基本粒子是什么?它们共有哪些种类?一文带你搞懂

基本粒子是什么?它们共有哪些种类?一文带你搞懂

引言

在人类对世界的不断探索中,人们对世界的认知从宏观深入到微观,慢慢了解到物质是由原子组成的,原子由原子核和绕核运动的电子构成,而原子核又是一个由质子和中子组成的具有复杂结构的整体,一步步抽丝剥茧,科学家又发现中子、质子等重子仍然有着内部结构,它们由各种不同的夸克组成。这就构成了如今粒子物理的面貌。基本粒子究竟是什么?它们有着怎么样的分类与构成?



基本粒子是什么

基本粒子是指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位,是组成各种各样物体的基础。也就是说在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础,且并不会因为小而断定它不是某种物质。

早在古希腊和春秋战国时期,就已经有人提出过原子的概念,惠子曾说:“至小无内,谓之小一”,意思是最小的物质是不可分的。这个最小的单元,德谟克利特则称之为“原子”,提出了原子唯物论,认为世界万物由原子构成。但是在之后的2000多年里,都没有人都深入探讨过原子或“最小的单元”具体是什么,所以“原子”这个概念最初属于哲学范畴。


德谟克利特的原子


1789年,法国科学家拉瓦锡定义了原子一词,从此,原子就用来表示化学变化中的最小的单位。最初科学家都认为原子已经是组成物质的最小单位,不可再分。但是1897年约瑟夫·约翰·汤姆逊根据放电管中的阴极射线在电磁场和磁场作用下的轨迹确定阴极射线中的粒子带负电,并测出其荷质比,发现了电子以及它的亚原子特性,粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。



后来汤姆逊还提出了著名的葡萄干蛋糕模型来描绘原子的内部结构:

原子是一个小小的球体,原子里面充满了均匀分布的带正电的流体。球内还有若干个电子,它们都在这种正电荷液体中,就象许多软木塞浸在一盆水里一样,这些电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上,并以一定的速度做圆周运动从而发出电磁辐射,原子光谱所反映的就是这些电子的辐射频率。由于电子所带负电荷的总和与电液体所带正电荷总和相等,但符号相反,所以原子从外面看上去是中性的.在汤姆生提出的这种原子模型中,电子镶嵌在正电荷液体中,就象葡萄干点缀在一块蛋糕里一样。

当然这是汤姆逊本人的主观臆测,1914年,卢瑟福用阴极射线轰击氢,结果使氢原子的电子被打掉,变成了带正电的阳离子,它实际上就是氢的原子核。卢瑟福推测,它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线,它的电荷量为一个单位,质量也为一个单位,卢瑟福将之命名为质子。1932年,查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的,从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元——质子、中子和电子构成的统一的世界图像。



随着质子、中子、电子、μ子等很少的“粒子”相继被发现,人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,称它们为“基本粒子”(意为不可分割)。

粒子都具有双重属性,也就是我们所说的波粒二象性,在长期的探索过程中,科学家通过质量、大小、寿命、对称性、自旋、守恒等属性来对粒子进行归类。

什么是对称性呢?20世纪20年代,狄拉克提出了著名的狄拉克理论,并预言:宇宙中每一个基本费米粒子必然有其相对应的反粒子,两者质量相同,但所携带的电荷相反。1932年,安德森发现来正电子(也就是电子的反粒子),他在云雾室中充入过饱和的乙醚气,当物质放射出正电子时,正电子穿过云雾室,在正电子运行轨道中出现液滴线,通过外加磁场测量正电子的偏转方向及半径就可以知道它的带电符号,及荷质比(带电量与质量的比值),从而证实了狄拉克的预言。



反粒子与所对应的粒子在质量、自旋、平均寿命和磁矩大小都相同;如果带电。两者所带电量相等而符号相反。磁矩和自旋的取向关系也相反。反粒子与所对应的粒子相遇就发生湮灭而转变为别的粒子。

