粒子模型

基本粒子原意是物質(zhì)存在的基本單元，它是隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)進(jìn)展而不斷發(fā)展的，現(xiàn)已認(rèn)識(shí)到不能把它看成是最后的、最簡(jiǎn)單的組成單元。

粒子模型基本粒子的自旋量子數(shù)

1921年，德國(guó)史特恩和格拉赫在實(shí)驗(yàn)中將堿金屬原子束經(jīng)過一不均勻磁場(chǎng)射到屏幕上時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線束分裂成兩束，并向不同方向偏轉(zhuǎn)?；诋?dāng)時(shí)的認(rèn)知人們認(rèn)為，電子除了有軌道運(yùn)動(dòng)外，還有自旋運(yùn)動(dòng)，上述現(xiàn)象是電子自旋磁矩順著或逆著磁場(chǎng)方向取向的結(jié)果。1925年，荷蘭物理學(xué)家烏倫貝克和哥希密特提出，電子有不依賴于軌道運(yùn)動(dòng)的固有磁矩(自旋磁矩)的假設(shè) 。

粒子物理學(xué)認(rèn)為，電子自旋量子數(shù)s=1/2，它是表征電子自旋角動(dòng)量的量子數(shù)。自旋為1/2的基本粒子還包括正電子、中微子和夸克。光子是自旋為1的粒子，理論假設(shè)的希格斯玻色子的自旋為0。

粒子物理研究表明，自旋是和空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性相聯(lián)系的。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，所謂自旋就是指粒子的自轉(zhuǎn)，所謂自旋量子數(shù)是對(duì)處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的粒子場(chǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的一種描述。

在微觀環(huán)境中，粒子總是在不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖2-2所示，自旋為1的粒子(如光子)，是指粒子的場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)一圈后看起來一樣，即該粒子場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)面上是360度對(duì)稱結(jié)構(gòu)；自旋為1/2的粒子(如電子和質(zhì)子)，是指粒子的場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)1/2圈后看起來一樣，即該粒子場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)面上是180度對(duì)稱結(jié)構(gòu)；自旋為0的粒子(如普通天體)，是指該粒子的場(chǎng)從任意角度看都一樣，即該粒子是各向同性的全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。通常粒子自旋量子數(shù)介于0和1之間。

值得注意的是，在量子力學(xué)中，自旋為2的粒子在旋轉(zhuǎn)180度后看起來一樣、自旋為1/2的粒子必須旋轉(zhuǎn)2圈才會(huì)一樣。這一點(diǎn)正好與系統(tǒng)相對(duì)論的描述相反，也正因如此，才使得自旋概念變得更加神秘。

對(duì)于史特恩和格拉赫的堿金屬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論原子模型可知，核外電子是在原子核的場(chǎng)域中做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的，核外電子不可能與外界磁場(chǎng)發(fā)生直接作用(否則，電子將不再圍繞原子核運(yùn)行)。換言之，與外界磁場(chǎng)發(fā)生相互作用的是原子核的極性場(chǎng)。因此，將原子束分裂的原因歸結(jié)于核外電子是不正確的。

系統(tǒng)相對(duì)論的解釋是：根據(jù)場(chǎng)域原理，在強(qiáng)磁場(chǎng)中，堿金屬原子的場(chǎng)域都較小，原子場(chǎng)域都相對(duì)獨(dú)立而幾乎不存在相互作用。當(dāng)進(jìn)入弱磁場(chǎng)時(shí)，堿金屬原子的場(chǎng)域迅速增大，導(dǎo)致相鄰原子之間產(chǎn)生相互作用，自轉(zhuǎn)方向相反的原子之間因相互排斥而遠(yuǎn)離，同向轉(zhuǎn)動(dòng)的原子之間因相互協(xié)變而形成一束穩(wěn)定的粒子流，這就是原子束分裂的原因。

粒子模型基本粒子并不基本

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，基本粒子理論在本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論，它在許多方面還不能令人滿意，其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問題尚待澄清，即：層次結(jié)構(gòu)問題和相互作用統(tǒng)一問題 。

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上，可以把原子中的電子和原子核分割開來；在原子核層次上，也可以把組成原子核的質(zhì)子和中子從原子核中分割出來?？墒沁M(jìn)入到“基本粒子”層次后，強(qiáng)子雖然是由帶“色”的層子和反層子組成的，但卻不能把層子或反層子從強(qiáng)子中分割出來。這種現(xiàn)象被稱為“色”禁閉，對(duì)于“色”禁閉現(xiàn)象的原因，至今還未能從理論上找到明確答案。

上世紀(jì)80年代已知的層子、反層子已達(dá)36種，輕子、反輕子已達(dá)12種，再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場(chǎng)粒子以及希格斯粒子，總數(shù)已很多，這就使人們?nèi)ピO(shè)想這些粒子的結(jié)構(gòu)。對(duì)此物理學(xué)家們已經(jīng)給出許多理論模型，但各模型之間差別很大，近期內(nèi)還很難由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和判斷究竟哪個(gè)模型正確。

系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，現(xiàn)代物理學(xué)所定義的基本粒子并不基本，真正的基本粒子是cn粒子。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，電子是一種帶負(fù)電的穩(wěn)定的基本粒子。然而，對(duì)于電子為什么既有質(zhì)量又帶電荷，尚給不出合理的解釋。

粒子模型電子存在結(jié)構(gòu)的啟示

在電磁理論中，通常將電子視為一個(gè)電荷均勻分布的帶電小球，如圖2-4所示。在這個(gè)經(jīng)典的電子小球模型中沒有給質(zhì)量留下位置，而且對(duì)1/2的自旋也無法給出合理解釋，顯然這個(gè)模型過于粗糙。細(xì)致觀察電子的一些特性，可以窺見電子存在結(jié)構(gòu)的信息。

電子的自旋量子數(shù)為1/2，從2.2節(jié)可知，電子每轉(zhuǎn)動(dòng)1/2圈我們就看到相同的面，即在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上電子是180度對(duì)稱結(jié)構(gòu)。如果將電子的磁矩和宏觀磁體的性質(zhì)聯(lián)系起來，電子可以理解為四個(gè)三角條形磁鐵的組合體，如圖2-5所示。那么，這個(gè)磁鐵組合體轉(zhuǎn)動(dòng)180度時(shí)我們看到的將是相同磁極方向的另一個(gè)條形磁鐵。因此，從電子的自旋量子數(shù)，我們獲得電子可能存在四個(gè)極面的信息。

