這是 地面上只有在核爆炸時(shí)才能達(dá)到的極高溫,它還只有1.723keV,從粒子物理 世界的尺度標(biāo)準(zhǔn)來看仍然是相當(dāng)?shù)偷臏囟龋谀芰亢芨叩牧W拥呐鲎仓锌梢赃_(dá) 12 粗纖維測定儀到在直徑為1fm的小體積范圍內(nèi)溫度約為140MeV,這相當(dāng)于1.625×10K, 比太陽中心的溫度約高8100 00多倍. 速度是無量綱物理量,自由粒子的速度沿任意方向的投影都只能取從-1 到+1之間的值,以反映速度的大小不能超過真空光速. 角動(dòng)量也是無量綱量,任何粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌道角動(dòng)量沿任意方向的投影都 只能取整數(shù)值,而任何粒子自旋角動(dòng)量沿任意方向的投影都只能取整數(shù)或半整 數(shù)的值.精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù) α是無量綱量,α=1/137.03599976.
§6.6 微觀粒子的主要普遍內(nèi)稟屬性 粒子的全同性 粒子的一個(gè)普遍的基本特性是全同性. 各種粒子分別有各自的內(nèi)稟屬性,這些屬性不隨粒子產(chǎn)生的來源和粒子的 1 。钡诹隆×W邮澜 。 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化.一切內(nèi)稟屬性的總和是判別和區(qū)分粒子種類的依據(jù),屬于同 一種粒子的內(nèi)稟屬性完全相同,它們之間互相不可分辨,這就是粒子全同性. 例如電子有確定的質(zhì)量me,帶有的電荷-e,自旋量子數(shù)為1/2,帶有輕 子數(shù)為1,帶有確定的自旋磁矩 μ,自由狀態(tài)下可以穩(wěn)定地長期存在、不衰 e 變.如果有兩個(gè)電子,則它們都有這些內(nèi)稟屬性,它們之間完全不可分辨.如 果我們往一個(gè)空盒子里放進(jìn)去一個(gè)電子,然后再放進(jìn)去第二個(gè)電子.過一段時(shí) 間后從這個(gè)盒子中取出一個(gè)電子,就不能判別取出的是原來的第一個(gè)電子還是 第二個(gè)電子.這個(gè)不可分辨并不是由于對電子的內(nèi)稟屬性觀察了解得不夠充 分,而是由于微觀粒子的全同性. 宏觀物體沒有全同性,但是微觀粒子具有嚴(yán)格的全同性,這是微觀粒子的 一個(gè)普遍的基本特性,是微觀粒子和宏觀物體根本的不同點(diǎn). 各種粒子的千差萬別反映在粒子的運(yùn)動(dòng)和相互作用性質(zhì)的不同,通過反映 粒子特征的許多種物理量表現(xiàn)出來,其中重要的有以下幾種. 質(zhì)量 所有的粒子都有確定的質(zhì)量.粒子運(yùn)動(dòng)的速度可以很快,按狹義相對論給 出,粒子的質(zhì)量是速度的函數(shù),隨速度v的增加而增加. m(v)= m0;用自然單位制表示為m(v)= m0. 2 1- v1-v 22 c 如果粒子的靜止質(zhì)量m不為零,當(dāng)速度增加到真空光速時(shí),粒子的質(zhì)量將趨 0 于無窮大. 如果某種自由粒子以真空光速運(yùn)動(dòng),質(zhì)量為有限值,則這種粒子靜止質(zhì)量 為零,并且粒子只能以真空光速運(yùn)動(dòng),速度不能減下來,光子就屬于這類粒 子. 粒子物理中所說的粒子質(zhì)量都是指粒子的靜止質(zhì)量.自由運(yùn)動(dòng)的粒子的靜 止質(zhì)量m和運(yùn)動(dòng)速度v都可以用它的能量E和動(dòng)量p來確定: m=E2-p2, v= Ep. 如果粒子的靜止質(zhì)量為零,則粒子的能量和動(dòng)量的大小相等,這個(gè)粒子一定以 真空光速運(yùn)動(dòng). 