导论-第7章

用的粒子与光子一样，是一种矢量粒子，其自旋－宇称
也为1-，质量也像光子一样为零。 1964年后，证实它就是弱相对作用的中间玻色子场。
量子色动学：用规范场理论描述强相互作用
引入SU(3)群规范变换，用SU(3)引入了8个
规范场，描述夸克三重态或三色“红”、“绿”、 “蓝”的运动规律。 8 个规范场称为胶子场，其 场量子称为胶子，夸克之间的强相互作用，正是 通过胶子场来传递的。
中国阴阳五行说：木、火、土、金、水
五行相生、相克
水生木，木生火，火生土，土生金，金生水。
水克火，火克金，金克木，木克土，土克水。
古希腊思想家：万物的本源土、火、水、气
古希腊原子论：
他首先提出物质构 成的原子学说，认 为原子是最小的、 不可分割的物质粒 子。
古希腊哲学家留基伯
物质是由不可分、不可入 的永恒的原子组成；原子
5.宇称守恒定律
宇称：用来描述微观粒子状态的波函数和它的镜像波
函数之间对称关系的一个物理量。
原则上每一种粒子都具有一个确定的宇称值 。有的 “+”,有的“-”。 宇称守恒定律描述：由许多粒子组成的体系，不论经 过相互作用后发生什么变化，它的总宇称始终保持不变， 原来是正的还是正，原来是负的还是负。 1956年，李政道、杨振宁首先预言了在弱相对作用中
正电子的发现
1928 年，英国物理学家狄拉克在处理电子时，
遇到“负能”问题，即电子的能量可能是负的。 狄拉克于 1929 年底，提出“空穴理论”。开始 它以为这种“空穴”就是质子。 1931年他提出了“反电子”来描述这种未知新粒
子，反电子质量与电子相同，电荷相反故又称“正
电子”。
基本粒子按质量、寿命、自旋以及参与相互作用方式
微观世界和物质统一性
微观世界涉及的空间尺度：10-10～10-15m
微观世界物质的性质和规律在很大程度上决定着宏观和 宇观世界物质的性质和规律。
粒子物理学 ：前身是原子物理学和原子核物理学
是探索微观世界奥秘的有力工具。
7.1 穷究物质结构之谜
古人对物质本源问题的探索： 印度人：物质组成四种元素土、火、水、气
3.科学家门对宇宙结构的分析表明，宇宙有着最为
简单的形状－－扁平状。 根据广义相对论，宇宙时空的形状由其包含的 所有物质决定的，但天文学家发现已经知道的普 通物质和暗物质加起来后宇宙的质量密度仍少了 2/3。推测还有一种尚不清楚的成分——暗能量。 据推测宇宙物质的构成为：以原子为代表的常 规物质占4％，看不见的物质－－暗物质占23％， 暗能量占73％。
3.奇异数守恒定律 “奇异”粒子是新发现的一批粒子的总称。这些粒 子协同产生，非协同衰变；快产生，慢衰变。奇异数 在强相互作用过程中守恒。
4.同位旋守恒定律 粒子的二重态： 1932 年，海森伯提出可以把质子 和中子看成同一粒子的两个不同状态。他根据自旋为 1/2的粒子在电磁场中具有两种不同状态、不同取向的 情况，提出了“同位旋”概念。核子只在核力作用下， 不考虑电磁作用时，其同位旋是守恒的。
6.守恒律和对称性
对称性：指物理规律在一定变换下的不变性，这
种变换和时间、空间的某种属性有关系。
时间和空间具有均匀性。时间平移的对称性、空 间平移的对称性、空间旋转的对称性。
诺特定理－－对称性和守恒定律间的对应关系
对于自然界的每一种对称性，都有一个守恒律与
之对应，反之亦然。
7.3 现代科学对世界统一性的追求
一种基本粒子实现的，这种基本粒子的质量是电子
的200倍，处于电子和核子之间，故名“介子”。
弱相互作用的发现： 通过β射线的研究 自然界四种基本的相互作用：引力、电磁力、弱力 和强力相互作用
7.2 物质的微观层次结构及其规律
微观粒子的基本性质：
质量：每种粒子都有质量，随速度增加而增加。
E=mc2，粒子物理中质量与能量单位相同，取
1979 年，由于丁肇中等人在正负电子对撞
的研究中发现“三喷注”现象，被认为是胶子存
在的踪迹，有力的支持了SU(3)规范变换理论。
大统一理论：弱电强三者统一
预言了质子的衰变。
超大统一理论：4种相互作用的统一
粒子物理学发展中一个雄心勃勃的动向。如
果得以实现，不仅可以简化对相互作用的描述，
还可以揭示各种相互作用之间的某种深刻的联系， 从而更好地理解自然，理解宇宙。
宇称P不守恒。
李政道：Tsung-Dao Lee （1926年11月24日—），中 国上海 美籍华裔物理学家。 1957年，他31岁时与杨振宁 一起，因发现弱作用中宇称 不守恒而获得诺贝尔物理学 奖。他们的这项发现，由吴 健雄的实验证实。李政道和 杨振宁是最早获诺贝尔奖的 华人。
杨振宁 出生年月：1922年10月1日 籍贯：安徽合肥 学历：博士
揭开原子世界的面纱
神秘的X射线
