第三篇 粒子物理学及其应用
第三篇
粒子物理学及其应用
一、基本粒子概念的发展和粒子的 分类 二、轻子 三、夸克 四、四种基本相互作用 五、粒子探测器 六、粒子物理的应用
ห้องสมุดไป่ตู้ 一、基本粒子概念的发展和粒子的分类
1、基本粒子概念的发展 ⑴ 古代对物质结构的猜想 我国夏朝：金、木、水、火、土五行学说 古希腊：水、火、土、空气组成物质 （德谟克利特）提出了原子论（公元前3世纪） ⑵ 近代对物质结构的认识 道尔顿的原子论：每一种元素都代表一种特 定的原子，不同元素的原子的性质不同。
4、夸克的颜色 夸克具有不同的颜色——红、黄、蓝 （不是实际的颜色，仅是借用），颜色 实际上是一种量子数，三种颜色代表夸 克的三种状态。 5、 c、b、t夸克的发现（略）
四、四种基本相互作用
1、弱相互作用 微观粒子间除了存在电磁作用和强作用 外，还存在着一种弱相互作用。 关于弱相互作用的研究： 1934年费米提出β衰变理论；1956年 李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称 不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱 作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提 出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作 用的本质。
1、强相互作用和强子 核子（中子和质子）间存在着很强的吸 引力——强相互作用。强相互作用的特 点是： 15 ① 短程力（力程为 10 m ） 很强（约为电磁力强度的100倍） 很快（作用时间约 10 23 s ） ② 与电荷无关 ③ 具有饱和性
1935年日本物理学家汤川为了解释强相互 作用的传递方式，提出了π介子理论。
3、中微子 在研究β衰变时，对能量守恒定律产 生怀疑时提出的。1931年，泡里认为， 在β衰变过程中，同时发射了一个质量 很小（质量为零或接近零）的中性粒子， 后来费米将它称为中微子。这样，原子 核β衰变过程中就保持了能量和动量守 恒。例如，中子的衰变过程可表示为
n p e e

⑶ 现代对物质结构认识的飞跃 1911年，卢瑟福的原子核式结构模 型——原子由原子核和电子组成； 1932年，确认中子的存在——原子核 由中子和质子组成；（三种基本粒子） 1932年，安德森发现正电子；µ 子、 л 介子和第一个奇异粒子被发现； 20世纪50年代以后，夸克的发现—— 构成物质的基本粒子共有12种，包括6种 轻子和6 种夸克。至目前，尚未发现这12 种粒子有内部结构。
V(r)称为汤川势，式中m为介子质量，g 代表核力强度，r是两核子之间的距离
2、强子超多重态（略） 3、夸克模型 重子由三个夸克组成，介子由一个夸 克和一个反夸克组成；反重子由三个反 夸克组成。 夸克有三种：上夸克、下夸克和奇异 夸克，以及它们的反夸克。 夸克必须是费米子。 夸克模型对许多实验结果作出了满意 的解释。
1942年，我国物理学家王淦昌提出了 探测中微子的方案。美国物理学家艾伦 根据这个方案，从实验上证实了电子中 微子存在。1956年，莱茵斯等人在实验 上检测到脱离了发射源的传播中的电子 中微子（这才是电子中微子存在的直接 证据）。 后来又发现了μ子中微子。并有间接证 据证明有τ子中微子。
三、夸克
2、四种基本相互作用的比较
3、量子电动力学与规范理论 量子电动力学（QED）是关于带电粒子 通过电磁场发生电磁相互作用的理论学 说，是在经典电磁场理论、狭义相对论 和量子力学的基础上建立起来的。 自由粒子Dirac方程
2 (i ic mc ) 0 t
在QED中，运动方程在带电粒子波函 数的定域相位变换下保持不变，称为规 范不变性，在数学上属于Abel群，用U （1）表示。 1954年，杨振宁和Mills将Abel群的规 范不变理论推广到非Abel规范场中，得 到称为SU（2）非Abel场，后来人们称之 为杨-Mills场。 规范场理论已发展成为现代粒子物理 基础理论的具有普遍性的重要组成部分。
me 9.109534 10
31
kg
电子带负电荷
e 1.602177334910
19
c
⑵ 正电子的发现 1928年，狄拉克从理论上预言了正电 子的存在； 1932年安德森在宇宙射线中发现了正 电子。 正电子的质量与电子相等。 正电子带与电子等量的正电荷。
2、μ子和τ子的发现 μ子有带负电的和带正电的两种，不参 与强相互作用。质量比质子重207倍。 μ 子和电子具有相同的性质，但不可能以 一种简单的方式衰变成单个电子。 τ子是1975年在美国电子对撞机上发现 的。它的质量比许多重子的质量还要大 得多。带一个单位电荷。
4 、弱电统一理论 1967—1968年温伯格和萨拉姆在格拉 肖工作的基础上，提出弱电统一理论： 像电磁作用是通过规范场——电磁场 （光子）来传递一样，弱相互作用也是 由规范场来传递的。可以用SU（2） ×2U（1）群作为统一描述弱相互作用和 电磁作用的规范群。
5、量子色动力学（QCD） 量子色动力学是解释强相互作用的规范 理论。 QCD理论认为：夸克特有的颜色可以看 作夸克之间强相互作用的荷，称为色荷。 夸克之间的强相互作用是通过交换8种电 中性而带色的无质量的胶子来传递的。 色荷和胶子在强相互作用中的地位分别 相当于电磁作用中的电荷和光子。 近年来，已有一些实验结果支持量子 色动力学。
π介子的质量约等于电子质量的275倍。 后来又发现了比核子还要重得多的介子， 连同核子称为重子。 介子和重子统称强子。
Π介子理论认为： 核子之间存在一种核力场，强相互作 用是通过交换介子传递的。 汤川由相对论波动方程出发，给出了 两核子之间的相互作用势能公式：
V r g 2 e mr r
2、基本粒子的分类 ⑴ 轻子 ⑵ 夸克 ⑶ 规范粒子 ⑷ Higgs粒子（未发现）
二、轻子 轻子——不参与强相互作用的粒子。 6种轻子按其发现的年代和性质，分 为三代；轻子同一代之间才发生相互作 用。
三代轻子的电荷和质量
1、电子的发现 ⑴ 电子是最早发现的基本粒子。1897 年汤姆逊在测定阴极射线粒子荷质比时 发现。 电子的静止质量为