走进微观世界，

认识基本粒子（上集）

（清风科普于2023于1月21日）

01. 基本粒子：

elementary particle

基本粒子是组成物质最基本的单位。目前在标准模型理论的架构下，已知的基本粒子可分为3种类型：

①费米子：包含夸克和轻子；

②玻色子：包含规范玻色子和希格斯粒子；

③复合粒子：由两个或更多基本粒子所组成，如中子、质子、和介子。

02. 次原子粒子：

Subatomic particle

①费米子：构成物质世界的粒子

包括基本费米子和强子；强子包括重子和介子；基本费米子包括夸克和轻子。

②玻色子：传递作用力的粒子

包括基本玻色子和强子。强子包括重子和介子；基本玻色子包括规范玻色子和标量玻色子；标量玻色子只有希格斯粒子；规范玻色子包括光子、胶子、W玻色子和Z玻色子。

03. 质子：proto

①带正电荷：1.6× 10⁻¹⁹ C（库仑）；

②直径：1.6~1.7×10⁻¹⁵ m（米）；

③质量：938MeV/c²

（百万电子伏特/c²）

=1.672621637（83）×10⁻²⁷kg（公斤）

④质子由2个上夸克和1个下夸克，通过胶子在强相互作用下所构成的复合粒子。

⑤原子核中的质子数决定了外层电子总数，也决定了它属于哪种化学元素。自然界中发现的化学元素有84种，包括人工合成共有118种。构成生命最大量元素有6种：C、H、O、N、P、S；构成无机自然界最大量元素：前6种再加后6种 Si、AI、Fe、Ca、Na、K、Mg。

04. 中子：Neutron

①不带电荷：呈电中性；

②直径：1.6~1.7×10⁻¹⁵ m（米）；

③质量：939.56563 MeV/c²

（百万电子伏特/c²）

= 1.6749286（83） ×10⁻²⁷kg；

④中子由2个下夸克和1个上夸克，通过胶子在强相互作用下所构成的复合粒子。

⑤中子自旋为1/2，自由中子是不稳定的粒子，平均寿命为896秒。中子可以通过弱相互作用（β衰变）成为质子，并释放电子和反中微子。

中子（n） →质子（p） + 电子（e⁻） + 反中微子（Ve）

05. 电子：electron

①带负电荷：1.602176634×10⁻¹⁹C（库仑），是电量的最小单元。

②直径：10⁻¹⁹m（米）

③质量：0.51 MeV/c²

（百万电子伏特/c²）

= 9.10956 ×10⁻³¹kg（公斤）；

质子质量是电子质量的1836.5倍。

④物体表面，静电荷过多带负电，静电荷过少带负电。移动的电子会产生磁场，切割磁力线会发生电磁感应。

⑤当电子脱离原子核束缚，在别的原子中自由移动时，产生净流动现象称为电流。电流方向由正极到负极，电子运动由负极到正极。

⑥原子失去电子成正离子，得到电子成负离子。物质具有得电子的性质叫氧化性，该物质称氧化剂；物质具有失电子的性质叫还原性，该物质称还原剂。

06. 夸克：quark

①夸克：是一种参与强相互作用的基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合形成复合粒子叫强子。强子中最稳定的是质子和中子，共同构成原子核，共同构成物质世界。

② 夸克禁闭：描述夸克不会单独存在。由于在强相互作用力束缚下，三个带色荷的夸克被胶子牢牢限制在质子和中子内部，使得总色荷为零。夸克之间的作用力，随着距离的微小增加而急骤增加，因此我们不能发现夸克的单独存在，这种现象被形象地称为“夸克禁闭〞。

③夸克种类：有6味。第Ⅰ代有上夸克（u）和下夸克（d），质量最轻；第Ⅱ代有奇夸克（s）和粲夸克（c），质量较重；第Ⅲ代有底夸克（b）和顶夸克（t），质量最重。

④粒子衰变：是夸克从一个高质量状态变成低质量状态的过程。通过粒子衰变，使第Ⅲ代夸克变成第Ⅱ代夸克，又使第Ⅱ代夸克变成第Ⅰ代夸克，并且释放大量能量。

07. 胶子：gluon

①胶子是传递夸克之间强相互作用的粒子，归属于规范玻色子，共8种。静质量为0，自旋为1。具有色荷（红色、蓝色与绿色）。

②带电粒子之间的电磁相互作用，是通过交换光子而实现的；而带有色荷的夸克之间的强相互作用，是通过交换胶子而实现的。

③光子不带电荷，所以光子与光子之间没有电磁相互作用；胶子带色荷，所以胶子与胶子之间也会发生强相互作用。

④胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克牢牢捆绑在一起，使之形成质子、中子、超子或其他重子。

⑤1979年在高能正负电子对撞实验中，发现三喷注现象，进一步显示了胶子的存在。2010年，欧洲核子研究中心大型强子对撞机的三个实验，也宣称证实了夸克-胶子等离子体态的存在。

08. 光子：light

①光的速度：在真空中为299792458m/s

=3×10^8m/s（米/秒）=30万公里/秒。

②光的本质：是一种处于特定频段的光子流。光源发出光，是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以波的形式释放能量。

