18-9粒子及其相互作用.ppt

1、1,18-9 粒子及其相互作用,一、關(guān)于“基本”粒子：是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的最小單元,自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量的新的基本粒子，使基本粒子的數(shù)目成倍地增加。,到20世紀(jì)50年代，基本粒子有光子、電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、中子、反中子、子、介子、中微子和反中微子。分穩(wěn)定粒子和不穩(wěn)定粒子。,質(zhì)子、介子和中子都不是點(diǎn)粒子，存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。電子等粒子仍然可以被看為點(diǎn)粒子。上面基本粒子并不屬于微觀結(jié)構(gòu)的同一層次。自20世紀(jì)60年代起把基本粒子中的“基本”兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。,2,粒子質(zhì)量指粒子靜質(zhì)量。所有的粒子都具有確定的質(zhì)量或質(zhì)量范圍。用能量單位表示，在粒子物理中粒子的質(zhì)量一般以MeV和Ge

2、V表示。,二、粒子內(nèi)在屬性的描述：總和是辨別粒子的依據(jù),1. 質(zhì)量,質(zhì)量分布用兩個(gè)參量表征：實(shí)驗(yàn)測(cè)得粒子質(zhì)量值平均值，“粒子的質(zhì)量”，用m表示；粒子質(zhì)量在平均值附近分布寬度，粒子寬度，用 表示。,絕大多數(shù)粒子的質(zhì)量在電子的200到21600倍范圍內(nèi)，寬度小于400 MeV。最重的粒子是Z粒子，其質(zhì)量為91.187 GeV，約為電子質(zhì)量的178448倍，粒子寬度也最大，其寬度為2.490 GeV。,3,粒子壽命是粒子從產(chǎn)生到衰變平均經(jīng)歷的時(shí)間，反映粒子不穩(wěn)定性的物理量，壽命長(zhǎng)短與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。粒子壽命指它靜止時(shí)的壽命。,不穩(wěn)定粒子的寬度與壽命間關(guān)系 ： = 1, 表示壽命越短的粒子，其寬度就越大

3、。,2. 壽命,穩(wěn)定粒子壽命無(wú)限大，其寬度為零，即質(zhì)量有確定值。在不穩(wěn)定粒子中，中子壽命最長(zhǎng)，其壽命是887.0s，Z粒子是寬度最大的粒子，其壽命是2.6431025s。,粒子的不穩(wěn)定性表現(xiàn)在在它存在的任意時(shí)間間隔內(nèi)都有一定的衰變概率。,4,3. 電荷,電荷量子化。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子中具有的最大電荷是質(zhì)子電荷的2倍。,1931年狄拉克指出，磁單極子的磁荷與任意一個(gè)與它相互作用的粒子的電荷的乘積等于半奇數(shù)。 該論斷表明，只要宇宙中存在一個(gè)磁單極子，理論上就要求所有帶電粒子所帶電荷必定量子化。,反之，既然實(shí)驗(yàn)表明電荷量子化，是否預(yù)示著磁單極子的存在？多年來(lái)，物理學(xué)家們一直到處尋找著磁單極子

4、，但到目前為止還沒(méi)有找到它，因而還不能斷定它是否確實(shí)存在。,5,5. 重子數(shù)：電荷數(shù)守恒決定電子穩(wěn)定性。規(guī)定質(zhì)子重子數(shù)為1，正電子和光子的重子數(shù)都為零。質(zhì)子是重子數(shù)為1的最輕粒子。重子數(shù)守恒決定質(zhì)子穩(wěn)定性。任何衰變既要滿足電荷數(shù)守恒，也必須遵從重子數(shù)守恒。,4. 自旋：粒子都有確定自旋，用自旋量子數(shù)J 描述。已知粒子中，最大的自旋量子數(shù)是11/2。,6. 同位旋：也是一種角動(dòng)量，自旋角動(dòng)量與普通的三維空間中的旋轉(zhuǎn)行為有關(guān)，同位旋是指在某種抽象空間的角動(dòng)量。同位旋量子數(shù)常用I表示，同位旋在第三軸上的投影用I3表示。,6,三、物質(zhì)存在的基本形式,粒子和場(chǎng),量子場(chǎng)論對(duì)物質(zhì)存在的形式的描述：,(2)各

