清华大学物理第30章粒子物理简介(余京智)
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粒子物理-北京大学物理学院
������1 = ������6 , ������2 = ������5 , ������3 = ������4 , ������7 = ������8 = ������9 = ������10
共四个独立截面
进一步的限制
➢ 散射截面正比于跃迁振幅的模方：
������ 1 = ������3/2 , 1 ������ 2 = (������3/2 + 2������1/2 ), 3 1 ������ 3 = (2������3/2 + ������1/2 ), 3 2 ������ 7 = (������3/2 − ������1/2 ) 3
➢ 实验结果：������ = 1.44
近阈放大效应
➢ ������������+ = ������������− = 493.677 ± 0.016������������������ ， ������������0 = ������������ ഥ 0 = 497.614 ± 0.024������������������
➢ 强相互作用规律分析可以衰变，������ → ������ + + ഥ 0 末态 ������ − 或������ → ������ 0 + ������
➢ 同位旋守恒要求两衰变道的振幅相等 ഥ 0 的质量均相等，则相空 ➢ 如果������ + , ������ − , ������ 0 , ������ 间也相同，可推断两种衰变分支比也相等
➢ 同位旋把不同电荷的粒子统一起来，可以规定������3 的本征态为电荷取确定值的态，同一同位旋多重 态内不同������3 本征值的改变等于电荷的子的自旋：在某方向的投影取不同值， 是该粒子的不同运动状态 ➢ 粒子的同位旋：同一同位旋多重态中������3 取不 同的值可以看做该粒子的不同带电状态
共四个独立截面
进一步的限制
➢ 散射截面正比于跃迁振幅的模方：
������ 1 = ������3/2 , 1 ������ 2 = (������3/2 + 2������1/2 ), 3 1 ������ 3 = (2������3/2 + ������1/2 ), 3 2 ������ 7 = (������3/2 − ������1/2 ) 3
➢ 实验结果：������ = 1.44
近阈放大效应
➢ ������������+ = ������������− = 493.677 ± 0.016������������������ ， ������������0 = ������������ ഥ 0 = 497.614 ± 0.024������������������
➢ 强相互作用规律分析可以衰变，������ → ������ + + ഥ 0 末态 ������ − 或������ → ������ 0 + ������
➢ 同位旋守恒要求两衰变道的振幅相等 ഥ 0 的质量均相等，则相空 ➢ 如果������ + , ������ − , ������ 0 , ������ 间也相同，可推断两种衰变分支比也相等
➢ 同位旋把不同电荷的粒子统一起来，可以规定������3 的本征态为电荷取确定值的态，同一同位旋多重 态内不同������3 本征值的改变等于电荷的子的自旋：在某方向的投影取不同值， 是该粒子的不同运动状态 ➢ 粒子的同位旋：同一同位旋多重态中������3 取不 同的值可以看做该粒子的不同带电状态
清华大学大学物理近代物理
—— n，l，ml ， ms ▲主量子数 n=1, 2, 3, … 是决定能量的主要因素； ▲角（轨道）量子数 l = 0,1,2…(n-1) ，对能量有
一定影响（l 越小，能量越低）；
L l(l 1)
▲ 磁量子数 ml 0,1,2… l ，引起磁场中的
能级分裂； Lz ml
▲自旋磁量子数 ms
n=2 Ze n=1
K
被电子打 出的空穴
一个电子，n = 2的电子感受的电荷应为(Z 1)e。
这表明K 线是较重元素n = 2到n =1跃迁产生的。
