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1、原子物理学第十一章1第1页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子2第2页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 研究基本粒子的目标是研究物质微观结构的基础。研究基本粒子的目标是研究物质微观结构的基础。这样，从原子到原子核和电子，再进入原子核到了核这样，从原子到原子核和电子，再进入原子核到了核子，并先后又发现很多粒子，现在对这些粒子的研究子，并先后又发现很多粒子，现在对这些粒子的研究又进入了它们的内部结构，这是人类对物质结构的认又进入了它们的内部结构，这是人类对物质
2、结构的认识的不断深化，现在仍在前进。识的不断深化，现在仍在前进。第十一章 基本粒子3第3页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 表表11.111.1开列了那些比较稳定的开列了那些比较稳定的“基本粒子基本粒子”。表中把粒子按。表中把粒子按它们的主要相互作用分类列出。物质有四种相互作用：万有引力它们的主要相互作用分类列出。物质有四种相互作用：万有引力作用，弱相互作用，电磁相互作用和强相互作用。这四种相互作作用，弱相互作用，电磁相互作用和强相互作用。这四种相互作用的相对强度和作用程差别很大，大致比较如下：用的相对强度和作用程差别很大，大致比较
3、如下：第十一章 基本粒子4第4页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子5第5页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 按那些粒子的主要相互作用，可以分为三类：第一按那些粒子的主要相互作用，可以分为三类：第一类是类是光子光子，一切带电粒子或具有磁矩的粒子之间的电磁，一切带电粒子或具有磁矩的粒子之间的电磁相互作用就是以光子为媒介的。第二类是相互作用就是以光子为媒介的。第二类是轻子轻子，它们之，它们之间的主要作用是弱相互作用。第三类粒子是间的主要作用是弱相互作用。第三类
4、粒子是强子强子，它们之间的主要作用是强相互作用。强子分为重子它们之间的主要作用是强相互作用。强子分为重子和介子两类。重子是费米子和介子两类。重子是费米子,介子是玻色子。轻子都介子是玻色子。轻子都是费米子，光子是玻色子。是费米子，光子是玻色子。第十一章 基本粒子6第6页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子7第7页，本讲稿共21页原子物理学11.1 11.1 基本粒子和粒子的相互作用基本粒子和粒子的相互作用 第十一章 基本粒子8第8页，本讲稿共21页原子物理学11.2 11.2 粒子的观测和粒子的观测和11.3 11.3
5、 守恒定律和对称原理守恒定律和对称原理 基本粒子的一些量子数和对称关系如表达式基本粒子的一些量子数和对称关系如表达式11.211.2所示。所示。第十一章 基本粒子9第9页，本讲稿共21页原子物理学11.2 11.2 粒子的观测和粒子的观测和11.3 11.3 守恒定律和对称原理守恒定律和对称原理三种相互作用的守恒定律如表三种相互作用的守恒定律如表11.311.3所示。所示。第十一章 基本粒子10第10页，本讲稿共21页原子物理学11.2 11.2 粒子的观测和粒子的观测和11.3 11.3 守恒定律和对称原理守恒定律和对称原理 这些相互作用的守恒定律和有关量子数的数值是从这些相互作用的守恒定律
6、和有关量子数的数值是从观察到的事实总结出来的，并不是先有完整的理论。但观察到的事实总结出来的，并不是先有完整的理论。但这样的经验规律的总结也就是进入理论的门径。边总结这样的经验规律的总结也就是进入理论的门径。边总结经验规律，边发展理论。从这些规律出发，现在的研究经验规律，边发展理论。从这些规律出发，现在的研究已进入基本粒子内部结构的问题。有关理论仍在发展中。已进入基本粒子内部结构的问题。有关理论仍在发展中。第十一章 基本粒子11第11页，本讲稿共21页原子物理学11.4 11.4 共共 振振 态态 基本粒子互相碰撞时，可以产生一种状态，即二、三基本粒子互相碰撞时，可以产生一种状态，即二、三个粒
7、子短时结合在一起。成为一个粒子，这称为共振态或个粒子短时结合在一起。成为一个粒子，这称为共振态或激发态，不久就衰变了。这样的短期结合，如果也看作基激发态，不久就衰变了。这样的短期结合，如果也看作基本粒子，那么现在知道的基本粒子数目，包括以前已谈到本粒子，那么现在知道的基本粒子数目，包括以前已谈到的比较稳定的粒子，已有二百多种了。出现了这么多种粒的比较稳定的粒子，已有二百多种了。出现了这么多种粒子，很难说都是子，很难说都是“基本基本”的了。的了。第十一章 基本粒子12第12页，本讲稿共21页原子物理学11.4 11.4 共共 振振 态态 共振态分为两类：一类称为共振态分为两类：一类称为重子共振态
