当前课程知识点：大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) > WEEK15 > 粒子物理简介 > 基本粒子
返回《大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)》慕课在线视频课程列表
返回《大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)》慕课在线视频列表
同学好
这一节我们简单介绍
基本粒子
很早人们就考虑
世界是由几种基本的元素组成的
中国人认为是
金木水火土5种元素组成万物
古希腊人认为
世界是由原子构成的
细节不同
基本思维方向是一致的
这种想法是基于
这个世界的物质有各种各样
但都很不同
比如 铁和铜是不一样的金属
假如构成世界的元素
没有最小的单元
那么在铁和铜之间应该有无数
性质逐渐变化的金属
连续地从铁过渡到铜
但是我们看到的世界并非如此
逻辑上这个世界
必定是由一些完全不同的
基本元素组成的
现在我们倾向于认为
所有的基本元素
就是基本粒子
这个逻辑其实和孟德尔发现
遗传基因的逻辑是相同的
属于同一种智慧
费曼有一个非常有意思的说法
说 如果这个世界就要毁灭
只能写一个单词留给以后
可能的智慧生命
问应该写什么
他认为是原子
有了这个原子的思想
人们就可以一步一步研究
达到我们现在的认识
所以
认为世界是由基本粒子构成的
是远古以来
人们对世界认识的一种延续
我们现在发现和认识的
具体的基本粒子
为了看清楚
我们根据
它们参与相互作用的情况
对这些粒子分类
什么粒子都参与万有引力
和弱相互作用
一般是带电粒子和光子
参与电磁作用
不过像有些中性不带电粒子
因为有磁矩
也会涉及电磁相互作用
而强相互作用
只有部分粒子参与
这些粒子统称为强子
每个基本粒子都有反粒子
参与同样的相互作用
比如 电子和它的反粒子正电子
会发生湮灭反应
这个过程是电磁过程
所以有光子发出
大家现在看到的是一个
反质子撞击质子后产生各种新的粒子
这是能量不太大的情况
能量再大的话
产生的粒子也会不同
在这个能量下是产生4个正π介子
和它们的反粒子4个负π介子
这里质子和反质子叫重子
一般认为π介子是传递
重子之间强相互作用的玻色子
它们自旋量子数是整数
所以这是强相互作用过程
我们还可以看到π介子衰变
变成正μ子和它的中微子
μ子曾被误认为是介子
现在我们知道
它和电子除了质量不同
其它性质都一样
统称为轻子
轻子不参与强相互作用
这个过程有中微子发射
所以它是弱相互作用过程
正μ子不稳定
它会继续衰变成正电子和中微子
是弱相互作用过程
我们看到反应式子两边
电荷相同
因为电荷要守恒
另外它还要满足其它的守恒定律
比如质能守恒 角动量守恒
重子数守恒 轻子数守恒
奇异数守恒 宇称守恒等
当然弱相互作用过程
宇称不守恒
现在发现
不参与强相互作用的轻子
一共12种
电子 μ子和τ子
它们的反粒子以及所属中微子
自旋都是1/2
都没有结构
也就是一个点
是基本粒子
不知道为什么
电子 μ子和τ子质量非常不同
τ子质量很大 比核子都大
轻子这个名字看来是历史误会
它们都带电荷
其反粒子带相反电荷
每种粒子都有所属的中微子
它们可以互相转变
比如电子中微子可以变成
μ子或τ子中微子
称为中微子振荡
由此可以断定
中微子有质量
但质量很小 几乎为零
所以中微子一般是以光速运动
每个轻子规定轻子数为1
其反粒子轻子数为-1
不是轻子的 当然轻子数0
所以不能有单个轻子产生或消灭
重子和介子都参与强相互作用
它们是由更基本的粒子
夸克组成的
夸克有6种
就说是6种味
自旋都是1/2
所以轻子和夸克都是费米子
每个味又都带3色
色的引入是因为
有些超子是3个相同味的
夸克组成的
为了满足泡利不相容原理
夸克还需另外的特性
区分3个相同夸克
和电荷有正负两种类似
因为语言不够描述
就说带3色
夸克质量差别很大
为什么这些费米子质量差别这么大
是非常难理解的一个事实
夸克带的电荷是
1/3或2/3电子的电量
因为不能有自由夸克存在
所以我们观察不到分数电子电量
第4味是奇异夸克它很不同
就给它一个奇异数
其它夸克奇异数为零
后来发现
第3味粲夸克其实还有粲数
其它粲数为零
是丁肇中用实验间接证实的
反夸克的电荷
重子数 奇异数以及粲数都反号
但质量相同
怎么知道有这些个夸克呢
利用高速电子轰击质子
发现质子里面有一些硬心
说明质子确实是有结构的
那么夸克就这么多吗
不会再多吗
其实这和非常漂亮的理论有关
我们叫它标准模型
我们可以把已经知道的重子
排在对称图形里面
这是盖尔蔓最先给出的
也可以把介子排在类似的格子中
历史上盖尔蔓曾经利用这种图形
根据某个超子图中的空位
预测过没有发现的粒子
这种排法背后有夸克模型支撑
比如重子这个图
实际是每个重子都由3个夸克组成
横线奇异数相同
斜线电荷数相同
介子是由夸克和反夸克
2个费米子组成的
所以是玻色子
还有其它很重要的玻色子
是规范场粒子
标准模型假设
相互作用是场量子传递的
比如引力是引力子
还没有观察到
电磁作用是光子
弱相互作用是W±和Z0粒子
强相互作用是胶子
有8种胶子
都没有质量
这些都是玻色子
比如W±和Z0粒子质量很大
所以弱相互作用是短程力
光子没有静止质量
所以电磁相互作用是长程力
一般认为
宇宙大爆炸初期
四种基本力其实是统一的
没有区别
