粒子物理简介

由于介子和重子参加强相互作用又统称为 强子。 1974年丁肇中等发现了J/ Ψ 粒子，J/ 粒子 Ψ 也是一种介子。
丁肇中
3. 基本粒子的相互作用
宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。
（1） 强相互作用
强相互作用是一种原子核结合在一起的力， 它的作用范围为10 15 m 以下，故称短程力；作用 23 时间极短，约为 10 s,这种相互作用强度大，比 电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用只 存在于重子和介子之间。
1 e 3
2
2
2 s夸克的电荷为 ，d夸克和 e 3
。
夸克通过强相互作用结合成强子。
强子的夸克模型
要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介子，
1 1 夸克的自旋应为 ,它的两个分量为 。如果用电子
或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷为正负整 数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数电荷：u 夸克的电荷为
同位旋 奇异数 重子数
1/2 0 1/3
d(下)
s(奇) c(粲) b(底) t(定)
-1/3
-1/3 2/3 -1/3 2/3
1/2
1/2 1/2 1/2 1/2
1/2
0 0 0 0
0
-1 0 0 0
1/3
1/3 1/3 1/3 1/3
强子的夸克模型
质子p是由(uud)构成 中子n是由(udd)构成
基本粒子的分类
•按自旋分为两类：
（1）玻色子
包括光子类和介子类。光子的自旋为1， 介
自旋是 的整数倍的基本粒子称为玻色子。
子的自旋为 0。 π
（2）费米子
米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自旋 为1/2，超子的自旋为1/2、3/2 自旋是 的半整数倍的基本粒子称为费
... 。
基本粒子的分类
反粒子和奇异粒子

moc
0
2
光子
产生
湮没
两个
moc
2
空位
空位

自由电子的能量区域 电子偶的产生和湮没
反粒子和奇异粒子
（2）奇异粒子
在二十世纪50年代又在宇宙射线中发现了与
基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。
Λ 超子、 （如：K介子、 超子、Ξ 超子和 超子） Ω
a. 奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却 又非常慢。 b. 奇异粒子总是成对地产生。
子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分
布半径为0.8fm。还发现核子内部存在好多个散
射中心。
强子的夸克模型
夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克组 成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组 成。 夸克共有六种，其性质如下表所示。
强子的夸克模型
六种夸克特性表
夸克 电荷/e
u(上) 2/3
自旋
1/2
基本粒子的相互作用
（2）弱相互作用
弱相互作用范围在10-17m以下，通常也称短 程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多， 作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切 强子和轻子。
温伯格
格拉肖
萨拉姆
基本粒子的相互作用
（3）电磁相互作用
一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强 子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作 用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒 子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作 用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与 物体间距离的平方成反比。
反粒子和奇异粒子
我们用质量、电荷、自旋、磁矩
等性质表示基本粒子，又加入了“奇异
数”这个量子数，来反映基本粒子的奇
异现象。对于非奇异粒子，奇异数为零；
对于奇异粒子，奇异数不为零。
2. 基本粒子的分类
• 按质量分为四类： （1）重子类 这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超 过核子，故称为超子）。 （2）轻子类 这类粒子质量较小，包括电子、介子、 介子及 其相应的中微子。 （3）介子类 质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括 K介子、π 介子、 η 介子。 只有光子一种，其静止质量为零。 （4）光子类
1. 反粒子和奇异粒子
（1）反粒子
1932年安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从 1955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、
反超子。
正粒子和反粒子有相同的质量、自旋、寿命，电
荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应该
有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、 反星体等。
反粒子和奇异粒子
质子和反质子的运动轨迹
Q1Q 2 Fk 2 r
k 9 10 N m /kg
9 2
2
基本粒子的相互作用
（4）万有引力相互作用
所有粒子都参与万有引力相互作用，其强 度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。 传递引力的粒子称为引力子。
m1m 2 FG 2 r
G 6.67 10 N m /kg
2
11
2
基本粒子的相互作用
u d 构成 π介子是由( ) π 介子是由( )构成 ud 0 介子是由 ( 构成 π u) u 或d d

强子的夸克模型
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要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介子，
1 1 夸克的自旋应为 ,它的两个分量为 。如果用电子
或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷为正负整 数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数电荷：u 夸克的电荷为
表20-5
名称 相对强度 作用范围 (m) 作用时间(s) 被作用粒子 传递子 举例 强作用 1
四种相互作用的比较
电磁作用 弱作用
10 12
引力作用
10
2
10
39
10 15

10
20
10 17
16


引力子 天体之间
10
23
~ 10
10 10
中间玻色子
强子 介子 核力
强子、轻子 强子、轻子 一切物体 光子 原子结合
原子由原子核和电子构成，原子核是由质子和 中子构成，那么质子、中子内部是否还有内部结 构？
1932年，斯特恩测得质子的磁2.79 ，后来 p p 又测得中子的磁矩为-1.91 （而不是零），中子 不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内部结 构。
强子的夸克模型
用能打入质子内部的高能量轻子打击质子，由 于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以发 现质子的内部是否有结构。 1956年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时， 发现质子的电荷分布半径为0.7fm.后来又发现中
β衰变
基本粒子的相互作用
实验证明，除轻子还未发
现有任何内部结构外，核子、
超子、介子即所有的强子都还
能细分。
盖尔曼
1964年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。他
认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸克
分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用u、
d、s表示。三种夸克都有相应的反夸克。
4. 强子的夸克模型