高中物理競(jìng)賽輔導(dǎo)教程有關(guān)量子的初步知識(shí)基本粒子

《高中物理競(jìng)賽輔導(dǎo)教程有關(guān)量子的初步知識(shí)基本粒子》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理競(jìng)賽輔導(dǎo)教程有關(guān)量子的初步知識(shí)基本粒子（22頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 有關(guān)量子的初步知識(shí) 3. 1 、初期量子理論 20 世紀(jì)之初，物理學(xué)家為解釋一些經(jīng)典物理所不能解釋的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，提出了量子理論。量子理論經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)展，形成了量子力學(xué)，使量子力學(xué)成為近代物理學(xué)的兩大支柱之一。 3． 1． 1、 3 ． 1． 1 、 普朗克量子論 一切物體都發(fā)射并吸收電磁波。物體發(fā)射電磁波又稱熱輻射，溫度越高，輻射的 能量越多， 輻射中短波成份比例越大。 完全吸收電磁輻射的物體發(fā)射電磁輻射的本領(lǐng)也 最強(qiáng)， 稱這種理想的物體為黑體。 研究黑體輻射電磁波長(zhǎng)的能量與黑體溫度以及電磁波 波長(zhǎng)的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)上得出了著名

2、的黑體輻射定律。 假設(shè)電磁輻射是組成黑體的諧振子所發(fā)出，按照經(jīng)典理論，諧振子的能量可以連續(xù) 地變化，電磁波的能量也是可以連續(xù)變化的，但是理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)定律相矛盾。 1900 年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了量子理論： 黑體中的振子具有的能量是不連續(xù)的， 從而， 他們發(fā)射或吸收的電磁波的能量也是不連續(xù)的。 如果發(fā)射或吸收的電磁輻射的頻率為 v， 則發(fā)射或吸收的輻射能量只能是 hv 的整倍數(shù)， h 為一普適常量，稱為普朗克常量，普 朗克的量子理論成功地解釋了黑體輻射定律， 這種能量不連續(xù)變化的概念， 是對(duì)經(jīng)典物 理概念的革命，

3、普朗克的理論預(yù)示著物理觀念上革命的開端。 3． 1． 2、 愛因斯坦光子理論 因?yàn)殡姶挪ɡ碚撘膊荒芙忉尮怆娦?yīng)，在普朗克量子 論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦于 1905 年提出了光子概念。他認(rèn)為光的傳播能量也是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份能 量稱為一個(gè)光子，即光是由光子組成的，頻率為 v 光的光子能量等于 hv， h 為普朗 克常量。光子理論圓滿地解釋了光電效應(yīng)。人們對(duì)光 本性的認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一步：光具有波粒二象性。在經(jīng)典物理 中，波是連續(xù)的，粒子是分立的，二者不相容。所以，不 能把光看作經(jīng)典物理中的波，也不能把光看作經(jīng)典

4、物理中 的粒子。故此，有了愛因斯坦光電方程： 圖 11— 6 電子衍射圖樣 1 h w mv2 2 W為逸出功， γ 為光子頻率， m 為光電子質(zhì)量。 3、 1、 3 電子及其他粒子的波動(dòng)性 我們已經(jīng)了解到，玻爾把普朗克的量子論和愛因斯坦 的光子理論，應(yīng)用到原子系統(tǒng)上，于 1913 年提出了原子理 論。按照玻爾理論，原子中存在著分立的能級(jí)，電子從某 一能級(jí)向另一能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)射或吸收一個(gè)光子。這與經(jīng) 典物理的概念也迥然不同。這就啟

5、發(fā)人們：組成原子的粒 圖 11— 7 倫琴射線衍射圖 用心 愛心 專心 1 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 子，如電子，必然不是經(jīng)典意義下的粒子，所遵從的規(guī)律也不同于經(jīng)典物理的規(guī)律。在 光具有波粒二象性的啟發(fā)下，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出一個(gè)問題： “在光學(xué)中，比起 波的研究方法來，如果說過于忽視粒子的研究方法的話，那么，在粒子的理論上，是不 是發(fā)生了相反的錯(cuò)誤，把粒子的圖象想得太過分，而過分忽視了波的圖象呢？”接著， 他在 1924 年提出了一個(gè)假說，認(rèn)為波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包

