基本粒子 2011-2

第一部分 引言

物理学目前研究范围 空间：10-15m（微观粒子）--1027m（宇宙尺寸） 时间：微观粒子寿命10-24s；宇宙年龄1018s 质量：跨越了约80个数量级

两个前沿

粒子物理 研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。 主要目标： 探索物质的基本组元和基本相互作用 探索物质世界的统一的基本原理和规律

粒子物理 高能：指使粒子产生反应所需的粒子能量高，能量大于1GeV（109电子伏特）。 常用单位：电子伏 1 eV 1.6×10 –19J 兆电子伏 10 6 eV MeV 吉电子伏 10 9 eV GeV 太电子伏 10 12 eV TeV

粒子物理 为什么需要高能呢？ 三个原因： 1.E =mc 2 要得到有质量的新粒子，需要提高动能。 2.粒子不能直接观看，我们必须用其它粒子来轰击它们，才能研究它们的大小和结构。 3.海森伯的不确定性原理也导致这样一个结论:研究的距离越小，需要的能量越高。

粒子物理 基本方法 量子场论（是量子力学和经典场论相结合的物理理论） 粒子物理实验 固定靶实验,对撞机实验

基本粒子 什么叫基本粒子？ 内部没有结构，无法将其再分。 古老的问题？ 物质能无限分割下去吗？ 物质基本的（即无法再分割的）微元是什么？

第二部分 世界由什么组成？ 关于世界的构成，古代的哲学家和思想家进行了艰苦的思考，提出了一些到现在仍有影响的猜测。

人类对物质本元的认识 古代中国（夏朝）“五行说”：金木水火土，之后与阴阳的观念结合，构成了阴阳五行论。

人类对物质本元的认识 古希腊（恩培多克勒）“四根说”：火、水、土、气，它们是“化生万物的四个根”。

人类对物质本元的认识 古希腊德谟克利特（公元前460-前370）“原子论”：原子是最小的、不可分割的单元，原子之间存在着虚空。

人类对物质本元的认识 英国波意耳提出元素的概念： 1661年发表《怀疑的化学家》，只有那些由复合物分解后得到的最终产物，才能被看成为元素。 (Robert Boyle，1627—1691)

人类对物质本元的认识 英国道尔顿的“原子论”： 化学元素由不可分的微粒原子构成，它在一切化学变化中是不可再分的最小单位。 同种元素的原子性质和质量都相同，不同元素原子的性质和质量各不相同。 不同元素化合时，原子以简单整数比结合。 (John Dalton，1766-1844)

人类对物质本元的认识 意大利阿伏伽德罗引入了“分子”的概念： 原子是参加化学反应的最小粒子，分子是游离状态下能够存在的最小粒子。 化合物分子由不同元素的原子组成，单质分子由相同元素的原子组成。 Avogadro Amedeo (1776～1856)

人类对物质本元的认识 现代的分子-原子观念：宏观的物体由大量的分子组成，分子由原子组成。 在此意义上，每一种原子可认为是一种粒子。根据元素周期表，化学上基本的元素有112种，那么这些元素代表的原子都是基本的、不可分割的吗？

一、原子模型的建立 1、电子的发现 1897年，汤姆孙在阴极射线实验中发现电子； 1906年，由于汤姆孙对电子研究的重要贡献而被授予诺贝尔物理奖。 J.J. Thomon(1856-1940)

一、原子模型的建立 1、电子的发现 德国物理学家J.普里克（J.Plucker）在1858年进行低压气体放电研究的过程中发现了阴极射线。稍后，英国物理学家克鲁克斯在实验室里研究闪电现象时，也发现了这种射线。 这种现象引起许多科学家的浓厚兴趣，进行了很多实验研究。

一、原子模型的建立 1、电子的发现 德国以赫兹为首的物理学家认为阴极射线是“以太波”；而英国以克鲁克斯为代表认为是带点“粒子流”。 汤姆孙倾向于克鲁克斯的观点，认为它是一种带电的原子。 他通过不同的实验方法，证实阴极射线是带负电的微粒流。 2、即离子。

一、原子模型的建立 1、电子的发现 他做的最著名的实验是测定了阴极射线粒子的荷质比。实验装置如图： 实验结果：（e/me）>1000（eH/mH）

Robert Andrews Millikan（1868～1953 ） 一、原子模型的建立 1、电子的发现 1910年，美国科学家密立根通过油滴实验测出单个电子的电荷： e=1.6021892(46)×10-19c 由此，计算出电子的质量 Robert Andrews Millikan（1868～1953 ）

