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尹飛飛雜談:微觀粒子的世界

1、決定粒子狀態的四個量子數

費米子:自旋為半整數的粒子,遵循泡利不相容原理。

玻色子:自旋為整數的粒子,不遵循泡利不相容原理。

泡利不相容原理:在費米子組成的系統中,不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。

(所謂完全相同狀態,就是兩個粒子四個量子數都相同。)

決定粒子狀態的四個量子數分別是:主量子數n、角量子數l、磁量子數m、自旋量子數ms。

下面以原子的核外電子(典型的一種費米子)為例具體介紹這四個量子數:

主量子數可以表示電子所在的能層,當n=1,2,3,4,5,6時,分別對應K、L、M、N、O、P能層。

角量子數可以表示電子所在的亞層,當l=0,1,2,3,4時,分別對應s、p、d、f、g亞層。

磁量子數可以表示亞層軌道的方向,當l確定時,-l

自旋量子數可以表示指明自旋方向,分別用向上或向下的箭頭表示其順時針和逆時針方向(實質是順著磁場方向和逆著磁場方向),取值為+1/2或-1/2(這裡指的是電子的取值)。

再具體一點,以氫原子的核外電子為例。

氫原子有兩個核外電子,主量子數都等於1,電子所在能層為K,角量子數都等於,電子所在亞層為s。因此其電子排布式可以寫成1s2(表明其在K能層的s亞層有兩個電子,前面的數字1其實就是說明n=1,對應著K能層)。

以地球的公轉和自轉來比喻,主量子數決定的能層就好比地球公轉時所在的軌道,角量子數決定的亞層就好比地球公轉時的角速度(單位時間內地球與太陽之間的矢徑掃過的弧度),磁量子數決定的亞層軌道方向就好比地球公轉的方向,自旋量子數決定的自旋方向就好比地球自轉的方向。

(這些比喻雖不太恰當,卻可以幫助理解!!)

2、自然界中的四大基本相互作用

萬有引力:時空曲率決定(由於引力子還只是一種假想中的粒子,所以我採用了廣義相對論中的觀點)。

電磁力:光子傳遞。

強核力:膠子傳遞(膠子有8種,因為有8種色荷組合)。

弱核力:W及Z玻色子傳遞。

引力子:被定義為一個自旋為2、靜止質量為的玻色子。

光子:自旋為1、靜止質量為的玻色子。

膠子:自旋為1、靜止質量為、具有色荷的玻色子。

W玻色子:分W+和W-兩種,W是weak(弱)的首字母。靜止質量80.4GeV,電荷為+1或-1,自旋為1。

Z玻色子:只有Z0一種,它是電中性的。靜止質量91.2GeV,電荷為,自旋為1。

(W及Z玻色子的質量差不多是質子的一百倍,比鐵原子還要重!)

3、標準模型:基本粒子有61種

希格斯玻色子:1種(自旋為,電荷為,質量大約是質子的0.686億倍)

W玻色子:2種

Z玻色子:1種

光子:1種

膠子:8種

輕子:12種(電子e-、電中微子Ve-、μ、Vμ、τ、Vτ及它們的反粒子)

夸克:36種(上下底頂奇粲6味*紅藍綠3色*正反2種=36)

(引力子1種不算在其中,如果被驗證,則是62種。)

4、由基本粒子組成的亞原子粒子

強子:所有受到強相互作用影響的亞原子粒子被稱為強子,包括重子和介子。

重子:由三個夸克組成的複合粒子,常見的有質子和中子,其他還有Λ、Σ、Ω、Ξ等粒子(質量超過質子和中子,故又稱超子)。

介子:自旋數為整數、重子數為零的強子,有π、η、κ、π+、η+、κ+、π-、η-、κ-等。

中子:兩個下夸克(電荷-1/3e)和一個上夸克(電荷+2/3e)組成。一個下夸克可以衰變成一個較輕的上夸克,釋放一個W玻色子。同時該中子衰變成質子,釋放出一個電子和一個反電子中微子。

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