K 0.496108(Z 1) 称莫塞莱定律
式中 k — 某元素发出的K 线的频率，
Z — 该元素的原子序数。
K 系只与元素本身有关，与化学结构无关， 这更说明了X 射线线状谱的标识作用。
(1) 韧致辐射小（I1/m2） (2) 探测灵敏度高 10 2 10 4 倍 (3) 可在大气或氦气环境下分析
适合对珍贵 的、大型的 和生物的样 品进行分析
应用举例：越王勾践剑的分析；人发分析；
大气污染分析。
★ 越王勾践剑的质子荧光分析 勾践剑1965年湖北江陵望山一号墓出土。
同时出土的还有辅剑（花纹同、无铭文）。 在地下埋藏了大约2500年（春秋战国时）， 至今光华四射，锋利无比。这两柄剑是我国 古剑宝库中的珍品，举世闻名。
常量 C 1 2，它是归一化因子。
二. 费米子和玻色子、泡利不相容原理 全同粒子按自旋划分，可分为两类：
1.费米子（Fermion） 费米子是自旋 s 为半整数的粒子 例如：
e , p, n , , , , 3 He 核 等自旋 s =1/2
粒子自旋 s = 3/2
费米子的波函数是反对称的：
一定影响（l 越小，能量越低）；
L l(l 1)
▲ 磁量子数 ml 0,1,2… l ，引起磁场中的
能级分裂； Lz ml
▲自旋磁量子数 ms
n=2 Ze n=1
K
被电子打 出的空穴
一个电子，n = 2的电子感受的电荷应为(Z 1)e。
这表明K 线是较重元素n = 2到n =1跃迁产生的。
K 0.496108(Z 1) 称莫塞莱定律
式中 k — 某元素发出的K 线的频率，
Z — 该元素的原子序数。
K 系只与元素本身有关，与化学结构无关， 这更说明了X 射线线状谱的标识作用。
(1) 韧致辐射小（I1/m2） (2) 探测灵敏度高 10 2 10 4 倍 (3) 可在大气或氦气环境下分析
适合对珍贵 的、大型的 和生物的样 品进行分析
应用举例：越王勾践剑的分析；人发分析；
大气污染分析。
★ 越王勾践剑的质子荧光分析 勾践剑1965年湖北江陵望山一号墓出土。
同时出土的还有辅剑（花纹同、无铭文）。 在地下埋藏了大约2500年（春秋战国时）， 至今光华四射，锋利无比。这两柄剑是我国 古剑宝库中的珍品，举世闻名。
常量 C 1 2，它是归一化因子。
二. 费米子和玻色子、泡利不相容原理 全同粒子按自旋划分，可分为两类：
1.费米子（Fermion） 费米子是自旋 s 为半整数的粒子 例如：
e , p, n , , , , 3 He 核 等自旋 s =1/2
粒子自旋 s = 3/2
费米子的波函数是反对称的：
《粒子物理简介》PPT课件
.
19
一. 对称性和守恒定律
对称性：物体状态在一定变换下具有的不变性
物理学中的对称性
• 状态的对称性
• 规律的对称性
.
20
所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性。即某种物理状态或过程 在一定的变换下（例如转动、平移等等）， 它所服从的物理规律不变。
研究物理规律的对称性的意义： • 在探索未知的物理规律的时候，可以以普
▲ 精确测定 m 的意义：
电磁作用耦合常数是 e
弱作用耦合常数是 g 按92年以前数据得到 g(e,)
g(e,) g(,)
1992年BEPC结果：mτ 17.776 80 0..6 63 7
这样三个 g 就一致了，支持了粒子的标准模型。
.
5
李政道： 1991—1992年高能物理最重要的
结果就是m 的精确测量。 ▲ m 是否为0 ？ 这涉及宇宙前途！ 1982年苏联实验发现：14eV< m <40eV 后来曾公认： m 7.3 eV ，无下限
●+e 1995年9月 欧洲核子研究中心，制 -e ●p 造了9个反氢原子，存在了4×10-8s 。
2002年8月欧洲核子研究中心成功地 反氢原子 制造出了约5万个低能状态的反氢原子，
这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。
.
11
§5.3 场和媒介子
Dirac的空穴理论并不完整（对玻色子），
但有启发 —— 真空是场的基态。 按照量子场论：每种粒子都相应一种物质场
.