一、原子模型的建立 1、电子的发现 氢原子是当时已知的质量最小的原子，由于电子的质量比氢离子的质量小的多，汤姆孙认为，电子可能是组成原子的基本部分。 电子的发现，使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒，原子本身也具有结构。

一、原子模型的建立 2、汤姆孙的原子模型 葡萄干布丁模型，或枣糕模型 原子为一胶状球体 正电荷均匀分布在整个球内 带负电的电子像枣子那样镶嵌在原子里面 正电荷 电子

一、原子模型的建立 3、原子核式模型 英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验，经过测定和计算，于1911年提出了原子的核式结构学说： Ernest Rutherford (1871~1937)

一、原子模型的建立 3、原子核式模型 在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数。

一、原子模型的建立 3、原子核式模型 卢瑟福的核式结构模型与经典电磁理论的矛盾： 1.原子的稳定性； 2.原子光谱是连续谱还是线状谱。

Niels Henrik David Bohr 一、原子模型的建立 4、波尔原子模型 1913年，丹麦物理学家波尔提出了自己的原子结构假说。 Niels Henrik David Bohr (1885~1962)

一、原子模型的建立 4、波尔原子模型 波尔的原子结构假说。 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫做定态。——定态假设 原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两定态的能量差决定，即hν=E初－E终。——跃迁假设 原子的不同能量状态跟电子沿不同轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。——轨道能级化假设

一、原子模型的建立 5、电子云模型 1926年~1939年,在薛定谔、海森堡等物理学家的贡献下逐渐建立起来。 波动方程百万点次模拟下的电子云图 1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger）使用路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值， 1926年，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云）

二、原子核的组成

X射线的发现 1895年，德国科学家伦琴在研究在做阴极射线实验时发现了一种神秘辐射——X射线。 威廉·康拉德·伦琴（1845~1923） 1895年，德国科学家伦琴在研究在做阴极射线实验时发现了一种神秘辐射——X射线。 之后，许多科学家投身于X射线和阴极射线的研究，导致了放射性，电子，以及α,β射线的发现，为原子物理的发展奠定了基础。 为此，伦琴获得了1901的首届诺贝尔物理学奖。 伦琴拍摄的第一X线片

Antoine Henri Becquerel 二、原子核的组成 Antoine Henri Becquerel 1852—1908 1、天然放射性 1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光，物质发射射线的性质称为放射性．具有放射性的元素称为放射性元素．元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象． 底片上铀盐的影子

二、原子核的组成 1、天然放射性 1898年7月和12月居里夫妇，先后发现两种新元素。钋（polonium）和镭（Radium）。 1903年的诺贝尔物理学奖，贝克勒尔发现天然放射性；皮埃尔·居里、玛丽·居里发现并研究放射性元素钋和镭。

二、原子核的组成 一、天然放射性 放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也有这种性质，如碳、钾等。 放大了1000倍的铀矿石

二、原子核的组成 二、放射性的本质 卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是极易吸收的，他称之为α射线；另一种有较强的穿透能力，他称之为β射线。1900年法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。 由于组成α射线的α粒子带有巨大能量和动量，就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。 。

二、原子核的组成 二、放射性的本质

二、原子核的组成 二、放射性的本质

二、原子核的组成 二、放射性的本质

二、原子核的组成 二、放射性的本质 射线 电离能力 贯穿能力 速度 成分 氦原子核 1/10光速 很弱 很强 接近光速 较强 较弱 高能量 高速电子流 接近光速 较强 较弱 高能量 电磁波 光速 很强 很弱

二、原子核的组成 二、放射性的本质 放射性与元素存在的状态无关。 决定于 元素的化学性质 原子核外的电子 来源于 射线 原子核 天然放射现象 具有放射性的元素不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。 放射性与元素存在的状态无关。 决定于 元素的化学性质 原子核外的电子 来源于 射线 原子核 天然放射现象 人们认识原子核的结构是从 开始的。

衰变、半衰期 原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。 原子核衰变时电荷数和质量数都守恒 U238在 衰变时产生的钍234也具有放射性，放出 离子后变为（镤）Th234，上述的过程可以用下面的衰变方程表示： ＋ ＋