6、括 電子、質(zhì)子和中子，都有波粒二象性。他指出：具有質(zhì)量 和速度 v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有 m 波動(dòng)性，這種波長(zhǎng)等于普朗克恒量 h 與粒子 mv 動(dòng)量的比，即 λ =h/mv 。這個(gè)關(guān)系式稱 做德布羅意公式。根據(jù)德布羅意公式，很容易算出運(yùn)動(dòng)粒子的波長(zhǎng)。后來又用原子射線 和分子射線做類似的實(shí)驗(yàn)，同樣得到了衍射圖樣。質(zhì)子和中子的衍射實(shí)驗(yàn)也做成功了。 這就證明了一切運(yùn)動(dòng)的微觀粒子都具有波粒二象性， 其波長(zhǎng)與動(dòng)量的關(guān)系都符合德布羅 意公式。 粒子的波動(dòng)性又稱為德布羅意波或物質(zhì)波。 我們不能把電子等微觀粒子視為經(jīng) 典

7、的粒子，也不能把物質(zhì)波視為經(jīng)典的波。試驗(yàn)和論理的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，電子等微觀 粒子的波動(dòng)性與聲波或電磁波的特性并不完全相同， 它們遵從的規(guī)律也不一樣， 這就導(dǎo) 致了量子力學(xué)的誕生。 3、 2 量子力學(xué)初步 3． 2． 1 、 物質(zhì)的二象性 ①光的二象性： 眾所周知，光在許多情況下（干涉、偏振、衍射等）表現(xiàn)為波動(dòng)性，但在有些情況下（如光電效應(yīng)、黑體輻射等）又表現(xiàn)為粒子字。因而對(duì)光完整的認(rèn)識(shí)應(yīng)是光具有波粒二象性。 一個(gè)光子的能量： E=hv v 是光的頻率， h 是普朗克常數(shù) m E h

8、v c2 c2 光子質(zhì)量： P mc hv c 光子動(dòng)量： ②德布羅意波 德布羅意把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子。  h 6.63 10 34 焦 秒 他認(rèn)為， 波粒二象性是一切微觀粒子 共有的特性。第一個(gè)實(shí)物粒子在自由運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的能量為 E、動(dòng)量為 p，這樣的自由 粒子必定對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)頻率為 v、波長(zhǎng)為 λ 的平面簡(jiǎn)諧波。這兩組特征量之間的關(guān)系仍 是 h E hv p 自由的實(shí)物粒子所對(duì)應(yīng)的平面簡(jiǎn)諧波常稱為物質(zhì)波或德布羅意波， 它的客觀

9、真實(shí)性 已為許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 物質(zhì)波的物理意義究竟是什么？波是振動(dòng)狀態(tài)在空間傳播形成的， 波在空間某處振 用心 愛心 專心 2 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 動(dòng)狀態(tài)的強(qiáng)弱可用該處振幅的平方米來表征。對(duì)于光波，若某處振幅平方較大，則該處的光較強(qiáng)，光子數(shù)較多，這也意味著光子在該處出現(xiàn)的可能性較大，物質(zhì)波也是如此。 物質(zhì)波若在某處振幅的平方較大， 則實(shí)物粒子在該處出現(xiàn)的可能性較大， 可能性的大小 可定量地用數(shù)學(xué)上的概率大來表述， 物質(zhì)波各處振幅的平方便與粒子在該處出現(xiàn)的概率聯(lián)系起來，這就是物質(zhì)波的物理意義。 27

10、 例 1、試估算熱中子的德布羅意波長(zhǎng)。（中子的質(zhì)量 mn 1.67 10 kg ）熱中子是指在室溫下（ T=300K）與周圍處于熱平衡的中子，它的平均動(dòng)能 3 kT 3 1.38 10 23 300 6.21 10 21 J 0.038eV 2 2 v 2 2 6.21 10 21 2.7 103 m s 它的方均根速率 m n 1.67 10 27 ，相應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)

11、 h 6.63 10 34 0.15nm mn v 1.67 10 27 2700 這一波長(zhǎng)與 X 射線的波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)， 與晶體的晶面距離也有相同的數(shù)量級(jí)， 所以也 可以產(chǎn)生中子衍射。 3． 2． 2 、海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理 設(shè)一束自由粒子朝 z 軸方向運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)粒子的質(zhì)量為 ，速度為 v ，沿 z 軸方向

12、 m 的動(dòng)量 P=mv。這一束自由粒子對(duì)應(yīng)一個(gè)平面簡(jiǎn)諧波，在與 z 軸垂直的波陣面上沿任何 一個(gè)方向（記為 x 方向）的動(dòng)量取 p x 0 精確值。波陣面上各處振幅相同，每一個(gè)粒 子在各處出現(xiàn)的概率相同， 這意味著粒子的 x 位置坐標(biāo)可取任意值， 或者說粒子的 x 位 置坐標(biāo)不確定范圍為  x 。為了在波陣面的某個(gè)x 位置“抓”到一個(gè)粒子，設(shè)想用 鑷子去夾粒子。實(shí)驗(yàn)上可等效地這樣去做：在波陣面的前方平行地放置一塊擋板，板上 開一條與 x 軸垂直的狹縫，

