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奇异加速器(什么是原子电子质子中子夸克放射和散射,光子、中微子和渺子)
发布时间:2022-09-14 01:45   浏览量:17

你这个问题,是关于粒子的。比原子更小的粒子,就是组成原子的粒子。原子是由原子核和核外电子组成的。原子核又是由质子和中子组成的。质子和中子又是又夸克组成的。至于光子的分类,就复杂了。

你具体看看下面的文章,就懂了。

30分钟搞懂物理世界的各种粒子

——灵遁者

其实在本书第三十五章,就是介绍物理世界的粒子。题目为《粒子世界的纷繁变化,让我们目瞪口呆》。本章是第三十五章的延伸和补充内容。是为了大家更全面,和从不同分析角度来认识物理世界的这些粒子。好多朋友,会被这些粒子弄的糊涂了。

在标准模型理论里共61种基本粒子(见表)包含费米子及玻色子。费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单来说,费米子就是组成物质的粒子,而玻色子则负责传递各种作用力。

62种基本粒子:

 一、轻子 (12种){轻子主要参与弱作用,带电轻子也参与电磁作用,不参与强作用。}

01、电子。 02、正电子(电子的反粒子)

03、μ子。 04、反μ子

05、τ子。 06、反τ子

07、电子中微子。08、反电子中微子

09、μ子中微子。 10、反μ子中微子

11、τ子中微子。 12、反τ子中微子

三、规范玻色子(规范传播子) (14种)

49、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 上夸克-上夸克

50、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 反上夸克-反上夸克

51、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) (反)下夸克-(反)下夸克

52、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) 夸克-反夸克

53、阳电力型胶子 上夸克-下夸克

54、阴电力型胶子 上夸克-下夸克

55、阳电力型胶子 反上夸克-反下夸克

56、阴电力型胶子 反上夸克-反下夸克

57、光子(光量子)

58、引力子(还是一个假设)

59、W+玻色子

60、W-玻色子

61、Z玻色子

62、希格斯玻色子Higgs Boson

但细心的朋友会发现,这61种粒子里面,不包含我们经常见到的粒子。比如中子,质子,声子,引力子,空穴子等等。为什么呢?就是我们这一章要讲的。

比如说,我们经常听到“基本粒子”,那么什么是基本粒子?基本粒子是指人们认知的构成物质的最小或最基本的单位。即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。

对称性:粒子与粒子之间具有对称性。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。

1932年,狄拉克关于正电子存在的预言被证实,1936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子,他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆,经过3年的努力,终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获 1995年物理学奖。总之每一种粒子,都有它的反粒子。

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)。

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。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

所以来说说他们的种类:

强子:强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成,已发现的夸克有六种,它们是:顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中理论预言顶夸克的存在,2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强子,质子、中子、π介子等都属于强子。另外还发现反物质,有著名的反夸克,现已被发现且正在研究其利用方法。奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重,这一问题还有待研究。

轻子:轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用,而不参与强相互作用的粒子的总称。与玻色子和夸克不同。所有已知带电轻子都可带有一正电荷或一负电荷,似乎他们是粒子还是反粒子。

所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。轻子共有六种,包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子(渺子)、τ子(陶子,重轻子)三种带一个单位负电荷的粒子,分别以e-、μ-、τ-表示,以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子,分别以ve、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子,共计12种轻子。(所有的中微子都不带电,且所有的中微子都存在反粒子)。τ子是1975年发现的重要粒子,不参与强作用,属于轻子,但是它的质量很重,是电子的3600倍,质子的1.8倍,因此又叫重轻子。

粒子物理学已经证明电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作用,称为“弱电相互作用”。有很多粒子物理学家猜想在更早期宇宙更高能量(普朗克尺度)时很可能这四种相互作用全都是统一的,这种理论称为“大统一理论”。但是因为加速器能够达到的能量相对普朗克尺度仍然非常的低,所以很难验证而大统一理论主要的发展方向是超弦理论。

胶子是强相互作用的媒介子,带有色与反色并由于色紧闭而从未被探测器观察到过。不过,像单个的夸克一样,它们产生强子喷注。在高能态环境下电子与正电子的湮没有时产生三个喷注:一个夸克,一个反夸克和一个胶子是最先证明胶子存在的证据希格斯粒子。

希格斯粒子(Higgs)粒子物理学家们认为希格斯粒子与其他粒子的相互作用使其他粒子具有质量。相互作用越强质量就越大。希格斯粒子本身质量极大,但加速器能量还无法达到,而理论的计算也比较困难。物理学家们于2012年7月发现了希格斯粒子。

标准模型预言存在一种中性希格斯粒子:H。但是也有很多科学家提出其他的可能性。

基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论,它的理论体系就是量子场论。按照量子场论的观点,每一类型的粒子都由相应的量子场描述,粒子之间的相互作用就是这些量子场之间的耦合,而这种相互作用是由规范场量子传递的。

