粒子

粒子（particle）指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。最早發現的粒子是原子、電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成，它們比起原子來是更為基本的物質組分，於是稱之為基本粒子。以後這類粒子發現越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢；此外這些粒子中有些粒子迄今的實驗尚未發現其有內部結構，有些粒子實驗顯示具有明顯的內部結構。看來這些粒子並不屬於同一層次，因此基本粒子一詞已成為歷史，如今統稱為粒子。粒子並不是像中子、質子等實際存在的具體的物質，而是它們的統稱，是一種模型理念。詞條詳細介紹了電子、原子核、介子、夸克、輕子、強子族等粒子。

基本介紹

• 中文名：粒子
• 外文名：particle
• 別名：基本粒子
• 定義：指構成一切物質實體的基本成分
• 領域：核能
• 學科：核物理

發現歷程

1897年湯姆生髮現電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結構。繼而我們發現了光子，並認為“光子、電子、質子、中子”是組成物質的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。

19世紀末都認為原子是組成物質的最小微粒。發現了電子、質子和中子後，許多人認為光子和它們是組成物質的“基本粒子”。

逐漸發現了數以百計的不由質子、中子、電子組成的新粒子；又發現質子、中子等本身也有自己的複雜的結構。從20世紀後半期起，就將“基本”二字去掉，統稱為粒子。

20世紀30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中陸續發現了一些新的粒子。

1932年發現了正電子；

1937年發現了 μ 子；

1947年發現了K介子和 介子；

後來還發現了一些粒子，質量比質子的質量大，叫做超子。

粒子間相互作用

粒子之間存在著相互作用，有強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通過這些相互作用，產生新粒子或發生粒子衰變等粒子轉化現象。按照參與相互作用的性質將粒子分成以下幾類：①規範粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子，已發現的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W、Z粒子。②輕子。不直接參與強作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子，已發現的有電子、μ子、τ子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強子。直接參與強作用，也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數的強子稱為介子，自旋為半整數的強子稱為重子。強子的數目眾多，其中大部分是通過強作用衰變的粒子，其壽命極短，是不穩定的粒子，也稱為共振態。

當前了解的物質的所有粒子結構

性質

各種粒子分別有各自的內稟性質，有粒子的質量m（靜質量，以能量表示）、壽命τ（平均壽命，指靜止系的平均壽命）、電荷Q（以質子的電荷為單位）、自旋J（以為單位）、宇稱P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子數B、輕子數Le、、Lr、奇異數S、粲數C 、底數d等等。

pvc粒子

在現有實驗的精度下，輕子的行為類似點粒子，沒有顯示出具有內部結構，而強子顯示是複合粒子，具有一定的結構。按照現代粒子物理的觀點，介子由一對正反夸克構成，重子由3個夸克構成，輕子和夸克屬於同一層次。

粒子的分類

現在已經發現的粒子達到400多種。

按照粒子與各種相互作用的不同關係，將粒子分為三類。

媒介子

光子（傳遞電磁相互作用）

膠子（傳遞強相互作用）

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

強子

質子

中子

介子

超子

夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

頂夸克

基本粒子

構成一切物質實體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴格地說，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，因為獨立的夸克是不能存在的。所以，儘管質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。

電子發現

直到19世紀末，原子一直被認為是物質的基本建築砌塊。後來，英國粒子物理學先驅、劍橋卡文迪什實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson，1856—1944)，發現原子產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。

原子核

既然電子帶負電荷，而原子呈電中性，很明顯，原子內部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負電荷。20世紀初葉，工作於曼徹斯特的紐西蘭裔物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (後來繼湯姆孫任卡文迪什實驗室主任)證明，這一正電荷與原子的大部分質量一起，都集中在很小的中心核內。

原子核結構

起初人們認為，原子核是電子與荷正電的質子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實驗室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才發現了不帶電的質量幾乎與質子一樣的中子。於是原子核被解釋成由強核相互作用，或強力，維持在一起的質子和中子的集合。

那時，這三種粒子——電子、質子和中子

——似乎是構成一切物質的僅有基本粒子，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驗卻表明，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、質子和中子告終。

重要的是應該懂得，這些新粒子根本不是存在於粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質子)的‘內部’；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，更恰當的是)創造出來的。

然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質量和電荷等特徵的真正粒子。這樣的粒子，應該曾經在大爆炸的高能條件下大量出現。

介子

物理學家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論，他們試圖解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想藉助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什麼東西製造的呢？

夸克

夸克的組成

1964年物理學家蓋爾曼提出夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark。夸克模型經過幾十年的發展，已被多數物理學家接受。

有一段時期，局面極其混亂。但1960和1970年代發展的夸克理論使局面趨於明朗。夸克理論認為，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力，叫做強子。另一族叫做輕子，它們不能感知強力，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。強子既能參與強相互作用，也能感知弱力。

輕子

是名副其實的基本粒子，它們不由任何別的東西構成。典範的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴格說應是電子中微子)的輕子相伴生。當電子參與放射衰變這類過程時，總有中微子捲入。

