5.1 粒子物理

尽管经验对于我们认识世界很重要，但是经验的直接外推并不一定能够反映世界的本质，从经验得出的结论必须经受进一步的检验，也就是实验或观测的检验，只有这样，我们才能够逐步接近真理。

构成世界的基本粒子

目前，夸克、电子、光子等粒子可以看作几何上的点粒子，没有进一步的内部结构，它们被称为基本粒子。它们构成了我们熟悉的粒子：质子、中子、介子……，同时德布罗伊也告诉我们，物质具有波粒二象性，所以这些微观粒子即是波也是粒子。

标准粒子模型

标准模型中，夸克有 6 种味，每种味有 3 种色，每种夸克都有反夸克，总计 36 种夸克。轻子有 6 种味，没有色，有反粒子，总计 12 种轻子。夸克和轻子排成 3 列，每一列构成物质的一代。

代或者世代的概念与其发现顺序之间并没有直接的关系。代的概念是基于观察到的粒子性质和行为的相似性和差异性而提出的，只是模型的框架而已。

夸克和轻子右边一列是规范玻色子，其中胶子有 8 种色，没有反粒子，光子和Z玻色子各只有一种，W玻色子有反粒子，总计 2 种。最右边粒子是希格斯玻色子，只有 1 种。标准模型总计 61 种基本粒子。

从原子层面来讲，原子由基本粒子和复合粒子构成（由基本粒子构成的粒子是复合粒子）。

基本粒子：
- 电子
- 夸克（禁闭在强子中）。
- 各种波色子，下面会介绍。
复合粒子中根据相互作用力分为强子和其他：
- 强子：由强相互作用构成的粒子被称为强子（如重子、介子）。
  - 重子：是由 3 个基本粒子-夸克（反夸克复合出反重子）复合而来，中子和质子都是重子。超子是重子的一种，首次发现的时候认为它们的质量超过一般的重子，故而得名。
  - 介子：由 2 个夸克构成。1934 年，汤川秀树预测介子的存在与其近似的质量，介子用来作为核力的载体，核力用来维持住原子核，若没有核力，所有含两个以上质子的原子核其质子将会因为电磁斥力的关系而分离。且汤川秀树预言介子的质量介于轻子与重子之前，所以称作“介于轻子与重子之前的粒子”-“介子”，事实上这是错误的，有些介子的质量可以轻松超过某些重子。
- 其他：若干重子、介子组合而成的复合粒子。

从自旋的角度来讲，这些微观粒子（包括基本粒子和复合粒子）又可根据自旋分为玻色子和费米子。

玻色子（光子、介子）传递作用力（赋予质量的希格斯子同样是玻色子），自旋为整数或0、不服从泡利不相容原理，服从玻色爱因斯坦统计分布。
费米子（电子、质子、中子、重子），构成物质，包括基本粒子和复合粒子，自旋为半整数、服从泡利不相容原理和费米狄拉克统计分布。

电子与光子

电的发现最早起源于人类对大自然的雷电现象的表观表达，直到人们发现了摩擦生电的规律之后，人类才开始掌握电。电来自于电荷在电势中的运动，而电子是携带单位电荷的最小单位，电子也是是人类发现的第一种基础粒子。美国物理学家罗伯特·密立根在 1909 年起完成一系列实验测量出了电子的带电量（存疑，据说实验精度根本无法达到）。正是人们对电子的认识，推开了量子力学大门。

尘兔

出现在不常清洁的角落。尘兔由毛发、皮棉、脱落的角质、蜘蛛网、灰尘等组成，有时也有轻薄的垃圾或碎片，它们因静电和毡状缠绕纠缠在一起，就像一只毛茸茸的蜷缩的兔子。

光是人类观察和研究物质的最重要的工具，人类对光的了解历经太阳光、火光、灯光、X射线、激光、同步辐射光等几次划时代的跨越。也对光的本质开展了一波三折的探索，从 17 世纪开始，人类对光的认识就不断在微粒说和波动说之间反转，到了二十世纪最终以“波粒二象性”落下了帷幕（存疑，目前更倾向于是波）。

光子和电子可以相互转化。在宇宙大爆炸的最初几秒钟，光子能量极高但自由程极短，光子对大量产生的正负电子对，正负电子对也反过来产生高能光子，直到宇宙膨胀冷却，温度低于反应条件，这种互相转化才停止。由于宇称不守恒的关系，导致宇宙的物质多余反物质，随着宇宙的冷却，残存的物质开始结合和捕获，最终元素开始形成。

质能方程的完全写法是: $E^2=(mc^2)^2+(pc)^2$

所以光子没有静质量，但却可以在光速飞行的时候具有不同的能量（波长）。

宇宙微波背景辐射

而那些因从大爆炸中逃逸的光子如今因为宇宙的膨胀，已经变为弥漫在宇宙中的微波（因为红移效应能量减小为 3.7K）背景，研究宇宙微波背景可以让科学家了解大爆炸初期的宇宙。

