§ 20-4 粒子物理简介
例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及 ?
子,?介子,K介子等。到目前为止，
已经发现了 400多种基本粒子 (包括共振
态粒子 )。
基本粒子,构成物质世界的基本单元。
1,反粒子和奇异粒子
（ 1）反粒子
正粒子和反粒子有相同的质量、自旋、寿命，
电荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应
该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、
反星体等。
1932年安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从
1955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、
反超子。
反粒子和奇异粒子
质子和反质子的运动轨迹
??
2cmo
??
2cmo?
产生 湮没0 ?光子 两个
空位 空位
自由电子的能量区域 电子偶的产生和湮没
反粒子和奇异粒子
（ 2）奇异粒子
在二十世纪 50年代又在宇宙射线中发现了与
基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。
（如,K介子,超子,超子,超子和 超子）Λ ? Ξ Ω
b,奇异粒子总是成对地产生。
a,奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却
又非常慢。
反粒子和奇异粒子
我们用质量、电荷、自旋、磁矩
等性质表示基本粒子，又加入了“奇
异数”这个量子数，来反映基本粒子
的奇异现象。对于非奇异粒子，奇异
数为零；对于奇异粒子，奇异数不为
零。
反粒子和奇异粒子
（ 1）重子类
这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超
过核子，故称为超子）。
（ 2）轻子类
这类粒子质量较小，包括电子,介子,介子
及其相应的中微子。
? ?
（ 3）介子类
质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括
K介子,介子,介子。π η
（ 4）光子类 只有光子一种，其静止质量为零。
2,基本粒子的分类
? 按质量分为四类：
自旋是 的半整数倍的基本粒子称为
费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自
旋为 1/2，超子的自旋为 1/2,3/2 。
?
..
（ 1）玻色子
（ 2）费米子
π
?自旋是 的整数倍的基本粒子称为玻
色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为
1,介子的自旋为 0。
?按自旋分为两类,
基本粒子的分类
由于介子和重子参加强相互作用又统称
为强子。
1974年丁肇中等发现了 J/ 粒子,J/ 粒
子也是一种介子。
Ψ Ψ
丁肇中
基本粒子的分类
3,基本粒子的相互作用
宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。
（ 1） 强相互作用
强相互作用是一种原子核结合在一起的力，
它的作用范围为 m 以下，故称短程力；作
用时间极短，约为 s,这种相互作用强度大，
比电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用
只存在于重子和介子之间。
1510?
2310?
（ 2）弱相互作用
弱相互作用范围在 10-17m以下，通常也称短
程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多，
作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切
强子和轻子。
基本粒子的相互作用
格拉肖温伯格 萨拉姆
（ 3）电磁相互作用
一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强
子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作
用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒
子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作
用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与
物体间距离的平方成反比。
基本粒子的相互作用
229
2
21 /k gmN109k
r
QQkF ????
（ 4）万有引力相互作用
所有粒子都参与万有引力相互作用，其强
度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。
传递引力的粒子称为引力子。
2211
2
21 /k gmN1067.6G
r
mmGF ???? ?
基本粒子的相互作用
表 20-5 四种相互作用的比较
天体之间衰变原子结合核力举例
引力子中间玻色子光子介子传递子
一切物体强子、轻子强子、轻子强子被作用粒子
作用时间 (s)
作用范围 (m)
1相对强度
引力作用弱作用电磁作用强作用名称
210? 1210? 3910?
1510? ? ?
2310? 1620 10~10 ?? 1010??
1710??
?
β
基本粒子的相互作用
1964年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。他
认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸克
分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用 u、
d,s表示。三种夸克都有相应的反夸克。
实验证明，除轻子还未发
现有任何内部结构外，核子、
超子、介子即所有的强子都还
能细分。
基本粒子的相互作用
盖尔曼
4,强子的夸克模型
原子由原子核和电子构成，原子核是由质子
和中子构成，那么质子、中子内部是否还有内部
结构？
p?
p?1932年，斯特恩测得质子的磁 2.79,后
来又测得中子的磁矩为 -1.91 （而不是零），
中子不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内
部结构。
用能打入质子内部的高能量轻子打击质子，
由于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以
发现质子的内部是否有结构。
1956年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时，
发现质子的电荷分布半径为 0.7fm.后来又发现中
子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分
布半径为 0.8fm。还发现核子内部存在好多个散
射中心。
强子的夸克模型
夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克
组成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克
组成。
夸克共有六种，其性质如下表所示。
强子的夸克模型
夸克 电荷 /e 自旋 同位旋 奇异数 重子数
u(上 ) 2/3 1/2 1/2 0 1/3
d(下 ) -1/3 1/2 1/2 0 1/3
s(奇 ) -1/3 1/2 0 -1 1/3
c(粲 ) 2/3 1/2 0 0 1/3
b(底 ) -1/3 1/2 0 0 1/3
t(定 ) 2/3 1/2 0 0 1/3
六种夸克特性表
强子的夸克模型
0π
-π
介子是由 ( )构成
介子是由 ( )构成
介子是由 ( )构成
?π du
du
dduu 或
质子 p是由 (uud)构成
中子 n是由 (udd)构成
强子的夸克模型
要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介
子，夸克的自旋应为,它的两个分量为 。如
果用电子或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷
为正负整数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数
电荷,u夸克的电荷为, d夸克和 s夸克的电荷
为 。
2
1
2
1?
e32
e31?
夸克通过强相互作用结合成强子。
强子的夸克模型
要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介
子，夸克的自旋应为,它的两个分量为 。如
果用电子或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷
为正负整数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数
电荷,u夸克的电荷为, d夸克和 s夸克的电荷
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夸克通过强相互作用结合成强子。
强子的夸克模型
例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及 ?