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子質(zhì)量分布在一個(gè)很大的范圍內(nèi),已發(fā)現(xiàn)的具有靜止質(zhì) 量的粒子中最輕的是電子,其質(zhì)量為m=0.5109 998902MeV.質(zhì)子的質(zhì)量為 m=938.271998MeV,已發(fā)現(xiàn)的粒子中絕大多數(shù)的質(zhì)量在電子質(zhì)量的200倍 到2160 00倍的范圍內(nèi).最重的粒子是Z粒子,質(zhì)量為m=91.1882GeV,約為 §6.。 6 微觀粒子的主要普遍內(nèi)稟屬性 1 11 電子的178451倍. 光子是永遠(yuǎn)以真空光速運(yùn)動(dòng)的粒子,它的質(zhì)量為零. 中微子和反中微子可能有微小的靜止質(zhì)量,它們通常是以接近真空光速的 速度運(yùn)動(dòng). 許多粒子是不穩(wěn)定粒子,粒子的微觀本性決定了:通過實(shí)驗(yàn)測量不穩(wěn)定粒 子的質(zhì)量,實(shí)
際得到的不是確定的一個(gè)值,而是在某一值附近有一定分布.這 個(gè)分布可以用兩個(gè)參數(shù)來描寫,一個(gè)參數(shù)是實(shí)驗(yàn)里測量粒子質(zhì)量值的平均值, 通常仍稱為粒子的 “質(zhì)量”m;另一個(gè)參數(shù)是實(shí)驗(yàn)測量粒子質(zhì)量值在平均值附 近的分布寬度,稱為粒子的寬度Γ.不穩(wěn)定粒子的靜止質(zhì)量m的概率分布函 0 數(shù)為: Γ 2 ρ(m0)= 2π(m0-m)+ Γ42. 不穩(wěn)定粒子的靜止質(zhì)量m的值。淼母怕首畲螅o止質(zhì)量m的取值從 00 m- Γ2 到m+ Γ2 的概率為50%.不穩(wěn)定粒子的靜止質(zhì)量m的取值小于m- Γ2 0 的概率為25%.粒子的平均壽命越短,越不穩(wěn)定,粒子的寬度也就越大.已 發(fā)現(xiàn)的粒子中絕大多數(shù)的寬度小于40 00MeV.最寬的粒子是Z粒子,其寬度為 2.4952GeV. 現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)還沒有測到光子的質(zhì)量,因此認(rèn)為它是靜止質(zhì)量為零的粒子.直 接的實(shí)驗(yàn)測量確實(shí)沒有測量到光子的靜止質(zhì)量,現(xiàn)有的理論也認(rèn)為光子的質(zhì)量 為零.然而,光子是不是可能有很輕的質(zhì)量,只是由于太輕,在一般情況下完 全可以忽略,這個(gè)問題需要從實(shí)驗(yàn)上來解決.現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)上得到光子的質(zhì)量小于 -16 2×10eV,也就是說光子有可能沒有靜止質(zhì)量,如果有的話,其值也要小 于這個(gè)值.這個(gè)質(zhì)量值太小了,它所對應(yīng)的能量值不僅遠(yuǎn)小于粒子世界的能量 變化數(shù)量級,遠(yuǎn)小于原子世界的能量變化數(shù)量級,也遠(yuǎn)小于宏觀世界中溫度接 近絕對零度時(shí)分子平均能量變化的數(shù)量級. 壽命和寬度 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子共有479種,在這些粒子中,除了光子、電子、正電 子、質(zhì)子、反質(zhì)子、3種中微子和3種反中微子等11種是穩(wěn)定的外,其余都 是不穩(wěn)定的,它們產(chǎn)生后經(jīng)過一段時(shí)間就會(huì)自動(dòng) “衰變”成兩個(gè)或更多個(gè)其 它類型的、較輕的粒子. 粒子從產(chǎn)生到衰變,存在的時(shí)間就是這個(gè)粒子的壽命.然而當(dāng)粒子作高速 運(yùn)動(dòng)時(shí),由于相對論的時(shí)間延緩效應(yīng),觀測到的粒子的壽命比它靜止時(shí)要長. 1