5、種場(chǎng)的能量最低狀態(tài)為場(chǎng)的基態(tài)，場(chǎng)處于基態(tài)時(shí)，不能通過(guò)狀態(tài)的變化釋放能量，不會(huì)輸出任何信號(hào)，不會(huì)顯現(xiàn)出直接的物理效應(yīng)，不能觀測(cè)到粒子的存在；當(dāng)一種場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)時(shí)，這種粒子就出現(xiàn)了，場(chǎng)的不同激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同。,(1)每種粒子存在一種對(duì)應(yīng)場(chǎng)，對(duì)應(yīng)不同粒子的各種場(chǎng)互相重疊地充滿全空間。,7,場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用復(fù)數(shù)量來(lái)表示，互為復(fù)共軛的兩種激發(fā)態(tài)分別為粒子和反粒子兩種物理狀態(tài)。,如場(chǎng)用實(shí)數(shù)量來(lái)表示，激發(fā)態(tài)也用實(shí)數(shù)量表示，實(shí)數(shù)量的復(fù)共軛就是該實(shí)數(shù)量本身，與這種場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的粒子就是它自身的反粒子。,用實(shí)數(shù)量表示的場(chǎng)為純中性場(chǎng)，與純中性場(chǎng)對(duì)應(yīng)粒子為純中性粒子。電磁場(chǎng)是用實(shí)數(shù)量表示的純中性場(chǎng)，光

6、子是純中性粒子，反粒子是光子自己。,場(chǎng)是更基本的，粒子只是場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)的表現(xiàn)。,8,所有場(chǎng)都處于基態(tài)時(shí)，任一種場(chǎng)都不能釋放出能量，都不能輸出信號(hào)，不能顯現(xiàn)出粒子，這就是物理上的真空，物理真空。真空并不是空無(wú)一物，而是充滿了各種場(chǎng)。,四、粒子的相互作用,粒子相互作用來(lái)自場(chǎng)之間的相互作用，場(chǎng)之間的相互作用是粒子轉(zhuǎn)化的原因。,電磁作用的媒介粒子是光子；引力是引力子(尚未找到)；弱相互作用是W粒子、W粒子和不帶電的Z0粒子；強(qiáng)相互作用是介子和膠子。,9,引力相互作用和電磁相互作用的媒介粒子的靜止質(zhì)量都為零，這兩種相互作用的力程都是無(wú)限大，稱長(zhǎng)程力。,粒子相互作用隨粒子間距離而變化，用力程表示，力程是粒

7、子間的有效作用范圍。力程大小正比于媒介粒子質(zhì)量的倒數(shù)。,介子是質(zhì)子質(zhì)量的0.149倍，W粒子是85.5倍，Z0粒子是97.2倍，強(qiáng)、弱相互作用力程分別約為1.4 103 fm 、2.4103 fm，是短程力。,10,五、粒子的分類,1. 規(guī)范玻色子：各種相互作用的媒介粒子，已發(fā)現(xiàn)可以自由狀態(tài)存在的有、W、W和Z0四種。,2. 輕子：不參與強(qiáng)相互作用的粒子。 3種帶電輕子：電子e、子和子；3種中性輕子：電子中微子e 、中微子 和中微子 ，靜質(zhì)量可能都是零。以上6種輕子連同它們的反粒子，共計(jì)12種輕子，自旋量子數(shù)都是1/2。,原始的強(qiáng)相互作用稱為色相互作用，膠子有8種。粒子參與強(qiáng)相互作用時(shí)膠子確實(shí)

