走進(jìn)微觀世界，

認(rèn)識(shí)基本粒子（上集）

（清風(fēng)科普于2023于1月21日）

01. 基本粒子：

elementary particle

基本粒子是組成物質(zhì)最基本的單位。目前在標(biāo)準(zhǔn)模型理論的架構(gòu)下，已知的基本粒子可分為3種類型：

①費(fèi)米子：包含夸克和輕子；

②玻色子：包含規(guī)范玻色子和希格斯粒子；

③復(fù)合粒子：由兩個(gè)或更多基本粒子所組成，如中子、質(zhì)子、和介子。

02. 次原子粒子：

Subatomic particle

①費(fèi)米子：構(gòu)成物質(zhì)世界的粒子

包括基本費(fèi)米子和強(qiáng)子；強(qiáng)子包括重子和介子；基本費(fèi)米子包括夸克和輕子。

②玻色子：傳遞作用力的粒子

包括基本玻色子和強(qiáng)子。強(qiáng)子包括重子和介子；基本玻色子包括規(guī)范玻色子和標(biāo)量玻色子；標(biāo)量玻色子只有希格斯粒子；規(guī)范玻色子包括光子、膠子、W玻色子和Z玻色子。

03. 質(zhì)子：proto

①帶正電荷：1.6× 10?1? C（庫侖）；

②直徑：1.6~1.7×10?1? m（米）；

③質(zhì)量：938MeV/c2

（百萬電子伏特/c2）

=1.672621637（83）×10?2?kg（公斤）

④質(zhì)子由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克，通過膠子在強(qiáng)相互作用下所構(gòu)成的復(fù)合粒子。

⑤原子核中的質(zhì)子數(shù)決定了外層電子總數(shù)，也決定了它屬于哪種化學(xué)元素。自然界中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素有84種，包括人工合成共有118種。構(gòu)成生命最大量元素有6種：C、H、O、N、P、S；構(gòu)成無機(jī)自然界最大量元素：前6種再加后6種 Si、AI、Fe、Ca、Na、K、Mg。

04. 中子：Neutron

①不帶電荷：呈電中性；

②直徑：1.6~1.7×10?1? m（米）；

③質(zhì)量：939.56563 MeV/c2

（百萬電子伏特/c2）

= 1.6749286（83） ×10?2?kg；

④中子由2個(gè)下夸克和1個(gè)上夸克，通過膠子在強(qiáng)相互作用下所構(gòu)成的復(fù)合粒子。

⑤中子自旋為1/2，自由中子是不穩(wěn)定的粒子，平均壽命為896秒。中子可以通過弱相互作用（β衰變）成為質(zhì)子，并釋放電子和反中微子。

中子（n） →質(zhì)子（p） + 電子（e?） + 反中微子（Ve）

05. 電子：electron

①帶負(fù)電荷：1.602176634×10?1?C（庫侖），是電量的最小單元。

②直徑：10?1?m（米）

③質(zhì)量：0.51 MeV/c2

（百萬電子伏特/c2）

= 9.10956 ×10?31kg（公斤）；

質(zhì)子質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836.5倍。

④物體表面，靜電荷過多帶負(fù)電，靜電荷過少帶負(fù)電。移動(dòng)的電子會(huì)產(chǎn)生磁場，切割磁力線會(huì)發(fā)生電磁感應(yīng)。

⑤當(dāng)電子脫離原子核束縛，在別的原子中自由移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為電流。電流方向由正極到負(fù)極，電子運(yùn)動(dòng)由負(fù)極到正極。

⑥原子失去電子成正離子，得到電子成負(fù)離子。物質(zhì)具有得電子的性質(zhì)叫氧化性，該物質(zhì)稱氧化劑；物質(zhì)具有失電子的性質(zhì)叫還原性，該物質(zhì)稱還原劑。

06. 夸克：quark

①夸克：是一種參與強(qiáng)相互作用的基本粒子，也是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元。夸克互相結(jié)合形成復(fù)合粒子叫強(qiáng)子。強(qiáng)子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，共同構(gòu)成原子核，共同構(gòu)成物質(zhì)世界。

② 夸克禁閉：描述夸克不會(huì)單獨(dú)存在。由于在強(qiáng)相互作用力束縛下，三個(gè)帶色荷的夸克被膠子牢牢限制在質(zhì)子和中子內(nèi)部，使得總色荷為零?？淇酥g的作用力，隨著距離的微小增加而急驟增加，因此我們不能發(fā)現(xiàn)夸克的單獨(dú)存在，這種現(xiàn)象被形象地稱為“夸克禁閉〞。