13、狹縫相當(dāng)于一個(gè)并合不夠嚴(yán)實(shí)的鑷子。 如果狹縫的寬度為 △ x，那么對(duì)于通過狹縫的粒子可以判定它的 x 位置不確定范圍為 △ x 。 △ x 越小，通過狹 縫粒子以 x 位置就越是確定。 然而問題在于物質(zhì)波與光波一樣。 通過狹縫即會(huì)發(fā)生衍射， 出射波會(huì)在縫的上、 下兩側(cè)散開， 或者說通過狹縫的粒子既有可能繼續(xù)沿 x 軸方向運(yùn)動(dòng)， 也有可能朝 x 軸正方向或負(fù)方向偏轉(zhuǎn)地向前運(yùn)動(dòng)。 偏向的粒子必對(duì)應(yīng)地取得 x 方向的非 零動(dòng)量，即有 px 0 ，這表明出射粒子在 x 方向的動(dòng)量不再一致地為px 0 ，因此 x 方向動(dòng)量有不確定性，不確定范圍

14、可記為 px 。縫越窄， △ x 越小，粒子的 x 位置越接 近準(zhǔn)確，但衍射效應(yīng)越強(qiáng)， p x 越大，粒子的 x 方向動(dòng)量值越不準(zhǔn)確。反之，縫越寬， △ x 越大，粒子的 x 位置越不準(zhǔn)確，但衍射效應(yīng)越弱， px 越小，粒子的 x 方向動(dòng)量值 越準(zhǔn)確?？傊?，由于波動(dòng)性，使粒子的 x 位置和 x 方向動(dòng)量 px 不可能同時(shí)精確測(cè)量， 這就是測(cè)不準(zhǔn)原理。 由近代量子理論可導(dǎo)出 △ x 與 px 之間的定量關(guān)系， 這一關(guān)系經(jīng)常可近似地表述為： 用心 愛心 專心 3 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第三講有

15、關(guān)量子的初步知識(shí) x px h 對(duì) y 和 z 方向，相應(yīng)地有： y px h , z px h 有時(shí)作為估算，常將上述三式再近似取為： x px h, y py h, z pz h 在經(jīng)典力學(xué)中， 運(yùn)動(dòng)粒子任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量或者說速度都可以精確測(cè)定， 粒子 的運(yùn)動(dòng)軌道也就可以確定。 在量子理論中， 運(yùn)動(dòng)粒子在任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量或者說速 度不能同時(shí)精確測(cè)定，粒子的運(yùn)動(dòng)軌道也就無法確定。微觀世界中，粒子的運(yùn)動(dòng)軌道既

16、 然不可測(cè)，也就失去了存在的意義。如在經(jīng)典力學(xué)中，可以說氫原子中的電子繞核作圓 軌道或橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。在量子力學(xué)中，只能說粒子在核周圍運(yùn)動(dòng)，某時(shí)刻電子的位置可 能在這里，也可能在那里。描述這種可能性的概率有一個(gè)確定的分布。即使在這一時(shí)刻 于某一位置“捕捉”到了該電子，也不能預(yù)言下一時(shí)刻該電子會(huì)出現(xiàn)在什么位置，因?yàn)? 電子的運(yùn)動(dòng)沒有可供預(yù)言的軌道。 經(jīng)典力學(xué)中一個(gè)粒子可靜止在某一確定的位置， 量子 力學(xué)則否定了這種可能性。據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理，如果一個(gè)粒子在 x、 y 、 z 坐標(biāo)完全確 定，即 △ x=△ y=△ z=0

17、，那么它的 x、y、z 方向動(dòng)量均不可為零， 否則 px pypz 0， 與上面給出的關(guān)系式顯然會(huì)發(fā)生矛盾。 例 2、實(shí)驗(yàn)測(cè)定原子核線度的數(shù)量級(jí)為 10 14 m 。試應(yīng)用測(cè)不準(zhǔn)原理估算電子如被束 縛在原子核中時(shí)的動(dòng)能。從而判斷原子核由質(zhì)子和電子組成是否可能。 取電子在原子核中位置的不確定量 r 10 14 m ，由測(cè)不準(zhǔn)原理得 p h 6.63 10 34 6.63 10 20 kg m s 2 r 10 14 20