1895年11月10日，德 国物理学家伦琴 （1854-1923）在做阴 极射线实验时，偶然 发现了一种新的辐射， 它能轻易穿透一些如 纸张之类不透明的物 质。伦琴把它叫做X 射线。
贝克勒尔射线
伦琴发现的X射线引起法国物理 学家贝克勒尔（1852 -1908）的 兴趣。 因为伦琴是通过荧光材料所发 出的荧光而发现X射线的，所以 贝克勒尔想知道是否有荧光材 料放出X射线。1896年通过实验 发现铀能自发辐射出能量。
α、β 、г 射线：三种射线都来自原子核
•卢瑟福用 α粒子轰击原子核打出质量和电量与氢核相 同的粒子。 氢核是原子核的基本组成单位，命名为“质子”，意 为“第一”。 •α粒子的质量是质子的4倍，所带电荷是质子的2倍。 提出证明中性粒子假设。中性粒子称为“中子”。 •原子核的质子、中子模型：原子是由电子、质子和中 子组成。它们与光子一起称为性质分）
1.强子：直接参与强相互作用的粒子。
现发现的绝大多数粒子是强子。
常见的强子是质子和中子。 强子有分为两类：重子(反重子)、介子。 2.轻子：不参与强相互作用，只参与弱相互作用、电磁相 互作用、引力相互作用的自旋为半整数的粒子。 轻子有6种：电子e、电子中微子ve、 μ子、 μ子中微子vμ、
无穷大的速度是不可能的
近代科学视野中的原子：
原子论的复兴：牛顿认为世界上一切物质都是由 原子构成的。
科学的原子论：随化学的产生和发展建立起来
玻意尔：给化学元素下了一个清楚的定义 拉瓦锡：建立了氧化学说
道尔顿：提出了科学的原子论
阿伏伽德罗定律：得到精确的原子量 化学使原子学说最终纳入了实验科学的范畴，实现 了原子论从思辨的自然哲学向科学的转化。
超大统一理论与宇宙的起源问题：
1.在大爆炸之后的10-44s的时候，发生了超统一相变，
引力作用首先分化出来，强、弱、电仍不可区分， 夸克和轻子可以互相转变； 2.到大爆炸后10-36s，大统一相变发生，强作用同弱、 电作用分离，出现了物质和反物质之间的不对称
性；
3. 10-10s 以后弱、电发生相变，弱、电相互作用分
MeV（兆电子伏特）。
寿命：只有59种粒子是稳定的。 每种粒子在衰变前平均存在的时间称为寿命。
质子寿命为1030年，有的粒子寿命只有10-24s。
电荷：任何粒子所带电荷都是电子电荷的整数 倍，电子电荷(1.602×10-19)为电荷的最小 单位。
自旋：每种粒子都有确定的自旋角动量。
自旋为整数的粒子称为玻色子，为半整数 的粒子称为费米子。
т子、 т子中微子vт。
3.传播子：传递相互作用的基本粒子。
光子：电磁相互作用传递的媒介。
胶子：传递强相互作用（共8种）。
中间玻色子：传递弱相互作用。
夸克
在强子内部还有点状的荷电粒子，人们称强子内
部点状的东西为“夸克”。
1964年，盖－尔曼提出夸克模型，认为当时发现
的所有强子都是由更基本的粒子－－夸克组成。
分为：轻子、强子（重子和介子）和相互作用的传递
子等；
两种相互作用形式：强相互作用和弱相互作用
基本粒子的崭新性质：自旋、宇称及其守恒、奇异数
及其守恒
原子核的核力
•海森伯提出了“交换力”
中子与质子之间的核力
是由两者不断交换一个
电子而实现的。
•日本物理学家汤川秀树创立了“介子理论” 质子和中子间存在强相互作用，比电磁作用强 几百倍，力程只有10-15m，只存在于核内，对核外 部没有影响。这种相互作用是质子和中子通过交换
在无限的虚空中的各个方
向上运动着，其相互结合
或分离，以及排列的次序、
位置和原子形状的多样性， 导致了事物存在形式的多 样性。
德谟克利特
亚里斯多德批驳原子论
大自然厌恶虚空 原子的运动需要作用力的
推动
原子在虚空中没理由只往
这个方向运动，不往那个方
向运动 假设有虚空，物体在虚空
中的速度应该是无穷大，而
离。4种相互作用全部分化出来。
统一场理论相关问题：
1.宇宙大爆炸理论指出：宇宙大爆炸后 1s产生的粒 子为光子、电子、中微子以及它们的反粒子，还 有少量的质子和中子。绝大部分的电子和反电子 会湮灭，中微子和反中微子不会湮灭，它们现在 应该仍在宇宙各处存在着。可是它们现在的能量 变得非常低，难于观察到它们而归为冷暗物质的 一种。 1985年以来，宇宙中暗物质的研究已成为天体物理、 粒子物理和宇宙学的交叉热点之一。
因此爱因斯坦研究电磁场和引力场的统一，开
辟了统一体场论的研究方向。
当代有关统一场论工作的不懈努力
20 世纪 30 年代后，人类对自然界相互作用的形式的 认识由2种增加到4种，把它们统一起来的问题更复杂。 40 年代后发现了大量粒子，它们既具有粒子性特性， 又具有场的特性。量子场论认为有一种粒子就有一种场， 粒子是场的激发态。 统一场理论：1954年，杨振宁和米尔斯提出了统一场 理论。规范场与电磁场一样是一种矢量场，传递相互作