当时的粒子都是没有质量的
随着宇宙膨胀和冷却
对称性破缺
最早是引力先分离出来
很久过后是强相互作用分离
随后才是弱相互作用
和电磁相互作用的分离
形成了目前宇宙的状态
那么力统一是什么意思呢
比如 我们现在知道
电磁相互作用和弱相互作用
是从统一再分离的
也就是弱作用曾经也是长程作用
它的中间玻色子和光子一样
也曾经没有质量
但随着对称性破缺的过程
弱作用中间玻色子
获得了质量
所以变成了短程力
也就和电磁作用分开了
那么对称性破缺
怎么就获得质量了呢
这个就是所谓希格斯机制
这是场论内容
我们在这里不做详细讨论
简单提一下
就是对称性破缺的那个标量场
也有场量子
就是希格斯粒子
这是自旋为零的中性玻色子
因为它使其它粒子获得质量
所以也叫上帝粒子
但是希格斯粒子也有质量
它的质量是怎么获得的呢
不是很清楚
所以标准模型解释
和预测了很多实验现象
非常成功
但也不是什么都清楚
大家看到的是标准模型的基本粒子
有夸克 有轻子
有中间玻色子
还有希格斯粒子
一共61种基本粒子
标准模型没有包含引力
实际应该还有引力子
另外还可能有其它粒子
比如 磁单极子等
所以 现在只说粒子
不加基本二字
这是沙拉姆最先给出的
蛇头吞尾画像
我们看到从空间尺度上
小的粒子和大的宇宙
实际是有密切联系的
当时的物理学家雄心勃勃
提出了大统一理论
解释宇宙万物的规律
是不是有这种终极的理论
可以解释所有现象呢
现在随着凝聚态物理的深入研究
发现越来越多的新规律
实际希格斯机制获得质量的想法
也是来自凝聚态的研究
有人认为物理理论是分层次的
不同层次有不同理论
代表性的是
PW安德森的著名文章
More is different
与其针锋相对的文章是
Theory of everything
争论在短时间内不会停止
但是有一点是肯定的
就是随着人们对自然的认识
和理解的提高
反而感觉认知达不到的区域
正在扩大
比如 暗物质和暗能量
引力的量子理论等
我们知道的很少
对大自然的认识和理解增加了
反而会加深对大自然的敬畏
好 我们大学物理
MOOC课程到此结束
再见
-电荷和库仑定律
--引言
--电荷
--库仑定律
-WEEK1--电荷和库仑定律
-电场及叠加原理，电偶极子
--电场和电场强度
-WEEK1--电场及叠加原理，电偶极子
-高斯定律
--电通量
--立体角*
--高斯定律的证明*
--高斯定律和电场线
--高斯定律的应用
-WEEK1--高斯定律
-WEEK1--本周作业
-静电场环路定理、电势和叠加原理
--环路定理
--电势和叠加原理
--电势梯度
--等势面
-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理
-静电能
--电荷系静电能
-WEEK2--静电能
-导体静电平衡
--物质中电场
--导体静电平衡
-WEEK2--导体静电平衡
-WEEK2--本周作业
-导体周围电场
-WEEK3--导体周围电场
-静电屏蔽
--导体壳与静电屏蔽
-WEEK3--静电屏蔽
-电容及电容器
--电容及电容器
-WEEK3--电容及电容器
-电介质
--介质对电场的影响
-WEEK3--电介质
-极化强度矢量，极化电荷
--极化强度
--极化电荷
-WEEK3--极化强度矢量，极化电荷
-WEEK3--本周作业
-极化规律、电位移矢量
--电介质的极化规律
-WEEK4--极化规律、电位移矢量
-有介质时静电场能量
-WEEK4--有介质时静电场能量
-电流密度、稳恒电流和稳恒电场
--电流密度
-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场
-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
--电动势
--欧姆定律
--欧姆定律（续）
-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律
-电流微观图像和暂态过程
--电流微观图像
-WEEK4--电流微观图像和暂态过程
-本周作业
--week4--本周作业
-洛仑兹力、磁感应强度
--电流磁效应
--磁场和磁感应强度
-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度
-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
--毕-萨-拉定律
--磁场高斯定律
-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理
-静磁场环路定理
-WEEK5--静磁场环路定理
-安培力和霍尔效应
--霍尔效应
--安培力
-WEEK5--安培力和霍尔效应
-WEEK5--本周作业
-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩
-磁介质对磁场的影响和原子磁矩
--磁场中的磁介质
--原子的磁矩
-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩
-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
--磁介质的磁化
--磁化电流