電子既帶電荷又有質(zhì)量，而電荷和質(zhì)量本質(zhì)上是表征庫侖力和萬有引力的一種計(jì)量方式，這兩種不同性質(zhì)的力反映出電子具有兩種不同性質(zhì)的場(chǎng)。可見，電子同時(shí)具有表征質(zhì)量性質(zhì)和電荷性質(zhì)兩種類型的場(chǎng)。

粒子模型電子的長(zhǎng)方體模型

如上所述，系統(tǒng)相對(duì)論構(gòu)建的電子模型如下：

電子是由若干光子凝聚成的近長(zhǎng)方體的穩(wěn)態(tài)粒子，如圖2-6中a所示。電子中的光子是對(duì)稱的凌形排列，相鄰光子的極向相反，它們之間的耦合渦環(huán)(中性場(chǎng)線)，如同一條條繩索將它們緊緊地捆綁在一起，光子的層數(shù)是2的倍數(shù)，圖2-6中b為上下對(duì)稱的8層光子構(gòu)成的電子正方形端面。

和光子一樣，電子的場(chǎng)從內(nèi)到外也分為內(nèi)場(chǎng)、臨界場(chǎng)和外場(chǎng)三層結(jié)構(gòu)，如圖2-6中c所示。電子中光子的獨(dú)立場(chǎng)線(是指未與相鄰光子耦合的場(chǎng)線，參見圖2-3中b)的包絡(luò)面圍成的區(qū)域稱作電子的內(nèi)場(chǎng)，又稱電子的本體。

在電子內(nèi)場(chǎng)外側(cè)，場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)(見3.1節(jié))從光子間距逐步增大、最終達(dá)到一個(gè)常數(shù)r₀，半徑r₀圍成的區(qū)域稱作電子的臨界場(chǎng)，又稱作電子體；相應(yīng)地，將這個(gè)臨界場(chǎng)的外邊界稱作電子的表面，臨界場(chǎng)的半徑r₀稱作電子的半徑。

在電子體的外部，場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)為常數(shù)r₀，這個(gè)區(qū)域稱作電子的外場(chǎng)，簡(jiǎn)稱電子場(chǎng)。如圖2-6中c所示，電子場(chǎng)由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)兩部分構(gòu)成，這為電子的電荷和質(zhì)量的來源提供了解釋，即電子的中性場(chǎng)決定了它的質(zhì)量性質(zhì)、極性場(chǎng)決定了它的帶電性質(zhì)。

粒子模型電子場(chǎng)的結(jié)構(gòu)

如圖2-6中c所示，電子場(chǎng)在兩個(gè)端面上屬中性場(chǎng)；在四個(gè)側(cè)面上的場(chǎng)是極性場(chǎng)，且相對(duì)兩側(cè)面極性方向相同，相鄰兩側(cè)面極性方向相反。從電子場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，我們可以推導(dǎo)出電子的一些性質(zhì) 。

電子的四個(gè)側(cè)面如同四個(gè)條形磁鐵，從每個(gè)端面看都是相對(duì)兩側(cè)面極性相同，相鄰兩側(cè)面極性相反，稱之為四極場(chǎng)。質(zhì)子場(chǎng)的極性場(chǎng)也屬四極場(chǎng)(見后文)，因此電子和質(zhì)子一樣，也具有電四極矩性質(zhì)。

粒子模型中微子與長(zhǎng)方體粒子族

1930年，德國(guó)科學(xué)家泡利預(yù)言了中微子的存在，1956年美國(guó)萊因斯和柯萬在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到中微子。根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)研究的結(jié)果，中微子自旋為1/2，質(zhì)量非常輕，小于電子質(zhì)量的百萬分之一。

據(jù)此系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，中微子與電子結(jié)構(gòu)類似，是由較小光子聚合而成近長(zhǎng)方體的穩(wěn)態(tài)粒子，但所含光子的層數(shù)和尺寸遠(yuǎn)小于電子。一方面，由于中微子尺度小，而呈現(xiàn)出具有極強(qiáng)的穿透力；另一方面，由于中微子場(chǎng)非常弱，這使它難以探測(cè)。

中微子具有與電子類似的特性，它們屬同一類型的粒子，中微子和電子統(tǒng)稱為長(zhǎng)方體粒子族。

光是人類認(rèn)識(shí)最早的事物之一，然而對(duì)于光的本性，直到今天人們尚未形成一致的觀點(diǎn)、還在爭(zhēng)論。當(dāng)前物理學(xué)面臨的各種困難與挑戰(zhàn)、矛盾與困惑，或多或少都與光本性的認(rèn)識(shí)有關(guān) 。

粒子模型光子存在結(jié)構(gòu)的啟示

盡管粒子物理學(xué)把光子定義為一種基本粒子，然而還是有人提出了光的光子模型和光波模型，這兩類光的模型與許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)相矛盾、是錯(cuò)誤的?？梢钥闯?，這些模型的構(gòu)建受到了正負(fù)電概念的深刻影響。細(xì)致觀察光的一些特性，可以窺見光子存在結(jié)構(gòu)的信息。

1.光子的頻率與自旋

根據(jù)我們?cè)诤暧^上獲得的經(jīng)驗(yàn)，將光子頻率視為光子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是一個(gè)容易理解的方案。然而，對(duì)于各向同性(即沒有極性)的粒子，我們是無法探測(cè)它的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的，因此光子頻率的存在，意味著光子是非各向同性的，即光子是有極性的，而極性又意味著結(jié)構(gòu)的存在。因此，光子的頻率特性給出了光子存在結(jié)構(gòu)的暗示。

光子的自旋量子數(shù)為1。從2.2節(jié)可知，光子每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈我們才看到相同的面(場(chǎng))，即在轉(zhuǎn)動(dòng)方向上光子是360度對(duì)稱結(jié)構(gòu)。如果將光子理解為一個(gè)條形磁鐵，這個(gè)磁鐵水平放置且在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么這個(gè)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)360度時(shí)，我們看到的將是同一個(gè)磁極。因此，從光子的自旋量子數(shù)，我們可以獲得光子可能存在兩個(gè)極的信息。

2.對(duì)普朗克“能量子”的推導(dǎo)

