七、基本粒子

什么是基本粒子 在古代就有一些哲学家认为物质是由原子组成的，原子是组成物质的最小颗粒，不可再分，有基本的涵义，可称为基本粒子。19 世纪初，英国科学家道尔顿以化学反应为依据，提出物质是由原子组成的学说，使原子理论成为科学。原子作为基本粒子的概念，并没有持续多长时间，科学家发现了电子。随后，确认氢的原子核就是质子。原子是由原子核和核外电子组成的，原子不再是基本粒子。1932 年，查德威克发现中子，人们知道原子核由质子和中子组成。这样，除电子外，质子和中子都是基本粒子了。后来人们又发现了正电子、中微子、介子等大量的基本粒子。基本粒子数目的大量增加，使人们认识到它们也不可能是最基本的组分，所以有“基本粒子不基本”的说法。

中微子的发现 中子不是稳定粒子，它衰变为质子和电子：¹ n→¹P

0 1

＋⁰ e。实验发现此衰变中动量不守恒。例如，静止的中子衰变成的质

子和电子应该向相反的方向运动，实验测量并非如此。瑞士物理学家泡利据此预言存在中微子，中微子不带电，质量可能为零，有极强的穿透力。把中微子的动量计算在内，反应前后的动量是守恒的。虽然到 50 年代才从实验上得到中微子存在的直接证据，但是物理学家已经肯定中微子也是一个基本粒子。中子衰变的正确反应应为

¹ n→¹P＋ ⁰ e＋ν

0 1 −1

ν为中微子的符号，ν为ν的反粒子的符号。

粒子的自旋 到本世纪 30 年代末，加上在宇宙射线中发现的μ子， 人们认为，电子、质子、中子、中微子、μ子和光子都是基本粒子。除中子和μ子是不稳粒子外，其余都是稳定的。基本粒子的主要特征除质量和电荷外，还有自旋，这是一个量子力学概念，表征粒子的内部属性，相当于经典物理概念是微粒的自转。它遵从量子力学的规律，以 h／2π为单位，只能取整数 0、1、2、⋯⋯，或半整数 1/2、3/2⋯⋯。上述 6 种粒子， 除光子自旋为 1 外，其余都是自旋为 1/2 的粒子。自旋为整数的粒子又称为玻色子；自旋为半整数的粒子又称为费米子。

粒子和反粒子 在本章第六节已经提到，每一种粒子都存在相应的反粒子。反粒子和粒子的质量、自旋都相同，电量相同而符号相反。对不带电的粒子，粒子和反粒子有其它的区分标志，这里不具体描述。在粒子的符号上加一横，代表反粒子，如ν为反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而无区别，如光子。1932 年安德森发现了正电子，使反粒子的存在第一次得到了证实。其他反粒子也先后被发现。如反质子和反中子分别是1955 年和 1956 年在加速器中发现的。粒子和反粒子是互为反粒子的，只是当初称呼电子、质子等为粒子而已。我们这个世界是由粒子组成的，而不是由反粒子组成的。

核子玻色子遵从玻色—爱因斯坦统计，费米子遵从泡利不相容原理。

①

① 泡利不相容原理：不能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的状态。

强子——介子和重子 本世纪 40 年代到 50 年代，从宇宙射线中又发现了一批粒子。比如发现了π介子和 K 介子，它们的自旋为零；又发现了与核子(质子和中子)属于同一类而质量更大的粒子，称为超子，有Λ超子、∑超子和Ξ超子，它们都是不稳定粒子。π介子就是日本物理学家汤川秀树在 30 年代预言的传递核力的粒子和超子统称重子。介子和重子又统称为强子，因为它们之间的相互作用强大。

粒子的奇异性 仔细地分析新发现的各种粒子的衰变反应，以及它们参与的其它反应，发现 K 介子和超子具有产生快，衰变慢和同时产生两个或多个粒子的新特性，与π介子和核子所有的性质不同，当时认为有些奇异，引入了一个称为奇异数的量子数来标志这种奇异性．K^{+介子和 K0} 介子的奇异数为 1；Λ⁰，∑-，∑⁰，∑+超子的奇异数为－1；Ξ^-、Ξ0 超子的奇异数为－2。具有奇异数的粒子，如其奇异数为 s，则其反粒子的奇异数为－s。π介子和核子的奇异数为 0。在强相互作用中，奇异数守恒。