8、重子共振态，它的衰，它的衰变产物有重子在内。另一类是变产物有重子在内。另一类是介子共振态介子共振态，它衰变成为，它衰变成为两个或两个以上介子。两个或两个以上介子。1 1、重子共振态（、重子共振态（P389-P389-）2 2、介子共振态（、介子共振态（P391-P391-）第十一章 基本粒子13第13页，本讲稿共21页原子物理学11.5 11.5 强子分类和层子模型强子分类和层子模型 粒子种类包括共振态已经达到粒子种类包括共振态已经达到200200以上，用各种量子数标记它以上，用各种量子数标记它们的特性到了很复杂的程度，但是可以看出存在着一定的系统性和规们的特性到了很复杂的程度，但是可以看出存
9、在着一定的系统性和规律性。近年理论的研究认为多样的强子是由更深一层的层子构成的。律性。近年理论的研究认为多样的强子是由更深一层的层子构成的。我国在这方面的理论工作者作了不少贡献，并提出我国在这方面的理论工作者作了不少贡献，并提出“层子层子”这个名称这个名称（国际上称为（国际上称为QuarkQuark）。前些年根据强子的特性的对称性，人们提出三）。前些年根据强子的特性的对称性，人们提出三个层子的模型，近年共振态粒子的连续发现，用三个层子的模型来说个层子的模型，近年共振态粒子的连续发现，用三个层子的模型来说明复杂的强子情况已经感到不够，又采用四明复杂的强子情况已经感到不够，又采用四层子模型层子模型
10、。第十一章 基本粒子14第14页，本讲稿共21页原子物理学11.5 11.5 强子分类和层子模型强子分类和层子模型 经过这样的发展，人们认识到，所谓经过这样的发展，人们认识到，所谓“基本粒子基本粒子”，还有更基本，还有更基本的内部结构，这就推动了对这些粒子深一层的研究。的内部结构，这就推动了对这些粒子深一层的研究。值得注意的一个情况是轻子的数目在很长时间内保持四种：电子、值得注意的一个情况是轻子的数目在很长时间内保持四种：电子、子、电中微子、子、电中微子、中微子和它们的反粒子。多年来没有新的发现。中微子和它们的反粒子。多年来没有新的发现。近年才发现较重的轻子近年才发现较重的轻子。而强子的数目不
11、断增加，且彼此有复杂关。而强子的数目不断增加，且彼此有复杂关系，但是，这些关系是有规律可循的。系，但是，这些关系是有规律可循的。表表11.4 11.4 中开列了层子和反层子的量子数。这样就可以说明强子中开列了层子和反层子的量子数。这样就可以说明强子的特性和彼此关系的对称性。的特性和彼此关系的对称性。第十一章 基本粒子15第15页，本讲稿共21页原子物理学11.5 11.5 强子分类和层子模型强子分类和层子模型 第十一章 基本粒子16第16页，本讲稿共21页原子物理学11.5 11.5 强子分类和层子模型强子分类和层子模型 人们推断，每一个介子是一个层子和一个反层子构人们推断，每一个介子是一个层
12、子和一个反层子构成的，重子是三个层子构成的。按照这样的结构方式，成的，重子是三个层子构成的。按照这样的结构方式，可以把数目众多的强子清理出一个头绪来。可以把数目众多的强子清理出一个头绪来。第十一章 基本粒子17第17页，本讲稿共21页原子物理学11.6 11.6 关于电磁相互作用关于电磁相互作用1 1、光子、光子 粒子间的电磁相互作用是通过电磁场发生的。光子粒子间的电磁相互作用是通过电磁场发生的。光子是电磁场的量子，它是粒子间电磁相互作用的媒介。带是电磁场的量子，它是粒子间电磁相互作用的媒介。带电体之间，或电流之间，或带电体和电流之间都有电磁电体之间，或电流之间，或带电体和电流之间都有电磁相互
13、作用。相互作用。第十一章 基本粒子18第18页，本讲稿共21页原子物理学11.6 11.6 关于电磁相互作用关于电磁相互作用2 2、粒子的电磁性、粒子的电磁性 带电粒子大多带一个电子的电荷带电粒子大多带一个电子的电荷e e，正的或负的。，正的或负的。共振态有带共振态有带2e2e电荷的，没有超过电荷的，没有超过2e2e的。的。从电子和从电子和子在电子上散射的实验以及这两种粒子子在电子上散射的实验以及这两种粒子的磁矩情况，可以得到一个结论：这两种粒子直到的磁矩情况，可以得到一个结论：这两种粒子直到 厘米的半径，是没有内部结构的。关于电子之间和厘米的半径，是没有内部结构的。关于电子之间和子子之间的电
14、磁相互作用的其他实验也都证实了这个结论。之间的电磁相互作用的其他实验也都证实了这个结论。第十一章 基本粒子19第19页，本讲稿共21页原子物理学11.6 11.6 关于电磁相互作用关于电磁相互作用3 3、来源于电磁作用的强相互作用、来源于电磁作用的强相互作用 用用射线产生射线产生介子。介子。1GeV1GeV以下的以下的射线被质子射线被质子吸收会产生单个吸收会产生单个介子。介子。第十一章 基本粒子20第20页，本讲稿共21页原子物理学11.7 11.7 弱相互作用弱相互作用1 1、弱相互作用的辨认、弱相互作用的辨认2 2、守恒定律、守恒定律 在弱相互作用中，能量、线动量、角动量、重子在弱相互作用中，能量、线动量、角动量、重子数、总电量都是守恒的。这些量的守恒在强相互作用、数、总电量都是守恒的。这些量的守恒在强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用中是共同的规律。电磁相互作用和弱相互作用中是共同的规律。第十一章 基本粒子21第21页，本讲稿共21页