衰变、半衰期 在放射性元素的原子核中： 结合 质子 中子 质子 电子 转化 和 中子

衰变、半衰期 射线经常是伴随 射线和 射线产生的. 当放射性物质连续发生衰变时，原子核中 有的发生 衰变，有的发生 衰变，同时 射线经常是伴随 射线和 射线产生的. 当放射性物质连续发生衰变时，原子核中 有的发生 衰变，有的发生 衰变，同时 伴随着 辐射。这时射线中就会同时具有 、 和 三种射线。

衰变、半衰期 放射性元素衰变的快慢有一定的规律。 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期． 半衰期表示放射性元素衰变快慢的物理量。

衰变、半衰期 如：Na24的半衰期是2小时 10克Na经2小时 衰变了5克 剩 5克 又经2小时 又衰变2.5克 剩 2.5克 又经2小时 又衰变2.5克 剩 2.5克 再经2小时 又衰变1.25克 剩 1.25克 10克Na24经6小时共衰变了8.75克 剩1.25克

衰变、半衰期 不同的放射性元素，半衰期不同。 半衰期是由元素原子核本身的因素决定的，与原子所处的物理、化学状态及周围环境、温度都无关。 考古学家确定古木年代的方法是用放射性同位素作为“时钟”，来测量漫长的时间，这叫做放射性同位素鉴年法．

二、原子核的组成 三、射线的探测 放射线看不见，但我们根据什么来探知放射线的存在呢？ 这些现象主要有哪些呢？ 根据放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知放射线的存在。 这些现象主要有哪些呢？ 使气体电离，这些离子可使过饱和汽产生云雾或使过热液体产生气泡；使照相底片感光；使荧光物质产生荧光等。

二、原子核的组成 三、射线的探测 1、威尔逊云雾室 2、气泡室 3、盖革-米勒计数器

二、原子核的组成 四、质子的发现 1919年，卢瑟福用a粒子作为高速“炮弹”来轰击氮原子核，发现质子。

二、原子核的组成 四、质子的发现 反应方程： 用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核； 原子量始终是氢原子量的整数倍。 卢瑟福得出结论：每个原子都由氢核构成。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子，命名为“质子”（ proton ）

二、原子核的组成 五、中子的发现 1920年，卢瑟福提出中子假说。 20年代初，卡文迪什实验室的研究者们，曾试图使强电流通过氢放电管来探测这种假设的“中子”的生成，均未获成功。 1930年，德国物理学家博特和贝克 (H.Becker)用α粒子轰击较轻的元素， 特别是轰击铍时，发现从铍中发射一 种强度不大但穿透力极强的射线。 （w.w.G.Bothe）（1891~1957）

二、原子核的组成 五、中子的发现 1932年，约里奥·居里夫妇重复了博特的铍辐射实验，为了测量物质对铍辐射的吸收，他们把各种物质放在铍板与辐射测量仪之间。

二、原子核的组成 五、中子的发现 意外地发现，当把石蜡放在铍辐射经过的路径上时，辐射测量仪记录到的粒子数不仅没有减少，反而比不放石蜡时多得多。经过鉴定，他们发现，从石蜡里飞出的是质子。

二、原子核的组成 五、中子的发现 1932年，英国查德威克利用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核和氮核，他测量被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出这种射线粒子的质量。 这种未知的粒子质量差不多等于氢核的质量。他把这种射线的粒子称为“中子” James Chadwick （1891～1974）

PO 粒子 Be 不可见粒子 氢原子或其它原子 质子或其它原子核 查德威克发现中子实验 1935年，查德威克因发现中子而荣获诺贝尔物理学奖。

二、原子核的组成 六、原子核的结构 1932年，前苏联伊凡年科与海森伯提出原子核由质子和中子组成的理论： 质子（p）和中子（n）统称为核子（N） 质子数和中子数一定的原子核组成一种核素 核力是把质子和中子纠合在一起构成原子核的强大束缚力。 中子发现之后，伊凡年科与海森伯立即提出“原子核由质子与中子构成”的主张。也解释了同位素

人类对物质本元的认识 1897年，汤姆逊在阴极射线实验中发现电子； 1905年，爱恩斯坦为解释光电效应提出光子； 1919年，卢瑟福在用a粒子轰击氮原子核实验中发现 质子； 1932年，查德威克在用a粒子轰击铍实验中发现中 子； 至此，基本粒子包括质子、中子、电子、光子，这 一图像显然要比112种原子的图像简单。

人类对物质本元的认识 宏观物体(实物) 电子 分子 场 原子核 质子 原子 中子 光子

人类对物质本元的认识 之后，人们制造了高能量的加速器来研究微观粒 子，大量的新粒子被发现。后来，从宇宙射线中又 发现了不同的粒子。共有几百种之多！ 这些粒子的名称“五花八门”。

人类对物质本元的认识 费米(Enrico Fermi) 对他的学生莱德曼(Leon Lederman)说： "Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!"

