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粒子

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粒子 [1]  (particle),是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。最早发现的粒子是原子、电子和质子,1932年又发现中子,确认原子由电子、质子和中子组成,它们比起原子来是更为基本的物质组分,于是称之为基本粒子。以后这类粒子发现越来越多,累计已超过几百种,且还有不断增多的趋势;此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构,有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次,因此基本粒子一词已成为历史,如今统称为粒子。粒子并不是像中子、质子等实际存在的具体的物质,而是它们的统称,是一种模型理念。词条详细介绍了电子、原子核、介子、夸克、轻子、强子族等粒子。
中文名
粒子
外文名
particle
别    名
基本粒子
定    义
指构成一切物质实体的基本成分
领    域
核能
学    科
核物理

粒子发现历程

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1897年汤姆生发现电子,1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子,并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子,所以把它们叫“基本粒子 [2]  ”。
19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。发现了电子、质子和中子后,许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。
逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子;又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。
20世纪30年代以来,人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。
1932年发现了正电子;
1937年发现了 μ 子;
1947年发现了K介子和 介子;
后来还发现了一些粒子,质量比质子的质量大,叫做超子。

粒子粒子间相互作用

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粒子之间存在着相互作用 [3]  ,有强相互作用电磁相互作
当前了解的物质的所有粒子结构 当前了解的物质的所有粒子结构
用、弱相互作用和引力相互作用,其中引力相互作用非常弱,可以忽略。通过这些相互作用,产生新粒子或发生粒子衰变等粒子转化现象。按照参与相互作用的性质将粒子分成以下几类:①规范粒子。即传递相互作用的媒介粒子,已发现的有传递电磁作用的光子和传递弱作用的W、Z粒子。②轻子。不直接参与强作用可直接参与电磁作用和弱作用的粒子,已发现的有电子、μ子、τ子和相伴的电子中微子ve、μ子中微子τ子中微子及它们的反粒子共12种。③强子。直接参与强作用,也参与电磁作用和弱作用的粒子。其中自旋整数的强子称为介子,自旋为半整数的强子称为重子。强子的数目众多,其中大部分是通过强作用衰变的粒子,其寿命极短,是不稳定的粒子,也称为共振态

粒子性质

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各种粒子分别有各自的内禀性质 [2] 
pvc粒子 pvc粒子
有粒子的质量m(静质量,以能量表示)、寿命τ(平均寿命,指静止系的平均寿命)、电荷Q(以质子的电荷为单位)、自旋J(以为单位)、宇称P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子数B、轻子数Le、、Lr、奇异数S、粲数C 、底数d等等。
在现有实验的精度下,轻子的行为类似点粒子,没有显示出具有内部结构,而强子显示是复合粒子,具有一定的结构。按照现代粒子物理的观点,介子由一对正反夸克构成,重子由3个夸克构成,轻子和夸克属于同一层次。

粒子粒子的分类

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已经发现的粒子达到400多种。
按照粒子与各种相互作用的不同关系,将粒子分为三类 [2] 

粒子媒介子

光子(传递电磁相互作用)
胶子(传递强相互作用)

粒子轻子

电子
电子中微子
μ子和μ子中微子
τ子和τ子中微子

粒子强子

质子
中子
介子
超子

粒子夸克

上夸克
下夸克
奇夸克
粲夸克
底夸克
顶夸克

粒子基本粒子

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基本粒子是构成一切物质实体的基本成分;也指量子理论中有基本力的粒子。
严格地说,基本粒子是不能再分解为任何组成部分的粒子。在这一定义下,只有夸克和轻子两种基本粒子。但是,虽然质子和中子由夸克组成,这两类重子都不可能分解为它们的夸克成分,因为独立的夸克是不能存在的。所以,尽管质子和中子以及其他重子由夸克组成,它们常被看成是基本粒子。

粒子电子发现

直到19世纪末,原子一直被认为是物质的基本建筑砌块。后来,英国粒子物理学先驱、剑桥卡文迪什实验室的约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson,1856—1944),发现原子产生的一种辐射能够用原子自身分裂出来的带电微粒流来解释,知道这种带电微粒就是电子 [4] 

