
    -e
    1321.2
    1.7*10^-10
    λπ-
    Ξ+
    Ξ0
    0
    1314.7
    3*10^-10
    λπ0
    Ξ0
    介子
    π+
    +e
    139.6
    2.6*10^-8
    μ+vμ
    π-
    π-
    -e
    139.6
    2.6*10^-8
    μ-vμ
    π+
    π0
    0
    135.0
    10^-6
    辐射
    π0
    K+
    +e
    493.8
    1.2*10^-8
    μ+vμ,π+π0
    K-
    K-
    -e
    493.8
    1.2*10^-8
    μ-vμ,π-π0
    K+
    K0
    0
    497.8
    8.6*10^-11
    π+π-,2π0
    K0
    (快衰变方式)
    5.4*10^-8
    3π0,π+π-π0
    (慢衰变方式)
    π+μv-μ,π+ev-,π-μ+vμ-,π-e+v
    K0(反粒子)
    0
    497.8
    衰变方式与K0相同
    --
    K0
    η
    0
    548.8
    --
    3π0,π0π+π-,π+π-,辐射
    η

    和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。
    分族特性

    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.

     

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