粒子世界探秘.docx

1、粒子世界探秘 1 第五章粒子世界 正电子、中子、反质子和反中子 原子世界物质结构的基本组元是原子，原子世界的基本特征尺度为十分之一纳米，原子世界的能量标度是电子伏特。 最初认识的基本粒子 再把特征尺度缩小十万倍，小到百万分之一纳米，就进入了粒子世界。 世纪初在研究原子结构规律时，就已经认识了最初的几个基本粒子。质子、电子、光子是最早被认识到的几个基本粒子，这三种粒子都是稳定的粒子，质子带单位正电荷，电子带单位负电荷，光子不带电，质子和电子有放出和吸收光子的能力，它们通过电磁相互作用互相联系起来。当时实验上还显示不出它们的体积大小，看不到它们有内部结构，可以认为是“点”粒子。 人们认为这些粒子是

2、物质结构的最小的单元，把它们统称为基本粒子。 世纪初，物理学中已清楚地认识了的物质的基本相互作用有两种：引力相互作用和电磁相互作用。它们之间有共同点又有不同点，它们都是与距离平方成反比的长程力，引力相互作用总是吸引，电磁相互作用则遵循“同性相斥、异性相吸”。质子和电子之间既有电磁相互作用，又有引力相互作用。英国天文学家和理论物理学家爱丁顿（）曾认为基本粒子就是质子、电子、光子三种，而宇宙就是由总数约 个质子和电子构成，是一个有限无边的正在膨胀的宇宙。从这种理论出发，也就提出了一系列需要研究解答的基本问题：为什么电荷有最小单位？为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为 。？为什么正电荷的最小

3、单位比负电荷的最小单位质量重 。 倍？为什么宏观上正负电是对称的，但正负电荷的最小单元又非常不对称？然而物理学实验和理论的发展很快地打破了这个格局，陆续发现了几个新的基本粒子，展示了粒子世界的丰富多采的新局面。 狄拉克的理论和正电子的发现 年英国物理学家狄拉克（）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为 ，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德 因子为轨道角动量情形时朗德 因子的 倍。电子的这些性质都是过去从

4、分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程。 既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象。按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值 2 的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的。自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量

5、要高，并且可以连续地增加到无穷。与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷。这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量。同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的。 针对这个矛盾， 年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论。这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实

6、际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态。因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质。按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量。这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴。这个正能状态的电子带电荷，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量。按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为 的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能

7、量。这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子。狄拉克的理论预言了正电子的存在。 年美国物理学家安德森（）在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实。正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的。狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子。 反粒子 这样自然提出了一个新问题：究竟反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质。如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子。这个问题在

8、 年之后从实验上解决了， 年美国物理学家张伯伦（）等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是 ，带一个单位负电荷的粒子。接着又发现了反中子。后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识。 一切粒子都有与之相应的反粒子，这个普遍结论被几十年的粒子物理的发展不断印证。“反粒子”已成为粒子物理学中一个重要的基本概念，并且 3 其本身的含义也在不断地发展和充实

9、。 中子 年查德威克在实验中发现中子，中子不带电，质量比质子略重，是电子的 。 倍，自旋量子数是 ，中子和原子核之间在近距离有很强的相互作用，中子是基本粒子家族的新成员。 中子有一个性质和质子及电子都不同，自由质子和自由电子都是稳定粒子，但自由中子却不是稳定的粒子。当自由中子产生后，平均经过 秒就要衰变掉，中子消失了，产生一个质子和一个电子，再加一个当时还没有被观察到和被发现的中性粒子，即反中微子。中子的这个性质就使人们怀疑中子是否是一个复合粒子，是由质子和电子再加另外的中性粒子组成，自由中子的衰变就是一个分解的过程，就像水分子分解成氢原子和氧原子一样。这个可能性立即就被排除掉了，当时的实验没

10、有观察到质子的体积大小，如果质子有一定体积大小，它的半径不会大于 费米，中子的半径也是相同的数量级。如果中子中包含电子，电子的位置就被限制在中子的体积内，即在半径小于 费米的球体积内。从不确定关系给出在中子中电子动量的不确定范围，从而可以估计出电子具有的静止能量加动能值至少达到 。 兆电子伏特，这是自由电子静止能量的 。 倍。具有这么大能量的电子不可能和质子一起被束缚在中子里，这表明中子不可能由质子和电子再加其他中性粒子所组成。 中子是人们发现的第一个不稳定粒子，中子的衰变过程不是复合粒子的分解，而是粒子的转化。中子衰变时，中子消失了，同时产生了一个质子和一个电子，再加一个反中微子。在这个衰变

