高中物理竞赛教程：4.1《基本粒子》

第四讲 基本粒子

§4、1、基本粒子

4．1．1、 什么是基本粒子

在古代就有一些哲学家认为物质是由原子组成的，原子是组成物质的最小颗粒，不可再分。有基本的涵义，可称为基本粒子。自19世纪初，英国科学家道尔顿以化学反应为依据，提出物质是由原子组成的学说以来，人们相继发现了电子、质子、中子、正电子、中微子、介子等大量的基本粒子，基本粒子数目的大量增加，使人们认识到它们也不可能是最基本的组分，所以有“基本料子不基本”的说法。

中微子的发现，中子不是稳定粒子，它衰变为质子和电子：e P n 01111

-+→,实验发现此衰变中动量不守恒。经不断实验发现，中子衰变的正确反应应为v e P n ++→-01111

0。v 为中微子的符号,v 为v 反粒子的符号。

4．1．2、 粒子的自旋 到本世纪30年代末，加上在宇宙射线中发现的μ子，人们认为，电子、质子、中子、中微子、μ子和光子都是基本粒子。除中子和μ子是不稳定粒子外，其余都是稳定的。基本粒子的主要特征除质量的电荷外，还有自旋，这是一个量子力学概念，表征粒子的内部属性，相当于经典物概念是微粒的自转。它遵从量子力学的规律，以π2h 为单位，只能取整数0、1、2……，或半整数1/2、3/2……。上述6种粒子，除光子自旋为1外，其余都是自旋为1/2的粒子。自旋为整数的粒子又称为玻色子；自旋为半整数的粒子又称为费米子。

4．1．3、 粒子和反粒子 经实验发现，每一种粒子都存在相应的反粒子。反粒子和粒子的质量、自旋都相同，电量相同而符号相反。对不带电的粒子，粒子和反粒子有其它的区分标志，这里不具体描述。在粒子的符号上加一横，代表反粒子，如v 是反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而无区

别，如光子。1932年安得森发现了正电子，使反粒子的存在第一次得到了证实。其他反粒子也先后被发现。如反质子和反中子分别是1955年和1956年在加速器中发现的。粒子和反粒子是互为反粒子的，只是当初称呼电子、质子等为粒子而已。我们这个世界是由粒子组成的，而不是由反粒子组成的。

4．1．4、 强子——介子和重子 本世纪40年代到50年代，从宇宙射线中又发现了一批粒子。比如发现了π介子和K 介子，它们的自旋为零；又发现了与核子（质子和中子）属于同一类而质量更大的粒子，称为超子，有Λ超子、∑超子和Ξ超子，它们都是不稳定粒子。核子和超子统称为重子。介子和重子又统称为强子。因为它们之间的相互作用强大。

4．1．5、 粒子的奇异性 仔细地分析新发现的各种粒子的衰变反应，以及它们参与的其它反应，发现K 介子和超子具有产生快，衰变慢和同时产生两个或多个粒子的新特性，与π介子和核子所有的性质不同，当时认为有些奇异，引入了一个称为奇异数的量子数来标志这种奇异性。 +K 介子和0

K 介子

的奇异数为1;+-∑∑∑Λ,0,1,0超子的奇异数为-1;0,ΞΞ-超子的奇异数为-2。具有奇异数的粒子，如其奇异数为s ，则其反粒子的奇异数为-s 。π介子和核子的奇异数为0。在强相互作用中，奇异数守恒。

4．1．6、 基本粒子分类 按照基本粒子之间的相互作用可分为三类： ①强子：凡是参与强相互作用的粒子，分为重子和介子两类。

②轻子：都不参与强相互作用，质量一般较小。

③光子：静质量为零，是传递电磁相互作用的粒子。

4．1．7、 夸克模型 原子不再是基本粒子，原子核一不是基本粒子，介子和重子是否也由更为基本的粒子组成的呢？1964年，美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家兹韦格分别提出了夸克模型。

按照夸克理论，一切强子（参与强相互作用的粒子）都是由夸克组成的。初期提出的夸克有三种，分别称为上夸克u ，下夸克d 和奇夸克s 。它们的自旋都是1/2， 属于费米子。夸克的重要特征之一是带有分数电荷。以电子电荷

为单位，u 的电荷为2/3，d 的电荷为-1，s 的电荷也是-1/3。此外，s 的奇异数为-1。对于重子，有重子数作为标志，上节所述的重子的重子数为1，反重子的重子数为-1。夸克的重子数为1/3。对于每一种夸克，都存在相应的反夸克。反夸克的质量、自旋同于夸克，而电荷、奇异数和重子数的数值相同，符号相反。

夸克之间存在着强相互作用，靠这种相互作用，每一个介子由一个夸克和一和反夸克组成；每一个重子由三个夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成。比如，+π介子是由u 夸克和反下夸克d 组成的、质子是由u 、u 和d 三个夸克组成的；0Λ超子是由u 、d 和s 三个夸克组成的，余此类推。图4-1-1为P 、 +Λπ和0三个强子的结构示意图。

前

已

被

科

学

家证实的夸克有：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克等

6种。为了符合泡利不相容原理，物理学家还发现了夸克的一种更为深刻的性质：每种夸克都具有（颜）色，可以用红、黄、兰（或红、绿、兰）三种加以区分，这只不过是借光的颜色名字，夸克的色与光波的色完全是两回事。就像粒子带电称为电荷一样，夸克带色，也可以称为色荷。正是色荷间的相互促进作用，才使强子中的夸克互相吸引而束缚在一起。三种不同色的夸克组成不带色的重子，好像三原色组成白色一样。同样，夸克和反色夸克的色互补，它们组成的介子也不带色。这就是为什么强子不带色的原因。在当今看来，强子基础是夸

克，夸克是基本粒子。此外，基本粒子族还存在轻子一类。最早发现了电子和

图4-1-1

电中微子；后来发现了μ子和μ中微子；70年代，又发现了τ子和τ中微子.τ子的质量比核子质量还大，它不能由轻重来区它们了。虽然τ子的质量大，但从其性质上看，仍属于轻子一类。这样，轻子也分6种，类似于夸克的味。时至今日，实验研究还没有发现轻子的内部结构。也就是说，这6种轻子也属于基本粒子。