基本粒子的性质及物理量的性质

6.11.1 结构图

6.11.2 基本粒子分类

4.基本粒子的质量用兆电子伏特(MeV)表示,这是能量的单位。质量和能量的关系是:E=mc2。

5.每一种基本粒子都有反粒子,它的质量、寿命和自旋都与基本粒子相同,只有电荷的符号相反。

6.基本粒子观测

(1)轻子

①电子(略)

②μ子

ⓐ来源:从射入地球大气层的宇宙射线中发现。

ⓑ自发衰变:

式中,μ+是μ-的反粒子;e+是e-的反粒子;是νμ的反粒子是νe的反粒子。

ⓒμ+被原子核排斥,自发衰变后消失。

μ-能量逐渐损失,速度变慢,被原子核俘获,绕核旋转,与原子核有弱相互作用。

(2)强子中的介子

①π介子

ⓐ来源:在高空宇宙射线照射下的乳胶中发现。

ⓑ自发衰变:

ⓒ与原子核中的质子有强相互作用,释放许多粒子。

②K0介子(中性)

ⓐ来源:在云室相片中发现。

ⓑ自发衰变:

K0→π++π-

(3)强子中的重子(又称超子)

①Λ0

ⓐ来源:在云室相片中发现。

ⓑ自发衰变:

Λ0→p+π-

②∑±

ⓐ来源:在高空宇宙射线照射下的乳胶中发现。

ⓑ自发衰变:

式中,∑+和∑-不是互为反粒子,而是各自另有反粒子。

核子与核子相撞时,如果能量足够大,K介子和超子可以协同产生。

π-+p→Λ0+K0

6.11.3 基本粒子的性质

1.物理量的性质

基本粒子的物理量包括质量、能量、动量、角动量和电荷,在电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用过程中都是守恒的,整个体系的量保持不变。

2.其他性质

(1)轻子:必须指定轻子数。

①电轻子数Le:e-和νe的轻子数是+1,e+和的轻子数是-1。

②μ轻子数Lμ:μ-和νμ的轻子数是+1,μ+和的轻子数是-1。

③两套轻子数不能混同。

(2)重子数B:必须指定重子数。

每一种重子的重子数是+1,每一种重子的反重子数是-1。

(3)介子和光子的轻子数和重子数都为0。

(4)同位旋是强子的性质。

(5)奇异数S

(6)宇称

(7)电荷共轭

(8)时间反演和TCP定理

6.11.4 基本粒子相互作用(www.xing528.com)

1.电磁相互作用

(1)光子

①粒子之间的电磁相互作用是通过电磁场产生的。

②光子是电磁场的量子,它是粒子之间电磁相互作用的媒介。带电体之间、电流之间或带电体和电流之间都有电磁相互作用。

③光子没有静止质量,它的能量是hν,h为普朗克常量,ν为光的频率。同光子联系的质量是hν/c2。

④光子的性质用符号表示:

JP=1-

式中,J是自旋量子数,数值是1;P指宇称,“-”表示宇称是奇性。

(2)粒子的电磁性

①带电粒子大多带一个电子的电荷e,或正或负。

②从实验得到,电子的半径小于4×10-14cm时,是没有内部结构的。

③另外,质子中电荷的空间分布和中子的磁矩的空间分布都是指数形式的。

(3)来源于电磁作用的强相互作用(略)

2.弱相互作用

(1)轻子之间主要是弱相互作用。

(2)中微子的出现,表明粒子的衰变是弱相互作用。

例如,中子:

n的平均寿命是930s。

中子:

式中,p为质子,e-为电子,νe 为中微子。中微子的静止质量为0,沿螺旋性方向前进。

(3)守恒定律

①在电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用下,能量、线动量、重子数和总电量数都是不变的,这也就是共同的守恒规律。

②在弱相互作用下,轻子数是守恒的。

例如,介子:

式中,左侧没有轻子(即左侧没有中微子、电子和μ子);右侧μ-的轻子数是+1,νμ的轻子数是-1。所以,右侧合计是0。左右轻子数守恒。

③在弱相互作用下,超荷和同位旋不守恒。

④在弱相互作用下,宇称不守恒。

例如,两种粒子的衰变:

图6-31 强子中的重子八重态对称

式中,θ+和τ+均是K介子。

衰变产物π介子的宇称是奇性的,一对π介子的宇称是偶性的,而三个π介子的宇称又是奇性的。

李政道和杨振宁认为:在弱相互作用下,宇称是不守恒的。

⑤中间矢量玻色子:光子是电磁相互作用的媒介,中间矢量玻色子是弱相互作用的媒介。

3.强相互作用

(1)强子之间主要是强相互作用。

(2)在很长时间内,轻子的数目保持不变,但是强子的数目不断增加。理论研究认为:多样的强子是由更深一层的层子构成。

(3)人们推断:每一个介子是由一个层子和一个反层子构成,而重子是由三个层子构成。

(4)用三种量子数把强子进行分类并显示它们的层子结构:同位旋分量Iz、超荷Y(Y=B+S)和粲数C。然后,用三个量子数作为粒子沿三个相互垂直方向的坐标,就可以在三维空间对粒子进行定位。

(5)图6-31为强子中的重子八重态对称示意图。

4.共振态

基本粒子相互碰撞时,可以产生一种状态,即两、三个粒子短时结合在一起,成为一个粒子,这称为共振态或激发态。但是,不久后这个粒子就衰变了。

(1)重子共振态:衰变后产物中有重子。

(2)介子共振态:衰变后成为两个或两个以上的介子。

5.物质相互作用

①万有引力作用(强度最弱,作用程最长)

②电磁相互作用

③弱相互作用

④强相互作用