基本粒子的发展

2016/10/14 13:55:27

基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。

"基本粒子"的"祖孙"三代10飞米 原子核的特写
10飞米 原子核的特写
从汤姆孙发现电子到1932年发现中子，人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一切都已搞清楚:质子和中子构成一切原子核;原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子，而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元。然而好景不长，对物质结构的这样一种"圆满"的解释并没能持续多久，人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力。

第一代

35岁著名的日本物理学家汤川秀树(1907~1981年)大胆假设，很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认为，就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样，核力是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍。两年之后，美国物理学家卡尔·戴维·安德孙(1905~年)在宇宙射线中发现了一种带电粒子，它的质量是电子的200倍左右，被命名为"m(缪)介子"。理论预言的成功使人们倍感欣慰，但进一步的考察却令人十分扫兴。因为这种m介子根本不与核子相互作用，很明显，它不可能是汤川秀树所预言的粒子。

1947年，巴西物理学家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子--p介子。p介子的性质完全符合汤川秀树的预言，能够解释核力。实际上，"m介子"不是介子而是一种轻子，所以将m介子称为"m 子"。到1947年，人们认识的粒子已达14种之多。其中包括当时已发现的光子(g),正负电子(e±),正负m 子(m ±)，三种p介子(p±，p0)，质子(p)和中子(n)10种;另外4种就是1956年在实验室中被发现的正反电子中微子、反质子和反中子。这14种粒子各有用武之地，其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质;光子是电磁力的传递者，p介子传递核力，中微子在b衰变中扮演不可缺少的角色(b衰变是原子核自发地放射出电子或正电子，或者俘获原子内电子轨道上的一个电子，而发生的转变);而m子则在宇宙射线中出现。以上这些就构成了第一代粒子。
第二代

稳定的秩序似乎并没有维持多久，"完满"的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现p介子的1947年，人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片，衰变产物是p±介子和质子(p)。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释，于是人们很自然的想到，这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里，人们拍摄了十多万张宇宙射线照片，终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍，被叫做"k0介子";另一个约为电子质量的2200倍，称为 l粒子(读"兰布塔")。我们称它们为第二代粒子，这是因为它们有两个明显的特点:(1) 产生快，衰变慢;(2) 成对(协同)产生，单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的，所以又称它们为"奇异粒子"。

为了对这些奇异粒子进行定量研究，光靠宇宙射线是不够的。50 年代初，一些大型加速器陆续建成，使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核，以研究奇异粒子。

到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子，使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为"第二代粒子"。

第三代

如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类，那么其中有的粒子是稳定的，例如质子、电子等;有的粒子却要自发地衰变成其它粒子，例如m±、p±、π0、k0、λ0等。它们衰变的时间一般在10-20 ~10-16秒或大于10-10秒，分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展，在实验上也发现了衰变时间在10-24~10-23秒范围的快衰变粒子，其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为"共振态粒子"，也称"第三代粒子"。由于它们的出现，使粒子种类猛增到上百。