-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理
-WEEK6--本周作业
-铁磁介质和简单磁路
--磁场的界面关系
--铁磁性材料
-WEEK7--铁磁介质和简单磁路
-法拉第电磁感应定律
-WEEK7--法拉第电磁感应定律
-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
--动生电动势
--涡电流
-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流
-自感和互感
--自感
--互感
-WEEK7--自感和互感
-WEEK7--本周作业
-暂态过程和磁场能量
--磁场的能量
-磁场和电场的相对性
-位移电流和麦克斯韦方程组
--麦克斯韦方程组
-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组
-电磁波、坡因廷矢量和光压
--电磁波
--坡印廷矢量
--电磁波的动量
--光压——辐射压强
-本周作业
--week8--本周作业
-波动光学—引言
--波动光学——引言
-WEEK9--波动光学—引言
-杨氏双缝干涉、相干光
--光的干涉
--双缝干涉
-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光
-光源及发光性质
--光源的发光特性
--时间相干性
--空间相干性
-WEEK9--光源及发光性质
-光程、等倾和等厚干涉
--光程
--薄膜干涉（一）
--薄膜干涉（二）
-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉
-迈克耳逊干涉仪
--迈克耳逊干涉仪
-WEEK9--本周作业
-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
--惠更斯原理
--单缝夫琅禾费衍射
-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射
-光栅衍射
--光栅衍射
--光栅衍射（续）
-WEEK10--光栅衍射
-光学仪器分辨本领
-WEEK10--光学仪器分辨本领
-X射线晶体衍射
--X射线的衍射
-WEEK10--X射线晶体衍射
-WEEK10--本周作业
-光的偏振状态和偏振片
--光的偏振状态
--起偏和检偏
-WEEK11--光的偏振状态和偏振片
-反射和折射光偏振
-WEEK11--反射和折射光偏振
-晶体双折射、波片
--双折射
--双折射（续）
--波片
-WEEK11--晶体双折射、波片
-偏振光干涉、人工双折射和旋光
--偏振光的干涉
--人工双折射
--旋光现象
-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光
-量子物理诞生和黑体辐射
--量子物理
--黑体辐射
-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射
-WEEK11--本周作业
-光电效应、光子和康普顿效应
--光电效应
--光子
--光子（续）
--光子（续2）
--康普顿效应
-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应
-物质波、波函数和概率密度
--物质波
--波函数
--波函数（续）
-WEEK12--物质波、波函数和概率密度
-不确定性关系
--不确定关系
-WEEK12--不确定性关系
-薛定谔方程
--薛定谔方程
-WEEK12--薛定谔方程
-一维无限深势阱
--一维无限深势阱
-WEEK12--一维无限深势阱
-WEEK12--本周作业
-一维问题
--一维谐振子
--势垒穿透
--扫描隧道显微镜
-WEEK13--一维问题
-氢原子能级和角动量
--原子中的电子
--能量量子化
-WEEK13--氢原子能级和角动量
-电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理
-WEEK13--本周作业
-X射线、激光、分子光谱简介
--video
--Video
--分子光谱简介
--激光
--光学谐振腔
-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介
-固体电子气模型和量子统计
--固体
--自由电子气体模型
--量子统计
-WEEK14--固体电子气模型和量子统计
-能带模型
--能带
-能带模型--作业
-本周作业
--WEEK14--本周作业
-半导体和PN结
--Video
--Video
-WEEK15--半导体和PN结
-原子核性质、核磁共振
--Video
--Video
--Video
-WEEK15--原子核性质、核磁共振
-放射性和衰变规律
--Video
--α衰变
--穆斯堡尔效应
--β衰变
-WEEK15--放射性和衰变规律
-结合能、核力
--核的结合能
--核力
-WEEK15--结合能、核力
-粒子物理简介
--基本粒子
-WEEK15--粒子物理简介
-本周作业
--WEEK15--本周作业
-期末考试--期末考试题Part1
-期末考试--期末考试Part2
-期末考试--期末考试Part3