1900年，普朗克從適用于高頻的維恩位移定律和適用于低頻的瑞利-瓊斯分布公式，擬合出了普朗克黑體輻射公式，該公式完全符合于實(shí)驗(yàn)。為了給出公式的解釋，普朗克認(rèn)為，產(chǎn)生電磁波的源可看成是“諧振子”，進(jìn)而假設(shè)諧振子的振動(dòng)能量(E_r)只可能取離散值，即E_r=nhv₀=nε₀ 。與此不同，1905年愛因斯坦假設(shè)電磁波(光)本身是量子化的，即光由粒子組成，這種粒子稱為光子，光子的能量E_v=hv，進(jìn)而給出了光電效應(yīng)的解釋。

實(shí)際上，諧振子的概念是普朗克為了理解他的黑體輻射公式而提出的，它未必是一種真實(shí)的存在，因?yàn)橹C振子無法被直接觀測(cè)。事實(shí)上，我們是通過觀測(cè)諧振子發(fā)出的光子來間接理解它的。換言之，諧振子的能量E_r是通過它發(fā)出的光子的能量E_v反映出來的，可見E_r與E_v是完全等價(jià)的概念。于是有：

E_v=E_r=nε₀=hv (2-1)

上式中，ε₀不再是諧振子中的能量子，而應(yīng)理解為光子中的能量子，可見光子的能量E_v是能量子ε₀的整數(shù)倍。換言之，一個(gè)光子是由若干能量子ε₀構(gòu)成的，光子所含能量子的數(shù)量越多，光子的能量就越高，在真空中它的頻率也越高。

上述推導(dǎo)出的光子中的能量子ε₀與系統(tǒng)相對(duì)論中的剛體態(tài)能量子e₀(即cn粒子)是完全等價(jià)的概念。由此我們獲得光子是由更基本的粒子構(gòu)成的啟示。

粒子模型光子的管狀體模型

如上所述，系統(tǒng)相對(duì)論構(gòu)建的光子模型如下：

光子是由若干cn粒子通過疊加方式凝聚成的管狀粒子，cn粒子是構(gòu)成光子的基本單元，也是最小的光子。光子中的cn粒子按極性同向排列，cn粒子之間的耦合渦環(huán)(場(chǎng)環(huán))如同一條條繩索將它們緊緊捆在一起。光子是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖2-3中a所示。

光子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖2-3中b所示，光子的場(chǎng)是由內(nèi)場(chǎng)、臨界場(chǎng)和外場(chǎng)組成的三層結(jié)構(gòu)。光子中，各cn粒子獨(dú)立渦環(huán)的包絡(luò)線圍成的區(qū)域稱作光子的內(nèi)場(chǎng)，又稱光子的本體。

在內(nèi)場(chǎng)外側(cè)，部分cn粒子之間耦合渦環(huán)的包絡(luò)圓圍成的區(qū)域，稱作光子的臨界場(chǎng)，這個(gè)包絡(luò)球又稱作光子體；相應(yīng)地，將這個(gè)臨界場(chǎng)的外邊界稱作光子的表面，臨界場(chǎng)的半徑r₀稱作光子的半徑。

在光子體的外部，彌散著所有cn粒子共同的耦合渦環(huán)，稱作光子的外場(chǎng)，簡(jiǎn)稱光子場(chǎng)。與cn粒子一樣，光子也如同一個(gè)微小的磁體，它的場(chǎng)是具有一個(gè)陽極N和一個(gè)陰極S的極性場(chǎng)，又稱雙極場(chǎng)。

從單個(gè)cn粒子到若干cn粒子構(gòu)成的光子，它們都具有管狀體的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)相對(duì)論稱之為管狀體粒子族。依據(jù)這個(gè)光子模型，我們可以更好地理解光子的橫波、偏振等特性 。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解釋相互不協(xié)調(diào)，粒子將其能量集中于一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)，波的能量是均勻分布在整個(gè)波前上。對(duì)于波粒二象性的困境，自量子論誕生以來，許多物理學(xué)家和哲學(xué)家都頑強(qiáng)地拼搏過這個(gè)問題 ，遺憾的是都無果而終。雖然波粒二象性已被科學(xué)界廣泛接受，但這僅是一種限于當(dāng)時(shí)科技和認(rèn)識(shí)水平而被迫妥協(xié)的結(jié)果，許多人將它視為一個(gè)權(quán)宜之計(jì)，而不是一個(gè)終極的答案。

粒子模型對(duì)單粒子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的考查

在物理學(xué)上，單粒子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)被視為粒子具有波動(dòng)性的最有力證據(jù)。在該實(shí)驗(yàn)中(以光子為例)，入射光里只包含一個(gè)光子，在屏幕上光子將整體的為其上某個(gè)感光單元所接收。在底片上起初星星點(diǎn)點(diǎn)、繼而干涉條紋漸露端倪、最終呈現(xiàn)出完整的干涉圖樣。如果交替地每次擋住其中一條縫，就可以肯定每個(gè)光子通過的是另一條縫，結(jié)果是雙縫干涉條紋消失了，屏幕上顯示單縫衍射圖樣。

物理學(xué)界對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的通常推理是：干涉條紋是兩束光相干疊加的結(jié)果，按經(jīng)典粒子的概念，一個(gè)光子只通過雙縫之一，另一個(gè)縫的存在與否，似乎對(duì)它的行蹤沒有影響。它打在屏幕上的概率怎么會(huì)受另一縫的制約？如果說下一個(gè)光子通過了另一條縫，前后兩光子在時(shí)間上相隔甚遠(yuǎn)，干涉效應(yīng)絕不可能在它們之間發(fā)生。所以，是一個(gè)光子自己和自己發(fā)生干涉，即一個(gè)光子同時(shí)通過了兩條縫。

1.單光子與光束在干涉機(jī)制上的矛盾

理性比較光束和單光子的雙縫實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，一方面，前者要求光束必須為相干光 ，否則不能干涉；而后者單光子之間不存在相干，也能出現(xiàn)干涉條紋。顯然這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)本身就存在無法調(diào)和的矛盾。

另一方面，前者的解釋是：通過雙縫后的不同光子之間發(fā)生干涉；而后者的解釋：是同一個(gè)光子同時(shí)通過雙縫后與自身干涉。顯然，對(duì)于同一套實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的干涉條紋，出現(xiàn)了兩種完全不同的干涉機(jī)制。難道自然界為我們準(zhǔn)備了多套干涉方式，以供我們根據(jù)需要來任意選擇嗎？

