1. 五彩缤纷的粒子世界
粒子的世界是一个丰富多彩的世界， 也是一个引人入胜的世界。
人们的视野进入原子世界以后， 认识了许多像中子、质子这样的粒子， 而且人们也想像打开原子一样， 试图将中子、质子等粒子打碎。科学家们建造了愈来愈大的设备， 用了愈来愈高的能量花了很多的时间和精力。但是到目前还没有获得成功。不过， 这一切努力都没有白费。在这一过程中， 物理学家发现了很多与质子、中子属于同一级的“基本粒子”( 简称粒子) 。这些粒子和它们的运动变化构成了粒子世界， 对它们的研究， 形成了一门重要的物理学分支―――粒子物理学。
那么， 粒子都有哪些？ 它们都具有什么性质和特点呢？在本世纪初的时候， 这个问题是容易回答的。因为那时， 人们对粒子的认识才刚刚开始。到1930 年， 只知道有电子、光子和质子； 1932 年发现了中子和正电子， 也不过是5 种； 到40 年代末， 物理学家所研究的粒子也只是14种。进入到本世纪末， 粒子数目已增加到200 多种， 如果再加上它们的反粒子， 就差不多已有400 种。这样多的粒子，具有各种不同的特性。不过下面这几种性质是粒子最重要的属性。
一、质量这里所说的粒子的质量， 是指它们静止时的质量。爱因斯坦在相对论中提出， 物体运动时质量会随着运动速度而增大。粒子也同样具有这一规律。质量随速度增大的规律是：momv = V21-C2式中，： mv 为粒子运动时的质量； mo 为粒子静止时的质量；V 为粒子的运动速度；C 为光速。
光子是一个很个别的粒子， 它的静止质量是零。电子的质量约为0. 5MeV， 质子的质量为1Ge V 。这里， MeV 为百万电子伏特， GeV 为10 亿电子伏特， 都是粒子物理学中用来表示质量的单位。电子伏特( eV) 是一个电子通过1 伏特的电压所获得的能量， 它是能量的单位。但根据相对论中能量和质量的关系， 能量和质量就可以用相同的单位来度量了。
目前， 所知最重的粒子是1977 年发现的Υ( 读音： jupsiln) ， 它的质量约为9. 5GeV 。
二、寿命从寿命的角度， 粒子可以分为二大类， 一类是稳定的粒子， 像质子和电子等， 它们具有无限长的寿命。这类具有稳定寿命的粒子并不多， 实验上给出它们寿命的下限分别为： 电子寿命>2 ×1022 年，质子寿命>1. 3 ×1032 年。
这种具有稳定寿命的粒子并不多， 除了质子和电子以外， 还有反质子、正电子、中微子、反中微子和光子等少数几种。另一类是不稳定的粒子。在不稳定的粒子中， 寿命最长的是中子和反中子， 它们的寿命为15 分钟； 比它们短的-是μ子( μ读音： mju)， 它的寿命只有约2 ×10 秒。
1950 年前后， 物理学家发现了一批新的粒子， 如K 介子(K 读音： k p) 、∧超子( ∧读音： l nd) 、Σ超子( Σ读音： sigm) 、Ξ超子( Ξ读音： ksai) 等。这些粒子都是通过强相互作用而迅速产生， 却通过弱相互作用而慢慢地衰变。所谓“慢慢地衰变”， 只是相对于强相互作用过程而言， 并不是我们日常中的含义。因为这些粒子的寿命，8 10仅在10 -秒到10 -秒的范围。这批粒子被称为奇异粒子。
10 -已是很短的寿命， 但是奇异粒子在不稳定粒子中也还称得上是长寿的了。1960 年前后， 物理学家又发现了大22 -24量的寿命更短的粒子。它们的寿命短到只有10 -秒到10 秒， 如ρ( 读音rou) 、Ν( 读音： niu) 、△( 读音： delta) 等。这些寿命极短的粒子统称为共振子。
三、自旋粒子都在绕自身的一根轴线在快速地自转， 自转的快慢这一特性就是用叫做“自旋”的角动量来描述的。自旋以27为单位( = h/2π， 普朗克常数h=6. 626 ×10 -尔格・秒)， 可以取0， 12，1， 32，2， 52，3 。。等整数或半整值。自旋为0 表示粒子没有自转运动， 自旋取值愈大表示粒子自转愈快。粒子自转的方向不能任意选取， 比如自旋为1 的粒子，是自旋朝上(+ )； 自旋为1 的粒子， 多一个横向自转状2 它的自转方向有两种可能， 一种是自旋朝下( - 1 2 ) ， 一种12态。自旋为0， 1， 2， 3 。。等整数值的粒子叫做玻色子；自旋为21， 23， 25 。。等半整数值的粒子叫做费米子。费米子具有一种性质， 即不能有两个或两个以上的费米粒子处于相同的状态， 这叫做泡利不相容原理。这就是说， 如果一个费米粒子占据了某个状态， 别的费米子就不能再去占据这个状态。玻色子则没有这个性质， 它不遵守泡利不相容原理， 可以有多个玻色子处于同一状态之中。例如， 光子的自旋为1， 是玻色子， 因此允许有很多光子处于相同的状态。在激光的光束中， 就是大量光子处于同一状态， 这才使得激光具有很强的方向性和良好的相广性。