③夸克種類：有6味。第Ⅰ代有上夸克（u）和下夸克（d），質(zhì)量最輕；第Ⅱ代有奇夸克（s）和粲夸克（c），質(zhì)量較重；第Ⅲ代有底夸克（b）和頂夸克（t），質(zhì)量最重。

④粒子衰變：是夸克從一個(gè)高質(zhì)量狀態(tài)變成低質(zhì)量狀態(tài)的過程。通過粒子衰變，使第Ⅲ代夸克變成第Ⅱ代夸克，又使第Ⅱ代夸克變成第Ⅰ代夸克，并且釋放大量能量。

07. 膠子：gluon

①膠子是傳遞夸克之間強(qiáng)相互作用的粒子，歸屬于規(guī)范玻色子，共8種。靜質(zhì)量為0，自旋為1。具有色荷（紅色、藍(lán)色與綠色）。

②帶電粒子之間的電磁相互作用，是通過交換光子而實(shí)現(xiàn)的；而帶有色荷的夸克之間的強(qiáng)相互作用，是通過交換膠子而實(shí)現(xiàn)的。

③光子不帶電荷，所以光子與光子之間沒有電磁相互作用；膠子帶色荷，所以膠子與膠子之間也會(huì)發(fā)生強(qiáng)相互作用。

④膠子是一種負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力的玻色子。它們把夸克牢牢捆綁在一起，使之形成質(zhì)子、中子、超子或其他重子。

⑤1979年在高能正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)三噴注現(xiàn)象，進(jìn)一步顯示了膠子的存在。2010年，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，也宣稱證實(shí)了夸克-膠子等離子體態(tài)的存在。

08. 光子：light

①光的速度：在真空中為299792458m/s

=3×10^8m/s（米/秒）=30萬公里/秒。

②光的本質(zhì)：是一種處于特定頻段的光子流。光源發(fā)出光，是因?yàn)楣庠粗须娮荧@得額外能量。如果能量不足以使其躍遷到更外層的軌道，電子就會(huì)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，并以波的形式釋放能量。

如果躍遷之后剛好填補(bǔ)了所在軌道的空位，從激發(fā)態(tài)到達(dá)穩(wěn)定態(tài)，電子就停止躍遷。否則電子會(huì)再次躍遷回之前的軌道，并且以波的形式釋放能量。

③光的特性：a. 在幾何光學(xué)中，光以直線方式傳播。b. 在波動(dòng)光學(xué)中，光以波的形式傳播；不同波長的光，呈現(xiàn)不同的顏色。c. 光速最快且恒定。d. 在量子光學(xué)中，光的能量是量子化的，構(gòu)成光量子（簡稱光子）。

④光的折射、反射、散射、衍射和吸收。

⑤光電效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、聲光效應(yīng)。

09. 輕子：lepton

①輕子指不參與強(qiáng)相互作用的自旋為 ?/2 的費(fèi)米子。輕子有3味：電子、μ子、τ子；對(duì)應(yīng)中微子也有3味：電中微子、μ中微子、τ中微子。

光子傳遞電磁力，膠子傳遞強(qiáng)力，W和Z傳遞弱力。輕子不參與強(qiáng)力傳遞，只受電磁力和弱力的影響。

②輕子有6味：

e?電子= 0.51MeV/c2

μ?粒子= 105.66MeV/c2

τ?粒子= 1776.99MeV/c2

這3種輕子都帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷。它們的反粒子也3種：e+、μ+、τ+，也都帶有一個(gè)單位的正電荷。中微子及其反粒子不帶電，是中性粒子。

③輕子數(shù)守恒：

分解成電子數(shù)和μ子數(shù)守恒。

即：（e?電子+ νe粒子）-（e?電子+ νe粒子）=（μ?粒子+νμ粒子）-（μ?粒子+νμ粒子）。

10.中微子：neutrino

①中微子是宇宙中最基本粒子。它歸屬于輕子，中微子體積微小、不帶電，可以自由穿過地球和人體。自旋為1/2，質(zhì)量非常輕，僅僅是電子的百萬分之一。以接近光速運(yùn)動(dòng)，