什么是自旋?1925年G.E.乌伦贝克和S.A.古兹密特受到泡利不相容原理的启发,分析原子光谱的一些实验结果,提出电子具有内禀运动——自旋,并且有与电子自旋相联系的自旋磁矩。粒子的自旋是内禀角动量(物体到原点的位移和动量相关的物理量)引起的,粒子自旋是其内在性质,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)。



什么又是守恒?物质是不断运动和变化的,在变化中也有些东西不变,这就是守恒。粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律。此外还有其他的守恒定律,例如质量守恒、动量守恒、角动量守恒,以及微观现象中不连续的宇称守恒、电荷守恒,还有重子数守恒、轻子数守恒、奇异数守恒、同位旋守恒等。



基本粒子的分类

基本粒子目前共有61种,共分为两大类,分别是费米子和玻色子,自旋为半奇数(1/2,3/2…)的粒子称为费米子,服从费米 -狄拉克统计;自旋为0或正整数的粒子称为玻色子,服从玻色-爱因斯坦统计 。

基本费米子费就是组成物质的粒子,分为 2 类:夸克和轻子。而这 2 类基本费米子,又分为合共 24 种味 (味指一种基本粒子的种类):

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。需要指出的是夸克共有3种颜色,比如红上夸克、蓝上夸克、绿上夸克,所以细分的话夸克是36种。

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。



而玻色子则分为基本粒子和复合粒子。基本玻色子根据物理的四大相互作用可以分为:

引力相互作用:引力子

电磁相互作用:光子

弱相互作用(使原子衰变的相互作用):W 及 Z 玻色子,W 玻色子有两种,分别有 +1(W+)和 −1(W−)单位电荷。W+ 是 W− 的反粒子。而 Z 玻色子(Z0)则为电中性的,且为自身的反粒子。这三种粒子皆十分短命,其半衰期约为3秒。

强相互作用(夸克之间的相互作用):胶子

它们的功能就是负责传递基本相互作用,而除了这四种,还包括为其他基本粒子提供质量的希格斯粒子,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。


图上反粒子没有标出


而复合玻色子由偶数个费米子组成,常见的有介子、氘核、氦-4等。

PS:

1、强子不属于基本粒子,强子是一种亚原子粒子,包括重子和介子等,质子、中子、超子都属于重子类,重子由三个夸克或三个反夸克组成,它们的自旋总是半数的。

2、费米子组成物质和玻色子传递作用是什么意思呢?比如说胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子。



光子是传递电磁相互作用的媒介粒子。带电粒子通过发射或吸收光子而相互作用,正反带电粒子对可湮没转化为光子,它们也可以在电磁场中产生。


基本粒子的研究进展与意义

目前,引力子目前在物理学中是一个传递引力的假想粒子。实验中也一直没有发现自由夸克和胶子的存在。因夸克和胶子都有“色”量子数,一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面,这种现象称为“色禁闭”(color confinement)。“色禁闭”的解释已有各种理论证据,但仍然属于研究的前沿问题。



对基本粒子的研究促进了许多学科的诞生,比如量子色动力学,1973年,美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明:夸克之间越接近,强作用力越弱。当夸克之间非常接近时,强作用力是如此之弱,以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”。反之,夸克之间距离越大,强作用力就越强。“渐近自由”的发现导致了全新的理论——量子色动力学(QCD)的诞生。



许多科学家认为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”。目前,科学家在格拉肖提出的弱电统一理论上构建了标准模型,用来描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子,科学家把费米子跟玻色子配对起来,以描述费米子之间的力。


标准模型被认为最有可能实现物理的大一统,而随着但在夸克理论提出后,人们认识到基本粒子也有复杂的结构,目前基本粒子也成为了历史名词,人们用“粒子”取代了它。

随着科学家对粒子研究的深入,人类将慢慢揭开宇宙的神秘面纱,了解宇宙的终极奥秘。