各种粒子的引入
值得注意的是,古希腊人还有“分子”的概念,用来表示由几个原子组成的小群体,不同原子的群体对应不同的物理性质。古希腊人的这种想法与现代物理学家和化学家的想法几乎完全相同。
有了原子的概念,下面就会有很多“子”,比如代表光的最小单位的光子,代表电的最小单位的电子等等。诚然,继原子之后,光子和电子在物理学中被广泛研究和讨论。
这里插一句“量子”的概念。量子最早由普朗克提出,用来表示光能的最小单位hν。现在我们知道hν是光子的能量。
原子整体上是电中性的,电子是原子的组成部分,带负电,所以原子中必然有带正电的成分,就是质子,带正电,带的电和电子完全一样。但是质子的质量比电子大将近2000倍。
质子位于原子中心非常小的区域,我们称之为原子核。除了质子,还有中子。中子和质子的质量几乎相同,但中子不带电。中子和质子一起形成原子核。可能是几个质子和几个中子一起形成一个原子核。
中子不稳定。物理学家发现原子核中的中子会衰变为质子和电子,相应地原子核中的质子数会是+1。这个过程叫做β衰变,这里的β粒子是指从原子核中释放出来的电子。物理学家发现能量在β衰变中似乎是非守恒的,这让泡利猜测β衰变中还有一种质量几乎为零的中性粒子带走了一部分能量,那就是中微子。
物理学家对宇宙射线的研究发现了正电子,这是一种质量和电荷与电子完全相同的粒子,但电荷相反。正电子可以用狄拉克的相对论量子力学很好地解释。
玻色子和费米子的概念是物理学家在研究由几个粒子组成的物理系统时提出的。根据量子力学,同种微观粒子具有完全相同的电荷、质量、自旋等。,它们是不可区分的。如果我们试图像经典粒子一样用“轨迹”来区分微观粒子,这是一个不可能完成的任务,因为对于量子力学来说,有一个位置-动量不确定性原理。我们不可能无限精确地同时确定微观粒子的位置和动量,也就是说无限精细的轨道是不存在的。原则上,我们不能区分两个相同种类的微观粒子。
这又需要波函数来描述粒子系统,即对于两个粒子的交换,波函数要么对称,要么反对称。如果波函数是对称的,对应的粒子就是玻色子,反之亦然。
上述粒子中的玻色子是光子,其余的:电子、正电子、质子、中子、中微子称为费米子。
值得一提的是,现在物理学家提出了超对称的概念,认为每一个作为费米子的基本粒子都会有一个超对称玻色子与之对应,每一个玻色子都会有一个超对称费米子与之对应。比如电子的超对称伴侣是超电子,光子的超对称伴侣是光子等等。
但遗憾的是我们至今没有发现任何超对称粒子。
根据粒子物理学的标准模型(如图),我们可以通过相互作用对粒子进行分类。
夸克参与强相互作用,包括:U(上)、C(粲)、T(上)、D(下)、S(奇)、B(下);
弱相互作用是e(电子),μ介子,τ,电子中微子,μ介子中微子,τ中微子。
这些都是费米子。
规范玻色子是传递相互作用的介质粒子:胶子传递强相互作用,光子传递电磁相互作用,Z和W+-玻色子传递弱相互作用。当然我们也可以说引力子传递引力,但是引力的量子化还没有完成,引力子还没有被发现。
最后,还有一种标量玻色子——希格斯玻色子,它解释了为什么一些基本粒子具有质量。