輕子

由於一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經複製了兩次，產生了三‘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，它的質量接近質子的兩倍。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)粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量製造或從宇宙線產生，但它們很快衰變，轉化成電子或中微子。

強子族

強子族本身又再分為兩類。由三個夸克構成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質’粒子，包括質子和中子(重子和輕子都是費米子族的成員，費米子實際上是普通物質粒子的別稱)。由成對的夸克構成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，儘管還有其他的介子(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)就能解釋質子和中子的結構。一個質子由通過強力維持在一起的兩個上夸克和一個下夸克構成，而一個中子由通過強力維持在一起的兩個下夸克和一個上夸克構成。

力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由夸克對組成，因而是介子。

正如輕子族複製了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來解釋質子和中子的本質，但複製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驗中產生(因而大爆炸時必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對應物。雖然不可能分離出單個夸克，但粒子加速器實驗已經提供了夸克族所有這六個成員存在的直接證據；最後一種(頂)夸克是芝加哥費密實驗室的科學家於2007年找到的。

對夸克的質量和其他性質的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族輕子。幸而標準大爆炸模型也認為不可能存在多於三代的粒子；不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應該驅動宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恆星的觀測結果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據之一，表明粒子物理學和宇宙學兩者的標準模型對宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠。

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容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣東西都能用兩種夸克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明；確實，由於單個的夸克不能獨立存在，我們看到的每樣東西的行為，仍然能夠用1932年就已經知道的電子、中子和質子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當準確地予以近似說明。

最新進展

電子可分

量子計算機。

英國劍橋大學日前發布新聞公報說，該校研究人員和伯明罕大學的同行合作完成了這項研究。公報稱，電子通常被認為不可分。但1981年有物理學家提出，在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。

劍橋大學研究人員將極細的“量子金屬絲”置於一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個原子寬度，並將它們置於約零下273攝氏度的超低溫環境下，然後改變外加磁場，發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和空穴子。

研究人員說，人們對電子性質的研究曾掀起了半導體革命，使計算機產業飛速發展，又出現了實際研究自旋子和空穴子性質的機會，這可能會促進下一代量子計算機的發展，帶來新一輪的計算機革命。

發現新粒子

2009年03月27日搜狐科學訊息：據美國《國家地理》雜誌報導，科學家這周宣布，他們在美國伊利諾斯州的費米國家加速器實驗室里發現了一種奇異的新粒子，完全無法用現有理論對它進行解釋，它將可能打破現有物質構成的所有已知規則。這個新發現的粒子稱為Y(4140)，它不符合二種物質構成的已知模式，甚至科學家還沒有確定Y(4140)是由什麼組成的。

費米國家加速器實驗室

科學家一直認為夸克能以各種行之有效的方式結合在一起形成其他較大的亞原子粒子，一種模式是由夸克-反夸克對形成的介子，另一種模式是由3個夸克組成的重子，如質子和中子。“但我們發現的這種新粒子不屬於這些夸克組合，這令人驚奇，”美國佛州大學的雅各布·科尼格斯伯格說，“據我們所知，如果你試圖將夸克-反夸克對組合在一起，你不可能建造出這種粒子。”

粒子物理學家表示，此次發現的Y(4140)粒子是這些實驗室觀察到的具有類似非常規屬性的粒子家族成員之一，是由二束粒子以近光速的速度彼此劇烈碰撞產生的，這樣發現新粒子Y(4140)的機率大約為百億億分之二十。費米實驗室的科學家發現，Y(4140)粒子在衰變過程中常常產生包含有一個底夸克(稱為B+介子)的粒子。對費米實驗室的數萬億次質子和反質子碰撞進行篩選後，科學家們確定了一個以非常規方式衰變的B+介子的小樣本。進一步分析表明，這些B+介子可衰變成Y(4140)。此外，科學家還發現Y(4140)粒子可衰變成一對其他粒子———J/psi和phi粒子，物理學家認為它可能是一個粲數和反粲數夸克組合。但是，對於這樣的一個構成來說，其衰變特性有違常規。

日本高能實驗室發言人、物理學家山內正則說，這是首次證實一個新的意想不到的Y態新粒子可衰變為J/psi和phi粒子。這個Y態可能和之前他們發現的Y(3940)有關，也可能是含有粲數夸克的外來強子的又一個例證。這些外來的夸克組合不屬於已知的介子和重子，理論物理學家正在對它們的真實性質進行破解，實驗人員也在繼續努力尋找更多這樣的粒子。

這一新粒子的發現向那些深諳夸克如何結合形成物質的粒子物理學家發出了挑戰。加上美國宣布發現了罕見的單頂夸克和其它幾項發現，物理學家實際上離尋獲希格斯玻色子（所謂的上帝粒子）已越來越近了，但他們現不得不重新思考物質是如何構成的。此研究成果發表在最新一期出版的《物理評論快報》上。

結語

但宇宙中的東西大概比我們看到的要多；觀測和理論兩方面都有理由認為，宇宙中的暗物質比亮物質要多得多。暗物質的很大部分可能是既非強子、亦非輕子的粒子。不過這是另外的話題了。