面對(duì)上述兩種實(shí)驗(yàn)事實(shí)，我們已經(jīng)陷入干涉機(jī)制的困境。

2. 單光子雙縫干涉效應(yīng)的系統(tǒng)相對(duì)論解釋

在單光子雙縫實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置的兩縫間隔為微米級(jí)，如圖2-1所示。由于間隔的截面尺度極小，在間隔的臨界場(chǎng)中作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的自由電子，具有圍繞“間隔”做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的分量。這些自由電子相互誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，最終它們都圍繞 “間隔”作同向的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。這種規(guī)則的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致自由電子之間相互耦合，形成電子對(duì)或電子鏈。于是，在間隔周圍形成了一個(gè)電流磁場(chǎng) 。

在這個(gè)電流磁場(chǎng)的誘導(dǎo)作用下，縫的另一側(cè)上產(chǎn)生一個(gè)其表面原子核形成的協(xié)變磁場(chǎng)，這兩個(gè)場(chǎng)統(tǒng)稱縫隙場(chǎng)。單光子在通過任意一條縫時(shí)，在縫隙場(chǎng)的作用下發(fā)生偏向運(yùn)動(dòng)，即物理學(xué)上的衍射。

在間隔上做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的自由電子具有一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)周期T₁，設(shè)T₁=nτ₀ ，其中n為整數(shù)，τ₀為某個(gè)時(shí)間單位。一般，從光源發(fā)出的光子也具有固定的周期T₂，可表示為：T₂=mτ₀ ，其中m為整數(shù)。那么，光源和雙縫構(gòu)成的系統(tǒng)也存在一個(gè)周期T，即：T=0。這里未考慮入射單光子的隨機(jī)路徑。

如上所述，相隔時(shí)間T的兩個(gè)光子受到縫隙場(chǎng)的作用相同，設(shè)光子與縫隙場(chǎng)的作用共分x種情況，則有：x=T/T₂=

可見，光子與縫隙場(chǎng)的作用共有T/T₂種類型。換言之，通過縫隙后的光子具有T/T₂個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，形成T/T₂條亮紋。由此推測(cè)，實(shí)驗(yàn)顯示的亮紋是將兩縫亮紋重疊而成，當(dāng)然這需要精細(xì)調(diào)制。顯然，這與所謂的自身干涉毫無關(guān)聯(lián)。

當(dāng)任意一個(gè)縫被擋住，間隔消失了，間隔上的電流磁場(chǎng)也就消失，縫隙場(chǎng)也就不存在了，所謂干涉條紋也就消失了。于是，在屏幕上呈現(xiàn)出因受縫隙邊沿臨界場(chǎng)影響而形成的衍射圖案。

粒子模型對(duì)波粒二象適用范圍的考查

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，對(duì)于粒子的波動(dòng)性和粒子性，它們的使用范圍是不同的，即在討論與物質(zhì)(物體)相互作用時(shí)粒子性有效，在討論在空間中的運(yùn)動(dòng)時(shí)波動(dòng)性有效。

我們知道，不論任何物體，構(gòu)成物體的分子或原子之間存在著間隙、原子核與電子之間也存在間隙。因此，一個(gè)物體就是由懸浮于空間中的各級(jí)粒子通過不同作用關(guān)系逐級(jí)構(gòu)成的一個(gè)松散結(jié)構(gòu)的聚合體。

一方面，根據(jù)接觸的相對(duì)性原理，任何物體或粒子之間的相互作用都是在一定間隙下通過場(chǎng)傳遞的。也就是說，無論一個(gè)粒子與某個(gè)物體作用與否，粒子始終處于空間中。而無論物體內(nèi)的空間還是物體外的空間，它們都是整個(gè)連續(xù)空間的一部分，粒子性和波動(dòng)性的精確分界線應(yīng)在哪個(gè)位置呢？顯然，從連續(xù)空間的角度看，這個(gè)分界線并不存在。

另一方面，一個(gè)粒子與物體的相互作用，本質(zhì)是與物體中的某個(gè)粒子的相互作用(如核外電子、原子核等)，只不過這個(gè)粒子處于束縛態(tài)、具有我們可以描述的位置和狀態(tài)罷了。如果一個(gè)粒子與束縛態(tài)粒子相互作用就表現(xiàn)出粒子性，而與自由態(tài)粒子相互作用時(shí)就表現(xiàn)出波動(dòng)性。這顯然是表明，一個(gè)粒子是根據(jù)與它作用粒子的束縛態(tài)或自由態(tài)，來決定它要表現(xiàn)出粒子性或波動(dòng)性。難道一個(gè)粒子能夠識(shí)別與它作用粒子的狀態(tài)嗎？顯然，粒子是不可能有意識(shí)的。

綜上所述，系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，包括光子、電子等各種粒子，它們都不具有波動(dòng)本性，但在特定條件下可以顯示出波的某些特征。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，質(zhì)子和中子是構(gòu)成原子核的基本單元，故統(tǒng)稱為核子。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)子和中子理論都是發(fā)展中的理論。

粒子模型質(zhì)子的正十四面體模型

在分析總結(jié)了原子、原子核的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)子是由不同長(zhǎng)度的光子凝聚成的正14面的四面-六面體的穩(wěn)態(tài)粒子。質(zhì)子中光子的排列方式與電子的相同，但光子的層數(shù)是4的倍數(shù)。

如圖2-7所示，質(zhì)子的表面由8個(gè)相等的正六邊形和6個(gè)相等的正方形組成。其中前后兩個(gè)正方形構(gòu)成了質(zhì)子的兩個(gè)端面，剩余四個(gè)正方形構(gòu)成質(zhì)子的四個(gè)側(cè)面；在質(zhì)子的前后兩端各有四個(gè)正六邊形的斜面。與電子相比，質(zhì)子更接近于一個(gè)球體 。

1. 質(zhì)子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)

從質(zhì)子的一端看，質(zhì)子是一個(gè)八邊形，見圖2-7中b。四個(gè)側(cè)面上的場(chǎng)線分布，隨側(cè)面上光子極向的相間分布，而呈現(xiàn)出正、反向場(chǎng)線相間分布的特征，這種場(chǎng)不同于場(chǎng)線同向的極性場(chǎng)，也不同于質(zhì)子端面上的中性場(chǎng)，稱之為混合極性場(chǎng)。