光电效应：

1887年赫兹意外发现了光电现象，即当光照射在金属表面，会使得金属表面的光子逃逸出来，成为光电子。光电子的能量与照射光的频率有关，与光强无关。光电效应是光电倍增管工作的基础原理。

同步辐射：

又称同步加速器辐射，或同步光，是带电粒子的运动速度接近光速（v≈c）在电磁场中偏转时，沿运动的切线方向发出的一种电磁辐射，最先在电子同步加速器上发现，故得此名。同步辐射造成的能量损失是阻碍电子同步加速器能量提高的主要因素。

通过调节带点粒子在磁场中的运动速度可以调节同步辐射光的频率，覆盖从红外、紫外、X射线的范围。同步辐射光光束极窄，辐射纯净，准直性好，是观察微观世界的良好探针。

同步辐射也是天体物理中的一种重要辐射机制。

瑞丽散射：

瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生，但以气体最为显著。

瑞利散射光的强度和入射光波长λ的四次方成反比，因此，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。所以天空在天气良好时呈现蓝色，太阳偏黄色。当日出或日落时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对较长的路程，所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，因此太阳附近呈现红色，云朵也因反射太阳光而呈现红橙色，而天空则呈现较为昏暗的蓝黑色。

谬子 Muon, μ

目前只有两种产生μ子的方式：宇宙射线和加速器。它们本质相同，都是通过高能质子轰击靶粒子获得π±介子，π介子衰变后得到μ子。谬子质量很大，所以μ子在电磁场中的加速和偏转要慢很多，发出的轫致辐射也较电子少，这使得μ子比相同能量的电子能够穿透更厚的物质。例如，宇宙射线中的μ子能够穿透厚达数十万米的大气层到达地表，甚至能到达数百米深的矿井之中。这也是为什么谬子探测器都修建在地下或者水中的原因

陶子 tauon, τ

陶子可以看做质量很大（超过质子两倍质量）、但寿命很短的电子。

中微子 Neutrino

1930 年泡利在面对贝塔衰变实验（原子核衰变释放出贝塔粒子-电子的过程）的质量缺失时，提出了中微子存在的假说。

中微子是微小的电中性粒子，中微子质量极小，它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质，是一种热暗物质。由于其极其微小，所以中微子的作用截面极小，因而中微子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍，且难以检测。中微子可以通过放射性衰变以及核反应等多种方式产生。由于太阳内部时时刻刻都在发生着核反应，而超新星产生等过程也会伴随着剧烈的核反应，因而在宇宙射线中可以检测到中微子的存在。地球附近所检测到的中微子大多来源于太阳。并由其诞生了中微子天文学。

中微子有三种，这三种中微子之间存在中微子振荡，即可以互相转化（这验证了中微子是存在质量的）。

胶子 gluon

负责在两个夸克之间传递强作用力的基本粒子，类似光子负责在两个带电粒子之间传递电磁力一般。正是由于胶子的存在所以使得夸克被禁闭在强子内部。

希格斯粒子 Higgs boson

大名鼎鼎的“上帝粒子”，是质量之源。希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。

欧洲核子研究组织的大型强子对撞机（LHC）的设计目标之一为能够确认或排除希子的存在。2013 年 3 月 14 日，欧洲核子研究组织公开确认以高置信度显示观测到希格斯粒子。

辐射

辐射在物理学上指的是能量以波或是次原子粒子移动的型态，在真空或介质中传送。广义分为电离辐射或非电离辐射。

一般，电离是指电子被电离辐射从电子壳层中击出，使原子带正电。由于细胞由原子组成，电离作用可以引致癌症。α、β、γ辐射及中子辐射、伽马射线、X射线均可以加速至足够高能量电离原子。这类辐射称为电离辐射。

非电离辐射之能量较电离辐射弱。非电离辐射不会电离物质，而会改变分子或原子之旋转，振动或价层电子轨态。如低能的电磁辐射

粒子辐射

1899 年，物理学家拉赛福与维拉尔以穿透性与在磁场中的偏折把辐射分类成三种，拉赛福命名为 α、β 与γ，这也是我们在学习粒子物理时最先学到的三种粒子。它们出现在了切尔诺贝利事故抢险勋章中：

切尔诺贝利事故

1986年月6日，苏维埃社会主义共和国联盟乌克兰苏维埃社会主义共和国普里比亚特市切尔诺贝利核电站发生的核反应堆破裂事故。该事故是历史上最严重的核电事故。4月27日早晨，苏军化学兵司令弗拉基米尔·卡尔波维奇·皮卡洛夫将军率核防护部队2600人，400辆专用车辆乘运输机、直升机飞抵事故现场。同时在4月27日至5月6日，千百趟直升机向四号反应堆投下了5000多吨灭火材料。放射性物质释放剂量才从12000k贝克勒尔减少到100k贝克勒尔。1986年8月，抢险救灾进入了后处理阶段。苏联政府征募了大量抢险者参加了切尔诺贝利事故现场抢险工作。仅1986与1987两年，就有24万人参加。至1986年12月，苏联政府在4号反应堆上建成了“石棺”，封闭住事故现场。总计有60万苏联人获得了切尔诺贝利事故抢险奖章与勋章（右）。