人类对物质本元的认识 粒子的分类 现在被公认的科学的分类方法是按粒子参与相互作用类型来分的。 按粒子参与的相互作用类型，把粒子分为以下三类： 规范粒子（又称规范玻色子、媒介子）； 轻子（现代实验还没有发现轻子的内部结构）； 强子（强子又分为介子和重子两类）。

人类对物质本元的认识 这么多都是基本的吗？ 这些粒子质量不同、性质互异、且能相互转化，很难说哪种粒子更基本了！

人类对物质本元的认识 物质层层分割： “基本粒子”是一个动态概念，随着人们对物理结构认识的发展，其所指具体对象不断向更深层次转移。所以，现在就把“基本”二字取消，统称它们为粒子。

人类对物质本元的认识 根据前面叙述，发现的粒子种类这样多，且大多数 都是强子，很难想象它们都是“基本的”，很可能 有内部结构。 人们想到用大能量加速器加速电子或质子来轰击质 子和中子，使之破碎，从而确定是否有更微小的组 成。但令人惊奇的是，中子和质子在轰击下不但不 破碎，而且在碰撞过程中还产生许多新的粒子，有 些粒子的质量比质子的质量还要大，情况变的更为 复杂！

人类对物质本元的认识 1955年，美国霍夫斯塔特用高能电子束测出了质子和中子的电荷和磁矩分布，显示它们有内部结构。 斯坦福 直线加速器 Robert Hofstadter （1915—1990） 斯坦福 直线加速器

人类对物质本元的认识 物理学的基础是实验。 牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。 现代物理：问题——假说——(实践)——科学—— （证伪）——新问题——新假说——…... 不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察 什么。 ——爱因斯坦 到现在仍是占据主要地位。

人类对物质本元的认识 在用实验探究质子内部结构的同时，物理学家已经 尝试提出了强子由一些更基本的粒子组成的模型。 目前公认的最成熟的理论是：标准模型理论。 1990年8月，25届高能物理国际会议指出:“标准模 型理论成功地经受住了所有实验的检验。超出标准 模型的实验结果一个也没有得到。” 到现在仍是占据主要地位。

三、标准理论模型 是一套描述强力、弱力及电磁力这 三种基本力及组成所有物质的基本 粒子的理论。 1964年，美国科学家盖尔曼和茨威 格分别提出。 1969年斯坦福直线加速器中心电 子——核子撞击实验首次验证。 同年，盖尔曼获诺贝尔物理奖。 Murry Gell-Mann, 1929-

三、标准理论模型 四、标准理论模型 标准模型中：基本粒子分为以下几类 规范粒子（传递力的粒子） 轻子 夸克 希格斯粒子 科普工作

三、标准理论模型 夸克一词的由来： 盖尔曼(Gell-Mann)把构成强子粒子叫作“Quark”

三、标准理论模型 夸克一词的由来： “Quark”一词来自乔伊斯(James Joyce) 的小说《芬尼根彻夜祭》“Finnegan’s Wake”

三、标准理论模型 夸克 夸克们带有分数电荷，例如：+2/3或-1/3。 夸克都是两两成对、或三三成群，不可能单独被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子。 最初盖尔曼用三种夸克及其反粒子解释当时已发现的强子（强相互作用粒子）。

三、标准理论模型 夸克 这三种夸克是上夸克（up，u）、下夸克（down，d）和奇异夸克(strange，s)。 u(up) 上夸克 d(down) 下夸克 s(strange) 奇异夸克 质量 ~300MeV ~500MeV 电荷 2/3e -1/3e 称为“奇” (strange), 它组成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命。

三、标准理论模型 夸克 重子由三个夸克（qqq）构成；介子由正反夸克对（q`q）构成。这里q代表夸克，`q代表反夸克。

三、标准理论模型 夸克 根据夸克模型，盖尔曼预言某个未发现的粒子应电荷为-1，奇异数为-3，质量为1680兆电子伏。 1964年，在氢气泡室实验中果然观测到了盖尔曼预言的新粒子，称为沃米格负（Ω-），并测得其质量为1672.45±0.29 MeV，与理论的预言完全一致。 虽然夸克模型取得了巨大成功，但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。

