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1、第十七章,粒子物理简介,17-1 基本粒子,17-1-1 基本粒子 一个历史的概念,1803年，英国科学家道尔顿指出： 所有物质都是由“单质原子”或“复合原子”（分子）组成。,1897年汤姆孙发现电子，人们开始意识到原子具有结构。,1919年，卢瑟福发现了质子。,1932年，查德威克发现了中子。,进入20世纪，人们开始把质子、中子、电子和光子一起称为基本粒子。,1932年，安德森发现了正电子。,相对论能量与动量关系：,能量 E 可取负号！,正负电子总是成对出现。,湮没： 电子跃入负能态的空穴中，正、负电子将消失，同时放出光子的现象。,结论：“基本粒子”可以相互转化，物质的各种形态可以相互转化。
2、,“基本粒子”一词是一个发展着的历史概念！,17-1-2 粒子的相互作用,四种基本相互作用：,引力相互作用：长程力。在质量巨大的天体之间表现得十分强大，在微观领域却是微不足道。,电磁相互作用：长程力。除了万有引力，几乎是所有宏观力的缔造者。强度是强力的10-2倍。,弱相互作用：短程力（10-16 m）。它的主要作用表现在支配一些粒子的衰变和俘获。,强相互作用：短程力（10-15m）。作用强度最强。,四种基本相互作用:,17-1-3 粒子的分类,强子：一切参与强相互作用的粒子，它又可分为介子和重子。,介子：自旋为 0 或 1，衰变的最终产物是电子、正电子、中微子和光子。,重子：自旋为半整数，1/
3、2 或 3/2。最终的衰变物都包含有质子。,轻子：不参与强相互作用的粒子，自旋为1/2。,场粒子：粒子与粒子相互作用时的交换粒子。,共振态：粒子与粒子相互碰撞时出现极其短暂（10-23 s ）的结合。,17-2 守恒定律,17-2-1 重子数和轻子数,重子数（B）,其他粒子：B = 0,重子：B = 1,反粒子：B = -1,重子数守恒定律：粒子在衰变或反应前后，总重子数相等。,轻子数 （L）,电子、子、子以及相应的中微子： L = 1； 电子、子、子和中微子等反粒子： L = -1。,其他粒子：L = 0,轻子数守恒定律：粒子在衰变或反应前后总轻子数相等。,17-2-2 同位旋 I 和同位旋
4、分量 Iz,同位旋（ I ）,同位旋分量（ Iz ）,描述同一种粒子处于不同电荷态的量子数。,共 2I + 1种取值,例如：质子和中子,例如： 介子：+、0 和-,对应于三个电荷态,单独粒子构成组的粒子：,在强相互作用中，I 和 Iz 守恒； 在电磁相互作用中，I 守恒，但 Iz 不守恒 。,17-2-3 奇异数,奇异粒子的特点：,粒子的产生通过强相互作用高速实现 ，约 10-23 s；粒子的衰变却表现出弱相互作用特征，10-10 s 10-8 s,奇异粒子总是成对产生。,例如：,奇异数（S）守恒定律：由强相互作用引起，反应前、后奇异数的代数和不变。,17-2-4 正轭和宇称,正轭：把一个体系
5、的每个粒子改换成它的反粒子的过程，记作C。,正轭的不变性：体系中的每个粒子改换成其反粒子时，其相互作用不变。,宇称 “左右交换”,空间反演：将描述粒子状态的波函数中的坐标 r 变换成 -r 的过程。,宇称算符：P,P = 1,偶宇称：,奇宇称：,宇称守恒：一个可实现的物理过程，其镜像过程同样也能实现。,“ 之谜”：弱相互作用过程中宇称可以不守恒。,时间反演（T）：把描述物理过程的时间变量换成它的负值。,例1 试用轻子数守恒定律判断下列两个衰变过程是否能实现。 （1） ； （2）,解:,（1）,左边 L = 1，,右边 L = 1-1+1= 1,轻子数守恒！,（2）,左边 L = 0，,右边 L
6、 = -1+1+1= 1,轻子数不守恒！衰变过程不能实现。,17-3 夸克 标准模型,17-3-1 夸克模型,夸克：构成强子的 “积木块”。,最初提出的三种夸克：,上夸克（up或u）,下夸克（down或d）,奇异夸克（strange或s）,自旋：,夸克模型：,介子 一个夸克和一个反夸克。,重子 三个夸克。,反重子 三个反夸克。,粲夸克（charm或c）,粲数 C：,粲夸克 C = 1 ， 反粲夸克 C = - 1；,其他夸克C = 0,1974年， 发现了J/粒子 。,底夸克（bottom或b）,顶夸克（ top或t）,是否违反泡利不相容原理？,色荷：红、绿、蓝,结论：重子中的三个夸克必须具有不同的“色”。,量子色动力学：研究夸克之间相互作用的理论。,17-3-2 标准模型,标准模型：一个关于粒子及其相互作用的大统一理论。,三个基本粒子的家族：, 轻子， 六个夸克， 场粒子,1961至1967年间，提出了弱力与电磁力统一的电弱理论。,大统一理论：强相互作用与电弱相互作用的统一理论。,