子,?介子,K介子等。到目前为止，
已经发现了 400多种基本粒子 (包括共振
态粒子 )。
基本粒子,构成物质世界的基本单元。
1,反粒子和奇异粒子
（ 1）反粒子
正粒子和反粒子有相同的质量、自旋、寿命，
电荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应
该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、
反星体等。
1932年安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从
1955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、
反超子。
反粒子和奇异粒子
质子和反质子的运动轨迹
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产生 湮没0 ?光子 两个
空位 空位
自由电子的能量区域 电子偶的产生和湮没
反粒子和奇异粒子
（ 2）奇异粒子
在二十世纪 50年代又在宇宙射线中发现了与
基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。
（如,K介子,超子,超子,超子和 超子）Λ ? Ξ Ω
b,奇异粒子总是成对地产生。
a,奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却
又非常慢。
反粒子和奇异粒子
我们用质量、电荷、自旋、磁矩
等性质表示基本粒子，又加入了“奇
异数”这个量子数，来反映基本粒子
的奇异现象。对于非奇异粒子，奇异
数为零；对于奇异粒子，奇异数不为
零。
反粒子和奇异粒子
（ 1）重子类
这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超
过核子，故称为超子）。
（ 2）轻子类
这类粒子质量较小，包括电子,介子,介子
及其相应的中微子。
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（ 3）介子类
质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括
K介子,介子,介子。π η
（ 4）光子类 只有光子一种，其静止质量为零。
2,基本粒子的分类
? 按质量分为四类：
自旋是 的半整数倍的基本粒子称为
费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自
旋为 1/2，超子的自旋为 1/2,3/2 。
?
..
（ 1）玻色子
（ 2）费米子
π
?自旋是 的整数倍的基本粒子称为玻
色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为
1,介子的自旋为 0。
?按自旋分为两类,
基本粒子的分类
由于介子和重子参加强相互作用又统称
为强子。
1974年丁肇中等发现了 J/ 粒子,J/ 粒
子也是一种介子。
Ψ Ψ
丁肇中
基本粒子的分类
3,基本粒子的相互作用
宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。
（ 1） 强相互作用
强相互作用是一种原子核结合在一起的力，
它的作用范围为 m 以下，故称短程力；作
用时间极短，约为 s,这种相互作用强度大，
比电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用
只存在于重子和介子之间。
1510?
2310?
（ 2）弱相互作用
弱相互作用范围在 10-17m以下，通常也称短
程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多，
作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切
强子和轻子。
基本粒子的相互作用
格拉肖温伯格 萨拉姆
（ 3）电磁相互作用
一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强
子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作
用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒
子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作
用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与
物体间距离的平方成反比。
基本粒子的相互作用
229
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（ 4）万有引力相互作用
所有粒子都参与万有引力相互作用，其强
度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。
传递引力的粒子称为引力子。
2211
2
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基本粒子的相互作用
表 20-5 四种相互作用的比较
天体之间衰变原子结合核力举例
引力子中间玻色子光子介子传递子
一切物体强子、轻子强子、轻子强子被作用粒子
作用时间 (s)
作用范围 (m)
1相对强度
引力作用弱作用电磁作用强作用名称
210? 1210? 3910?
1510? ? ?
2310? 1620 10~10 ?? 1010??
1710??
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β
基本粒子的相互作用
1964年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。他
认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸克
分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用 u、
d,s表示。三种夸克都有相应的反夸克。
实验证明，除轻子还未发
现有任何内部结构外，核子、
超子、介子即所有的强子都还
能细分。
基本粒子的相互作用
盖尔曼
4,强子的夸克模型
原子由原子核和电子构成，原子核是由质子
和中子构成，那么质子、中子内部是否还有内部
结构？
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p?1932年，斯特恩测得质子的磁 2.79,后
来又测得中子的磁矩为 -1.91 （而不是零），
中子不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内
部结构。
用能打入质子内部的高能量轻子打击质子，
由于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以
发现质子的内部是否有结构。
1956年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时，
发现质子的电荷分布半径为 0.7fm.后来又发现中
子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分
布半径为 0.8fm。还发现核子内部存在好多个散
射中心。
强子的夸克模型
夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克
组成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克
组成。
夸克共有六种，其性质如下表所示。
强子的夸克模型
夸克 电荷 /e 自旋 同位旋 奇异数 重子数
u(上 ) 2/3 1/2 1/2 0 1/3
d(下 ) -1/3 1/2 1/2 0 1/3
s(奇 ) -1/3 1/2 0 -1 1/3
c(粲 ) 2/3 1/2 0 0 1/3
b(底 ) -1/3 1/2 0 0 1/3
t(定 ) 2/3 1/2 0 0 1/3
六种夸克特性表
强子的夸克模型
0π
-π
介子是由 ( )构成
介子是由 ( )构成
介子是由 ( )构成
?π du
du
dduu 或
质子 p是由 (uud)构成
中子 n是由 (udd)构成
强子的夸克模型
要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介
子，夸克的自旋应为,它的两个分量为 。如
果用电子或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷
为正负整数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数
电荷,u夸克的电荷为, d夸克和 s夸克的电荷
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2
1
2
1?
e32
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夸克通过强相互作用结合成强子。
强子的夸克模型
要组成自旋为半整数的重子和自旋为零的介
子，夸克的自旋应为,它的两个分量为 。如
果用电子或质子所带电荷作为单位，为要组成电荷
为正负整数或零的强子，夸克所带的电荷就是分数
电荷,u夸克的电荷为, d夸克和 s夸克的电荷
为 。
2
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夸克通过强相互作用结合成强子。
强子的夸克模型