在質(zhì)子前后斜面的共同邊界上是一個(gè)尺度相對(duì)較小的極性場(chǎng)，這是因?yàn)檫@個(gè)邊界上的光子非常小導(dǎo)致的。一般這個(gè)極性場(chǎng)位于質(zhì)子的臨界場(chǎng)中，不參與跟外界的相互作用。與之相比，側(cè)面上的混合極性場(chǎng)尺度要大得多，它參與跟外界的相互作用，并呈現(xiàn)為質(zhì)子的正電荷性質(zhì)和四極矩性質(zhì)。

從圖2-7中可以看出，中性場(chǎng)占據(jù)了質(zhì)子表面的絕大部分，因此質(zhì)子的場(chǎng)是以中性場(chǎng)為主的、由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)合場(chǎng)。

2. 質(zhì)子的質(zhì)量與電量

現(xiàn)代原子核物理公認(rèn)，質(zhì)子帶正電荷e=1.6×10庫侖，其靜止質(zhì)量m_p=1.67×10千克。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，質(zhì)子的復(fù)合場(chǎng)性質(zhì)決定了它既有質(zhì)量又有“電量”，即質(zhì)子的中性場(chǎng)決定了它的質(zhì)量性質(zhì)、極性場(chǎng)決定了它的帶電性質(zhì)。

如同太陽場(chǎng)域可以容納下八大行星而太陽的質(zhì)量遠(yuǎn)大于八大行星質(zhì)量之和一樣，作為氫原子，雖然一個(gè)質(zhì)子只能容納一個(gè)電子在核外環(huán)繞運(yùn)行，這并不代表質(zhì)子的“電量”就等于電子的“電量”?？梢?，“質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷e”的說法是值得商榷的。

實(shí)際上，作為氫原子，質(zhì)子與核外電子之間的相互作用并非主要是二者極性場(chǎng)之間的所謂電磁相互作用，二者中性場(chǎng)之間的引力作用也對(duì)電子的運(yùn)行起著重要的作用，是不可忽略的。因此，認(rèn)為“氫原子中質(zhì)子與電子的引力作用可以忽略不計(jì)”的觀點(diǎn)是不正確的。

粒子模型中子的復(fù)合粒子模型

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，中子是中性不帶電的、自旋為1/2的粒子。在原子核物理中，通常將中子和質(zhì)子視為同一種粒子的兩種不同的電荷狀態(tài)，以不同的同位旋量子數(shù)相區(qū)別。

1. 中子模型

高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散射實(shí)驗(yàn)顯示，中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點(diǎn)粒子，具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)相對(duì)論構(gòu)建的中子模型如圖2-8中a所示，電子一端的中性場(chǎng)與質(zhì)子一端的中性場(chǎng)相互耦合而形成的復(fù)合粒子，稱為中子。

如圖2-8中a所示(質(zhì)子斜面上的中性場(chǎng)未畫出，參見圖2-7)，一方面，電子與質(zhì)子端面上的中性場(chǎng)線相互耦合，即中性場(chǎng)之間的引力作用；另一方面，電子與質(zhì)子之間的極性場(chǎng)線也相互耦合，即極性場(chǎng)之間的所謂電磁相互作用。

從圖2-8中b可以看出，電子半個(gè)側(cè)面的極性場(chǎng)線與質(zhì)子半個(gè)側(cè)面上的同極向光子的極性場(chǎng)線之間相互耦合，這些耦合場(chǎng)線如圖2-8中a所示，向中子體內(nèi)進(jìn)一步收縮、聚集。于是，質(zhì)子側(cè)面對(duì)稱兩半的、未與電子耦合的正反向的極性場(chǎng)線，向中線偏移、相遇而導(dǎo)致耦合，如圖2-8中b中紅線所示，紅色實(shí)線表示在前端耦合的場(chǎng)線，紅色虛線表示在后端耦合的場(chǎng)線。

如上所述，中子較質(zhì)子的極性渦通量斂聚于更小的區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致對(duì)外呈現(xiàn)出極性渦通量減??；另一方面，電子與質(zhì)子相互耦合而構(gòu)成的中子較質(zhì)子的半徑更大，相應(yīng)地其表面場(chǎng)強(qiáng)較質(zhì)子減弱。這就是我們所觀測(cè)到的宏觀環(huán)境中“中子不帶電”的原因。

根據(jù)原子核的梭狀模型，原子核表面附著的電子與質(zhì)子共同構(gòu)成了中子，這就是人們將中子視為核子的原因，當(dāng)然作為核子的中子只能位于核表面。

2. 中子的質(zhì)量

在原子核物理中，中子靜止質(zhì)量m_n=1.675×10千克。比較m_n、m_p、m_e的大小不難發(fā)現(xiàn)：m_n>m_p m_e。換言之，當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)中子時(shí)，質(zhì)量出現(xiàn)增溢。N.玻爾據(jù)此認(rèn)為，β衰變過程中能量守恒定律失效。

1931年春，國(guó)際核物理會(huì)議在羅馬召開，W.泡利在會(huì)上提出，β衰變過程中能量守恒定律仍然是正確的，能量虧損的原因是因?yàn)橹凶幼鳛橐环N大質(zhì)量的中性粒子在衰變過程中變成了質(zhì)子、電子和一種質(zhì)量小的中性粒子，正是這種小質(zhì)量粒子將能量帶走了。W.泡利預(yù)言的這個(gè)竊走能量的“小偷”就是中微子。對(duì)此系統(tǒng)相對(duì)論有不同的觀點(diǎn)。

實(shí)際上，中子的質(zhì)量m_n與它的中性渦通量Ф_m成正比。根據(jù)原子核長(zhǎng)毛原理和圖2-8中子模型可知，中子的半徑比質(zhì)子的半徑要大一些，因此中子表面附著的光子的能量比質(zhì)子的要高一些，而這些光子的能量主要以中性場(chǎng)的形式體現(xiàn)出來，即體現(xiàn)為質(zhì)量。因此，當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)中子時(shí)，質(zhì)量就會(huì)出現(xiàn)增溢。反之，就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，這與中微子無關(guān)。

綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論的質(zhì)子和中子模型，同位旋的概念進(jìn)而夸克模型都是值得商榷的。