11、过程中，中子、质子、电子、反中微子的数目都是可变的。 粒子的转化是粒子世界中粒子运动特有的新形式，尽管粒子世界中观察到大量的粒子反应和衰变过程，看起来很像化学中的化合与分解，但是两者的性质和机理是截然不同的。化学中的化合与分解是原子间的重新组合，粒子世界中的粒子反应和衰变则完全是粒子的转化，是粒子的湮没和产生，一般并不能归结为粒子的重新组合。 4 子、介子、中微子和反中微子 汤川的介子场理论 年日本科学家汤川秀树提出了核力的介子场理论。按照汤川理论，质子和中子之间、质子和质子之间以及中子和中子之间的核力相互作用都是通过交换一种有静止质量的媒介粒子来实现的，正如带电粒子之间的电磁相互作用是通过交

12、换静止质量为零的光子来实现的一样。媒介粒子有静止质量决定了这种相互作用是短程的，也就是说，当距离超过某一称为“力程”的长度时，相互作用的强度就迅速减少到可以忽略的地步。决定质子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常数很大，这就决定了在近距离时这种核力远比电磁相互作用要强。根据实验观察到的核力力程的数量级约为 费米，估计出这种媒介粒子的静止质量应该约是电子的 到 倍，介于电子和质子之间。汤川把这种媒介粒子称为介子。 子 年安德森在宇宙线实验中发现了一种质量约为电子质量 。 倍的带正或负单位电荷的粒子。当时人们曾认为它就是汤川预言的核力的媒介粒子，称之为介子。但是以后多年的研究发现，介子与原子核的相

13、互作用很弱，即使在非常近的距离也没有表现出有超出电磁相互作用以外的其他相互作用，它不可能是汤川所预言的那种介子。 由于介子实际上并不是原来含义下的介子，它被称为介子乃是历史的误会。因此后来就统一称之为子而不再称它为介子，子也是不稳定粒子，自由子的平均寿命是 。 微秒，是中子平均寿命的四亿分之一。在迄今为止所发现的不稳定的粒子中，子是除中子外平均寿命最长的粒子。 子衰变时转化为一个电子、一个中微子和一个反中微子。 分子 年英国物理学家鲍威尔（）在宇宙线实验中又发现了一种质量约为电子质量 倍的带正或负单位电荷的粒子，它与原子核之间有很强的相互作用，称为介子。介子也是不稳定粒子，平均寿命是 。 纳秒

14、，也就是 亿分之 。 秒。人们认为介子才是汤川理论所预言的粒子，汤川理论经过 年得到了实验的证实。 年发现中性的介子，它比带电介子质量轻一些，也是不稳定粒子，平均寿命是 亿亿分之 。 秒。 中微子和反中微子 中子和子衰变时都要产生中微子或反中微子，但是它们的发现却经过很长的时间。中微子和反中微子都不带电，它们都不参与电磁相互作用，它们也都与原子核之间没有核力相互作用。这样它们运动时和所遇到的各种物质分子、原子、原子核、电子都没有可以察觉的相互作用，各种物质对于它 5 们都是近于透明的，当中微子穿过地球时，也只有一百亿分之一的中微子被吸收掉。因此，即使中微子或反中微子已经存在了，也很难被观察和检

15、测到。 年贝可勒尔发现铀原子核具有放射性，后来发现许多原子核有放射性。原子核的衰变是发射一个电子，同时这原子核转变为原子序数增加 的新原子核。按这样的机理来分析，原子核的衰变是从一个粒子到两个粒子的衰变过程。如果开始时原子核是静止的，动量守恒要求衰变时产生的电子和新原子核所获得的动量大小相等、方向相反。再加上能量守恒的限制，又要求发射的电子的能量是确定的值。然而大量原子核衰变的实验显示发射出的电子的能量并不是确定的值，而是可以在从零开始一直到某一个最大能量值之间的一个范围内连续变化。这个结果曾被人们认为是表明原子核的衰变过程中能量动量守恒遭到了破坏。 年泡利为了解释原子核衰变中的能量动量守恒上

