基本粒子
所謂基本粒子就是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的單元.根據(jù)作用力的不同,粒子分為強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類.
強(qiáng)子就是是所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱.它們由夸克組成,已發(fā)現(xiàn)的夸克有五種,它們是：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克.理論預(yù)言還有第六種夸克存在,已命名為頂夸克,但目前尚未發(fā)現(xiàn).現(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子,質(zhì)子、中子、π介子等都屬于強(qiáng)子.
輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用,而不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱.輕子共有六種,包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子.電子、μ子和τ子是帶電的,所有的中微子都不帶電；τ子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子,不參與強(qiáng)作用,屬于輕子,但是它的質(zhì)量很重,是電子的3600倍,質(zhì)子的1.8倍,因此又叫重輕子.
傳播子也屬于基本粒子.傳遞強(qiáng)作用的膠子共有8種,1979年在三噴注現(xiàn)象中被間接發(fā)現(xiàn),它們可以組成膠子球,但至今尚未被直接觀測(cè)到.傳遞弱作用的W+,W-和Z0.中間玻色子是1983年發(fā)現(xiàn)的,非常重,是質(zhì)子的80一90倍.
基本粒子要比原子、分子小得多,現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到.質(zhì)子、中子的大小,只有原子的十萬分之一.而輕子和夸克的尺寸更小,還不到質(zhì)子、中子的萬分之一.
粒子的質(zhì)量是粒子的另外一個(gè)主要特征量.按照粒子物理的 規(guī)范理論,所有規(guī)范粒子的質(zhì)量為零,而規(guī)范不變性以某種方式 被破壞了,使夸克、帶電輕子、中間玻色子獲得質(zhì)量.現(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大,從0到90吉電子伏.光子、膠子是無質(zhì)量的,電子質(zhì)量很小,只有0.5兆電子伏,π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重,接近電子質(zhì)量的2000倍,約為1吉電子伏,已知最重的粒子是Z0,其質(zhì)量為90吉電子伏.己發(fā)現(xiàn)的五種夸克,從下夸克到底夸克,質(zhì)量從輕到重.下夸克質(zhì)量只有0.3吉電子伏,而底夸克重達(dá)5吉電子伏,頂夸克還沒有發(fā)現(xiàn),理論預(yù)言它的質(zhì)量可能超過100吉電子伏.中微子的質(zhì)量非常小,目前己測(cè)得的電子中微子的質(zhì)量小于7電子伏,即為電子質(zhì)量的七萬分之一,已非常接近零.
粒子的壽命是粒子的第三個(gè)主要特征量.電子、質(zhì)子、中微子是穩(wěn)定的,稱為 "長(zhǎng)壽命"粒子；而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的,即可以衰變.一個(gè)自由的中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子； 一個(gè)π介子衰變成一個(gè)μ子和一個(gè)中微子.粒子的壽命以強(qiáng)度衰減到一半的時(shí)間來定義.質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子,實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于10的33次方年.
粒子具有對(duì)稱性,有一個(gè)粒子,必存在一個(gè)反粒子.1932年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電子質(zhì)量相同但帶一個(gè)正電荷的粒子,稱為正電子；后來又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶負(fù)電、質(zhì)量與質(zhì)子完全相同的粒子,稱為反質(zhì)子；隨后各種反夸克和反輕子也相繼被發(fā)現(xiàn).一對(duì)正、反粒子相碰可以湮滅,變成攜帶能量的光子,即粒子質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚环粗?兩個(gè)高能粒子碰撞時(shí)有可能產(chǎn)生一對(duì)新的正、反粒子,即能量也可以轉(zhuǎn)變成具有質(zhì)量的粒子.
粒子還有另一種屬性—自旋.自旋為半整數(shù)的粒子稱為費(fèi)米子,為整數(shù)的稱為玻色子.
物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的,在變化中也有些東西不變,即守恒.粒子的產(chǎn)生和衰變過程就要遵循能量守恒定律.此外還有其他的守恒定律,例如輕子數(shù)和夸克數(shù)守恒,這是基于實(shí)驗(yàn)上觀察不到單個(gè)輕子和夸克的產(chǎn)生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對(duì)地產(chǎn)生和湮滅而總結(jié)出來的.
微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動(dòng)性.描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性,以及粒子的產(chǎn)生和消滅過程的基本理論是量子場(chǎng)論.量子場(chǎng)論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用.