18、kg 考慮到電 由于動(dòng)量的數(shù)值不可能小于它的不確定量， 故電子動(dòng)量 p 6.63 10 子在此動(dòng)量下有極高的速度，由相對(duì)論的能量動(dòng)量公式 E 2 p 2c 2 m2 0 c4 故 E p 2 c m02 c4 2 10 11 J 電子在原子核中的動(dòng)能 EK E m0 c2 2 10 11 j 125MeV 。理論證明，電子具 有這么大的動(dòng)能足以把原子核擊碎，所以，把電子禁錮在原子核內(nèi)是不可能的，這就否定了原子核是由質(zhì)子和電子組成的假

19、設(shè)。 3.2.3 量子力學(xué)的基本規(guī)律——薛定諤方程 波函數(shù)是描寫微觀粒子的基本物理量，波函數(shù)所遵從的規(guī)律，就是量子力學(xué)的基 本規(guī)律，它將決定粒子函數(shù)的特征，從而決定粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。正像在經(jīng)典力學(xué)學(xué)里， 粒子的位置和動(dòng)量描寫粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 牛頓運(yùn)動(dòng)定律決定了粒子的位置和動(dòng)量如何變 化，因而牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基本規(guī)律。 奧地利物理學(xué)家薛定諤（ 1887~1961 ）在 1926 年找到了 遵從的規(guī)律，稱為薛定諤 方程。在應(yīng)用數(shù)學(xué)形式描述電子的波粒二象性上，他從麥克斯韋電磁理論得到啟發(fā)，認(rèn) 用心 愛心 專心 4 0.53 10

20、 高中物理競(jìng)賽原子物理學(xué)教程 第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 為電子的德布羅意波也可以應(yīng)用類似于光波的方式加以描述。 這個(gè)方程既描述了電子的 波動(dòng)行為，又蘊(yùn)涵著粒子性特征。寫出并求解薛定諤方程，超出本書的范圍。不過，我 們可以討論一下有關(guān)結(jié)論。 波函數(shù) 必須滿足一些物理?xiàng)l件： 作為描寫粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的應(yīng) 是時(shí)空坐標(biāo)的單值 函數(shù)，變化應(yīng)是連續(xù)的，不能變?yōu)闊o限大，即應(yīng)有界。這樣，薛定諤方程的解，不但成 功地解釋了玻爾原子理論所能解釋的現(xiàn)象， 而且能夠解釋大量玻爾理論所不能解釋的現(xiàn) 象。玻爾的基本假設(shè)，在量子力學(xué)里是從理論上推導(dǎo)出來的必然結(jié)果。原來，在薛定諤

21、 方程中，只有原子中電子具有某些不連續(xù)的能量值時(shí)，方程的解才滿足上述物理?xiàng)l件。 由薛定諤方程解中得出的氫原子中電子能量的可能值，正好就是玻爾原子理論給出的 值。 3.2.4 概率密度與電子云 我們將以原子的穩(wěn)定態(tài)為例， 討論一下由波函數(shù)所決定的電子在原子中的概率密度，這波函數(shù)就是由薛定諤方程 求解出來的。因?yàn)槭欠€(wěn)定態(tài)，所以和時(shí)間無關(guān)，說明在任 何時(shí)候，電子出現(xiàn)在任一處的概率密度都相同。例如，氫 原子處在基態(tài)時(shí)，電子經(jīng)常出現(xiàn)的概率最大的地方，是以 10 原子核為中心的一個(gè)球殼，這個(gè)球殼的半徑為 米，這個(gè)數(shù)值與玻爾原子理論計(jì)算出

22、來的基態(tài)軌道半徑相 同，可見，玻爾的原子軌道只不過電子出現(xiàn)概率最大的地 方。 電子核外的運(yùn)動(dòng)情況，通常用電子云來形象地描述。用小黑點(diǎn)的稠密與稀疏，來代表電子核外各處單位體積中出現(xiàn)的概率（即概率密度）的大小，這樣就可以畫出原子的電子云圖。圖 11-8 是氫原子基態(tài)的電子云。 看一下以核為中心的一層層很薄的球殼中電子出現(xiàn)的概率，在靠近原子核的地方， 雖然云霧濃度較大， 小黑點(diǎn)稠密， 但是靠近原子核的一個(gè)薄球殼中包含的小黑點(diǎn)的總數(shù)不會(huì)很多，即電子出現(xiàn)在這個(gè)球殼中的概率不會(huì)很大，因?yàn)檫@個(gè)球殼的體積較小。在遠(yuǎn) 離原子核的地方，球殼的體積雖然較大，但是小黑點(diǎn)稀疏