16、的疑难，提出原子核衰变时除了发射一个电子外，可能同时还发射某种未知的轻的中性粒子，这样原子核的衰变就是从 个粒子到 个粒子的衰变过程。这样能量守恒要求电子的能量加这个轻的中性粒子的能量之和是一个常数，电子的能量自然可以在从零到某一个最大值之间的一个范围内连续变化。 年费米进一步研究了这一假设，并把这种中性粒子命名为中微子。 年美国物理学家科恩（。）和莱因斯（）发现反中微子，这样光子、电子、正电子、质子、反质子、中子、反中子、子、介子、中微子、反中微子就是初期认识的一批基本粒子。在这些粒子中，光子、电子、正电子、质子、反质子、中微子、反中微子是稳定粒子，它们占大部分，中子、反中子、子、介子则属于

17、不稳定粒子。 6 从基本粒子到粒子 对基本粒子性质的实验研究主要是观察基本粒子在相互碰撞时的运动行为，碰撞的能量越高，能够辨认的空间距离越小。在 年代以前，由于实验上没有能够测出这些基本粒子的空间大小，基本粒子被认为是物质微观结构的最小单元，因此一直统称为基本粒子。在这以后，凡是和已发现的基本粒子可以相互作用和相互转化，并且在当时实验认识水平上被认为同属于物质微观结构最小层次的粒子，都统称为基本粒子。 年代以来，实验上陆续发现了大量新的基本粒子，几年内新发现的基本粒子数目成倍地增加。随着实验能量的不断提高，实验和理论研究的发展，测出质子的电磁半径，也就是电荷分布半径为 。 费米，以后又定出介子

18、的电磁半径也是同一数量级，比质子的电磁半径略小。后来又观察到虽然中子所带电荷为零，但中子内部电荷还是有一定的分布，中子的电磁半径大体上和质子的电磁半径相等。这些结果表明，这些可以直接参与强相互作用的基本粒子肯定不能被看作是点粒子，它们的空间分布有一定的大小，肯定有内部结构，它们是由更深层次的粒子所组成。然而加速电子的高能碰撞实验却表明，把电子加速到能量达到约 的数量级，仍然完全可以把电子当作点粒子来对待。表明即使电子的半径不为零的话，也应小于一千分之二费米。这显示对于电子等基本粒子，仍然观察不到它们占据的空间大小，仍然可以把它们看做是“点”状的粒子。这些进展说明，已经发现的这些基本粒子并不属于

19、微观结构的同一层次。因此自 年代起，国际上就把基本粒子中的“基本”两字去掉，统称为粒子，基本粒子物理学改称为粒子物理学、“基本粒子”这个名称已经成为历史的陈迹。 7 粒子世界运动的特点 粒子运动的基本特点 粒子的运动有它的独有的特点，描写粒子运动的理论必须充分反映了这些特点。粒子世界中粒子运动性质有三个特有的基本特点：第一，粒子是微观尺度的客体，运动是微观尺度的运动。描写微观尺度运动的特征量是普朗克常数 ，描写微观粒子运动的规律的是量子力学。 第二，粒子运动是高速运动，粒子速度的变化常常可以达到和真空光速相比拟的数量级，相应地能量的变化常常达到相当于甚至远大于粒子静止能量的数量级，运动是相对论

20、性的。描写高速运动的特征量是真空光速 ，描写粒子高速运动规律的是狭义相对论。 如果粒子的运动特点只有这两个，自然可以推论出粒子物理的基本规律应该是相对论性量子力学。但是粒子的运动还有第三个重要的不可忽视的特点。 第三，粒子运动过程中，常常表现出粒子之间的相互转化，粒子数目是可变的，粒子可以产生和湮没。换言之，观察到的粒子系统的自由度数在粒子运动时是可变的。 只有具有无穷多自由度的系统在运动中才能自然容纳或显现出有限多自由度的变化。而物理学中研究的“场”就是这样的具有无穷多自由度的系统，因为“场”是充满全空间的客体，全空间有无穷多的点，每个点对应至少一个自由度。描写场的运动规律的理论是场论，因此

