各種粒子的引入
值得註意的是,古希臘人還有“分子”的概念,用來表示由幾個原子組成的小群體,不同原子的群體對應不同的物理性質。古希臘人的這種想法與現代物理學家和化學家的想法幾乎完全相同。
有了原子的概念,下面就會有很多“子”,比如代表光的最小單位的光子,代表電的最小單位的電子等等。誠然,繼原子之後,光子和電子在物理學中被廣泛研究和討論。
這裏插壹句“量子”的概念。量子最早由普朗克提出,用來表示光能的最小單位hν。現在我們知道hν是光子的能量。
原子整體上是電中性的,電子是原子的組成部分,帶負電,所以原子中必然有帶正電的成分,就是質子,帶正電,帶的電和電子完全壹樣。但是質子的質量比電子大將近2000倍。
質子位於原子中心非常小的區域,我們稱之為原子核。除了質子,還有中子。中子和質子的質量幾乎相同,但中子不帶電。中子和質子壹起形成原子核。可能是幾個質子和幾個中子壹起形成壹個原子核。
中子不穩定。物理學家發現原子核中的中子會衰變為質子和電子,相應地原子核中的質子數會是+1。這個過程叫做β衰變,這裏的β粒子是指從原子核中釋放出來的電子。物理學家發現能量在β衰變中似乎是非守恒的,這讓泡利猜測β衰變中還有壹種質量幾乎為零的中性粒子帶走了壹部分能量,那就是中微子。
物理學家對宇宙射線的研究發現了正電子,這是壹種質量和電荷與電子完全相同的粒子,但電荷相反。正電子可以用狄拉克的相對論量子力學很好地解釋。
玻色子和費米子的概念是物理學家在研究由幾個粒子組成的物理系統時提出的。根據量子力學,同種微觀粒子具有完全相同的電荷、質量、自旋等。,它們是不可區分的。如果我們試圖像經典粒子壹樣用“軌跡”來區分微觀粒子,這是壹個不可能完成的任務,因為對於量子力學來說,有壹個位置-動量不確定性原理。我們不可能無限精確地同時確定微觀粒子的位置和動量,也就是說無限精細的軌道是不存在的。原則上,我們不能區分兩個相同種類的微觀粒子。
這又需要波函數來描述粒子系統,即對於兩個粒子的交換,波函數要麽對稱,要麽反對稱。如果波函數是對稱的,對應的粒子就是玻色子,反之亦然。
上述粒子中的玻色子是光子,其余的:電子、正電子、質子、中子、中微子稱為費米子。
值得壹提的是,現在物理學家提出了超對稱的概念,認為每壹個作為費米子的基本粒子都會有壹個超對稱玻色子與之對應,每壹個玻色子都會有壹個超對稱費米子與之對應。比如電子的超對稱伴侶是超電子,光子的超對稱伴侶是光子等等。
但遺憾的是我們至今沒有發現任何超對稱粒子。
根據粒子物理學的標準模型(如圖),我們可以通過相互作用對粒子進行分類。
誇克參與強相互作用,包括:U(上)、C(粲)、T(上)、D(下)、S(奇)、B(下);
弱相互作用是e(電子),μ介子,τ,電子中微子,μ介子中微子,τ中微子。
這些都是費米子。
規範玻色子是傳遞相互作用的介質粒子:膠子傳遞強相互作用,光子傳遞電磁相互作用,Z和W+-玻色子傳遞弱相互作用。當然我們也可以說引力子傳遞引力,但是引力的量子化還沒有完成,引力子還沒有被發現。
最後,還有壹種標量玻色子——希格斯玻色子,它解釋了為什麽壹些基本粒子具有質量。