三、标准理论模型 夸克 1974年，丁肇中、里克特（Richter） 分别发现了新粒子J/ψ，质量3.1GeV，比三个质子还重，但寿命却出奇的长。为解释它，只能假定存在一种新的夸克——c（charm，粲）夸克（1.5GeV）。 为此丁肇中和里克特共同获得1976年诺贝尔物理奖。 SamuelC.C.Ting 1936—

三、标准理论模型 夸克 1977年，美国科学家莱德曼又发现了一种长寿命介子r，质量9.5GeV，只能引入第五种夸克——b（Beauty，Bottom）夸克（4.5GeV） 他与另外两位物理学获得1988年诺贝尔物理学奖 LeonM.Lederman 1922—

三、标准理论模型 夸克 1995年，费米实验室CDF组在质子—反质子对撞机上发现了最重的夸克，176GeV，取名t（top）夸克。科学家们相信这是最后一种夸克。

三、标准理论模型 夸克 上 下 粲 奇异 顶 底 六种味道 上，下，粲，奇，顶，底

三、标准理论模型 夸克 名 称 符号 静质量 （MeV） 电荷 （e） 自旋 代 一 二 三 上夸克 粲夸克 奇异夸克 顶夸克 底夸克 名 称 符号 静质量 （MeV） 电荷 （e） 自旋 代 一 二 三 上夸克 粲夸克 奇异夸克 顶夸克 底夸克 下夸克 u d c s t b ~ 300 ~ 500 ~ 1500 ~ 180000 ~ 5000

三、标准理论模型 夸克

强子（重子、介子）的夸克模型 名称 符号 组 成 质 子 中 子 反质子 p n 正介子 正K介子 J/介子 J/ 组 成 质 子 中 子 反质子 正介子 正K介子 J/介子 p n J/ 所有的强子都可以用这六种夸克来解释和描述了。夸克是分数电荷，但强子们都是整数电荷。

反粒子的发现 1930年英国狄拉克预言其存在； （1902－1984）

反粒子的发现 1932年美国安德森在宇宙射线实验中发现正电子。 （1905－1991） 1931年安德森用过的云室和磁铁

反粒子的发现 铅板 1999年6月3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪（AMS）升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质（反碳核和反氦核）

反粒子的发现 对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是电荷反号。 “粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，变成能量。

轻子 已发现共六种轻子 代 粒 子 符号 电荷(e) 质 量 寿命(秒) 发现时间 1 电子 e -1 0.511 Mev/c2 稳定 粒 子 符号 电荷(e) 质 量 寿命(秒) 发现时间 1 电子 e -1 0.511 Mev/c2 稳定 1897 电子中微子 νe < 7 eV/c2 1955 2 μ子 μ 106 MeV/c2 2.2×10-6 1936 μ型 中微子 νμ <0.27 MeV/c2 1962 3 τ子 τ 1776 MeV/c2 2.9×10-13 1977 τ型 中微子 ντ <35 MeV/c2 2000

轻子 夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在。带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到。

轻子 中微子的发现 两种衰变： α衰变、 β衰变。 1928年，俄国伽莫夫给出了α衰变满意地解释。 但是，β衰变现象却不易理解。物理学家一筹莫展。 中子发现以后，海森堡推测，β衰变可能是原子核中的中子放出电子后，本身却转变为一个质子的过程。 G.Gamov ( 1904-1968)

轻子 中微子的发现 泡利为解释β衰变中能量不守恒，提出假设： 1933年费米提出β衰变的电子--中微子理论 1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。 1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995年诺贝尔物理奖。 (1907—1998)

轻子 中微子的发现 1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。 2002年美国雷蒙德.戴维斯，日本小柴昌俊获诺贝尔物理奖，表彰他们在探测宇宙中微子，开创中微子天文学方面取得的成就。 尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，中微子通讯，探测星球内部信息 ……） 不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用；

轻子 中微子的发现 → → → →

世界由什么组成？ “答案”：世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。

世界由什么组成？ “答案” 6种夸克、6中轻子。代？质量越来越大

物质的“代” 组成我们现实世界物质的只有第I代的基本粒子。第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。 → → →

物质的“代” 为什么它们还存在呢？ 当轻子被发现时，1944年诺贝尔物理学奖获得者美国拉比（I.I.Rabi 1898－1988）（发明核磁共振法）叹道：“Who ordered that ?”