20世纪30年代以来,基本粒子理论在实验的基础上有了很大进展。在粒子结构方面,人们已经通过对称性的研究深入到了一个层次,肯定了强子是由层子和反层子组成的,对真空特别是对真空自发破缺也有了新的认识。在相互作用方面,发展了可描述电磁相互作用的量子电动力学,发展了能统一描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论,可用于描述强相互作用的量子色动力学。它们无一例外都是量子规范场理论,并且都在很大程度上与实验一致,从而使人们对各种相互作用的规律性有了更深一层的了解。

基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论,它在许多方面还不能令人满意。其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清,即:层次结构问题(见物质结构层次)和相互作用统一问题(见相互作用的统一理论)。

在物质结构的原子层次上,可以把原子中的电子和原子核分割开来;在原子核层次上,也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。可是进入到"基本粒子"层次后,情况有了变化。这种变化在于强子虽然是由带"色"的层子和反层子组成的,但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。这种现象被称为"色"禁闭。于是,在"基本粒子"层次,物质可分的概念增添了新的内容。可分并不等于可分割,强子以层子和反层子作为组分,但却不能从强子中分割出层子和反层子。"色"禁闭现象的原因至今还未能从理论上找到明确答案。80年代已知的层子、反层子已达36种,轻子、反轻子已达12种,再加上作为力的传递者的规范场粒子以及 Higgs粒子,总数已很多,这就使人们去设想这些粒子的结构。物理学家们对此已经给出许多理论模型,但各模型之间差别很大,还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。

基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着,人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。

第二代:稳定的秩序似乎并没有维持多久,“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现p介子的1947年,人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片,衰变产物是p±介子和质子(p)。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释,于是人们很自然的想到,这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里,人们拍摄了十多万张宇宙射线照片,终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍,被叫做“k0介子”;另一个约为电子质量的2200倍,称为 l粒子(读“兰布塔”)。我们称它们为第二代粒子,这是因为它们有两个明显的特点:(1) 产生快,衰变慢;(2) 成对(协同)产生,单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的,所以又称它们为“奇异粒子”。

为了对这些奇异粒子进行定量研究,光靠宇宙射线是不够的。50 年代初,一些大型加速器陆续建成,使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核,以研究奇异粒子。

到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子,使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“第二代粒子”。

费米子呢,又可以分为两大类:夸克和轻子。而这 2 类基本费米子,又分为合共 24 种味 (flavour):12 种夸克:包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t),及它们对应的 6 种反粒子。 12 种轻子:包括电子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ,及对应的 6 种反粒子,包括 3 种反中微子。中子、质子:都是由三种夸克组成,自旋为1/2。夸克:上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲(càn)夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t),及它们对应的 6 种反粒子。

轻子(lepton)是指不参与强相互作用的自旋为 ћ/2 的费米子。轻子包括电子、μ子、τ粒子和与之相应的中微子(νe、νμ和ντ以及它们的反粒子)。电子e-、μ-和τ-粒子的质量分别为0.51兆电子伏、105.66兆电子伏和1,776.99兆电子伏,它们都带有一个单位的负电荷。它们的反粒子e+、μ+和τ+带有一个单位的正电荷。中微子及其反粒子不带电,是中性粒子,近年来实验结果表明中微子具有非零的静质量。

轻子家族的粒子有六种味,它们具有以下两个重要性质:

(1)轻子不参与强力的相互作用,只受电磁力和弱力的影响;

(2)轻子数守恒,即轻子只能以粒子反粒子成对地产生或湮灭,总的轻子数(轻子数目减去反轻子数目)在已知的一切物理过程中保持不变。轻子参与的所有弱相互作用和电磁相互作用过程中,发现存在一个守恒的量子数,称为轻子数。电子e-、μ-和τ-粒子的轻子数为+1,相应的反粒子的轻子数为-1。对所有的反应过程,轻子数的代数和在反应前后不变,并且电子轻子数、μ子轻子数和τ子轻子数也分别保持不变。与电荷守恒不同,电荷守恒与电磁相互作用相联系,而轻子数守恒没有已知的相互作用为根据,只是实验上发现它总是守恒。

已知的六种味的轻子成对出现,每一对包括一种荷电轻子和一种被称为中微子的中性轻子。

超子是一群次原子粒子的分类,所有的超子都是重子和费米子。因此它们的自旋都是半奇数,而且都遵守数费米-狄拉克统计,他们的半衰期介于1到10秒之间。最早关于超子的研究是开始於1950年代,而到今天欧洲核子研究组织、费米国立加速器实验室、史丹佛直线加速器、布克海文国家实验室等都有在研究。

复合粒子还包含介子,其他粒子。其他粒子,在这里指原子核,奇异粒子等。

再来说说一下准粒子。准粒子的概念也经常听到。准粒子一般包含声子,激子,等离子子,电磁极化子,极子,磁振子等。准粒子一般是概念粒子,就是认为规定的粒子,本身是不存的。

比如说声子,一般指的是晶格体的振动量子化描述。声子(Phonon)是一种非真实的准粒子,是用来描述晶体原子热振动——晶格振动规律的一种能量量子,它的能量等于ħωq。

激子:在半导体中,如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去,则在价带内产生一个空穴,而在导带内产生一个电子,从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电,电子带负电,它们之间的库仑互相吸引作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起,这样形成的结合体称为激子。

摘自独立学者,科普作家灵遁者量子力学书籍《见微知著》

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