高中物理競賽輔導(dǎo)-有關(guān)量子的初步知識、·基本粒子.doc

《高中物理競賽輔導(dǎo)-有關(guān)量子的初步知識、·基本粒子.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《高中物理競賽輔導(dǎo)-有關(guān)量子的初步知識、·基本粒子.doc（13頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

有關(guān)量子的初步知識 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的能量與黑體溫度以及電磁波波長的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)上得出了著名的黑體輻射定律。 圖11—6 電子衍射圖樣 圖11—7 倫琴射線衍射圖樣 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，是對經(jīng)典物理概念的革命，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)。人們對光本性的認(rèn)識前進(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)典物理中的粒子。故此，有了愛因斯坦光電方程： 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，電子從某一能級向另一能級躍遷時，發(fā)射或吸收一個光子。這與經(jīng)典物理的概念也迥然不同。這就啟發(fā)人們：組成原子的粒子，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，法國物理學(xué)家德布羅意提出一個問題：“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年提出了一個假說，認(rèn)為波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子、質(zhì)子和中子，都有波粒二象性。他指出：具有質(zhì)量m和速度v的運(yùn)動粒子也具有波動性，這種波長等于普朗克恒量h 與粒子mv動量的比，即λ=h/mv。這個關(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)動粒子的波長。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)動的微觀粒子都具有波粒二象性，其波長與動量的關(guān)系都符合德布羅意公式。粒子的波動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。因而對光完整的認(rèn)識應(yīng)是光具有波粒二象性。 一個光子的能量： E=hv v是光的頻率，h是普朗克常數(shù) 光子質(zhì)量： 光子動量： 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。他認(rèn)為，波粒二象性是一切微觀粒子共有的特性。第一個實(shí)物粒子在自由運(yùn)動時所具有的能量為E、動量為p，這樣的自由粒子必定對應(yīng)一個振動頻率為v、波長為λ的平面簡諧波。這兩組特征量之間的關(guān)系仍是 自由的實(shí)物粒子所對應(yīng)的平面簡諧波常稱為物質(zhì)波或德布羅意波，它的客觀真實(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？波是振動狀態(tài)在空間傳播形成的，波在空間某處振動狀態(tài)的強(qiáng)弱可用該處振幅的平方米來表征。對于光波，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。 例1、試估算熱中子的德布羅意波長。（中子的質(zhì)量）熱中子是指在室溫下（T=300K）與周圍處于熱平衡的中子，它的平均動能 它的方均根速率，相應(yīng)的德布羅意波長 這一波長與X射線的波長同數(shù)量級，與晶體的晶面距離也有相同的數(shù)量級，所以也可以產(chǎn)生中子衍射。 3．2．2、海森伯測不準(zhǔn)原理 設(shè)一束自由粒子朝z軸方向運(yùn)動，每一個粒子的質(zhì)量為m，速度為v，沿z軸方向的動量P=mv。這一束自由粒子對應(yīng)一個平面簡諧波，在與z軸垂直的波陣面上沿任何一個方向（記為x方向）的動量取精確值。波陣面上各處振幅相同，每一個粒子在各處出現(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。為了在波陣面的某個x位置“抓”到一個粒子，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，狹縫相當(dāng)于一個并合不夠嚴(yán)實(shí)的鑷子。如果狹縫的寬度為△x，那么對于通過狹縫的粒子可以判定它的x位置不確定范圍為△x?！鱴越小，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。通過狹縫即會發(fā)生衍射，出射波會在縫的上、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，也有可能朝x軸正方向或負(fù)方向偏轉(zhuǎn)地向前運(yùn)動。偏向的粒子必對應(yīng)地取得x方向的非零動量，即有，這表明出射粒子在x方向的動量不再一致地為，因此x方向動量有不確定性，不確定范圍可記為。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)，越大，粒子的x方向動量值越不準(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，越小，粒子的x方向動量值越準(zhǔn)確?？傊捎诓▌有?，使粒子的x位置和x方向動量不可能同時精確測量，這就是測不準(zhǔn)原理。 由近代量子理論可導(dǎo)出△x與之間的定量關(guān)系，這一關(guān)系經(jīng)?？山频乇硎鰹椋? h 對y和z方向，相應(yīng)地有： , 有時作為估算，常將上述三式再近似取為： 在經(jīng)典力學(xué)中，運(yùn)動粒子任意時刻的位置和動量或者說速度都可以精確測定，粒子的運(yùn)動軌道也就可以確定。在量子理論中，運(yùn)動粒子在任意時刻的位置和動量或者說速度不能同時精確測定，粒子的運(yùn)動軌道也就無法確定。微觀世界中，粒子的運(yùn)動軌道既然不可測，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。