近一個(gè)世紀(jì)以來，我們之所以沒有建立起一個(gè)相對(duì)完善的原子模型，是因?yàn)槿狈σ粋€(gè)有效的原子核模型。

粒子模型原子核的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道

首先讓我們先回顧一下氫原子的場(chǎng)結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道，參見圖2-7。我們以硼11為例展開討論(忽略中性場(chǎng)的作用)。

圖7-3中c的中心縱向剖視圖如圖7-4所示。從圖7-4中可以看出，硼11原子核的極性場(chǎng)分列四個(gè)象限中，且相鄰象限的極性場(chǎng)相互垂直。每個(gè)象限的極性場(chǎng)由核表面兩個(gè)質(zhì)子側(cè)面上的(混合)極性場(chǎng)組成，且它們具有相同方向。這四個(gè)方向上的極性場(chǎng)，在原子核物理中稱作原子核的四極矩。

當(dāng)核外電子進(jìn)入原子核的極性場(chǎng)中時(shí)，電子受到極性耦合引力的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向。不考慮原子核中性場(chǎng)的引力作用，繞核運(yùn)動(dòng)的電子軌道呈正八邊形，每個(gè)極性場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生平均45度的偏轉(zhuǎn)作用。

所有原子核都具有四極矩的性質(zhì)，所不同的是每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)，最少的為1，如氫核、氦核；原子核越大每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)越多。但每個(gè)極都對(duì)核外電子產(chǎn)生90度的偏轉(zhuǎn)作用，每個(gè)極的極性場(chǎng)個(gè)數(shù)越多，電子軌道越接近于圓形。

粒子模型原子核的軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)與核外電子的分布

以碳12原子為例，如圖7-5所示。核外電子軌道沿原子核中軸線呈左右對(duì)稱分布，這就是電子殼層模型中電子的數(shù)量均為2的倍數(shù)的原因；從外到內(nèi)依次為1s、2s、2p軌道，且軌道半徑依次增大。

當(dāng)分別從兩端觀察1s軌道兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，我們會(huì)看到兩個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向正好相反，即一個(gè)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。如果從同一端觀察，在軌道上所有核外電子沿相同的方向運(yùn)動(dòng)。由于電子的自轉(zhuǎn)方向與軌道運(yùn)動(dòng)方向是一致的，因此實(shí)際觀測(cè)1s軌道上的兩個(gè)電子的自轉(zhuǎn)方向相反。這就是W.泡利不相容原理的本質(zhì)。

粒子模型兩個(gè)質(zhì)子的凝聚

通常物理學(xué)上將質(zhì)子和中子稱作核子，即原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。從中子模型可知，中子是由質(zhì)子和電子構(gòu)成的復(fù)合粒子，因此將原子核理解為由質(zhì)子和電子構(gòu)成更為恰當(dāng)。

原子核中的質(zhì)子之間和質(zhì)子與電子之間是通過場(chǎng)的耦合而凝聚在一起的。質(zhì)子與電子之間的耦合原理見中子模型。根據(jù)質(zhì)子模型可知，質(zhì)子端面的中性場(chǎng)是比其斜面和側(cè)面更強(qiáng)的場(chǎng)，因此兩個(gè)質(zhì)子是端面相對(duì)凝聚在一起的。

如圖7-1所示，凝聚在一起的兩個(gè)質(zhì)子，它們內(nèi)部的光子一一對(duì)應(yīng)且極性相反，端面中性場(chǎng)之間、斜面中性場(chǎng)之間以及側(cè)面極性場(chǎng)之間的場(chǎng)線相互耦合，所有耦合場(chǎng)的耦合力共同構(gòu)成了物理學(xué)上所謂的強(qiáng)核力。

粒子模型原子核的梭狀模型

以氮原子核為例，如圖7-2所示，氮原子核存在上下、左右和前后三種結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。原子核中心最長(zhǎng)的一串質(zhì)子和電子稱作原子核的中軸，用R0/L0表示，L0對(duì)應(yīng)的面又稱原子核的主面；圖7-2中a中上下兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對(duì)應(yīng)的軸記為R 1和R-1，相應(yīng)地，前后兩側(cè)的兩串質(zhì)子和電子對(duì)應(yīng)的軸記為L(zhǎng) 1和L-1(見圖7-2中b)。氮14和氮15的原子核中各軸上的質(zhì)子和電子的數(shù)量見圖7-2c和d。不同軸上相鄰的兩個(gè)質(zhì)子，在軸上的位置相差半個(gè)質(zhì)子占位。

從氮原子核模型可以看出，原子核是由質(zhì)子和電子凝聚成的梭狀體。核內(nèi)質(zhì)子同向規(guī)則排列，相鄰軸上質(zhì)子相互咬合而不存在間隙，原子核的剖面圖呈肺泡結(jié)構(gòu)，可見原子核的物質(zhì)密度是極高的；所有相鄰的質(zhì)子間，它們相對(duì)的光子均極性相反而緊密耦合在一起(參見圖7-1)，這就形成了核力的強(qiáng)力性質(zhì)；電子如同毛發(fā)一樣附著在核表面的質(zhì)子上，電子和它所附著的質(zhì)子一起，我們稱作了中子，這就是實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到中子都分布在核表面的原因 。

從上述核結(jié)構(gòu)模型可以看出，核力是由核子之間多個(gè)中性場(chǎng)之間和極性場(chǎng)之間的耦合力共同構(gòu)成的，其中中性場(chǎng)之間的耦合力起主導(dǎo)作用?？梢姡肆鸵κ切再|(zhì)相同的力，關(guān)于核力的短程性，這是由質(zhì)子費(fèi)米級(jí)的場(chǎng)強(qiáng)衰減步長(zhǎng)(即質(zhì)子半徑)所決定的。

粒子模型部分原子核的結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)原子核的梭狀模型原理，參考元素豐度和元素周期理論，建立元素周期表的前兩個(gè)周期元素的核結(jié)構(gòu)模型和原子核中核子排列分別見圖7-3和下表。

從圖和表可以看出，豐度為100%的元素，其核結(jié)構(gòu)具有三個(gè)方向上的對(duì)稱性；豐度非常低的元素，其核結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性也較差；同一種元素的不同同位素之間，核結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好的，其豐度也相對(duì)較高。據(jù)此推測(cè)，所謂幻數(shù)核就是核結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好的原子核。

