粒子物理学及其应用
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第三篇
粒子物理学及其应用
一、基本粒子概念的发展和粒子的 分类 二、轻子 三、夸克 四、四种基本相互作用 五、粒子探测器 六、粒子物理的应用
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一、基本粒子概念的发展和粒子的分类
1、基本粒子概念的发展 ⑴ 古代对物质结构的猜想 我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说 古希腊：水、火、土、空气组成物质 （德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪） ⑵ 近代对物质结构的认识 道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特 定的原子，不同元素的原子的性质不同。
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三、夸克
1、强相互作用和强子 核子（中子和质子）间存在着很强的吸 引力——强相互作用。强相互作用的特 点是： 15 ① 短程力（力程为 10 m） 很强（约为电磁力强度的100倍） 很快（作用时间约 10 23 s ） ② 与电荷无关 ③ 具有饱和性
V r g 2 e mr r
V(r)称为汤川势，式中m为介子质量，g 代表核力强度，r是两核子之间的距离
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2、强子超多重态（略） 3、夸克模型 重子由三个夸克组成，介子由一个夸 克和一个反夸克组成；反重子由三个反 夸克组成。 夸克有三种：上夸克、下夸克和奇异 夸克，以及它们的反夸克。 夸克必须是费米子。 夸克模型对许多实验结果作出了满意 的解释。
n p e e
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1942年，我国物理学家王淦昌提出了 探测中微子的方案。美国物理学家艾伦 根据这个方案，从实验上证实了电子中 微子存在。1956年，莱茵斯等人在实验 上检测到脱离了发射源的传播中的电子 中微子（这才是电子中微子存在的直接 证据）。 后来又发现了μ子中微子。并有间接证 据证明有τ子中微子。
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1935年日本物理学家汤川为了解释强相互 作用的传递方式，提出了π介子理论。
π介子的质量约等于电子质量的275倍。 后来又发现了比核子还要重得多的介子， 连同核子称为重子。 介子和重子统称强子。
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Π介子理论认为： 核子之间存在一种核力场，强相互作 用是通过交换介子传递的。 汤川由相对论波动方程出发，给出了 两核子之间的相互作用势能公式：
2 (i ic mc ) 0 t
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在QED中，运动方程在带电粒子波函 数的定域相位变换下保持不变，称为规 范不变性，在数学上属于Abel群，用U （1）表示。 1954年，杨振宁和Mills将Abel群的规 范不变理论推广到非Abel规范场中，得 到称为SU（2）非Abel场，后来人们称之 为杨-Mills场。 规范场理论已发展成为现代粒子物理 基础理论的具有普遍性的重要组成部分。
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3、中微子 在研究β衰变时，对能量守恒定律产 生怀疑时提出的。1931年，泡里认为， 在β衰变过程中，同时发射了一个质量 很小（质量为零或接近零）的中性粒子， 后来费米将它称为中微子。这样，原子 核β衰变过程中就保持了能量和动量守 恒。例如，中子的衰变过程可表示为
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2、基本粒子的分类 ⑴ 轻子 ⑵ 夸克 ⑶ 规范粒子 ⑷ Higgs粒子（未发现）
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二、轻子 轻子——不参与强相互作用的粒子。 6种轻子按其发现的年代和性质，分 为三代；轻子同一代之间才发生相互作 用。
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⑶ 现代对物质结构认识的飞跃 1911年，卢瑟福的原子核式结构模 型——原子由原子核和电子组成； 1932年，确认中子的存在——原子核 由中子和质子组成；（三种基本粒子） 1932年，安德森发现正电子；µ 子、 л 介子和第一个奇异粒子被发现； 20世纪50年代以后，夸克的发现—— 构成物质的基本粒子共有12种，包括6种 轻子和6 种夸克。至目前，尚未发现这12 种粒子有内部结构。
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⑵ 正电子的发现 1928年，狄拉克从理论上预言了正电 子的存在； 1932年安德森在宇宙射线中发现了正 电子。 正电子的质量与电子相等。 正电子带与电子等量的正电荷。
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2、μ子和τ子的发现 μ子有带负电的和带正电的两种，不参 与强相互作用。质量比质子重207倍。 μ 子和电子具有相同的性质，但不可能以 一种简单的方式衰变成单个电子。 τ子是1975年在美国电子对撞机上发现 的。它的质量比许多重子的质量还要大 得多。带一个单位电荷。
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4、夸克的颜色 夸克具有不同的颜色——红、黄、蓝 （不是实际的颜色，仅是借用），颜色 实际上是一种量子数，三种颜色代表夸 克的三种状态。 5、 c、b、t夸克的发现（略）
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四、四种基本相互作用
1、弱相互作用 微观粒子间除了存在电磁作用和强作用 外，还存在着一种弱相互作用。 关于弱相互作用的研究： 1934年费米提出β衰变理论；1956年 李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称 不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱 作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提 出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作 用的本质。
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2、四种基本相互作用的比较
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3、量子电动力学与规范理论 量子电动力学（QED）是关于带电粒子 通过电磁场发生电磁相互作用的理论学 说，是在经典电磁场理论、狭义相对论 和量子力学的基础上建立起来的。 自由粒子Dirac方程
三代轻子的电荷和质量
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1、电子的发现 ⑴ 电子是最早发现的基本粒子。1897 年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时 发现。 电子的静止质量为
me 9.109534 10 31 kg