第三部分 世界如何组成？

四种基本相互作用 世界由夸克和轻子组成。 是什么把夸克和轻子组合成物质？ 四种作用！ 引力作用 电磁作用 强相互作用 弱相互作用 如何作用的？

四种基本相互作用 物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥

四种基本相互作用 物质间通过力场发生相互作用：通过交换携带力的粒子！

四种基本相互作用 引力 引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。 引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。

四种基本相互作用 电磁力 电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如弹力、摩擦、磁力）都是由电磁力引起。 电磁力的携带粒子是“光子”。

四种基本相互作用 残存电磁力 “原子”是电中性的，它们如何形成分子呢？ 原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。 所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！ 化学键！ 以上两种力宏观都有体现，人类发现研究最早

四种基本相互作用 “原子核”如何形成的？ “原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而相互排斥，“中子”不带电，为什么它们不因排斥而散开呢？ 引力和电磁力解释不了！

四种基本相互作用 强作用力 夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。 带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换“胶子”发生强作用。

四种基本相互作用 强作用力 “强作用力”的携带粒子叫“胶子”（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！形成“强子”）

色荷 色荷(color charge)是夸克与胶子的一种性质； 色荷与粒子的电荷呈类比关系，但色荷与电荷有许多技术上的不同。夸克与胶子的「颜色」与视觉上的色彩无关； 夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对“色荷-反色荷” 色香味俱全！

色荷 夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷 虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。 色荷在作用过程中是守恒的。

色荷 夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。 → → → →

色荷 组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的

四种基本相互作用 残存强作用力 虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。 类比

夸克禁闭 实验中一直没有发现自由夸克和胶子的存在。因夸克和胶子都有“色荷” 一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面，这种现象称为“色禁闭”（color confinement）。

μ子的发现 随着中子的发现，出现了一种新的相互作用，即强相互作用。这一相互作用的特点是： 1.其强度远远大于通常的电磁相互作用，约是电磁作用的103倍。 2.其力程特短，大约只有10-13～10-12厘米的范围，超出这一范围外，其相互作用力以指数函数的形式而迅速降低到零。

μ子的发现 为了解释中子和质子间出现的“核力”所具有的特点，1935年，日本著名物理学家汤川秀树（Yukawa Hideki)提出了一个“创造性”的想法，认为这一核力的本质，在于在中子和质子间“交换”了一种其质量约是电子的200多倍、但尚未发现的“介子”，或称为π介子。

μ子的发现 这一解释自然是十分奇特的，也是令人难以置信的。难道真的存在π介子？ 但是过了两年，即1937年，安德逊等人竟然在宇宙线中发现了一个质量约为电子200多倍的“介子”！ 于是，汤川的理论“预见”就成为轰动一时的新闻，汤川本人也因此获得1949年诺贝尔物理学奖。

μ子的发现 然而，事实上，不久即发现，这一“介子”并不是汤川所预言的π介子，因为这一“介子”并不像人们所期待的那样，将和核物质具有很强的相互作用。 相反，这一“介子”除了有和核物质的电磁作用外，还有远比电磁作用还弱的弱相互作用，其微弱的程度约是10－10！

μ子的发现 然而，事实上，不久即发现，这一“介子”并不是汤川所预言的π介子，因为这一“介子”并不像人们所期待的那样，将和核物质具有很强的相互作用。 相反，这一“介子”除了有和核物质的电磁作用外，还有远比电磁作用还弱的弱相互作用，其微弱的程度约是10－10！ 后来进一步的研究表明，这一粒子根本不是介子家族的成员，而是应称为μ轻子，并和电子、中微子等粒子组成一个新的家族，即轻子族。

μ子的发现 汤川介子，亦即π介子，直到1947年，亦即在12年后，才在宇宙线和加速器中发现，但在这期间，人们一直把μ子当作π介子，这纯属“历史的误会”！ μ子的发现当然是富有戏剧性的。但是我们之所以着重介始有关μ子发现的这些戏剧性的情节，还因为μ子为原子核许多性能的研究，开拓了新天地。