21
• 物理规律的每一种对称性（即不变性） 通常都相应于一种守恒定律。
空间平移不变性 ……………
空间转动不变性 …………… 角动量守恒
清华大学物理第27章薛定谔方程(余京智)
这种E 取定值的状态称定态（stationary state）， 以后我们将只研究定态。 11
海森伯 狄拉克 泡利 （1901 1976） （1902 1984） （1900 1958）12
2
§27.2 无限深方势阱中的粒子
本节我们将在一种具体情况下，求解 定态薛定谔方程 [
2 2 U ( r )] ( r ) E ( r ) 2m
连续条件： 由于边界外 = 0，所以有：
( a / 2) 0 A sin( ka / 2 ) 0
2mE 2
k
2
( a / 2) 0 A sin( ka / 2 ) 0
由此得： ka / 2 l1 π ， ka / 2 l 2 π ， 其中l1 和 l2是整数。 将上两式相加得：
二. 关于薛定谔方程的讨论
ˆ (r , t ) 是量子力学 薛定谔方程 i (r , t ) H t
ˆ 引入算符 H
t ˆ — 非定态薛定谔方程 ˆ 后，有 i H 引入 H t
ˆ ˆ 为能量算符（反映粒子总能量） 若 H 0， 则称 H
a 2
n很大时，势 阱内粒子概率 分布趋于均匀。 |n|
2
（一维势垒）： 给定势函数
0 ，( x 0) U ( x) ( x 0) U 0，
入射 反射 Ⅰ区
E3 E2 E1
a 2
2a n 3 , 3 3 En
？
E
n 2 , 2 a
a 2
a 2
入射能量 E <U0 势垒的物理模型：
宏观情况或量子数很大时，可认为能量连续。 19
清华大学物理第29章固体的能带结构(余京智)
7
三. 杂质的补偿作用 实际的半导体中，既有施主杂质（浓度 nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质 有补偿作用： 若nd na——为n型（施主） 若nd na——为p型（受主） 利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
12
2
§29.2 固体的能带
本节研究大量原子有相互作用构成一个 体系时，电子的能量（能级）状态。 可以从两方面来分析： 研究孤立原子的能级如何形成固体的能带 研究电子在周期势场中的运动 一. 从原子能级到固体能带 原子中的电子处于不同的能级。 当几个原子有相互作用构成一个体系时， 电子的能级如何？ 13
室温下： 本征激发 杂质激发 + 10 18 = 1018 cm 3
Si
Si P
Si 空带
ED
满带中空穴浓度 np=1 Eg
.5×1010 cm 3
施主能级
导带中电子浓度 nn = 1.5×1010
在n型半导体中： 电子是多数载流子， 空穴是少数载流子。 电子浓度nn ～ 施主杂质浓度nd
3. n型化合物半导体 例如，化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代 五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质 半导体。 4. p型化合物半导体 例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替 代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs 杂质半导体。
41 42
在p型半导体中： 空穴是多数载流子， 电子是少数载流子。 空穴浓度np ～ 受主杂质浓度na
29
共有化电子很难从低能级 （Eg ：3～6 eV）， （满带）跃迁到高能级（空带）上去。 当外电场足够强时，共有化电子还是能越过 禁带跃迁到上面的空带中，使绝缘体被击穿 30 。
5
§29.4 半导体的导电机构
粒子物理简介
历史回顾——重要事件
在长崎投掷的原子弹爆炸后形 成的蘑菇状云团，爆炸产生的 气流、烟尘直冲云天，高达12 英里多．
美国原子弹突袭广岛和长崎造 成了巨大的毁伤．广岛市区 80%的建筑化为灰烬，64000人 丧生，72000人受伤，伤亡总人 数占全市总人口的53%．长崎 市60%的建筑物被摧毁，伤亡 86000人，占全市总人口的 37%．
历史回顾——重要人物
E.Fermi（费米） ，意 大利物理学家（1901～ 1954），1938年获得诺贝 尔奖．发明了热中子链式 反应堆．
历史回顾——重要人物
李政道、杨振宁发现了在弱相互作用中宇称 不守恒，并由吴健雄的实验所证实．
历史回顾——重要人物
丁肇中，（1936～） 与 B.Richter（1931～）分 别发现J／ψ粒子，找到了 美夸克存在的证据，1976 年获诺贝尔奖．
历史回顾——重要事件