粒子原子核

既然电子带负电荷 [5]  ,而原子呈电中性,很明显,原子内部必然有另外的带
原子核结构 原子核结构
正电荷的粒子,以抵消电子的负电荷。20世纪初叶,工作于曼彻斯特的新西兰裔物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937) (后来继汤姆孙任卡文迪什实验室主任)证明,这一正电荷与原子的大部分质量一起,都集中在很小的中心核内。
起初人们认为,原子核是电子与荷正电的质子的混合物。到了1932年,也在卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick,1891—1937)才发现了不带电的质量几乎与质子一样的中子。于是原子核被解释成由强核相互作用,或强力,维持在一起的质子和中子的集合。
那时,这三种粒子——电子、质子和中子
——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子,但宇宙射线研究和粒子加速器中高能粒子束互相轰击的实验却表明,还存在其他类型‘亚原子’粒子;不过这些‘新’粒子是不稳定的,它们将迅速‘衰变’成其他粒子簇射,以我们熟悉的电子、质子和中子告终。
重要的是应该懂得,这些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轰击的粒子(如质子)的‘内部’;它们是从注入加速器的能量中,按照阿尔伯特`爱因斯坦的公式 (或者,在所讨论的情况下,更恰当的是)创造出来的。
然而,在它们的短暂寿命期间,它们是具备质量和电荷等特征的真正粒子。这样的粒子,应该曾经在大爆炸的高能条件下大量出现。

粒子介子

物理学家不知道如何将这些粒子纳入一个圆满的物理理论,他们试图解释这些粒子之间基本力的作用方式。他们这样做时,仿效光子携有带电粒子之间的电磁力,想借助另一类携带着力的粒子——介子。但介子又是用什么东西制造的呢?

粒子夸克

夸克的组成 夸克的组成
1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型,认为强子由更基本的成分组成,这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展,已被多数物理学家接受 [6] 
有一段时期,局面极其混乱。但1960和1970年代发展的夸克理论使局面趋于明朗。夸克理论认为,所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成,能够‘感知’只在夸克之间起作用的强力,叫做强子。另一族叫做轻子,它们不能感知强力,但参与以所谓的弱力做媒介的相互作用(或称弱相互作用),比如,放射衰变(包括β衰变)过程就是弱相互作用引起的。强子既能参与强相互作用,也能感知弱力。

粒子轻子

轻子 轻子
是名副其实的基本粒子,它们不由任何别的东西构成。典范的轻子就是电子,电子与另一种叫做中微子(严格说应是电子中微子)的轻子相伴生。当电子参与放射衰变这类过程时,总有中微子卷入。
由于一些无人知晓的原因,这一基本图像已经复制了两次,产生了三‘代’轻子。除电子本身外,还有比较重的叫做μ介子,它们除了比电子重207倍外,完全像是电子;还有一种甚至更重的粒子叫做τ粒子,它的质量接近质子的两倍。这两种重电子各有其自己的中微子,所以轻子族有六种(三对)粒子。虽然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或从宇宙线产生,但它们很快衰变,转化成电子或中微子。

粒子强子族

强子族本身又再分为两类 [7]  。由三个夸克构成的粒子叫做重子,就是我们常说的‘物质’粒子,包括质子和中子(重子和轻子都是费米子族的成员,费米子实际上是普通物质粒子的别称)。由成对的夸克构成的粒子叫做介子,它们是携带基本力的粒子,尽管还有其他的介子(这些力的载体和其他介子又称为玻色子)。
只需要两种夸克(它们的名字很怪,叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解释质子和中子的结构。一个质子由通过强力维持在一起的两个上夸克和一个下夸克构成,而一个中子由通过强力维持在一起的两个下夸克和一个上夸克构成。
力本身可视为胶子的交换,而胶子本身又由夸克对组成,因而是介子。
正如轻子族复制了三代,夸克族也如此。虽然只需要两种夸克来解释质子和中子的本质,但复制的两代夸克却一代比一代重,其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克,最重的一代叫做‘底’夸克和‘顶’夸克。和重轻子一样,这些粒子能够在高能实验中产生(因而大爆炸时必定大量存在过),但迅速衰变成它们的较轻对应物。虽然不可能分离出单个夸克,但粒子加速器实验已经提供了夸克族所有这六个成员存在的直接证据;最后一种(顶)夸克是芝加哥费密实验室的科学家于2007年找到的。
对夸克的质量和其他性质的研究表明,不可能有更多代的夸克,只能有三族夸克和三族轻子。幸而标准大爆炸模型也认为不可能存在多于三代的粒子;不然的话,极早期宇宙中额外中微子造成的压力应该驱动宇宙过快地膨胀,从而使留存下来的氦含量与极年老恒星的观测结果不符(见αβγ理论核合成)。这是最美妙的证据之一,表明粒子物理学和宇宙学两者的标准模型对宇宙行为的描述,都同基本真理相去不远。
但是,除了大爆炸的最早片刻之外,第二和第三代粒子在宇宙的演化或其内容物的行为中基本不起作用。我们在宇宙中看到的每样东西都能用两种夸克(上和下)和两种轻子(电子和电子中微子)加以说明;确实,由于单个的夸克不能独立存在,我们看到的每样东西的行为,仍然能够用1932年就已经知道的电子、中子和质子再加上电子中微子,以及四种基本力,相当准确地予以近似说明。