在量子力學(xué)中，只能說粒子在核周圍運(yùn)動，某時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確定的分布。即使在這一時刻于某一位置“捕捉”到了該電子，也不能預(yù)言下一時刻該電子會出現(xiàn)在什么位置，因?yàn)殡娮拥倪\(yùn)動沒有可供預(yù)言的軌道。經(jīng)典力學(xué)中一個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)測不準(zhǔn)原理，如果一個粒子在x、y、z 坐標(biāo)完全確定，即△x=△y=△z=0，那么它的x、y、z方向動量均不可為零，否則，與上面給出的關(guān)系式顯然會發(fā)生矛盾。 例2、實(shí)驗(yàn)測定原子核線度的數(shù)量級為。試應(yīng)用測不準(zhǔn)原理估算電子如被束縛在原子核中時的動能。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，由測不準(zhǔn)原理得 由于動量的數(shù)值不可能小于它的不確定量，故電子動量考慮到電子在此動量下有極高的速度，由相對論的能量動量公式 故 電子在原子核中的動能。理論證明，電子具有這么大的動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)動狀態(tài)。正像在經(jīng)典力學(xué)學(xué)里，粒子的位置和動量描寫粒子的運(yùn)動狀態(tài)，牛頓運(yùn)動定律決定了粒子的位置和動量如何變化，因而牛頓運(yùn)動定律是經(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)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。這個方程既描述了電子的波動行為，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)動狀態(tài)的應(yīng)是時空坐標(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，在薛定諤方程中，只有原子中電子具有某些不連續(xù)的能量值時，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)，所以和時間無關(guān)，說明在任何時候，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，電子經(jīng)常出現(xiàn)的概率最大的地方，是以原子核為中心的一個球殼，這個球殼的半徑為米，這個數(shù)值與玻爾原子理論計(jì)算出來的基態(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薄球殼中包含的小黑點(diǎn)的總數(shù)不會很多，即電子出現(xiàn)在這個球殼中的概率不會很大，因?yàn)檫@個球殼的體積較小。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，因而出現(xiàn)在這個球殼中的概率不會很大。經(jīng)過計(jì)算知道，在半徑為米的一薄的球殼中電子出現(xiàn)的概率最大，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)識到它的應(yīng)用不限于電子，對其它粒子也一樣適用。1927年，美國物理學(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)，其能量小于核對它的結(jié)束能量——勢壘，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粒子有穿過勢壘的概率。這個概率即使很小，但不為零。對大量的原子核來說，總會有一小部分原子核的α粒子，穿透勢壘而發(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,CO等分子，原子之間的相互作用是量子力學(xué)效應(yīng)。當(dāng)兩個氫原子互相靠近時，它們能量的減小在于相互吸引作用 而這是由于兩個原子共享兩個電子造成的。和電子波函數(shù)的對稱性密切相關(guān)。量子力學(xué)可以算出分子的平衡距離為米，兩個氫原子結(jié)合成氫分子時釋放的能量為4.52電子伏。同樣，量子力學(xué)也解釋了共價鍵以外的結(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)基礎(chǔ)之上的。比如研究電子在晶體中的運(yùn)動，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)動狀態(tài)，就像一個原子中的電子可以處在不同的能級上，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，對于每一種粒子，都存在相應(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，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：,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此衰變中動量不守恒。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。v為中微子的符號,為v 反粒子的符號。 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、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)。它遵從量子力學(xué)的規(guī)律，以為單位，只能取整數(shù)0、1、2……，或半整數(shù)1/2、3/2……。上述6種粒子，除光子自旋為1外，其余都是自旋為1/2的粒子。自旋為整數(shù)的粒子又稱為玻色子；自旋為半整數(shù)的粒子又稱為費(fèi)米子。 4．1．3、 粒子和反粒子 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每一種粒子都存在相應(yīng)的反粒子。反 粒子和粒子的質(zhì)量、自旋都相同，電量相同而符號相反。對不帶電的粒子，粒子和反粒子有其它的區(qū)分標(biāo)志，這里不具體描述。在粒子的符號上加一橫，代表反粒子，如是反中微子。也有的粒子的反粒子就是自身，而無區(qū)別，如光子。1932年安得森發(fā)現(xiàn)了正電子，使反粒子的存在第一次得到了證實(shí)。其他反粒子也先后被發(fā)現(xiàn)。如反質(zhì)子和反中子分別是1955年和1956年在加速器中發(fā)現(xiàn)的。粒子和反粒子是互為反粒子的，只是當(dāng)初稱呼電子、質(zhì)子等為粒子而已。