②中微子幾乎不與任何物質(zhì)相互作用。在100億個(gè)中微子中只有一個(gè)會(huì)與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測(cè)非常困難?？茖W(xué)界從預(yù)言它的存在到發(fā)現(xiàn)它，整整用了20年的時(shí)間。

③中微子參與太陽核反應(yīng)的弱相互作用。每秒會(huì)產(chǎn)生10?3?個(gè)中微子。每秒鐘會(huì)有1000萬億個(gè)中微子穿透人體而無知覺，每秒有650億個(gè)中微子穿過你的肉眼而不損傷眼睛。

④中微子具有極強(qiáng)的穿透力。能輕松穿透地球，就像宇宙中的“隱形人”。地球表面每秒每平方厘米有600 億~1200億個(gè)中微子輕松穿透。

⑤中微子有3種，即電子中微子、μ中微子和τ中微子，分別對(duì)應(yīng)于的輕子：電子、μ子和τ子。所以中微子都不帶電荷，不參與電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但參與弱相互作用和引力相互作用。

⑥實(shí)際上，大多數(shù)粒子物理和核物理過程都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核反應(yīng)堆發(fā)電（核裂變）、太陽發(fā)光（核聚變）、天然放射性（β衰變）、超新星爆發(fā)、宇宙射線等等，都會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。

11. 介子：misoton

①介子是自旋為整數(shù)、重子數(shù)為零的強(qiáng)子。介子的自旋量子數(shù)為零。介子參與強(qiáng)相互作用。

②介子的靜態(tài)質(zhì)量介于輕子和重子之間，所以取名為介子。介子的靜態(tài)質(zhì)量是電子的200～300倍。介子和重子都屬于強(qiáng)子。

③介子種類：π介子、κ介子、η介子、ρ介子、ω介子。介子都屬于玻色子。介子都不能穩(wěn)定存在，經(jīng)歷一定平均壽命后，即轉(zhuǎn)變?yōu)閯e種基本粒子。

④π介子有三種：π?電中性，質(zhì)量為電子的264.3倍；π?和π?，帶電荷，質(zhì)量為電子的273.3倍。μ介子的質(zhì)量為電子的206.6倍。

12.超子：hyperon

（1）所有的超子都是重子和費(fèi)米子。自旋半奇數(shù)，遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。超子都不穩(wěn)定，經(jīng)過一定的平均壽命后，便衰變?yōu)槠渌玖Ｗ印?/p>

（2）超子是質(zhì)量比核子（質(zhì)子和中子）更重的重子。超子在強(qiáng)相互作用下產(chǎn)生，卻通過弱相互作用衰變。由奇異夸克構(gòu)成。

（3）超子種類：

①Ω粒子：有3個(gè)奇夸克（Ω?、Ω?、Ω?），質(zhì)量小于上、下夸克，又大于輕子，是由超子梯次衰變而來。

②Λ° 粒子：只有1種，不帶電；

質(zhì)量1115.4 Mev /e2，

半衰期2.6×10?1?秒，

衰變方式：Λ°→P+π?，Λ°→n+π°。

③Ξ粒子：有Ξ°和Ξ?共2種，并有相對(duì)應(yīng)的反粒子。Ξ粒子也稱為遞次粒子，即先衰變?yōu)棣懔Ｗ樱缓螃懔Ｗ釉偎プ優(yōu)橘|(zhì)子和介子。

Ξ°粒子：不帶電，質(zhì)量1314MeV/e2；

半衰期3×10?1?秒，衰變方式：Ξ?→Λ°+π?

Ξ?粒子：帶負(fù)電，質(zhì)量1321MeV/e2，

半衰期1.75×10?1?秒，

衰變方式：Ξ?→Λ°+π?。

④Σ粒子：有Σ?，Σ°，Σ? 共3種，并有相對(duì)應(yīng)的反粒子。

Σ?粒子：帶正電，質(zhì)量1189.4MeV/e2，

半衰期0.79×10?1?秒，

衰變方式：Σ?→P+π°，Σ?→n+π?。

Σ°粒子：不帶電，質(zhì)量1192.3MeV/e2，

半衰期10?1?秒，衰變方式：Σ°→Λ°+γ。

Σ?粒子：帶負(fù)電，質(zhì)量1197.2MeV/e2，

半衰期1.58×10?1?秒，

衰變方式：Σ?→n+π?。