汤川秀树与《庄子》 “南海之帝为倏，北海之帝为忽，中央之帝为浑沌。倏与忽时相与遇于浑沌之地，浑沌待之甚善。倏与忽谋报浑沌之德，曰：‘人皆有七窍以视听食息。此独无有，尝试凿之。’日凿一窍，七日而浑沌死。”（《庄子·内篇》） 最近我又发现了庄子寓言的一种新的魅力。我通过把倏和忽看成某种类似基本粒子的东西而自得其乐。只要他们还在自由地乱窜，什么事情也不会发生，直到他们从南到北相遇于混沌之地，这时就会发生像基本粒子碰撞那样的一件事。

四种基本相互作用 弱作用力 所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢? 较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过弱作用进行的。 类比

四种基本相互作用 弱作用力 弱作用的携带粒子是W+ ,W- ,Z 类比

四种基本相互作用 弱作用力 标准模型把弱作用和电磁作用统一到了一个理论框架中——电弱理论。 类比

四种基本相互作用 四种作用力总结 强作用 电磁作用 弱作用 引力作用 源（荷） 色荷 电荷 弱超荷 质量 场量子 胶子 光子 弱中间玻色子 引力子 力的强度 104N 102N 10-2N 10-34N 力程 10-15m ∞ <10-17m 典型作用时间 10-23s 10-16s 10-10s — 受作用的粒子 夸克、强子 夸克、强子、轻子 一切物体 举例 核力 原子结合 β衰变 天体间作用 质子是一种可以同时参与四种相互作用的粒子，所以我们采用两个质子中心的距离等于它的直径时的作用力做力的强度。 迄今为止，人类了解得最早的是引力,了解得最晚的是强力；了解得最少的是引力，了解得最多的是电磁力。想想其中的原因！

规范粒子 规范粒子总结 名称 符号 传递的相互作用 质量 自旋 电荷 光子 γ 电磁 1 弱中间 玻色子 W± 弱 81.8GeV ±1 1 弱中间 玻色子 W± 弱 81.8GeV ±1 Z0 92.6GeV 胶子 (g) 强 (0) (1) 引力子 引力 (2) 胶子发现的有8种，所以一共有13种媒介子

世界如何组成？ “答案” 世界由什么组成？如何组成？描述这些基本粒子的理论：标准模型

“基本粒子” 轻子有六种：电子、电中微子、u子、u中微子、τ子、 τ中微子。再加上它们的反粒子，共计有12个轻子。 夸克有六种（味）：上夸克、下夸克、 夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克。每种夸克有三种色，再加上它们的反粒子，故总共有36个夸克。 传播子有四种：光子、中间波色子、胶子和引力子（目前尚未发现）。光子是它自己的反粒子；中间波色子有3种：2个带电的，1个中性的；胶子有8种；引力子尚未发现，因此，共计有12个传播子。 目前，已发现的基本粒子共60个，加上尚未发现的引力子和希格斯粒子，总共62个。

“基本粒子” 基本粒子 规范粒子13种 轻子12种 夸克36种 玻色子(引力子(?)) 费米子 希格斯粒子(?) 62种 自旋为零

第四部分 理论未解之谜 ?

几点质疑 标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释： 有关费米子“代”和“味道”的问题 水平方向的： 有关费米子“代”和“味道”的问题 “大统一”和更小尺度的物理 “暗物资”和“暗能量” 希格斯粒子的本质 竖直方向的： 寻找引力子，引力波，引力能否作量子力学的处理? 来自天上的： 来自地狱的：

费米子“代”和“味道”之谜 为什么恰好有三代 ？ 为什么有不同的质量? 物质和反物质不对称！

“暗物质”和”暗能量”

上帝粒子——希格斯粒子 标准模型中所有粒子的质量都来自于希格斯机制；希格斯粒子至今还未发现。 “上帝粒子”是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。 希格斯 Peter Ware Higgs 1929- 不过希格斯认为,迄今已运行多年的美国费米实验室的万亿电子伏特加速器可能已经获得了希格斯玻色子存在的数据。希格斯说，希望能在迎来自己80岁生日前证实希格斯玻色子的存在。他幽默地说:“如果届时还是没有发现,那我只能祝愿自己活得再长久一些了。”

人类对物质本元的认识 ？ 1661年 波意耳给出化学元素概念的规定 古希腊人: 泥土、空气、火、水 扩充 1661年 波意耳给出化学元素概念的规定 1789年 拉瓦锡汇编了35个已知元素一览表 古希腊人: 泥土、空气、火、水 哲学家和炼丹士：加入了以太、水银、硫磺、盐 扩充 1896年 门捷列夫元素周期表 1914年 元素的数目达85种 原子核模型——质子、中子、电子 缩少 扩充 1932 -1950 发现一大批新粒子如:  子、介子、奇异粒子等，数目的增加在某种程度上类似于19世纪化学元素的增加 1995年 预言的六种夸克都被证实。 共62种基本粒子。 ？ 缩少