中国第一颗原子弹爆炸蘑菇云发展图
· ·····
完
； .au/ 墨尔本cbd驾照翻译 ；
势の壹塌糊涂/ 马开和对方相比/确实处于下风/抪只确定力量差对方抪少/连《壹〈本读《袅说 /元灵也没有多大の优势/更新最快最稳定/) 这就确定少年至尊? 马开终于明白少年至尊代表着の确定什么/代表着の确定达到咯这佫层次の极限/真の可以无敌/ "轰///" 马开和对方再次交手壹击/震の 手臂发麻/即使天帝拳都难以抵挡对方の强势/手臂上の衣衫直接被震裂の粉碎/手臂震の有着血迹涌出/ 倒退之间/身后却有着壹股强大の力量攻杀而来/龙华皇子抪知道何时/又偷袭马开/壹条巨大の金龙冲杀马开而来/快如闪电/ "哼/" 马开早就警惕龙华皇子/所以到它壹出手就反应过来/尽管手被震 の溢出血珠/可还确定舞动天帝拳/直接轰杀而去/把对方攻杀而来の金龙轰断/借
粒子物理简介PPT课件
二. 宇称守恒定律
镜
左手
右手
物 像
物和其镜面反演象不同，所以不具有镜面反演对称性 。
第8页/共20页
第9页/共20页
都
可
以
实
镜面反演
现
任意物理过程 A
过程 B
A、B 过程 遵守的规律相同
宇称守恒定律
第10页/共20页
粒子都有特定的宇称， 称为 “内禀宇称”，简称 宇称P P = 1（偶宇称） P = -1（奇宇称）
第2页/共20页
中微子的自旋方向
（按右螺旋法则）与
运动方向相反；反中
微子的自旋方向与运
动方向一致。
v
v
v v
• 强子分类
分类
粒子名称
自旋
介子 核子
重子 超子
、 、 K介子等
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
整数
1/2 (Ω超子 3/2)
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
第3页/共20页
第1页/共20页
• 轻子（共12种）
分类
电子 μ子
轻 τ子 子中
微 子
说明
正反 自旋
粒子
e e
1/2 e e
电荷量 e
-1 +1 -1 +1 -1 +1
0 0 0
重子数 轻子数
B
Le L L
0 -1 +1
寿命 10-6s 稳定
2.2 <2.3
稳定
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
2. 奇异粒子 （uus）
电荷 Q 2 e 2 e 1 e e 333
重子数
高中物理第三章原子核第5节第6节第7节粒子物理学简介选学课件教科版选修3
四、可控热核反应与恒星演化中的核反应 1．聚变反应堆：受控聚变 情况下释放能量的装置． 2．太阳等恒星内部进行的核反应是轻核聚变 反应． 五、粒子 1．“基本粒子”：直到 19 世纪末，人们认为光子、电子 、质子、中子是“基本粒子”， 随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、 电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此， 20 世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子．
要点二 重核裂变释放的核能的计算
1．铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀 235 核裂变 时释放的能量如果按 200 MeV 估算，1 kg 铀 235 全部裂变放出的能量相当于 2 800 t 标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温． 2．计算释放的核能：质量单位为“u”时，可直接用“1 u 的质量亏损放出能量 931.5 MeV”计算总能量；当质量单位为“kg”时，直接乘以(3.0×108)2，总能量单位为焦耳．
[判断辨析] (1)核聚变时吸收能量．( × ) (2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．( √ ) (3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度．( √ ) (4) 太 阳 目 前 正 处 于 氢 通 过 热 核 反 应 成 为 氦 ， 以 电 磁 波 的 形 式 向 外 辐 射 核 能 的 阶 段．( √ )
的核能． 2 个反应——链式反应、热核
3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的 反应
速度以及如何防止核污染． 1 个条件——链式反应的条件
4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能．
5.了解可控热核反应及其研究和发展.
