八、基本粒子*

直到十九世纪末，人们都认为原子是组成物质的最小的不可再分的微粒，后来发现了电子、质子和中子，并且知道了质子和中子组成了原子核，原子核和电子组成了原子，这时许多人又认为电子、质子和中子是组成物质的最基本的粒子，把它们叫做基本粒子。

随着科学技术的发展，从二十世纪三十年代以来，人们不断地从宇宙射线和原子核物理实验中发现了大量的基本粒子。

宇宙射线是从宇宙空间射来的高能粒子，其中主要是质子，还有少量的 α 粒子和其他粒子。这些粒子的能量很高，大部分高达 10⁹ ~ 10¹⁰ 电子伏，少数粒子具有更高的能量。宇宙射线进入地球大气层后，跟大气中的原子核碰撞，会引起很多种核反应，产生各种核反应产物，自从 1911 年发现宇宙射线以后，就开始了对宇宙射线的观测。在宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的基本粒子：1932 年发现正电子，1937 年发现 µ 介子（后来称为 µ 子），1947 年又发现 K 介子和 π 介子。这些介子的质量是介于质子和电子之间的，因此叫做介子，后来又发现了质量比质子大的粒子，名叫超子[1] 。

1932 年发明了回旋加速器，后来建成了各种加速器。在用加速器进行的实验中，发现了更多的基本粒子。并且发现，许多粒子都有和它的质量相同而电荷相反的粒子，叫做反粒子。例如，电子的反粒子就是正电子，正 π 介子的反粒子就是负 π 介子，质子的反粒子叫做反质子，是 1955 年发现的，它带有单位负电荷，现在发现的基本粒子已达几百种。按照基本粒子之间的相互作用，可以把它们分为三类：

1．强子：核子之间的核力是一种比电磁作用大得多的相互作用，叫做强相互作用。凡是参与强相互作用的粒子，都叫做强子，目前发现的基本粒子，绝大多数是强子，质子是最早发现的强子，强子又分重子（中子、质子、超子）和介子两类。

2．轻子：都不参与强相互作用，只发现几种。电子是最早发现的轻子。µ 子从它的许多性质来看属于轻子，1975 年，又发现了一种质量很大的轻子，称为 τ 子，也叫重轻子。

3．媒介子：是传递粒子间相互作用的粒子，例如光子就是其中的一种，是传递电磁相互作用的。

绝大多数基本粒子都是不稳定的，在很短时间内就发生衰变，并且能相互转变，例如，正负 π 介子的平均寿命约为 2.6×10⁻⁸ 秒，它衰变为 µ 子，同时产生一种质量非常小（与电子质量相比，可以认为质量为零）的中性粒子，叫做中微子，它属于轻子，用 ν 表示。µ 子也是不稳定的，平均寿命约为 2.2×10⁻⁸ 秒，衰变为电子和正反两个中微子。

中子也可以转化，自由状态的中子的平均寿命约为 16 分，它衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子；

¹₀n→¹₁p + ⁰₋₁e + \(\overline \nu  \)

放射性原子核的 β 衰变，实际发生的就是这种反应，由中子转化成的质子仍留在原子核内，同时产生的电子（即 β 粒子）和反中微子则放射出去。

质子在自由状态是稳定的，但在原子核内也会转化为一个中子，同时放出一个正电子和一个中微子：

¹₁p→¹₀n + ⁰₁e + ν

放射性同位素磷 30 的衰变，实际发生的就是这种反应。

一对正反粒子相遇时，会同时消失而转化为别种粒子，这种现象叫做湮灭，例如，一个电子和一个正电子相遇会发生湮灭而转化为一对光子：

⁰₋₁e + ⁰₁e→γ + γ

相反的过程也能够发生。例如，能量超过 1.02 兆电子伏的 γ 光子穿过铅板时，会同时产生电子和正电子，通常把这一对正负电子叫做电子-正电子偶。图 9–16 是在云室中看到的它们的径迹，由于电子和正电子所带的电荷相反，它们在磁场中向相反的方向偏转，这个反应可表示为：

γ→⁰₋₁e + ⁰₁e

这些事实表明，光子和电子虽然有基本的区别，但是仍然有着深刻的联系。

基本粒子的种类这样多，并且能够相互转化，这就促使人们进一步去研究基本粒子的结构。许多实验事实表明，强子是有内部结构的，因此许多物理学家倾向于不再使用“基本粒子”这个名称，而改称为“粒子”。为了探索强子的内部结构，先后提出了多种模型，其中比较成功的是夸克模型，认为强子是由夸克（我国也叫层子）组成的。目前，这个模型里有六类（共十八种）夸克，还有同样数目的反夸克，它们所带的电荷是基本电荷的 ±\(\frac{1}{3}\) 或 ±\(\frac{2}{3}\)。重子是由三个夸克组成的，反重子是由三个反夸克组成的，介子是由一个夸克和一个反夸克组成的。从夸克理论得出的许多结果都跟实验符合得很好，但在实验中还没有发现自由夸克。关于夸克模型的理论正在进一步发展中。

物质世界，无论从宏观方面看，还是从微观方面看，都是无穷尽的，人类对物质世界的认识将一步一步地深人，永远不会终止。关于基本粒子的物理学——高能物理正在蓬勃发展中，人们终将认识基本粒子的结构和变化规律。

发布时间：2025/8/23 下午7:29:38  阅读次数：272