23、，因而出現(xiàn)在這個(gè)球殼中 的概率不會(huì)很大。經(jīng)過計(jì)算知道，在半徑為 r1 0.53 10 10 米的一薄的球殼中電子出現(xiàn) 的概率最大， r1 就是玻爾理論中氫原子基態(tài)的軌道半徑。 3.2.5 量子學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展 量子力學(xué)建立后，應(yīng)用它計(jì)算氫原子的光譜，獲得巨大成功，其理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié) 果完全符合。量子力學(xué)不僅可以正確地解釋氫原子光譜，而且，還可以說明復(fù)雜原子的 構(gòu)造，解釋復(fù)雜原子的光譜。這確實(shí)表明，量子力學(xué)是微觀粒子所遵從的規(guī)律。 在量子力學(xué)發(fā)展的早期，就認(rèn)識(shí)到它的應(yīng)用不限于電子，對(duì)其它粒子也一樣適用。 19

24、27 年，美國(guó)物理學(xué)家康登應(yīng)用量子力學(xué)解釋了 α 衰變現(xiàn)象。這又稱為隧道效應(yīng)。在 α 粒子放射體中 α 粒子被約束在原子核內(nèi)， 其能量小于核對(duì)它的結(jié)束能量——?jiǎng)輭荆? 按 照經(jīng)典理論， α 粒子是不可能穿出原子核的。但是，按照量子力學(xué)， α 粒子有穿過勢(shì)壘 用心 愛心 專心 5 高中物理競(jìng)賽原子物理教程 第三講有關(guān)量子的初步知識(shí) 第四講基本粒子 的概率。這個(gè)概率即使很小，但不為零。對(duì)大量的原子核來說，總會(huì)有一小部分原子核的 α 粒子，穿透勢(shì)壘而發(fā)射出來。理論計(jì)算為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)。 量子力學(xué)在建立之初， 就用于研究分子的結(jié)構(gòu)。 美國(guó)

25、物理學(xué)家和化學(xué)家泡利闡明了 化學(xué)鍵的本性，就是以量子力學(xué)為依據(jù)的。比如，對(duì) N2 , H 2 ,CO 等分子，原子之間的相 互作用是量子力學(xué)效應(yīng)。 當(dāng)兩個(gè)氫原子互相靠近時(shí)， 它們能量的減小在于相互吸引作用 而這是由于兩個(gè)原子共享兩個(gè)電子造成的。 和電子波函數(shù)的對(duì)稱性密切相關(guān)。 量子力學(xué) 可以算出 H 2 分子的平衡距離為 r0 7.4 10 11 米，兩個(gè)氫原子結(jié)合成氫分子時(shí)釋放的能 量為 4.52 電子伏。同樣，量子力學(xué)也解釋了共價(jià)鍵以外的結(jié)合鍵。這里不作具體介紹。 凝聚態(tài)物理，如液體和固體的構(gòu)造理論，其導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能的解釋，也是建立在量 子力學(xué)

26、基礎(chǔ)之上的。比如研究電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榫w點(diǎn)陣的周期性結(jié)構(gòu)。電子 受的力也具有空間的周期性， 量子力學(xué)能揭示電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)， 就像一個(gè)原子 中的電子可以處在不同的能級(jí)上，在固體中，電子可以在不同的能帶上，能帶有一定的 寬度，代表一個(gè)能量范圍。這就是能帶理論。應(yīng)用能帶理論，可以成功地解釋金屬和半 導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。在近代，其實(shí)際應(yīng)用幾乎隨處可見。 薛定諤方程是非相對(duì)論的，不能應(yīng)用于高速的微觀粒子。 1928 年，狄拉克建立了 相對(duì)論的量子力學(xué)方程，稱為狄拉克方程。它不僅成功地說明電子自旋的存在，而且還 證明，對(duì)于每一種粒子，都

27、存在相應(yīng)的反粒子。電子的反粒子帶正電，其他性質(zhì)都和電 子相同。 1932 年，美國(guó)物理學(xué)家安德森從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，證明了狄拉克理 論的正確性，這是基本粒子廣泛研究的開始。 基本粒子 4 、 1、基本粒子 4．1． 1、 4 ． 1． 1 、 什么是基本粒子 在古代就有一些哲學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)是由原子組成的， 原子是組成物質(zhì)的最小顆粒， 不 可再分。有基本的涵義，可稱為基本粒子。自 19 世紀(jì)初，英國(guó)科學(xué)家道爾頓以化學(xué)反 應(yīng)為依據(jù)， 提出物質(zhì)是由原子組成的學(xué)說以來，

