粒子以及粒子间相互作用

 

基本粒子


构成一切物质实体的基本成分；也指量子理论中有基本力的粒子。
严格地说，基本粒子是不能再分解为任何组成部分的粒子。在这一定义下，只有夸克和轻子两种基本粒子。但是，虽然质子和中子由夸克组成，这两类重子都不可能分解为它们的夸克成分，因为独立的夸克是不能存在的。所以，尽管质子和中子以及其他重子由夸克组成，它们常被看成是基本粒子。




粒子物理学中涉及的物理量有长度，时间，质量，电荷，温度等等。
 
粒子的性质


1, 质量和寿命
除光子，胶子，引力子质量为零外，其余例子质量不为零。


2，内部自由度
粒子有一些内部的自由度，如电荷，颜色，轻子数，重子数，同位旋等。




粒子的分类


按照参与相互作用的性质将粒子分成以下几类：


1，强子
强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。另外还发现反物质，有著名的反夸克，现已被发现且正在研究其利用方法，由此我们推测，甚至可能存在反地球，反宇宙。奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。


2，轻子
轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。与玻色子和夸克不同。所有已知带电轻子都可带有一正电荷或一负电荷，视乎他们是粒子还是反粒子。所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重轻子）三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以ve、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。(所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子)。τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。




3，玻色子
玻色子（英语：boson） 是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。
这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。
自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。
引力相互作用：引力子（graviton）
电磁相互作用：光子（photon）
弱相互作用（使原子衰变的相互作用）：W 及 Z 玻色子，共有3种。
强相互作用（夸克之间的相互作用）：胶子（gluon）


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其他概念


1，光子
   光量子，简称光子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，在1905年由爱因斯坦提出。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论    中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有能量、动量、质量。
光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子；在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。

2，量子
一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus，意为“有多少”，代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”（光子）是一定频率的光的基本能量单位。而延伸出的量子力学、量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的，而不是连续地任意取值。例如，在原子中，电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。通俗地说，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。


3，电荷
电荷（electric charge） ，为物体或构成物体的质点所带的正电或负电，带正电的粒子叫正电荷（表示符号为“+”），带负电的粒子叫负电荷（表示符号为“﹣”）。也是某些基本粒子(如电子和质子)的属性，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。
在电磁学里，电荷diànhè（Electric charge）是物质的一种物理性质。称带有电荷的物质为“带电物质”。两个带电物质之间会互相施加作用力于对方，也会感受到对方施加的作用力，所涉及的作用力遵守库仑定律。电荷分为两种，“正电荷”与“负电荷”。带有正电荷的物质称为“带正电”；带有负电荷的物质称为“带负电”。假若两个物质都带有正电或都带有负电，则称这两个物质“同电性”，否则称这两个物质“异电性”。两个同电性物质会相互感受到对方施加的排斥力；两个异电性物质会相互感受到对方施加的吸引力。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。
电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。称带有电荷的粒子为“带电粒子”。电荷决定了带电粒子在电磁方面的物理行为。静止的带电粒子会产生电场，移动中的带电粒子会产生电磁场，带电粒子也会被电磁场所影响。一个带电粒子与电磁场之间的相互作用称为电磁力或电磁相互作用。这是四种基本相互作用中的一种。


4，次原子粒子：次原子粒子又称亚原子粒子，指结构比原子更小的粒子。其中包括原子的组成部分如电子、质子和中子（质子和中子本身又是由夸克所组成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子，以及许多其它奇特的粒子。
总的来说，次原子粒子可能是电子、中子、质子、介子、夸克、胶子、光子等等。


5，自旋
在量子力学中，自旋（英语：Spin）是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转（例如行星公转时同时进行的自转）相类比，但实际上本质是迥异的。经典概念中的自转，是物体对于其质心的旋转，比如地球每日的自转是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。


6，磁场
磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。


7，电磁场

 

 

在电磁学里，电磁场（electromagnetic field）是一种由带电物体产生的一种物理场，处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。电磁场与带电物体 （电荷或电流）之间的相互作用可以用麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述

 

 

 

粒子之间的4种相互作用

基本相互作用（fundamental interaction），为物质间最基本的相互作用，常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。


一，强相互作用
其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用。
总结：带色荷的粒子具有强相互作用。（通过交换胶子）


二，电磁相互作用（长程力）
其理论是量子电动力学。按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变。最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，其他还有如π0→γ+γ等。电磁衰变粒子的平均寿命为 10^-16～10^-20秒（s）。
总结：带有电荷的粒子之间具有电磁相互作用。 （通过交换光子）


三，弱相互作用
弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子(W 及 Z 玻色子)而传递，弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的，恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响所有费米子，即所有自旋为半奇数的粒子。（通过交换W 及 Z 玻色子）




四，引力相互作用（长程力）
所有具有质量的物体之间的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷。其规律是牛顿万有引力定律，更为精确的理论是广义相对论。在4种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用 、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物理研究中起决定性作用。按照近代物理的观点，引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子。 重力相互作用，简称重力或引力，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。但当距离增大，重力相互作用的影响力就会递减。不像其他的相互作用，重力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围，当物质质量为极大，物质有关的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。（通过交换引力子）


长程力：作用强度随距离的增加而减少。如静电力，万有引力等平方反比力都是。


短程力：短程力，即力的作用范围很小，影响力随距离的增加而急速减小。
short range force
如核子间的核力：在0.8~4费米的距离内，作用力很强，超过该距离后其大小急剧下降，几乎消失，大于10费米时，核力将消失。
强相互作用和弱相互作用都是短程力。