人类对物质本元的认识 物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。 ——爱因斯坦 天体引力 地球引力 电 磁 光 超 弦 弱力 强力 牛顿 爱因斯坦 经典力学 相对论力学 地球引力 设想的超对称大统一理论 电 麦克斯韦 电动力学 磁 格拉肖 萨拉姆 温泊格 规范场弱电统一理论 超 弦 光 设想的大统一理论 弱力 强力

超弦理论 弦 —— 一条细线 超弦 —— 一条超乎寻常细小的线性结构 各种基本粒子并不是无限小的没有内部结构的点粒子，而是一个个非常小的环。这些环就叫弦。

超弦理论 弦的特征尺度是普朗克长度10-35m，从原子或核的尺度看起来，它们就显得象“点”粒子。 弦理论必须要11维时空中才能描述。

超弦理论 基本粒子 —— 振荡弦，弦振动方式不同就显示为不同粒子。4种作用都是同样的弦的不同表现，因而弦理论就做到了4种基本自然力的统一而成一种“终极理论”。 和弦的不同振动方式相应的各种粒子，其能量都可和“普朗克能量”1019GeV相比或更高。 目前实验可以探测的距离10-18m，人造加速器能达到的最大能量103GeV。没有希望用实验探测出来。

第五部分 如何实验研究粒子？

研究基本粒子的手段与工具 今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。 粒子产生的方法：宇宙线、对撞机 粒子探测的工具：探测器

研究基本粒子的手段与工具 宇宙线

研究基本粒子的手段与工具 加速器 直线加速 回旋加速

研究基本粒子的手段与工具 对撞机 固定靶 为实验提供所需的高能粒子，它们的建造和运行费用是粒子物理研究的最大开支项目。 对撞机

研究基本粒子的手段与工具 当今世界上的加速器 Fermilab （费米实验室，美国） SLAC (斯坦福直线加速器中心，美国) BNL (布鲁海文实验室，美国） CESR (康奈尔正负电子储存环，美国） CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士) KEK （高能加速器研究机构，日本） DESY (电子回旋加速器，德国） IHEP (高能物理所，中国）

研究基本粒子的手段与工具 当今世界上的加速器 Fermilab （费米实验室，美国）

研究基本粒子的手段与工具 当今世界上的加速器 CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士)

研究基本粒子的手段与工具 当今世界上的加速器 IHEP (高能物理所，中国）

研究基本粒子的手段与工具 当今世界上的加速器 IHEP (高能物理所，中国） 1988年建成， 1992年成果：将子质量测量精度提高10倍 2003年：发现新粒子 2004年：国家投入6.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台

研究基本粒子的手段与工具 粒子探测器 基本粒子不能直接看到，当它们被加速器中的高能粒子打出来后，只能通过粒子探测器，获取它们在湿空气、胶片、透明液体中留下的径迹，从而辨认出粒子类型、能量等特征。

研究基本粒子的手段与工具 粒子探测器 质子加速器 粒子探测器 高能质子束 靶

研究基本粒子的手段与工具 粒子探测器

谢谢！ 李沐东 13817901175 limudong@sina.com

物理学的基本框架 经典物理 力学（实物粒子） 电磁学（场） 热力学 统计物理（多粒子体系） 相对论力学 量子力学 量子统计物理 相对论 量子场论 ？

物理学的基本框架 速率 大小或距离 1020m 10－5m 0.01c c 狭义 相对论 广义 来自《物理学：基本概念及其与方方面面的联系》 量子理论 狭义相对论 牛顿物理学 禁区 来自《物理学：基本概念及其与方方面面的联系》

物理学的基本思想方法： 物理学描述的是关于实在世界的模型 用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型。 感觉世界 物理科学世界 （1858-1947） 感觉世界 物理科学世界 真实世界 大量 唯象定律 较高层次定律 自然界的基本法则 (中介) 逼近 目标 归纳 总结 气体定律胡克定律 …… 牛顿定律麦氏方程 物理学描述的是关于实在世界的模型

我们可以把组成这个“世界”的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕棋规则就是我们所说的基础物理学。……如果你会下棋就一定知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是程度更厉害……除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题。 －－－费曼 R.P.Feynman （1918－1988）