28、人們相繼發(fā)現(xiàn)了電子、 質(zhì)子、 中子、 正電子、中微子、介子等大量的基本粒子，基本粒子數(shù)目的大量增加，使人們認(rèn)識(shí)到它 們也不可能是最基本的組分，所以有“基本粒子不基本”的說法。 中微子的發(fā)現(xiàn)，中子不是穩(wěn)定粒子，它衰變?yōu)橘|(zhì)子和電子： 01n 11P 10e , 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 此衰變中動(dòng)量不守恒。經(jīng)不斷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中子衰變的正確反應(yīng)應(yīng)為 01 n 11P 10 e v 。 v 為中微子的符號(hào) , v 為 v 反粒子的符號(hào)。 4． 1． 2 、 粒子的自旋 到本世紀(jì) 30 年代末，加上在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的 子， 人們認(rèn)為，電子、質(zhì)子

29、、中子、中微子、 子和光子都是基本粒子。除中子和 子是不 穩(wěn)定粒子外，其余都是穩(wěn)定的?；玖Ｗ拥闹饕卣鞒|(zhì)量的電荷外，還有自旋，這是 一個(gè)量子力學(xué)概念，表征粒子的內(nèi)部屬性，相當(dāng)于經(jīng)典物概念是微粒的自轉(zhuǎn)。它遵從量 用心 愛心 專心 6 高中物理競(jìng)賽原子物理教程 第四講基本粒子 子力學(xué)的 律，以 h 2 位，只能取整數(shù) 0、 1 、 2??，或半整數(shù) 1/2 、 3/2 ??。 上述 6 種粒子，除光子自旋 1 外，其余都是自旋 1/2 的粒子。自旋 整數(shù)的粒子又 稱 玻色子；自旋 半整數(shù)的粒子又稱 米子。

30、 4． 1． 3 、 粒子和反粒子 ，每一種粒子都存在相 的反粒子。反 粒子和粒子的 量、自旋都相同， 量相同而符號(hào)相反。 不 的粒子，粒子和反粒子有其它的區(qū)分 志， 里不具體描述。在粒子的符號(hào)上加一橫，代表反粒子，如 v 是反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而無區(qū) ，如光子。 1932 年安得森 了正 子，使反粒子的存在第一次得到了 。其他反粒子也先后被 。如反 子和 反中子分 是 1955 年和 1956 年在加速器中 的。 粒子和反粒子是互 反粒子的， 只 是當(dāng)初稱呼 子、 子等 粒子而已。我 個(gè)世界是由粒子

31、 成的，而不是由反粒子 成的。 4． 1． 4、 子——介子和重子 本世 40 年代到 50 年代，從宇宙射 中又 了一批粒子。比如 了 π 介子和 K 介子，它 的自旋 零；又 了與核子（ 子和中子）屬于同一 而 量更大的粒子，稱 超子，有 超子、 超子和 超子，它 都是不 定粒子。核子和超子 稱 重子。介子和重子又 稱 子。因 它 之 的相互作用 大。 4． 1． 5 、 粒子的奇異性

32、仔 地分析新 的各種粒子的衰 反 ，以及 它 參與的其它反 ， 發(fā)現(xiàn) K 介子和超子具有 生快， 衰 慢和同 生兩個(gè)或多個(gè)粒 子的新特性，與 π 介子和核子所有的性 不同，當(dāng) 有些奇異，引入了一個(gè)稱 奇 異數(shù)的量子數(shù)來 志 種奇異性。 K 介子和 K 0 介子的奇異數(shù) 1; 0, 1, 0 , 超 子的奇異數(shù) -1; , 0 -2 。具有奇異數(shù)的粒子，如其奇異數(shù) s ， 超子的奇異數(shù) 其反粒子的奇異數(shù) -s 。 π 介子和核子的奇異數(shù) 0。在 相互作用中，

33、奇異數(shù)守恒。 4． 1． 6 、 基本粒子分 按照基本粒子之 的相互作用可分 三 ： ① 子：凡是參與 相互作用的粒子，分 重子和介子兩 。 ② 子：都不參與 相互作用， 量一般 小。 ③光子：靜 量 零，是 磁相互作用的粒子。 4． 1． 7 、 夸克模型 原子不再是基本粒子，原子核一不是基本粒子，介子和 重子是否也由更 基本的粒子 成的呢？ 1964 年，美國(guó)物理學(xué)家蓋 曼和以色列物理 學(xué)家 格分 提出了夸克模型。