四、电荷粒子带电荷的状况是不同的。电子具有电荷-e， 质子19具有电荷+e， 其中e = 1 。 602 ×10 -库仑。在已发现的所有粒子中， 除了不带电荷的光子、中子、中微子等粒子以外， 凡是带电荷的粒子， 它所带的电荷都取e 的整数倍。
有趣的是， 构成强子这类粒子的夸克， 则是带有分数电荷， 如±31e ， ±32 e 。这是夸克区别于已知粒子的最重要的特征。为什么粒子与夸克会有这一区别， 是物理学家要从理论上解释的一个问题。
粒子除了上述四种基本的属性外， 还有其他的一些性质， 对这些物质的描述就要用到更抽象、更复杂的物理概念， 比如： 宇称、奇异数、同位旋等。对这些概念在本书中也会有所涉及， 但要真正准确地理解这些概念， 还需要学习更多的物理知识。
对粒子的属性的认识， 也是有助于对粒子的分类。最初， 物理学家就是根据粒子的质量对它们进行分类的。按质量的大小， 把粒子分成四类：( 1) 光子： 质量为零( 2) 轻子： 质量较轻( 3) 介子： 质量介于轻子和质子之间( 4) 重子： 质量等于或大于质子的质量。
但是， 随着新粒子的不断发现， 这种分类已不适于对粒子的描述。现在， 物理学家是根据粒子所参与的相互作用的不同， 对粒子进行了新的分类。
我们知道自然界中存在着四种基本相互作用， 这就是引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。万有引力在粒子之间也是存在的， 但是它的强度太低， 只有在涉及到巨大质量物体时， 比如， 地球对物体的作用， 太阳对地球的作用等， 引力相互作用才是重要的。而从粒子之间的作用来看， 引力相互作用十分微弱， 完全可以忽略不计， 所以粒子之间主要有三种相互作用。
人们的视野进入原子世界以后， 认识了许多像中子、质子这样的粒子， 而且人们也想像打开原子一样， 试图将中子、质子等粒子打碎。科学家们建造了愈来愈大的设备， 用了愈来愈高的能量花了很多的时间和精力。但是到目前还没有获得成功。不过， 这一切努力都没有白费。在这一过程中， 物理学家发现了很多与质子、中子属于同一级的“基本粒子”( 简称粒子) 。这些粒子和它们的运动变化构成了粒子世界， 对它们的研究， 形成了一门重要的物理学分支―――粒子物理学。
那么， 粒子都有哪些？ 它们都具有什么性质和特点呢？在本世纪初的时候， 这个问题是容易回答的。因为那时， 人们对粒子的认识才刚刚开始。到1930 年， 只知道有电子、光子和质子； 1932 年发现了中子和正电子， 也不过是5 种； 到40 年代末， 物理学家所研究的粒子也只是14种。进入到本世纪末， 粒子数目已增加到200 多种， 如果再加上它们的反粒子， 就差不多已有400 种。这样多的粒子，具有各种不同的特性。不过下面这几种性质是粒子最重要的属性。
一、质量这里所说的粒子的质量， 是指它们静止时的质量。爱因斯坦在相对论中提出， 物体运动时质量会随着运动速度而增大。粒子也同样具有这一规律。质量随速度增大的规律是：momv = V21-C2式中，： mv 为粒子运动时的质量； mo 为粒子静止时的质量；V 为粒子的运动速度；C 为光速。
光子是一个很个别的粒子， 它的静止质量是零。电子的质量约为0. 5MeV， 质子的质量为1Ge V 。这里， MeV 为百万电子伏特， GeV 为10 亿电子伏特， 都是粒子物理学中用来表示质量的单位。电子伏特( eV) 是一个电子通过1 伏特的电压所获得的能量， 它是能量的单位。但根据相对论中能量和质量的关系， 能量和质量就可以用相同的单位来度量了。
目前， 所知最重的粒子是1977 年发现的Υ( 读音： jupsiln) ， 它的质量约为9. 5GeV 。
二、寿命从寿命的角度， 粒子可以分为二大类， 一类是稳定的粒子， 像质子和电子等， 它们具有无限长的寿命。这类具有稳定寿命的粒子并不多， 实验上给出它们寿命的下限分别为： 电子寿命>2 ×1022 年，质子寿命>1. 3 ×1032 年。
