什么是基本粒子

2016/10/14 13:51:12

基本粒子是一种术语，指人们认知的构成物质的最小或/及最基本的单位。即:在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础，且并不会因为小而断定它不是某种物质。但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故一般不提"基本粒子"这一说法。

根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

基本粒子同样是一门交叉语言哲学的学科。有着多学科的科学应用。现在科学家利用粒子加速器加速一些粒子，有时候用粒子相撞的方法，来研究基本粒子的性质和组成。

大小

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

质量

夸克、轻子-内部结构模型图
夸克、轻子-内部结构模型图
​粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍;质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。己发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，己测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

寿命

粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。电子、质子、中微子是稳定的，称为 "长寿命"粒子;而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子; 一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。
对称性

粒子具有对称性，有一种粒子，必存在一种反粒子。1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子;后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子;随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量;反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。
自旋

粒子还有另一种属性-自旋。自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子。

首先对基本粒子提出自转与相应角动量概念的是1925年由 Ralph Kronig 、George Uhlenbeck 与 Samuel Goudsmit 三人所为。然而尔后在量子力学中，透过理论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子，是故物体自转无法直接套用到自旋角动量上来，因此仅能将自旋视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其量值是量子化的，无法被改变(但自旋角动量的指向可以透过操作来改变)。
守恒

物质是不断运动和变化的，在变化中也有些东西不变，即守恒。粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律。此外还有其他的守恒定律，例如质量守恒、动量守恒、角动量守恒，以及微观现象中不连续的宇称守恒、电荷守恒，还有重子数守恒、轻子数守恒、奇异数守恒、同位旋守恒等。

双重属性

微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论

族
电荷
质量(MeV)
平均寿命(s)
共有的衰变产物
反粒子
轻子
μ
-e
106
2.2*10^-6
evμv-e
μ+
e
-e
0.511
稳定
--
e+
ve
0
0
稳定
--
v-e
vμ
0
0
稳定
--
v-μ
τ
vτ     
重子
p
+e
938.26
稳定
--
p-
n
0
939.55
930
pev-e
n-
λ
0
1115.6
2.5*10^-10
pπ-,nπ0
λ-
Σ+
+e
1189.4
8*10^-10
pπ0,nπ+
Σ-
Σ0
0
1192.5
小于10^-14
λ，辐射
Σ+
Σ-
-e
1197.3
1.5*10^-10
nπ-
Σ+
Ξ-
-e
1321.2
1.7*10^-10
λπ-
Ξ+
Ξ0
0
1314.7
3*10^-10
λπ0
Ξ0
介子
π+
+e
139.6
2.6*10^-8
μ+vμ
π-
π-
-e
139.6
2.6*10^-8
μ-vμ
π+
π0
0
135.0
10^-6
辐射
π0
K+
+e
493.8
1.2*10^-8
μ+vμ，π+π0
K-
K-
-e
493.8
1.2*10^-8
μ-vμ，π-π0
K+
K0
0
497.8
8.6*10^-11
π+π-，2π0
K0
(快衰变方式)
5.4*10^-8
3π0，π+π-π0
(慢衰变方式)
π+μv-μ，π+ev-,π-μ+vμ-,π-e+v
K0(反粒子)
0
497.8
衰变方式与K0相同
--
K0
η
0
548.8
--
3π0，π0π+π-，π+π-，辐射
η

和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。
分族特性

注:表中粒子的质量是按能量单位1MeV(兆电子伏)给出的。如果与日常单位比较1MeV相当于以1kW功率工作1.6*10^-16s.