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32
31
镜像反射把左手变成右手， 左 右对称。
例如在空间反演变换（等价镜像反射）下：
f e qE f e q( E ) （ E 反射面） f m a f m ( a ) （ f 反射面）
左右对称的两个状态或两种过程都服从同样 在自然界中都同样能存在或发生。 的物理规律， 尽管在镜像反射下，物理过程的状态变化了， 但它们服从的物理规律却没有变，这就是物理 规律的空间反演不变性。
26
空间平移不变性 …………… 动量守恒 所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性。 研究物理规律的对称性的意义： 在探索未知的物理规律的时候，可以以普 遍的对称性规律作为指引； 物理规律的每一种对称性（即不变性） 通常都相应于一种守恒定律。
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空间转动不变性 …………… 角动量守恒 时间平移不变性 …………… 能量守恒 空间反演不变性 …………… 宇称守恒 整体规范不变性 …………… 电荷守恒 对称性的分类 时空对称性和内部对称性 严格对称性和近似对称性 整体对称性和局域对称性 连续对称性和分立对称性
新的量子数： 奇异数 S 重子数 B 超荷 Y=B+S π+
重子八重态
S= 0
Π-
π0 ; η
S= 1
Q=1 KQ=-1 ¯K0 Q=0
17 18
3
重子十重态
2.夸克(Quark)模型：
▲
1964年盖尔曼等人提出夸克模型， 同年中国物理学家提出了层子模型。
下—d， 奇异 — s 三种夸克：上 — u ， B ( q , q , q)，介子 M (q, q ) 重子 B (q, q, q)，
SI 单位制对描述粒子物理现象（微观、高 速）很不方便，如：
GeV (=1.602 1010 J)
c 2.997 108 m/s m p 1.67 1027 kg rp 1015 m
（光速） （质子质量） （质子半径）
5
1自然单位的时间： 1 GeV -1 6.582 1022 s 1自然单位的长度： 1 GeV -1 0.1973 10 15 m 1自然单位的质量： 1 GeV 1.783 1027 kg
35
p +1： ( r ) ( r ) —— 偶宇称 p 1： ( r ) ( r ) —— 奇宇称
p=1 p = -1
36
6
量子力学证明： 只要微观粒子的运动规律具有空间反演不 变性（实质上是代表相互作用能量的哈密顿 则微观粒子 算符在空间反演变换下不变）， 体系具有确定的宇称，且保持不变。 则永远是 如果一个孤立体系具有偶宇称， 偶宇称，如果具有奇宇称，则永远是奇宇称 宇称守恒定律。
SI prefixes
1897 J.J Thompson 发现电子（electron） 1911 Rutherford 发现质子（proton），提 出原子的核模型 1932 J. Chadwick 发现中子（neutron） 有些原子核是不稳定的 1896 贝克勒尔 放射性 1931 W. Pauli 预言中微子（neutrino）
基本粒子运动的特点 尺度
宏观
牛顿 力学
狭义 相对论
• 微观 • 高速
微观
量子 力学 低 高
量子 场论 速度
• 产生和湮灭
3
4
物理学中的基本单位长度，质量和时间， 在SI单位制中： [L]: m [M]: kg [T]: s
自然单位制（Natural Units）
c 1
在自然单位制中，只有一个是独立量纲 （如能量），其它均是“导出”量纲 选取能量单位为
19
20
▲ 为解释理论和实验上的矛盾，1970年， GIM引入第4种夸克 — 粲夸克（charm) c 。 ▲ 1973年，川石（Kawayishi）和增川 （Masukawa）引入3代夸克 。
2 3
▲
1974年，丁肇中和里希特发现了J / 粒子，
Q
Q 1
▲
J/ ψ (c, c )
12
2
但是， μ子?
S K p
0
D D
+
L
+
p D
o
o
W
+
p K
0
D
++
p K
+
I.I Rabi, Nobel 1944
13
1950’s…….
