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1、原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 很久以来，人们在追究物质结构的基本单元 。最初把元素的最小单元原子看作不可 分的，是各种物质结构的基本单元。但到了二十 世纪初期，认识到原子是原子核和电子构成的， 原子核还有内部结构。1932年中子被发现后，进 一步认识到构成原子核的是质子和中子。人们把 质子、中子、电子和光子称作“基本粒子”。 第十一章 基本粒子 1 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子 2 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 研究基本粒子的目标是研究物质微观结构的 基础。这样，从原子到原子核和电子，再进入原 子核到了核子，并先后又发现
2、很多粒子，现在对 这些粒子的研究又进入了它们的内部结构，这是 人类对物质结构的认识的不断深化，现在仍在前 进。 第十一章 基本粒子 3 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 表11.1开列了那些比较稳定的“基本粒子”。表中把粒 子按它们的主要相互作用分类列出。物质有四种相互作用： 万有引力作用，弱相互作用，电磁相互作用和强相互作用。 这四种相互作用的相对强度和作用程差别很大，大致比较如 下： 第十一章 基本粒子 4 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子 5 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 按那些粒子的主要相互作用，可以分为三类 ：第一类是
3、光子，一切带电粒子或具有磁矩的粒 子之间的电磁相互作用就是以光子为媒介的。第 二类是轻子，它们之间的主要作用是弱相互作用 。第三类粒子是强子，它们之间的主要作用是强 相互作用。强子分为重子和介子两类。重子是费 米子,介子是玻色子。轻子都是费米子，光子是玻 色子。 第十一章 基本粒子 6 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子 7 原子物理学 11.1 基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子 8 原子物理学 11.2 粒子的观测和11.3 守恒定律和对称原理 基本粒子的一些量子数和对称关系如表达式11.2所示。 第十一章 基本粒子 9 原子物理学 11.2 粒子
4、的观测和11.3 守恒定律和对称原理 三种相互作用的守恒定律如表11.3所示。 第十一章 基本粒子 10 原子物理学 11.2 粒子的观测和11.3 守恒定律和对称原理 这些相互作用的守恒定律和有关量子数的数值是 从观察到的事实总结出来的，并不是先有完整的理论 。但这样的经验规律的总结也就是进入理论的门径。 边总结经验规律，边发展理论。从这些规律出发，现 在的研究已进入基本粒子内部结构的问题。有关理论 仍在发展中。 第十一章 基本粒子 11 原子物理学 11.4 共 振 态 基本粒子互相碰撞时，可以产生一种状态， 即二、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，不久就衰变了
5、。这样 的短期结合，如果也看作基本粒子，那么现在知 道的基本粒子数目，包括以前已谈到的比较稳定 的粒子，已有二百多种了。出现了这么多种粒子 ，很难说都是“基本”的了。 第十一章 基本粒子 12 原子物理学 11.4 共 振 态 共振态分为两类：一类称为重子共振态，它 的衰变产物有重子在内。另一类是介子共振态， 它衰变成为两个或两个以上介子。 1、重子共振态（P389-） 2、介子共振态（P391-） 第十一章 基本粒子 13 原子物理学 11.5 强子分类和层子模型 粒子种类包括共振态已经达到200以上，用各种量子数 标记它们的特性到了很复杂的程度，但是可以看出存在着 一定的系统性和规律性。近
6、年理论的研究认为多样的强子 是由更深一层的层子构成的。我国在这方面的理论工作者 作了不少贡献，并提出“层子” 这个名称（国际上称为 Quark）。前些年根据强子的特性的对称性，人们提出三个 层子的模型，近年共振态粒子的连续发现，用三个层子的 模型来说明复杂的强子情况已经感到不够，又采用四层子 模型。 第十一章 基本粒子 14 原子物理学 11.5 强子分类和层子模型 经过这样的发展，人们认识到，所谓“基本粒子”，还 有更基本的内部结构，这就推动了对这些粒子深一层的研究 。 值得注意的一个情况是轻子的数目在很长时间内保持四 种：电子、子、电中微子、中微子和它们的反粒子。多 年来没有新的发现。近年
7、才发现较重的轻子。而强子的数 目不断增加，且彼此有复杂关系，但是，这些关系是有规律 可循的。 表11.4 中开列了层子和反层子的量子数。这样就可以 说明强子的特性和彼此关系的对称性。 第十一章 基本粒子 15 原子物理学 11.5 强子分类和层子模型 第十一章 基本粒子 16 原子物理学 11.5 强子分类和层子模型 人们推断，每一个介子是一个层子和一个反层 子构成的，重子是三个层子构成的。按照这样的 结构方式，可以把数目众多的强子清理出一个头 绪来。 第十一章 基本粒子 17 原子物理学 11.6 关于电磁相互作用 1、光子 粒子间的电磁相互作用是通过电磁场发生的 。光子是电磁场的量子，它是
8、粒子间电磁相互作 用的媒介。带电体之间，或电流之间，或带电体 和电流之间都有电磁相互作用。 第十一章 基本粒子 18 原子物理学 11.6 关于电磁相互作用 2、粒子的电磁性 带电粒子大多带一个电子的电荷e，正的或负 的。共振态有带2e电荷的，没有超过2e的。 从电子和子在电子上散射的实验以及这两种 粒子的磁矩情况，可以得到一个结论：这两种粒子 直到 厘米的半径，是没有内部结构的。关于 电子之间和子之间的电磁相互作用的其他实验也 都证实了这个结论。 第十一章 基本粒子 19 原子物理学 11.6 关于电磁相互作用 3、来源于电磁作用的强相互作用 用射线产生介子。1GeV以下的射线被 质子吸收会产生单个介子。 第十一章 基本粒子 20 原子物理学 11.7 弱相互作用 1、弱相互作用的辨认 2、守恒定律 在弱相互作用中，能量、线动量、角动量、 重子数、总电量都是守恒的。这些量的守恒在强 相互作用、电磁相互作用和弱相互作用中是共同 的规律。 第十一章 基本粒子 21