21、描写粒子运动基本规律的理论是相对论性量子场论。 自然单位制 正因为粒子运动的这些特点，在描写粒子的运动规律时，必不可免地经常遇到普朗克常数 和真空光速 的各种幂次。针对这种情况，高能物理学中常采用一种特殊的单位制，称为自然单位制。自然单位制中规定约化普朗克常数 （即普朗克常数 被 除）、真空光速 、玻耳兹曼常数 都等于。这样在描写粒子的运动规律时，这些常数就自动地不再出现，所有的公式都大大地简化了。 在自然单位制中，只剩下一个独立的量纲，通常取能量做基本的量纲。 物理量的量纲分析大大地简化了，许多物理量具有相同的量纲。例如：能量、动量、质量、温度、频率、波数的量纲相同；长度、寿命、磁矩、电矩的

22、量纲相同，是能量量纲的倒数；速度、角动量、电荷都是无量纲量。 质子的质量是 。，也可以通过能量的单位 给出为 。温度可以用能量的单位来描写，这时有换算关系为，。太阳表面的温度约为 ，这是在地面上罕见的高温，但是它还不到一个电子伏特，从粒子物理世界来看是极低的温度。太阳中心的温度约为 ，即两千万开尔文，这是地面上只有在核爆炸时才能达到的极高温，它还只有 。，从粒子物理世界的尺度标准来看仍然是相当低的温度。在很高能量的粒子的碰撞中可以达到在直径为 费米的小体积范围内实现温度约为 ，这相当于 。 万亿开尔文，比太 8 阳中心的温度约高八万一千多倍。 速度是无量纲物理量，自由粒子的速度沿无论任何方向的

23、投影都只能取从 到 之间的值，以反映速度的大小不能超过真空光速。角动量也是无量纲量，任何粒子运动时的轨道角动量沿无论任何方向的投影都只能取整数值，而任何粒子自旋角动量沿无论任何方向的投影都只能取整数或整数加二分之一的值。由于电荷是无量纲量，精细结构常数也是无量纲量，它的值等于 。 9 粒子的普遍内在属性 粒子的一个普遍特性是全同性。各种粒子分别有各自的内在属性，这些属性不随粒子产生的来源和粒子的运动状态而变化。一切内在属性的总和是判别和区分粒子种类的依据，属于同一种粒子的内在属性完全相同，它们之间互相不可分辨。各种粒子的千差万别反映在粒子的运动和相互作用性质的不同，通过反映粒子特征的许多种物理

24、量表现出来，其中重要的有以下几种。 质量 所有的粒子都有确定的质量。粒子运动的速度可以很快，按相对论给出，粒子的质量是速度的函数，随速度的增加而增加。如果粒子的静止质量不为零，当速度增加到真空光速时，粒子的质量将趋于无穷大。如果某种自由粒子以真空光速运动，质量为有限值，则这种粒子静止质量为零，并且粒子只能以真空光速运动，速度不能减下来，光子就属于这类粒子。 粒子物理中所说的粒子质量都是指粒子的静止质量。现在已经发现的粒子质量分布在一个很大的范围内，已发现的具有静止质量的粒子中最轻的是电子，其质量为 。质子的质量为 。，已发现的粒子中绝大多数的质量在电子的 倍到 倍的范围内。最重的粒子是 粒子，

25、其质量为 。，约为电子的 倍。光子、中微子和反中微子是永远以真空光速运动的粒子，它们的质量都为零。 许多粒子是不稳定粒子，粒子的微观本性决定了：实验上测量不稳定粒子的质量实际得到的不是确定的一个值，而是在某一值附近有一定分布。这个分布可以用两个参数来描写，一个参数是实验里测量粒子质量值的平均值，通常仍称为粒子的“质量”；另一个参数是实验测量粒子质量值在平均值附近的分布宽度，称为粒子的宽度。粒子的平均寿命越短，越不稳定，粒子的宽度也就越大。已发现的粒子中绝大多数的宽度小于 。最宽的粒子是 粒子，其宽度为 。 现在实验还没有测到光子、中微子、反中微子的质量，因此认为它们是静止质量为零的粒子。直接的