由此可以得到如下結(jié)論：原子核中軸或主面上的質(zhì)子數(shù)最多，距離中軸或主面越遠(yuǎn)，軸或面上的質(zhì)子數(shù)越少；中軸上質(zhì)子數(shù)不少于4時(shí)，其兩側(cè)軸上才會(huì)有質(zhì)子存在，依次類推，且二者的質(zhì)子數(shù)相差一般不小于3。

需要指出的是，上述核結(jié)構(gòu)模型還處于初級(jí)階段。尤其中軸以外各軸上的質(zhì)子和電子的排列，存在多種可能性。只有通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，才能從多個(gè)可能性中確定唯一的排列，或確認(rèn)同位素存在進(jìn)一步的細(xì)分。

值得一提的是“原子質(zhì)量單位”的概念。1960年物理學(xué)國(guó)際會(huì)議決定，定義一個(gè)C中性原子處于基態(tài)時(shí)靜止質(zhì)量的1/12為原子質(zhì)量單位。從上述原子核模型可知，原子核具有由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)雜的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，“原子質(zhì)量單位”僅是一種極為粗造的描述原子核的一種方法而已。

分子物理學(xué)認(rèn)為，分子由原子組成，原子間通過一定的相互作用力，按一定的方式結(jié)合成分子。系統(tǒng)相對(duì)論認(rèn)為，分子是兩個(gè)或多個(gè)原子的原子核相互耦合而連接在一起的、有一定幾何結(jié)構(gòu)的聚合體。

粒子模型水分子模型

以水分子為例，如圖2-9所示，兩個(gè)氫原子核附著在氧原子核一端的兩個(gè)斜面上，形成120度夾角的幾何結(jié)構(gòu)。圖2-9中所示為氧16原子核。

氫原子核與氧原子核之間的相互作用包括兩部分，一是，兩核相接觸側(cè)面上中性場(chǎng)之間的耦合力，這個(gè)力類似強(qiáng)相互作用，稱之為亞核力，用F_m表示；另一個(gè)是兩核極性場(chǎng)之間的耦合力(圖2-9中未畫出，參見圖2-8中a)，用F_p表示。氫原子核與氧原子核之間的相互作用力F可表示為：

F= F_m F_p (2-2)

F_p類似化學(xué)上的共價(jià)鍵，但共價(jià)電子對(duì)這個(gè)力并沒有貢獻(xiàn)，相反共價(jià)電子是在這個(gè)耦合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的。F_m和F_p渦通量表達(dá)式參見公式(3-11)?？梢姡肿又性又g的作用力是由核間的中性耦合力和極性耦合力兩部分構(gòu)成的，將這種復(fù)合作用簡(jiǎn)單歸于某種化學(xué)鍵是不確切的。

另外，由于水分子中距離氧原子中軸越近場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，因此在氫原子與氧原子之間的作用面上，靠近中軸一側(cè)的耦合力強(qiáng)于遠(yuǎn)離中軸一側(cè)的耦合力，而形成蹺蹺板效應(yīng)，導(dǎo)致兩氫核之間的夾角減小，這就是實(shí)測(cè)鍵角為104.5°的原因。

粒子模型石墨晶體結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)代化學(xué)認(rèn)為，石墨的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)，具有完整的層狀解理，解理面之間以分子鍵為主。在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價(jià)鍵，每一個(gè)碳原子以三個(gè)共價(jià)鍵與另外三個(gè)原子相連。六個(gè)碳原子在同一個(gè)平面上形成了六邊形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，對(duì)于同一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個(gè)p軌道，它們相互重疊，電子比較自由，相當(dāng)于金屬中的自由電子，所以石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電。

常見的石墨晶體結(jié)構(gòu)圖中都將碳原子作為點(diǎn)粒子看待，使得石墨的一些特性不容易直觀理解。根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論的碳原子模型(見圖7-5)，繪制石墨晶體結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。圖2-10中的碳原子核為碳12，它呈對(duì)稱平面結(jié)構(gòu)。

從圖2-10可以看出，6個(gè)碳原子通過亞核力形成六邊形結(jié)構(gòu)，這種亞核力包括核間質(zhì)子端面之間的作用和核間質(zhì)子斜面之間的作用兩種類型。系統(tǒng)相對(duì)論推測(cè)，核間質(zhì)子端面之間的作用建立之前，它們端部的電子脫落而成為游離態(tài)電子；核間質(zhì)子斜面之間的作用建立后，其中一個(gè)2p軌道被占用(參見圖7-5)，該軌道上的束縛電子也成為游離態(tài)電子。正是大量游離電子的存在，使得石墨具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

相鄰解理面之間不存在上述核間直接相互作用，它們之間的作用主要是中性場(chǎng)之間的引力作用。這個(gè)引力作用較上述亞核力要弱得多，因此石墨晶體在層與層之間比較容易分離。

粒子模型分子力與分子的狀態(tài)

分子力又稱范德華力，是指分子間的相互作用。分子物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)兩分子相距較遠(yuǎn)時(shí)，一個(gè)分子被另一個(gè)分子隨時(shí)間迅速變化的電偶極矩所極化，從而產(chǎn)生電的吸引力，這時(shí)分子力主要表現(xiàn)為引力；當(dāng)兩分子非常接近時(shí)，各分子的外層電子云開始重疊，從而產(chǎn)生電的排斥力，分子間距離越近，排斥力越大，這時(shí)分子力主要表現(xiàn)為斥力。

根據(jù)系統(tǒng)相對(duì)論的分子模型可知，分子的場(chǎng)是由中性場(chǎng)和極性場(chǎng)構(gòu)成的復(fù)合場(chǎng)，因此分子之間的引力F_q包括中性耦合力F_m和極性耦合力F_p兩部分，即：

F_q=F_m F_p (2-3)

另一方面，分子之間的作用面上，除了耦合面以外還有剪切面，剪切面產(chǎn)生彼此排斥的斥力F_r。因此，分子之間的相互作用類似光子中cn粒子之間的相互作用，對(duì)于處于穩(wěn)定狀態(tài)的物體，其內(nèi)部分子之間的引力和斥力是相互平衡的，即處于平衡狀態(tài)的分子受力F可表示為：

F=F_q F_r=0 (2-4)