14
当时共发现200多种粒子可按寿命 、自旋、 质量、 参与的相互作用分为轻子、强子等。 轻子 不参与强相互作用， 自旋 J 1
2
粒子的世界太拥挤了！ 1955, Willis Lamb started his Nobel Prize acceptance speech by saying that “maybe physicists discovering a new particle ought to be fined 10 000$” 这些都是“基本粒子”？ 历史在重演： Gell-Mann的“周期表”
则能量E = m0c2， +m0c2
- m0c2
0 负能态
（最大负能量）
29
负能态 +e空穴
复合： e + + e h 1 + h 2
30
5
1931 发现了 e +，1955产生了 p， 1956产生了 n （自旋与磁矩同向）， 1959产生了 ，K 每种粒子都有反粒子，光子的反粒子就是自身。
3. 空间反演变换（P变换）和宇称守恒
， +， …
， 以后： K +
（1）空间反演不变性 空间反演： r r （x，y，z）（ x， y， z） y′ z′ x′ x
空 间 反 演 镜像反射
反粒子 反核 →反原子 → 反世界
●
+e 1995年 9月 欧洲核子研究中心，制
得出相对论波动方程（ Dirac方程）有两类解： 正能解，粒子E > 0；负能解，粒子E < 0。 若动量 p = 0， 两个能区被2 m0c2 所隔开。
E 正能态
（最小正能量）
E
到 正能态 。负 能态上 就少了 负 能量和 负电 荷。于 是就出
0 现了正能量和正电荷。
+ 激发：γ e + e ，E γ 2 m0c 2
6
1
【例】在自然单位制中 BEPC质心能量：2－5 GeV 电子自旋角动量： 1/2 Schrodinger 方程：
i
H t
质－能关系：
E 2 p2 m2
1015 1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
peta tera giga mega kilo milli micro nano pico femto
1975年，发现了τ 轻子 1977年，发现了底夸克 （bottom）b。 1995年，发现了顶夸克（top）t。
22
1 Q 3
Q“基本粒子”
23
著名理论物理学家。 1950年提出关于奇异粒子 的八重态理论等。 1960年代中期最先提出夸 克（quark）假设。 1969年获诺贝尔物理学奖。 这是2002年6月17日在清华大 学举办的前沿科学国际研讨会 （庆贺杨振宁先生 80华诞）上， 盖尔曼做学术报告。 题为 默里.盖尔曼（美国） “Some Pathways in （Murray Gell-Mann，1929 ） Theoretical Physics” 24
本章目录
§30.1 引言 §30.2 物质结构和夸克模型
*粒子物理简介
（碳原子核的夸克结构模型）
§30.3 对称性和守恒定律 §30.4 标准模型和新物理 §30.5 高能物理实验
注：本章内容参看书第一册 “基本粒子”
1 2
§30.1 引言
粒子物理的研究内容主要有两个方面： 基本粒子的性质及内部结构； 基本粒子间的相互作用、运动和变化规律。 基本粒子：没有内部结构(不能再分)的粒子 － “基本”具有“与时俱进”的意义 粒子物理永远是科学的最前沿学科！
m 206me ，但根本不与核子作用。 1947, C.F.Powell 发现 π介子 m 273me
1949 Yukawa Hideki 被授予诺贝尔奖。 1947 “基本粒子”为： 质子 原子核{ π介子，(中微子)，反电子 原子{ 中子 电子 光子（1900， Plank; 1905, Einstein）
P T G M k m n p f
7
§30.2 物质结构和夸克模型
1. 历史回顾: 物质是由什么构成的？ 2000BC 中国 “五行说” 1000BC 希腊 “土、气、火、水” 500BC Democritus 原子论 （哲学） 18世纪 Lavoisier 元素－化学不可分 19世纪初 Dalton 近代原子论，元素－同类 原子的总称 1869 Mendeleev 元素周期表 1896 共发现77种元素（原子） 8 原子(atom)被认为是“基本”的