我們這個世界是由粒子組成的，而不是由反粒子組成的。 4．1．4、 強(qiáng)子——介子和重子 本世紀(jì)40年代到50年代，從宇宙射線中又發(fā)現(xiàn)了一批粒子。比如發(fā)現(xiàn)了π介子和K介子，它們的自旋為零；又發(fā)現(xiàn)了與核子（質(zhì)子和中子）屬于同一類而質(zhì)量更大的粒子，稱為超子，有超子、超子和超子，它們都是不穩(wěn)定粒子。核子和超子統(tǒng)稱為重子。介子和重子又統(tǒng)稱為強(qiáng)子。因?yàn)樗鼈冎g的相互作用強(qiáng)大。 4．1．5、 粒子的奇異性 仔細(xì)地分析新發(fā)現(xiàn)的各種粒子的衰變反應(yīng)，以及它們參與的其它反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)K介子和超子具有產(chǎn)生快，衰變慢和同時產(chǎn)生兩個或多個粒子的新特性，與π介子和核子所有的性質(zhì)不同，當(dāng)時認(rèn)為有些奇異，引入了一個稱為奇異數(shù)的量子數(shù)來標(biāo)志這種奇異性。 介子和介子的奇異數(shù)為1;超子的奇異數(shù)為-1;超子的奇異數(shù)為-2。具有奇異數(shù)的粒子，如其奇異數(shù)為s，則其反粒子的奇異數(shù)為-s。π介子和核子的奇異數(shù)為0。在強(qiáng)相互作用中，奇異數(shù)守恒。 4．1．6、 基本粒子分類 按照基本粒子之間的相互作用可分為三類： ①強(qiáng)子：凡是參與強(qiáng)相互作用的粒子，分為重子和介子兩類。 ②輕子：都不參與強(qiáng)相互作用，質(zhì)量一般較小。 ③光子：靜質(zhì)量為零，是傳遞電磁相互作用的粒子。 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為基本的粒子組成的呢？1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼和以色列物理學(xué)家茲韋格分別提出了夸克模型。 按照夸克理論，一切強(qiáng)子（參與強(qiáng)相互作用的粒子）都是由夸克組成的。初期提出的夸克有三種，分別稱為上夸克u，下夸克d和奇夸克s。它們的自旋都是1/2， 屬于費(fèi)米子?？淇说闹匾卣髦皇菐в蟹?jǐn)?shù)電荷。以電子電荷為單位，u的電荷為2/3，d的電荷為-1，s的電荷也是-1/3。此外，s的奇異數(shù)為-1。對于重子，有重子數(shù)作為標(biāo)志，上節(jié)所述的重子的重子數(shù)為1，反重子的重子數(shù)為-1?？淇说闹刈訑?shù)為1/3。對于每一種夸克，都存在相應(yīng)的反夸克。反夸克的質(zhì)量、自旋同于夸克，而電荷、奇異數(shù)和重子數(shù)的數(shù)值相同，符號相反。 夸克之間存在著強(qiáng)相互作用，靠這種相互作用，每一個介子由一個夸克和一和反夸克組成；每一個重子由三個夸克組成，每一個反重子由三個反夸克組成。比如，介子是由u夸克和反下夸克組成的、質(zhì)子是由u、u和d三個夸克組成的；超子是由u、d和s三個夸克 u u d d s u u 圖4-1-1 組成的，余此類推。圖4-1-1為P、 三個強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)示意圖。 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。時至今日，實(shí)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?；玖Ｗ娱g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，特別是對于天體，引力作用是極其重要的。但是，對于基本粒子來說，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、電磁相互作用 直接存在于帶電的粒子之間。 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強(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 正像電和磁是電磁相互分用的兩個不同的表現(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-弱相互作用的兩個不同的表現(xiàn)方面。近年來，電弱統(tǒng)一的理論獲得了成功。 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傳遞力的。電磁場的傳播就是電磁波，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 、、和種弱介子。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到。為什么沒有單個的夸克出現(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)生了兩個或三個夸克組成的強(qiáng)子。這個理論又稱為夸克的禁閉理論。按照這個理論，單個夸克是不能從強(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。 可以認(rèn)為光子具有質(zhì)量。設(shè)星體是一個質(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 光子以光速c作半徑為R的圓周運(yùn)動的向心加速度。當(dāng)引力大于向心力時，光子不會外溢，即f>ma有： 從上式可得 可以認(rèn)為就是黑洞的臨界半徑（從廣義相對論所得結(jié)論為）。 對于太陽，可結(jié)算它演變成黑洞時的臨界半徑的數(shù)量級為。 假定我們所在的宇宙就是一個黑洞，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“大黑洞。試從這一假定估算我們宇宙的半徑。 解 設(shè)宇宙質(zhì)量為M，半徑為R，則 由于黑洞的臨界半徑為 。 所以 。 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。因此可見光波長最長的光是紅光，也即光譜向紅端移動，稱為引力紅移。 根據(jù)廣義相對論的等效性原理，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是等價的。光子能量以及光子—地球系統(tǒng)的勢能滿足能量守恒定律。 即光子的能量如引力勢能為常數(shù)，而光子的能量E=hv，引力勢能為mgz。其中 ，所以當(dāng)高度改變 ，頻率就會改變 即 這說明頻率v發(fā)生了紅移