粒子最新进展

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粒子电子可分

英国剑桥大学日前发布新闻公报说,该校研究人员和伯明翰大学的同行合作完成了这项研究。公报称,电子通常被认为不可分。但1981年有物理学家提出,在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子
剑桥大学研究人员将极细的“量子金属丝”置于一块金属平板上方,控制其间距离为约30个原子宽度,并将它们置于约零下273摄氏度的超低温环境下,然后改变外加磁场,发现金属板上的电子在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时分裂成了自旋子和空穴子 [8] 
研究人员说,人们对电子性质的研究曾掀起了半导体革命,使计算机产业飞速发展,又出现了实际研究自旋子和空穴子性质的机会,这可能会促进下一代量子计算机的发展,带来新一轮的计算机革命。 [3] 

粒子发现新粒子

费米国家加速器实验室 费米国家加速器实验室
2009年03月27日搜狐科学消息 [3]  :据美国《国家地理》杂志报道,科学家这周宣布,他们在美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室里发现了一种奇异的新粒子,完全无法用现有理论对它进行解释,它将可能打破现有物质构成的所有已知规则。这个新发现的粒子称为Y(4140),它不符合二种物质构成的已知模式,甚至科学家还没有确定Y(4140)是由什么组成的。
科学家一直认为夸克能以各种行之有效的方式结合在一起形成其他较大的亚原子粒子,一种模式是由夸克-反夸克对形成的介子,另一种模式是由3个夸克组成的重子,如质子和中子。“但我们发现的这种新粒子不属于这些夸克组合,这令人惊奇,”美国佛州大学的雅各布·科尼格斯伯格说,“据我们所知,如果你试图将夸克-反夸克对组合在一起,你不可能建造出这种粒子。”
粒子物理学家表示,此次发现的Y(4140)粒子是这些实验室观察到的具有类似非常规属性的粒子家族成员之一,是由二束粒子以近光速的速度彼此剧烈碰撞产生的,这样发现新粒子Y(4140)的机率大约为百亿亿分之二十。费米实验室的科学家发现,Y(4140)粒子在衰变过程中常常产生包含有一个底夸克(称为B+介子)的粒子。对费米实验室的数万亿次质子和反质子碰撞进行筛选后,科学家们确定了一个以非常规方式衰变的B+介子的小样本。进一步分析表明,这些B+介子可衰变成Y(4140)。此外,科学家还发现Y(4140)粒子可衰变成一对其他粒子———J/psi和phi粒子,物理学家认为它可能是一个粲数和反粲数夸克组合。但是,对于这样的一个构成来说,其衰变特性有违常规。
日本高能实验室发言人、物理学家山内正则说,这是首次证实一个新的意想不到的Y态新粒子可衰变为J/psi和phi粒子。这个Y态可能和之前他们发现的Y(3940)有关,也可能是含有粲数夸克的外来强子的又一个例证。这些外来的夸克组合不属于已知的介子和重子,理论物理学家正在对它们的真实性质进行破解,实验人员也在继续努力寻找更多这样的粒子。
这一新粒子的发现向那些深谙夸克如何结合形成物质的粒子物理学家发出了挑战。加上美国宣布发现了罕见的单顶夸克和其它几项发现,物理学家实际上离寻获希格斯玻色子(所谓的上帝粒子)已越来越近了,但他们现不得不重新思考物质是如何构成的。此研究成果发表在最新一期出版的《物理评论快报》上。

粒子结语

但宇宙中的东西大概比我们看到的要多;观测和理论两方面都有理由认为,宇宙中的暗物质比亮物质要多得多。暗物质的很大部分可能是既非强子、亦非轻子的粒子。不过这是另外的话题了。
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参考资料
  • 1.    凯尔·柯克兰德, 雷泉. 粒子与宇宙[M]. 上海科学技术文献出版社, 2011.
  • 2.    陆埮. 粒子与宇宙[J]. 自然杂志, 1982(5):5-12.
  • 3.    英研究证实电子可分裂  .人民日报.2009年8月4日
  • 4.    净梵. 漫谈粒子和宇宙二十二活动星系、类星体与黑洞[J]. 天文爱好者, 2012(3):30-33.
  • 5.    曾谨言. 原子核结构理论[M]. 上海科学技术, 1987.
  • 6.    戴连荣, 袁淑立, 佟蕾,等. 两种手征SU(3)夸克模型的比较[J]. 辽宁师范大学学报自然科学版, 2004, 27(4):420-423.
  • 7.    梁银花. 有限奇异系统的手征强子模型研究[M].
  • 8.    蒂亚·戈斯, 张昕. 电子可以分解了?[J]. 飞碟探索, 2016(8):32-33.