电子带负电荷
e 1.6021773349 10
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粒子物理学及其应用
一、基本粒子概念的发展和粒子的 分类 二、轻子 三、夸克 四、四种基本相互作用 五、粒子探测器 六、粒子物理的应用
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一、基本粒子概念的发展和粒子的分类
1、基本粒子概念的发展 ⑴ 古代对物质结构的猜想 我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说 古希腊：水、火、土、空气组成物质 （德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪） ⑵ 近代对物质结构的认识 道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特 定的原子，不同元素的原子的性质不同。
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三、夸克
1、强相互作用和强子 核子（中子和质子）间存在着很强的吸 引力——强相互作用。强相互作用的特 点是： 15 ① 短程力（力程为 10 m） 很强（约为电磁力强度的100倍） 很快（作用时间约 10 23 s ） ② 与电荷无关 ③ 具有饱和性
V r g 2 e mr r
V(r)称为汤川势，式中m为介子质量，g 代表核力强度，r是两核子之间的距离
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2、强子超多重态（略） 3、夸克模型 重子由三个夸克组成，介子由一个夸 克和一个反夸克组成；反重子由三个反 夸克组成。 夸克有三种：上夸克、下夸克和奇异 夸克，以及它们的反夸克。 夸克必须是费米子。 夸克模型对许多实验结果作出了满意 的解释。
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1942年，我国物理学家王淦昌提出了 探测中微子的方案。美国物理学家艾伦 根据这个方案，从实验上证实了电子中 微子存在。1956年，莱茵斯等人在实验 上检测到脱离了发射源的传播中的电子 中微子（这才是电子中微子存在的直接 证据）。 后来又发现了μ子中微子。并有间接证 据证明有τ子中微子。
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1935年日本物理学家汤川为了解释强相互 作用的传递方式，提出了π介子理论。
π介子的质量约等于电子质量的275倍。 后来又发现了比核子还要重得多的介子， 连同核子称为重子。 介子和重子统称强子。
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Π介子理论认为： 核子之间存在一种核力场，强相互作 用是通过交换介子传递的。 汤川由相对论波动方程出发，给出了 两核子之间的相互作用势能公式：
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在QED中，运动方程在带电粒子波函 数的定域相位变换下保持不变，称为规 范不变性，在数学上属于Abel群，用U （1）表示。 1954年，杨振宁和Mills将Abel群的规 范不变理论推广到非Abel规范场中，得 到称为SU（2）非Abel场，后来人们称之 为杨-Mills场。 规范场理论已发展成为现代粒子物理 基础理论的具有普遍性的重要组成部分。
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3、中微子 在研究β衰变时，对能量守恒定律产 生怀疑时提出的。1931年，泡里认为， 在β衰变过程中，同时发射了一个质量 很小（质量为零或接近零）的中性粒子， 后来费米将它称为中微子。这样，原子 核β衰变过程中就保持了能量和动量守 恒。例如，中子的衰变过程可表示为
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2、基本粒子的分类 ⑴ 轻子 ⑵ 夸克 ⑶ 规范粒子 ⑷ Higgs粒子（未发现）
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二、轻子 轻子——不参与强相互作用的粒子。 6种轻子按其发现的年代和性质，分 为三代；轻子同一代之间才发生相互作 用。
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⑶ 现代对物质结构认识的飞跃 1911年，卢瑟福的原子核式结构模 型——原子由原子核和电子组成； 1932年，确认中子的存在——原子核 由中子和质子组成；（三种基本粒子） 1932年，安德森发现正电子；µ 子、 л 介子和第一个奇异粒子被发现； 20世纪50年代以后，夸克的发现—— 构成物质的基本粒子共有12种，包括6种 轻子和6 种夸克。至目前，尚未发现这12 种粒子有内部结构。
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⑵ 正电子的发现 1928年，狄拉克从理论上预言了正电 子的存在； 1932年安德森在宇宙射线中发现了正 电子。 正电子的质量与电子相等。 正电子带与电子等量的正电荷。
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2、μ子和τ子的发现 μ子有带负电的和带正电的两种，不参 与强相互作用。质量比质子重207倍。 μ 子和电子具有相同的性质，但不可能以 一种简单的方式衰变成单个电子。 τ子是1975年在美国电子对撞机上发现 的。它的质量比许多重子的质量还要大 得多。带一个单位电荷。
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4、夸克的颜色 夸克具有不同的颜色——红、黄、蓝 （不是实际的颜色，仅是借用），颜色 实际上是一种量子数，三种颜色代表夸 克的三种状态。 5、 c、b、t夸克的发现（略）
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四、四种基本相互作用
1、弱相互作用 微观粒子间除了存在电磁作用和强作用 外，还存在着一种弱相互作用。 关于弱相互作用的研究： 1934年费米提出β衰变理论；1956年 李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称 不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱 作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提 出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作 用的本质。
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2、四种基本相互作用的比较
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三代轻子的电荷和质量
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1、电子的发现 ⑴ 电子是最早发现的基本粒子。1897 年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时 发现。 电子的静止质量为
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电子带负电荷
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