34、 按照夸克理 ，一切 子（參與 相互作用的粒子）都是由夸克 成的。初期提出 的夸克有三種，分 稱 上夸克 u，下夸克 d 和奇夸克 s。它 的自旋都是 1/2 ， 屬于 米子?？淇说闹匾卣髦皇?有分?jǐn)?shù) 荷。以 子 荷 位， u 的 荷 2/3 ，d 的 荷 -1 ， s 的 荷也是 -1/3 。此外， s 的奇異數(shù) -1 。 于重子，有重子數(shù)作 志，上 所述的重子的重子數(shù) 1，反重子的重子數(shù) -1 ?？淇说闹刈訑?shù) 1/3 。 于 每一種夸克，都存在相 的反夸克。反夸克的

35、 量、自旋同于夸克，而 荷、奇異數(shù)和 重子數(shù)的數(shù) 相同，符號(hào)相反。 夸克之 存在著 相互作用， 靠 種相互作用，每一個(gè)介子由一個(gè)夸克和一和反夸 用心 愛心 專心 7 高中物理競(jìng)賽原子物理教程 第四講基本粒子 克組成；每一個(gè)重子由三個(gè)夸克組成，每一個(gè)反重子由三個(gè)反夸克組成。比如， 介 子是由 u 夸克和反下夸克 d 組成的、質(zhì)子是由 u、u 和 d 三個(gè)夸克組成的； 0 超子是由 u、 d 和 s 三個(gè)夸克組成的，余此類推。圖 4-1-1 為 P、 0和 三個(gè)強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)

36、示意 d s d u u u d u 圖 4-1-1 圖。 目前已被科學(xué)家證實(shí)的夸克有：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸 克等 6 種。為了符合泡利不相容原理，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了夸克的一種更為深刻的性質(zhì)： 每種夸克都具有（顏）色，可以用紅、黃、蘭（或紅、綠、蘭）三種加以區(qū)分，這只不 過是借光的顏色名字， 夸克的色與光波的色完全是兩回事。 就像粒子帶電稱為電荷一樣， 夸克帶色，也可以稱為色荷。正是色荷間的

37、相互促進(jìn)作用，才使強(qiáng)子中的夸克互相吸引 而束縛在一起。 三種不同色的夸克組成不帶色的重子， 好像三原色組成白色一樣。 同樣， 夸克和反色夸克的色互補(bǔ)， 它們組成的介子也不帶色。 這就是為什么強(qiáng)子不帶色的原因。 在當(dāng)今看來，強(qiáng)子基礎(chǔ)是夸克，夸克是基本粒子。此外，基本粒子族還存在輕子一類。 最早發(fā)現(xiàn)了電子和電中微子；后來發(fā)現(xiàn)了 子和 中微子； 70 年代，又發(fā)現(xiàn)了 子和 中微子 . 子的質(zhì)量比核子質(zhì)量還大，它不能由輕重來區(qū)它們了。雖然 子的質(zhì)量大， 但從其性質(zhì)上看，仍屬于輕子一類。這樣，輕子也分 6 種，類似于夸克的味。時(shí)至今日， 實(shí)

38、驗(yàn)研究還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。也就是說，這 6 種輕子也屬于基本粒子。 4.2 、基本粒子間的相互作用 4． 2． 1 、 四種基本的相互作用 一切物質(zhì)歸根結(jié)底都是由基本粒子組成的。 基本粒子間的相互作用屬于基本的相互作用。實(shí)踐證明，基本的相互作用有四種： 1、引力作用 在宏觀上，特別是對(duì)于天體，引力作用是極其重要的。但是，對(duì) 于基本粒子來說，比起其他相互作用來，引力作用極其微弱，可不予以考慮。 2、弱相互作用 強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，存在于除光子外所有 粒子之間的一種短程用用。 3、電磁相互作

39、用 直接存在于帶電的粒子之間。 用心 愛心 專心 8 高中物理競(jìng)賽原子物理教程 第四講基本粒子 4、強(qiáng)相互作用 存在于夸克之間。介子或重子之間的相互作用是夸克間強(qiáng)相互 作用的間接表現(xiàn)，核子之間的相互作用即核力屬?gòu)?qiáng)相互作用。 這四種的基本相互作用，按由強(qiáng)到弱排列，它們的相對(duì)強(qiáng)度為 強(qiáng)相互作用 電磁相互作用 弱相互作用 引力相互作用 1 10 2 10 14 10 39 正像電和磁是電磁相互分用的兩個(gè)不同的表現(xiàn)方面一樣， 科學(xué)家們認(rèn)為， 電磁和弱 相互作用兩者是電 - 弱相互作用的兩個(gè)不同的表現(xiàn)方面。近年來，電弱統(tǒng)一的理論獲得了成功

