原子物理学(第十一章).ppt

1 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用很久以来 人们在追究物质结构的基本单元 最初把元素的最小单元 原子 看作不可分的 是各种物质结构的基本单元 但到了二十世纪初期 认识到原子是原子核和电子构成的 原子核还有内部结构 1932年中子被发现后 进一步认识到构成原子核的是质子和中子 人们把质子 中子 电子和光子称作 基本粒子 第十一章基本粒子 2 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用 第十一章基本粒子 3 原子物理学 11 1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 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又进入了它们的内部结构 这是人类对物质结构的认识的不断深化 现在仍在前进 第十一章基本粒子 4 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用表11 1开列了那些比较稳定的 基本粒子 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 第十一章基本粒子 5 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用 第十一章基本粒子 6 原子物理学 11 1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 第一类是光子 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 第二类是轻子 它们之间的主要作用是弱相互作用 第三类粒子是强子 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 介子是玻色子 轻子都是费米子 光子是玻色子 第十一章基本粒子 7 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用 第十一章基本粒子 8 原子物理学 11 1基本粒子和粒子的相互作用 第十一章基本粒子 9 原子物理学 11 2粒子的观测和11 3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11 2所示 第十一章基本粒子 10 原子物理学 11 2粒子的观测和11 3守恒定律和对称原理三种相互作用的守恒定律如表11 3所示 第十一章基本粒子 11 原子物理学 11 2粒子的观测和11 3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 第十一章基本粒子 12 原子物理学 11 4共振态基本粒子互相碰撞时 可以产生一种状态 即二 三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 出现了这么多种粒子 很难说都是 基本 的了 第十一章基本粒子 13 原子物理学 11 4共振态共振态分为两类 一类称为重子共振态 它的衰变产物有重子在内 另一类是介子共振态 它衰变成为两个或两个以上介子 1 重子共振态 P389 2 介子共振态 P391 第十一章基本粒子 14 原子物理学 11 5强子分类和层子模型粒子种类包括共振态已经达到200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 层子 这个名称 国际上称为Quark 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明复杂的强子情况已经感到不够 又采用四层子模型 第十一章基本粒子 15 原子物理学 11 5强子分类和层子模型经过这样的发展 人们认识到 所谓 基本粒子 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 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 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 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 表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的特性和彼此关系的对称性 第十一章基本粒子 16 原子物理学 11 5强子分类和层子模型 第十一章基本粒子 17 原子物理学 11 5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 第十一章基本粒子 18 原子物理学 11 6关于电磁相互作用1 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 带电体之间 或电流之间 或带电体和电流之间都有电磁相互作用 第十一章基本粒子 19 原子物理学 11 6关于电磁相互作用2 粒子的电磁性带电粒子大多带一个电子的电荷e 正的或负的 共振态有带2e电荷的 没有超过2e的 从电子和 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 这两种粒子直到厘米的半径 是没有内部结构的 关于电子之间和 子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 20 原子物理学 11 6关于电磁相互作用3 来源于电磁作用的强相互作用用 射线产生 介子 1GeV以下的 射线被质子吸收会产生单个 介子 第十一章基本粒子 21 原子物理学 11 7弱相互作用1 弱相互作用的辨认2 守恒定律在弱相互作用中 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 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