如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就停止跃迁。否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量。

③光的特性：a. 在几何光学中，光以直线方式传播。b. 在波动光学中，光以波的形式传播；不同波长的光，呈现不同的颜色。c. 光速最快且恒定。d. 在量子光学中，光的能量是量子化的，构成光量子（简称光子）。

④光的折射、反射、散射、衍射和吸收。

⑤光电效应、光化学效应、声光效应。

09. 轻子：lepton

①轻子指不参与强相互作用的自旋为 ћ/2 的费米子。轻子有3味：电子、μ子、τ子；对应中微子也有3味：电中微子、μ中微子、τ中微子。

光子传递电磁力，胶子传递强力，W和Z传递弱力。轻子不参与强力传递，只受电磁力和弱力的影响。

②轻子有6味：

e⁻电子= 0.51MeV/c²

μ⁻粒子= 105.66MeV/c²

τ⁻粒子= 1776.99MeV/c²

这3种轻子都带有一个单位的负电荷。它们的反粒子也3种：e+、μ+、τ+，也都带有一个单位的正电荷。中微子及其反粒子不带电，是中性粒子。

③轻子数守恒：

分解成电子数和μ子数守恒。

即：（e⁻电子+ νe粒子）-（e⁺电子+ νe粒子）=（μ⁻粒子+νμ粒子）-（μ⁺粒子+νμ粒子）。

10.中微子：neutrino

①中微子是宇宙中最基本粒子。它归属于轻子，中微子体积微小、不带电，可以自由穿过地球和人体。自旋为1/2，质量非常轻，仅仅是电子的百万分之一。以接近光速运动，

②中微子几乎不与任何物质相互作用。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。科学界从预言它的存在到发现它，整整用了20年的时间。

③中微子参与太阳核反应的弱相互作用。每秒会产生10⁺³⁸个中微子。每秒钟会有1000万亿个中微子穿透人体而无知觉，每秒有650亿个中微子穿过你的肉眼而不损伤眼睛。

④中微子具有极强的穿透力。能轻松穿透地球，就像宇宙中的“隐形人”。地球表面每秒每平方厘米有600 亿~1200亿个中微子轻松穿透。

⑤中微子有3种，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，分别对应于的轻子：电子、μ子和τ子。所以中微子都不带电荷，不参与电磁相互作用和强相互作用，但参与弱相互作用和引力相互作用。

⑥实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（β衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等，都会产生大量的中微子。

11. 介子：misoton

①介子是自旋为整数、重子数为零的强子。介子的自旋量子数为零。介子参与强相互作用。

②介子的静态质量介于轻子和重子之间，所以取名为介子。介子的静态质量是电子的200～300倍。介子和重子都属于强子。

③介子种类：π介子、κ介子、η介子、ρ介子、ω介子。介子都属于玻色子。介子都不能稳定存在，经历一定平均寿命后，即转变为别种基本粒子。

④π介子有三种：π⁰电中性，质量为电子的264.3倍；π⁺和π⁻，带电荷，质量为电子的273.3倍。μ介子的质量为电子的206.6倍。

12.超子：hyperon

（1）所有的超子都是重子和费米子。自旋半奇数，遵守费米-狄拉克统计。超子都不稳定，经过一定的平均寿命后，便衰变为其他基本粒子。

（2）超子是质量比核子（质子和中子）更重的重子。超子在强相互作用下产生，却通过弱相互作用衰变。由奇异夸克构成。

（3）超子种类：

①Ω粒子：有3个奇夸克（Ω⁰、Ω⁺、Ω⁻），质量小于上、下夸克，又大于轻子，是由超子梯次衰变而来。

②Λ° 粒子：只有1种，不带电；

质量1115.4 Mev /e²，

半衰期2.6×10⁻¹⁰秒，

衰变方式：Λ°→P+π⁻，Λ°→n+π°。

③Ξ粒子：有Ξ°和Ξ⁻共2种，并有相对应的反粒子。Ξ粒子也称为递次粒子，即先衰变为Λ°粒子，然后Λ°粒子再衰变为质子和介子。

Ξ°粒子：不带电，质量1314MeV/e²；

半衰期3×10⁻¹⁰秒，衰变方式：Ξ⁰→Λ°+π⁰

Ξ⁻粒子：带负电，质量1321MeV/e²，

半衰期1.75×10⁻¹⁰秒，

衰变方式：Ξ⁻→Λ°+π⁻。

④Σ粒子：有Σ⁺，Σ°，Σ⁻ 共3种，并有相对应的反粒子。

Σ⁺粒子：带正电，质量1189.4MeV/e²，

半衰期0.79×10⁻¹⁰秒，

衰变方式：Σ⁺→P+π°，Σ⁺→n+π⁺。

Σ°粒子：不带电，质量1192.3MeV/e²，

半衰期10⁻¹⁰秒，衰变方式：Σ°→Λ°+γ。

Σ⁻粒子：带负电，质量1197.2MeV/e²，

半衰期1.58×10⁻¹⁰秒，

衰变方式：Σ⁻→n+π⁻。