1第六章 粒子世界 。 τ(v)= τ. 2 1-v 反映粒子不穩(wěn)定性的物理量是粒子靜止時(shí)的壽命,所以實(shí)驗(yàn)上測定了一個(gè)運(yùn)動(dòng) 粒子在衰變前存在的時(shí)間,首先要根據(jù)相對論換算成粒子靜止時(shí)存在的時(shí)間. 即使是這樣,測量許多個(gè)同一種粒子在靜止時(shí)的存在時(shí)間也是各不相同的.一 般來說,存在時(shí)間短的粒子比較多,存在時(shí)間長的粒子比較少.這并不說明它 們是不同類型的粒子,粒子的不穩(wěn)定性表現(xiàn)為在它存在的任意時(shí)間間隔里都會(huì) 以一定的概率衰變掉.在t=0時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定粒子,在以后的t時(shí)刻存在的概 率是 - τt P(t)=e,。簟荩埃 靜止的不穩(wěn)定粒子在單位時(shí)間內(nèi)衰變掉的概率稱為粒子的寬度,這也就是測定 不穩(wěn)定粒子質(zhì)量分布時(shí)得到的寬度,它的倒數(shù)是不穩(wěn)定粒子靜止時(shí)的平均存在 時(shí)間.測量某種粒子的壽命時(shí),必須測量許多個(gè)同一種粒子在靜止時(shí)的存在時(shí) 間,再求出它們的平均值.不穩(wěn)定粒子在靜止時(shí)的平均存在時(shí)間稱為平均壽 命,簡稱壽命 τ. ∞ 0 〈t〉= ∫tP(t)dt=τ. ∞ ∫P(t)dt 0 由于不穩(wěn)定粒子的寬度和壽命有密切的聯(lián)系,即 τΓ=1.這個(gè)重要的性質(zhì)決定 了不穩(wěn)定粒子的壽命既可以直接測定,也可以通過測量質(zhì)量分布寬度而間接 確定. 穩(wěn)定粒子的壽命是無窮大,中子是已知的不穩(wěn)定粒子中壽命最長的粒子, 它的壽命是885.7s.不穩(wěn)定粒子的壽命也分布在一個(gè)很大的范
圍內(nèi),Z粒子 -25 是寬度最大的粒子,它的壽命也最短,其值為 τ=2.643×10s. 粒子的質(zhì)量和壽命是粒子的最重要的基本屬性,粒子的壽命又等于粒子質(zhì) 量分布寬度的倒數(shù).粒子的質(zhì)量和壽命有緊密的聯(lián)系,它們常常是判斷和辨認(rèn) 粒子的依據(jù). 如果粒子的壽命很長,在它產(chǎn)生后可以存在一段時(shí)間,在空間中走一段距 離.可以在這段時(shí)間里觀測它的許多性質(zhì),例如粒子的電荷、能量、動(dòng)量、存 在時(shí)間等,就可以推算出粒子的質(zhì)量,并估計(jì)出粒子的壽命.這樣再和已知的 各種粒子的性質(zhì)比較,就可以判斷這個(gè)粒子是哪種粒子.如果實(shí)驗(yàn)中觀察到的 一個(gè)粒子,這樣得到的粒子性質(zhì)和已知的所有粒子的性質(zhì)都對不上,就可以判 斷發(fā)現(xiàn)了一種新粒子.在這種情況下,即使只觀察到很少的事例,甚至只有一 個(gè)事例,只要測量是可靠的,也可以做結(jié)論說 “發(fā)現(xiàn)了一種新粒子 ”.在這種 §6.。 6 微觀粒子的主要普遍內(nèi)稟屬性 。 11 情況下,測出新粒子的質(zhì)量值是比較準(zhǔn)的,如果事例數(shù)少,定出的
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