这种具有稳定寿命的粒子并不多， 除了质子和电子以外， 还有反质子、正电子、中微子、反中微子和光子等少数几种。另一类是不稳定的粒子。在不稳定的粒子中， 寿命最长的是中子和反中子， 它们的寿命为15 分钟； 比它们短的-是μ子( μ读音： mju)， 它的寿命只有约2 ×10 秒。
1950 年前后， 物理学家发现了一批新的粒子， 如K 介子(K 读音： k p) 、∧超子( ∧读音： l nd) 、Σ超子( Σ读音： sigm) 、Ξ超子( Ξ读音： ksai) 等。这些粒子都是通过强相互作用而迅速产生， 却通过弱相互作用而慢慢地衰变。所谓“慢慢地衰变”， 只是相对于强相互作用过程而言， 并不是我们日常中的含义。因为这些粒子的寿命，8 10仅在10 -秒到10 -秒的范围。这批粒子被称为奇异粒子。
10 -已是很短的寿命， 但是奇异粒子在不稳定粒子中也还称得上是长寿的了。1960 年前后， 物理学家又发现了大22 -24量的寿命更短的粒子。它们的寿命短到只有10 -秒到10 秒， 如ρ( 读音rou) 、Ν( 读音： niu) 、△( 读音： delta) 等。这些寿命极短的粒子统称为共振子。
三、自旋粒子都在绕自身的一根轴线在快速地自转， 自转的快慢这一特性就是用叫做“自旋”的角动量来描述的。自旋以27为单位( = h/2π， 普朗克常数h=6. 626 ×10 -尔格・秒)， 可以取0， 12，1， 32，2， 52，3 。。等整数或半整值。自旋为0 表示粒子没有自转运动， 自旋取值愈大表示粒子自转愈快。粒子自转的方向不能任意选取， 比如自旋为1 的粒子，是自旋朝上(+ )； 自旋为1 的粒子， 多一个横向自转状2 它的自转方向有两种可能， 一种是自旋朝下( - 1 2 ) ， 一种12态。自旋为0， 1， 2， 3 。。等整数值的粒子叫做玻色子；自旋为21， 23， 25 。。等半整数值的粒子叫做费米子。费米子具有一种性质， 即不能有两个或两个以上的费米粒子处于相同的状态， 这叫做泡利不相容原理。这就是说， 如果一个费米粒子占据了某个状态， 别的费米子就不能再去占据这个状态。玻色子则没有这个性质， 它不遵守泡利不相容原理， 可以有多个玻色子处于同一状态之中。例如， 光子的自旋为1， 是玻色子， 因此允许有很多光子处于相同的状态。在激光的光束中， 就是大量光子处于同一状态， 这才使得激光具有很强的方向性和良好的相广性。
四、电荷粒子带电荷的状况是不同的。电子具有电荷-e， 质子19具有电荷+e， 其中e = 1 。 602 ×10 -库仑。在已发现的所有粒子中， 除了不带电荷的光子、中子、中微子等粒子以外， 凡是带电荷的粒子， 它所带的电荷都取e 的整数倍。
有趣的是， 构成强子这类粒子的夸克， 则是带有分数电荷， 如±31e ， ±32 e 。这是夸克区别于已知粒子的最重要的特征。为什么粒子与夸克会有这一区别， 是物理学家要从理论上解释的一个问题。
粒子除了上述四种基本的属性外， 还有其他的一些性质， 对这些物质的描述就要用到更抽象、更复杂的物理概念， 比如： 宇称、奇异数、同位旋等。对这些概念在本书中也会有所涉及， 但要真正准确地理解这些概念， 还需要学习更多的物理知识。
对粒子的属性的认识， 也是有助于对粒子的分类。最初， 物理学家就是根据粒子的质量对它们进行分类的。按质量的大小， 把粒子分成四类：( 1) 光子： 质量为零( 2) 轻子： 质量较轻( 3) 介子： 质量介于轻子和质子之间( 4) 重子： 质量等于或大于质子的质量。
但是， 随着新粒子的不断发现， 这种分类已不适于对粒子的描述。现在， 物理学家是根据粒子所参与的相互作用的不同， 对粒子进行了新的分类。
我们知道自然界中存在着四种基本相互作用， 这就是引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。万有引力在粒子之间也是存在的， 但是它的强度太低， 只有在涉及到巨大质量物体时， 比如， 地球对物体的作用， 太阳对地球的作用等， 引力相互作用才是重要的。而从粒子之间的作用来看， 引力相互作用十分微弱， 完全可以忽略不计， 所以粒子之间主要有三种相互作用。
