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,粒子分為強子、輕子和傳播子三太類.
強子就是是所有參與強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子,質(zhì)子、中子、π介子等都屬于強子.
輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用,而不參與強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5吉電子伏,頂夸克還沒有發(fā)現(xiàn),理論預言它的質(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主要特征量.電子、質(zhì)子、中微子是穩(wěn)定的,稱為 "長壽命"粒子；而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的,即可以衰變.一個自由的中子會衰變成一個質(zhì)子、一個電子和一個中微子； 一個π介子衰變成一個μ子和一個中微子.粒子的壽命以強度衰減到一半的時間來定義.質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子,實驗已測得的質(zhì)子壽命大于10的33次方年.
粒子具有對稱性,有一個粒子,必存在一個反粒子.1932年科學家發(fā)現(xiàn)了一個與電子質(zhì)量相同但帶一個正電荷的粒子,稱為正電子；后來又發(fā)現(xiàn)了一個帶負電、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?；反?兩個高能粒子碰撞時有可能產(chǎn)生一對新的正、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)的粒子稱為費米子,為整數(shù)的稱為玻色子.
物質(zhì)是不斷運動和變化的,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,這是基于實驗上觀察不到單個輕子和夸克的產(chǎn)生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對地產(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性.描述粒子的粒子性和波動性的雙重屬性,以及粒子的產(chǎn)生和消滅過程的基本理論是量子場論.量子場論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用.
1899年,物理學家盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射性元素鐳發(fā)出的射線中,有在磁場中偏轉(zhuǎn)的α-射線和β-射線.1903年他證實α-射線為正離子流(氦核),β-射線為電子流.在研究α-射線的穿透能力時,他發(fā)現(xiàn)大部分α-粒子均可穿過極薄的金屬箔,少數(shù)發(fā)生偏轉(zhuǎn),個別的被反彈回來.這就是著名的α-粒子散射實驗.據(jù)此,他設想：原子內(nèi)部一定是有一個帶正電的、堅硬的核.核只占據(jù)很小的空間,他估算核的半徑約為3×10-12cm,而原子半徑約為1.6×10-8cm.這樣,大部分α-粒子可以從原子中的空隙穿過,但如果遇到核,則將被反彈回來,或發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn).這一實驗,證實了原子核的存在.從而改變了湯姆生的原子模型.1911年盧瑟福提出了“行星系式”原子模型.對于認識原子結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義