造了9个反氢原子，存在了4×10-8s 。 2002年8月欧洲核子研究中心成功地制 造出了约 5万个低能状态的反氢原子， 反氢原子 这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。
-e ● p
·o
z y
=
+
绕镜面法线 旋转 180°
由于物理规律对旋转的变换保持不变， 所以空间反演实质上和镜像反射变换等价。
4
§30.3 对称性和守恒定律 1. 一般讨论：对称性和守恒定律
31
镜像反射把左手变成右手， 左 右对称。
例如在空间反演变换（等价镜像反射）下：
f e qE f e q( E ) （ E 反射面） f m a f m ( a ) （ f 反射面）
左右对称的两个状态或两种过程都服从同样 在自然界中都同样能存在或发生。 的物理规律， 尽管在镜像反射下，物理过程的状态变化了， 但它们服从的物理规律却没有变，这就是物理 规律的空间反演不变性。
26
空间平移不变性 …………… 动量守恒 所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性。 研究物理规律的对称性的意义： 在探索未知的物理规律的时候，可以以普 遍的对称性规律作为指引； 物理规律的每一种对称性（即不变性） 通常都相应于一种守恒定律。
27
空间转动不变性 …………… 角动量守恒 时间平移不变性 …………… 能量守恒 空间反演不变性 …………… 宇称守恒 整体规范不变性 …………… 电荷守恒 对称性的分类 时空对称性和内部对称性 严格对称性和近似对称性 整体对称性和局域对称性 连续对称性和分立对称性
新的量子数： 奇异数 S 重子数 B 超荷 Y=B+S π+
重子八重态
S= 0
Π-
π0 ; η
S= 1
Q=1 KQ=-1 ¯K0 Q=0
17 18
3
重子十重态
2.夸克(Quark)模型：
▲
1964年盖尔曼等人提出夸克模型， 同年中国物理学家提出了层子模型。
下—d， 奇异 — s 三种夸克：上 — u ， B ( q , q , q)，介子 M (q, q ) 重子 B (q, q, q)，
SI 单位制对描述粒子物理现象（微观、高 速）很不方便，如：
GeV (=1.602 1010 J)
c 2.997 108 m/s m p 1.67 1027 kg rp 1015 m
（光速） （质子质量） （质子半径）
5
1自然单位的时间： 1 GeV -1 6.582 1022 s 1自然单位的长度： 1 GeV -1 0.1973 10 15 m 1自然单位的质量： 1 GeV 1.783 1027 kg
35
p +1： ( r ) ( r ) —— 偶宇称 p 1： ( r ) ( r ) —— 奇宇称
p=1 p = -1
36
6
量子力学证明： 只要微观粒子的运动规律具有空间反演不 变性（实质上是代表相互作用能量的哈密顿 则微观粒子 算符在空间反演变换下不变）， 体系具有确定的宇称，且保持不变。 则永远是 如果一个孤立体系具有偶宇称， 偶宇称，如果具有奇宇称，则永远是奇宇称 宇称守恒定律。
SI prefixes
1897 J.J Thompson 发现电子（electron） 1911 Rutherford 发现质子（proton），提 出原子的核模型 1932 J. Chadwick 发现中子（neutron） 有些原子核是不稳定的 1896 贝克勒尔 放射性 1931 W. Pauli 预言中微子（neutrino）
基本粒子运动的特点 尺度
宏观
牛顿 力学
狭义 相对论
• 微观 • 高速
微观
量子 力学 低 高
量子 场论 速度
• 产生和湮灭
3
4
物理学中的基本单位长度，质量和时间， 在SI单位制中： [L]: m [M]: kg [T]: s
自然单位制（Natural Units）
c 1
在自然单位制中，只有一个是独立量纲 （如能量），其它均是“导出”量纲 选取能量单位为
19
20
▲ 为解释理论和实验上的矛盾，1970年， GIM引入第4种夸克 — 粲夸克（charm) c 。 ▲ 1973年，川石（Kawayishi）和增川 （Masukawa）引入3代夸克 。
2 3
▲
1974年，丁肇中和里希特发现了J / 粒子，
Q
Q 1
▲
J/ ψ (c, c )
12
2
但是， μ子?
S K p
0
D D
+
L
+
p D
o
o
W
+
p K
0
D
++
p K
+
I.I Rabi, Nobel 1944
13
1950’s…….