8、存在并起作用。迄今還沒(méi)發(fā)現(xiàn)自由狀態(tài)下的膠子和引力子。,11,強(qiáng)子共436種，占已發(fā)現(xiàn)的452種粒子的絕大多數(shù)，其中介子有160種，重子和反重子有376種。,3. 強(qiáng)子：可以直接參與強(qiáng)相互作用的粒子稱為強(qiáng)子。分介子和重子兩類。介子是自旋量子數(shù)為零或正整數(shù)、重子數(shù)為零的強(qiáng)子；重子是自旋量子數(shù)為零或正半奇數(shù)、重子數(shù)為1的強(qiáng)子。重子數(shù)為1的重子常稱為反重子。,存在重大的理論疑難問(wèn)題，稱為e-疑難？ 電子e、子和子質(zhì)量相差懸殊，但它們參與相互作用的性質(zhì)卻完全相同。為什么相互作用性質(zhì)完全相同的3種粒子的質(zhì)量會(huì)相差如此懸殊？,12,強(qiáng)子中只有質(zhì)子和反質(zhì)子是穩(wěn)定粒子，其余在自由狀態(tài)下都要衰變。少數(shù)通過(guò)電磁相互

9、作用衰變，有些通過(guò)弱相互作用衰變，絕大多數(shù)通過(guò)強(qiáng)相互作用衰變的。中子在自由狀態(tài)是不穩(wěn)定的，但是在原子核內(nèi)它卻能穩(wěn)定地存在著。,六、強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型 (quark model of hadron structure ),(1) 強(qiáng)子是由夸克和膠子組成的復(fù)合粒子。夸克分成6味，即上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇異夸克(s)、底(美)夸克(b)和頂(真)夸克(t)。,13,(2) 每味夸克按其在強(qiáng)相互作用中的地位又可分為3色，即“紅”、“藍(lán)”和“綠”。,(3) 夸克(或反夸克)之間的相互作用通過(guò)交換膠子來(lái)實(shí)現(xiàn)；夸克所參與的強(qiáng)相互作用的行為和強(qiáng)弱是由夸克所帶色荷的大小決定的。3種色荷決定

10、了膠子可以有8種。,(4) 從最低近似來(lái)看，介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，重子由三個(gè)夸克組成。組成強(qiáng)子的夸克稱為價(jià)夸克。價(jià)夸克和價(jià)反夸克通過(guò)不斷交換膠子而相互作用。強(qiáng)子內(nèi)部除了夸克和反夸克還存在膠子。,14,價(jià)夸克決定強(qiáng)子的性質(zhì)，像價(jià)電子決定原子的性質(zhì)一樣。強(qiáng)子的不同反映在價(jià)夸克(或價(jià)反夸克)的不同上。每個(gè)強(qiáng)子內(nèi)部的所有價(jià)夸克(或價(jià)反夸克)的色性質(zhì)，保證其整體對(duì)外是無(wú)色的。,強(qiáng)子內(nèi)部膠子可轉(zhuǎn)化為夸克-反夸克對(duì)，夸克-反夸克對(duì)又可湮沒(méi)為膠子。在強(qiáng)子內(nèi)部也還存在數(shù)目未知然而是確定的夸克反夸克對(duì)稱為?？淇?，或微夸克。?？淇耸菑?qiáng)子中數(shù)目不定的夸克和反夸克。,(5) 介子是一對(duì)價(jià)夸克和價(jià)反夸克組成的強(qiáng)子，重子是三個(gè)價(jià)夸克組成的強(qiáng)子。膠子也能起到價(jià)粒子的作用，稱為價(jià)膠子。,15,膠球由兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)價(jià)膠子組成。四夸克態(tài)是兩個(gè)價(jià)夸克和兩個(gè)價(jià)反夸克組成的強(qiáng)子?；祀s子由一對(duì)價(jià)夸克、價(jià)反夸