40、。 傳遞相互作用的粒子 相互作用的本質(zhì)是什么呢？在電學(xué)部分，我們知道，帶電 粒子是通過電磁場(chǎng)傳遞力的。電磁場(chǎng)的傳播就是電磁波，其量子是光子。所以，帶電粒 子是通過交換光子發(fā)生相互作用的。 傳遞相互作用的粒子又稱媒介子。 光子是一切帶電 粒子間電磁相互作用的媒介子。 輕子之間不存在強(qiáng)相互作用。 輕子或重子之間都存在弱相互作用。 弱相互作用的媒 介子又稱為中間玻爾色子或弱介子。理論預(yù)言有 W 、 W 、和 Z 0 3 種弱介子。它們的 質(zhì)量都很大，自旋都等于 1，在本世紀(jì) 80 年代，這三種媒介子先后被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 夸克之間存在強(qiáng)相互作用。強(qiáng)相互作用的媒介子

41、稱為膠子。膠子的靜質(zhì)量為 0，電 荷為 0 ，自旋等于 1 ，但帶有色荷。 夸克或膠子都沒有被分離出來而直接觀測(cè)到。 為什么沒有單個(gè)的夸克出現(xiàn)呢？理論 上認(rèn)為， 夸克之間的相互作用隨著夸克之間的距離增加而加大， 以致巨大的撞擊能量未 分離開夸克，而產(chǎn)生了兩個(gè)或三個(gè)夸克組成的強(qiáng)子。這個(gè)理論又稱為夸克的禁閉理論。 按照這個(gè)理論，單個(gè)夸克是不能從強(qiáng)子中分離出來的。 4、 3 其他 4． 3． 1 、、黑洞 黑洞是指光子無法脫離其引力，因而接收不到從它射出的光子，所以稱為黑洞。 hv 可以認(rèn)為光子具有質(zhì)量 m c2 。設(shè)星體是

42、一個(gè)質(zhì)量為 M，半徑為 R 的均勻球。則質(zhì)量為 m的光子在星球表面所受到的引力為 f G Mm G M hv R 2 R2 c2 c2 c 作半徑為 R 的圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度 a 光子以光速 R 。當(dāng)引力大于向心力時(shí)， 光子不會(huì)外溢，即 f>ma 有： G M hv hv c2 c 2 R 2 c 2 R 從上式可得 用心 愛心 專心 9 高中物理競(jìng)賽原子物理教程 第四講基本粒子 R Gm Rc

43、 c2 Gm 2Gm Rc Rc c2 可以認(rèn)為 c 2 就是黑洞的臨界半徑（從廣義相對(duì)論所得結(jié)論為 ）。 對(duì)于太陽，可結(jié)算它演變成黑洞時(shí)的臨界半徑的數(shù)量級(jí)為 10 3 m 。 假定我們所在的宇宙就是一個(gè)黑洞， 即我們不可能把光反射到我們的宇宙之外。 所 以即使在宇宙之外還存在空間，還存在天體的話（這完全是一種假設(shè)），那么外面的天 體看我們的宇宙就是一個(gè)“大黑洞。試從這一假定估算我們宇宙的半徑。 解 設(shè)

44、宇宙質(zhì)量為 ，半徑為 ，則 M R M 4 R3 P 3 Gm Rc 由于黑洞的臨界半徑為 c2 。 Rc ( 3c2 )1 2 10 26 m 所以 Gp 。 4． 3． 2 、引力紅移 引力紅移是指由于引力作用， 我們觀察星體的光比星體表面發(fā)射的光波變長(zhǎng)。 因此

45、可見光波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光是紅光，也即光譜向紅端移動(dòng)，稱為引力紅移。 根據(jù)廣義相對(duì)論的等效性原理， 引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是等價(jià)的。 光子能量以及光子 —地球系統(tǒng)的勢(shì)能滿足能量守恒定律。 即光子的能量如引力勢(shì)能為常數(shù)，而光子的能量 E=hv，引力勢(shì)能為 mgz。其中 hv m z ，頻率就會(huì)改變 v c 2 ，所以當(dāng)高度改變 h v mg hv z z c2 v g z 即 v c 2 這說明頻率 v 發(fā)生了紅移 用心 愛心 專心 10