對(duì)于固體而言，內(nèi)部的每個(gè)分子都在相對(duì)固定的位置上不斷地振動(dòng)，每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)與其周圍分子的運(yùn)動(dòng)是相互協(xié)同、密切關(guān)聯(lián)的。因此就一個(gè)物體而言，它是其內(nèi)分子共同構(gòu)成一個(gè)協(xié)變系統(tǒng)。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)模型包括三代輕子和三代夸克，以及傳遞相互作用的光子、膠子、W、Z玻色子和已被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)生所有粒子質(zhì)量的希格斯粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型是SU(3)XSU(2)XU(1)群產(chǎn)生出來的。描述夸克和膠子相互作用的是SU(3)群，研究本類相互作用的是量子色動(dòng)力學(xué)；描述弱電相互作用的是SU(2)XU(1)群,描述他們的是量子電動(dòng)力學(xué)。2100433B

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。

按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為 ：

粒子媒介子

光子（傳遞電磁相互作用）

膠子（傳遞強(qiáng)相互作用）

粒子輕子

電子

電子中微子

μ子和μ子中微子

τ子和τ子中微子

粒子強(qiáng)子

質(zhì)子

中子

介子

超子

粒子夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

頂夸克

基本粒子是構(gòu)成一切物質(zhì)實(shí)體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴(yán)格地說，基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下，只有夸克和輕子兩種基本粒子。但是，雖然質(zhì)子和中子由夸克組成，這兩類重子都不可能分解為它們的夸克成分，因?yàn)楠?dú)立的夸克是不能存在的。所以，盡管質(zhì)子和中子以及其他重子由夸克組成，它們常被看成是基本粒子。

粒子電子發(fā)現(xiàn)

直到19世紀(jì)末，原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來，英國(guó)粒子物理學(xué)先驅(qū)、劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson，1856—1944)，發(fā)現(xiàn)原子產(chǎn)生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來的帶電微粒流來解釋，知道這種帶電微粒就是電子 。

粒子原子核

既然電子帶負(fù)電荷 ，而原子呈電中性，很明顯，原子內(nèi)部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負(fù)電荷。20世紀(jì)初葉，工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后來繼湯姆孫任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任)證明，這一正電荷與原子的大部分質(zhì)量一起，都集中在很小的中心核內(nèi)。

起初人們認(rèn)為，原子核是電子與荷正電的質(zhì)子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才發(fā)現(xiàn)了不帶電的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強(qiáng)核相互作用，或強(qiáng)力，維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。

那時(shí)，這三種粒子——電子、質(zhì)子和中子

——似乎是構(gòu)成一切物質(zhì)的僅有基本粒子，但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實(shí)驗(yàn)卻表明，還存在其他類型‘亞原子’粒子；不過這些‘新’粒子是不穩(wěn)定的，它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射，以我們熟悉的電子、質(zhì)子和中子告終。

重要的是應(yīng)該懂得，這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質(zhì)子)的‘內(nèi)部’；它們是從注入加速器的能量中，按照阿爾伯特`愛因斯坦的公式 (或者，在所討論的情況下，更恰當(dāng)?shù)氖?創(chuàng)造出來的。

然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質(zhì)量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子，應(yīng)該曾經(jīng)在大爆炸的高能條件下大量出現(xiàn)。

粒子介子

物理學(xué)家不知道如何將這些粒子納入一個(gè)圓滿的物理理論，他們?cè)噲D解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時(shí)，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什么東西制造的呢？

粒子夸克

1964年物理學(xué)家蓋爾曼提出夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark?？淇四Ｐ徒?jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學(xué)家接受 。

有一段時(shí)期，局面極其混亂。但1960和1970年代發(fā)展的夸克理論使局面趨于明朗?？淇死碚撜J(rèn)為，所有已知粒子可以分成兩族。一族由夸克組成，能夠‘感知’只在夸克之間起作用的強(qiáng)力，叫做強(qiáng)子。另一族叫做輕子，它們不能感知強(qiáng)力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強(qiáng)子既能參與強(qiáng)相互作用，也能感知弱力。

粒子輕子

是名副其實(shí)的基本粒子，它們不由任何別的東西構(gòu)成。典范的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴(yán)格說應(yīng)是電子中微子)的輕子相伴生。當(dāng)電子參與放射衰變這類過程時(shí)，總有中微子卷入。

由于一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經(jīng)復(fù)制了兩次，產(chǎn)生了三‘代’輕子。除電子本身外，還有比較重的叫做μ介子，它們除了比電子重207倍外，完全像是電子；還有一種甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的質(zhì)量接近質(zhì)子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子，所以輕子族有六種(三對(duì))粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或從宇宙線產(chǎn)生，但它們很快衰變，轉(zhuǎn)化成電子或中微子。

粒子強(qiáng)子族

強(qiáng)子族本身又再分為兩類 。由三個(gè)夸克構(gòu)成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質(zhì)’粒子，包括質(zhì)子和中子(重子和輕子都是費(fèi)米子族的成員，費(fèi)米子實(shí)際上是普通物質(zhì)粒子的別稱)。由成對(duì)的夸克構(gòu)成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

只需要兩種夸克(它們的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解釋質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)。一個(gè)質(zhì)子由通過強(qiáng)力維持在一起的兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成，而一個(gè)中子由通過強(qiáng)力維持在一起的兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成。

力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由夸克對(duì)組成，因而是介子。

正如輕子族復(fù)制了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來解釋質(zhì)子和中子的本質(zhì)，但復(fù)制的兩代夸克卻一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘頂’夸克。和重輕子一樣，這些粒子能夠在高能實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生(因而大爆炸時(shí)必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對(duì)應(yīng)物。雖然不可能分離出單個(gè)夸克，但粒子加速器實(shí)驗(yàn)已經(jīng)提供了夸克族所有這六個(gè)成員存在的直接證據(jù)；最后一種(頂)夸克是芝加哥費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家于2007年找到的。

對(duì)夸克的質(zhì)量和其他性質(zhì)的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族輕子。幸而標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型也認(rèn)為不可能存在多于三代的粒子；不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應(yīng)該驅(qū)動(dòng)宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恒星的觀測(cè)結(jié)果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據(jù)之一，表明粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)兩者的標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠(yuǎn)。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內(nèi)容物的行為中基本不起作用。我們?cè)谟钪嬷锌吹降拿繕訓(xùn)|西都能用兩種夸克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明；確實(shí)，由于單個(gè)的夸克不能獨(dú)立存在，我們看到的每樣?xùn)|西的行為，仍然能夠用1932年就已經(jīng)知道的電子、中子和質(zhì)子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當(dāng)準(zhǔn)確地予以近似說明。