14
当时共发现200多种粒子可按寿命 、自旋、 质量、 参与的相互作用分为轻子、强子等。 轻子 不参与强相互作用， 自旋 J 1
2
粒子的世界太拥挤了！ 1955, Willis Lamb started his Nobel Prize acceptance speech by saying that “maybe physicists discovering a new particle ought to be fined 10 000$” 这些都是“基本粒子”？ 历史在重演： Gell-Mann的“周期表”
则能量E = m0c2， +m0c2
- m0c2
0 负能态
（最大负能量）
29
负能态 +e空穴
复合： e + + e h 1 + h 2
30
5
1931 发现了 e +，1955产生了 p， 1956产生了 n （自旋与磁矩同向）， 1959产生了 ，K 每种粒子都有反粒子，光子的反粒子就是自身。
3. 空间反演变换（P变换）和宇称守恒
， +， …
， 以后： K +
（1）空间反演不变性 空间反演： r r （x，y，z）（ x， y， z） y′ z′ x′ x
空 间 反 演 镜像反射
反粒子 反核 →反原子 → 反世界
●
+e 1995年 9月 欧洲核子研究中心，制
得出相对论波动方程（ Dirac方程）有两类解： 正能解，粒子E > 0；负能解，粒子E < 0。 若动量 p = 0， 两个能区被2 m0c2 所隔开。
E 正能态
（最小正能量）
E
到 正能态 。负 能态上 就少了 负 能量和 负电 荷。于 是就出
0 现了正能量和正电荷。
+ 激发：γ e + e ，E γ 2 m0c 2
6
1
【例】在自然单位制中 BEPC质心能量：2－5 GeV 电子自旋角动量： 1/2 Schrodinger 方程：
i
H t
质－能关系：
E 2 p2 m2
1015 1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
peta tera giga mega kilo milli micro nano pico femto
1975年，发现了τ 轻子 1977年，发现了底夸克 （bottom）b。 1995年，发现了顶夸克（top）t。
22
1 Q 3
Q“基本粒子”
23
著名理论物理学家。 1950年提出关于奇异粒子 的八重态理论等。 1960年代中期最先提出夸 克（quark）假设。 1969年获诺贝尔物理学奖。 这是2002年6月17日在清华大 学举办的前沿科学国际研讨会 （庆贺杨振宁先生 80华诞）上， 盖尔曼做学术报告。 题为 默里.盖尔曼（美国） “Some Pathways in （Murray Gell-Mann，1929 ） Theoretical Physics” 24
本章目录
§30.1 引言 §30.2 物质结构和夸克模型
*粒子物理简介
（碳原子核的夸克结构模型）
§30.3 对称性和守恒定律 §30.4 标准模型和新物理 §30.5 高能物理实验
注：本章内容参看书第一册 “基本粒子”
1 2
§30.1 引言
粒子物理的研究内容主要有两个方面： 基本粒子的性质及内部结构； 基本粒子间的相互作用、运动和变化规律。 基本粒子：没有内部结构(不能再分)的粒子 － “基本”具有“与时俱进”的意义 粒子物理永远是科学的最前沿学科！
m 206me ，但根本不与核子作用。 1947, C.F.Powell 发现 π介子 m 273me
1949 Yukawa Hideki 被授予诺贝尔奖。 1947 “基本粒子”为： 质子 原子核{ π介子，(中微子)，反电子 原子{ 中子 电子 光子（1900， Plank; 1905, Einstein）
P T G M k m n p f
7
§30.2 物质结构和夸克模型
1. 历史回顾: 物质是由什么构成的？ 2000BC 中国 “五行说” 1000BC 希腊 “土、气、火、水” 500BC Democritus 原子论 （哲学） 18世纪 Lavoisier 元素－化学不可分 19世纪初 Dalton 近代原子论，元素－同类 原子的总称 1869 Mendeleev 元素周期表 1896 共发现77种元素（原子） 8 原子(atom)被认为是“基本”的
造了9个反氢原子，存在了4×10-8s 。 2002年8月欧洲核子研究中心成功地制 造出了约 5万个低能状态的反氢原子， 反氢原子 这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。
-e ● p
·o
z y
=
+
绕镜面法线 旋转 180°
由于物理规律对旋转的变换保持不变， 所以空间反演实质上和镜像反射变换等价。
4
§30.3 对称性和守恒定律 1. 一般讨论：对称性和守恒定律