26、实验测量确实没有测量到光子的静止质量，现有的理论也认为光子的质量为零。然而，光子是不是可能有很轻的质量，只是由于太轻，在一般情况下完全可以忽略，这个问题需要从实验上来解决。 现在实验上得到光子的质量小于 电子伏特，也就是说光子有可能没有静止质量，如果有的话，其值也要小于这个值。这个质量值太小了，它所对应的能量值不仅远小于粒子世界的能量变化数量级，远小于原子世界的能量变化数量级，也远小于宏观世界中温度接近绝对零度时分子平均能量变化的数量级，实际上，这能量对应的温度约为 。 开尔文。 物理学家做实验来测定能量怎么能得到这么高的精度呢？物理学家利用了光子是电磁相互作用的媒介粒子，因此按照量子理论知道

27、光子静止质量的倒数等于电磁相互作用的力程长度。如果光子的静止质量等于零，力程就等于无穷大，电磁相互作用就是长程力。如果光子的静止质量大于零，它的倒数就是电磁相互作用的力程，也就是说，电磁相互作用就是一种短程力。在地球上的实验中观察不到电磁相互作用的有限的力程，说明电磁相互作用的力程至少要比地球半径要长。为了确定电磁相互作用的力程，物理学家到天 10 文学中去观察，结果观察到 光年的距离还没有观察到电磁相互作用的有限力程的效应。换言之，电磁相互作用的力程应该比 光年要长，从而定出光子的静止质量要小于 电子伏特。 寿命和宽度 现在已经发现的粒子共有 种，在这些粒子中，除了光子、电子、正电子、质子、

28、反质子、三种中微子和三种反中微子等 种是稳定的外，其余都是不稳定的，它们产生后经过一段时间就会自动“衰变”成两个或更多个其他类型较轻的粒子。粒子产生以后到衰变前存在的时间就是这个粒子的寿命。然而当粒子作高速运动时，由于相对论的时钟延缓效应，观测到的粒子的寿命比它静止时要长。反映粒子不稳定性的物理量是粒子静止时的寿命，所以实验上测定了一个运动粒子在衰变前存在的时间，首先要根据相对论换算成粒子静止时存在的时间。即使是这样，测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间也是各不相同的，一般来说，存在时间短的粒子比较多，存在时间长的粒子比较少。这并不说明它们是不同类型的粒子，粒子的不稳定性表现为在它存在的任意

29、时间间隔里都有一定的概率衰变掉。 静止的不稳定粒子在单位时间内衰变掉的概率称为粒子的宽度，这也就是测定不稳定粒子质量值分布时得到的宽度，它的倒数是不稳定粒子静止时的平均存在时间。测量某种粒子的寿命时，必须测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间，再求出它们的平均值。不稳定粒子在静止时的平均存在时间称为平均寿命，简称寿命。由于不稳定粒子的宽度和寿命有密切的联系，它们的乘积等于 ，即。这个重要的性质决定，不稳定粒子的寿命既可以直接测定，也可以通过测量质量分布宽度而间接确定。稳定粒子的寿命是无穷大，中子是已知的不稳定粒子中寿命最长的粒子，它的寿命是 。秒。不稳定粒子的寿命也分布在一个很大的范围内， 粒

30、子是宽度最大的粒子，它的寿命也最短，其值为。 秒。 粒子的质量和寿命是粒子的最重要的基本属性，粒子的寿命又等于粒子质量分布宽度的倒数，粒子的质量和寿命有紧密的联系，它们常常是判断和辨认粒子的依据。 如果粒子的寿命很长，在它产生后可以存在一段时间，在空间中走一段距离。可以在这段时间里观测它的许多性质，例如粒子的电荷、能量、动量、存在时间等，就可以推算出粒子的质量，并估计出粒子的寿命。这样再和已知的各种粒子的性质比较，就可以判断这个粒子是哪种粒子。如果实验中观察到的一个粒子，这样得到的粒子性质和已知的所有粒子的性质都对不上，就可以判断发现了一种新粒子。在这种情况下，即使只观察到很少的事例，甚至只有一个事例，只要测量是可靠的，也可以做结论说“发现了一种新粒子”。在这种情况下，测出新粒子的质量值是比较准的，如果事例数少，定出的新粒子的寿命的误差会比较大，因为粒子的寿命本身就是指平均寿命，需要事例数比较多时才能定得准。 许多长寿命的粒子，特别是长寿命的带电粒子都是这样地被发现的，例如正电子、子、介子、重子的发现都是根据几个事例做结论的。 能够这样被发现的新粒子的寿命不能太短，至少要能在存在的时间内在空间中走一段宏观上可测量的径迹，这样才能首