引言

在人類(lèi)對(duì)世界的不斷探索中，人們對(duì)世界的認(rèn)知從宏觀深入到微觀，慢慢了解到物質(zhì)是由原子組成的，原子由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子構(gòu)成,而原子核又是一個(gè)由質(zhì)子和中子組成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體，一步步抽絲剝繭，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)中子、質(zhì)子等重子仍然有著內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們由各種不同的夸克組成。這就構(gòu)成了如今粒子物理的面貌。基本粒子究竟是什么？它們有著怎么樣的分類(lèi)與構(gòu)成？

基本粒子是什么

基本粒子是指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小或/及最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。也就是說(shuō)在不改變物質(zhì)屬性的前提下的最小體積物質(zhì)。它是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)，且并不會(huì)因?yàn)樾《鴶喽ㄋ皇悄撤N物質(zhì)。

早在古希臘和春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，就已經(jīng)有人提出過(guò)原子的概念，惠子曾說(shuō)：“至小無(wú)內(nèi)，謂之小一”，意思是最小的物質(zhì)是不可分的。這個(gè)最小的單元，德謨克利特則稱(chēng)之為“原子”，提出了原子唯物論，認(rèn)為世界萬(wàn)物由原子構(gòu)成。但是在之后的2000多年里，都沒(méi)有人都深入探討過(guò)原子或“最小的單元”具體是什么，所以“原子”這個(gè)概念最初屬于哲學(xué)范疇。

德謨克利特的原子

1789年，法國(guó)科學(xué)家拉瓦錫定義了原子一詞，從此，原子就用來(lái)表示化學(xué)變化中的最小的單位。最初科學(xué)家都認(rèn)為原子已經(jīng)是組成物質(zhì)的最小單位，不可再分。但是1897年約瑟夫·約翰·湯姆遜根據(jù)放電管中的陰極射線在電磁場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負(fù)電，并測(cè)出其荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來(lái)認(rèn)為原子不可再分的設(shè)想。

后來(lái)湯姆遜還提出了著名的葡萄干蛋糕模型來(lái)描繪原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

原子是一個(gè)小小的球體，原子里面充滿了均勻分布的帶正電的流體。球內(nèi)還有若干個(gè)電子，它們都在這種正電荷液體中，就象許多軟木塞浸在一盆水里一樣，這些電子等間隔地排列在與正電球同心的圓周上，并以一定的速度做圓周運(yùn)動(dòng)從而發(fā)出電磁輻射，原子光譜所反映的就是這些電子的輻射頻率。由于電子所帶負(fù)電荷的總和與電液體所帶正電荷總和相等，但符號(hào)相反，所以原子從外面看上去是中性的.在湯姆生提出的這種原子模型中，電子鑲嵌在正電荷液體中，就象葡萄干點(diǎn)綴在一塊蛋糕里一樣。

當(dāng)然這是湯姆遜本人的主觀臆測(cè)，1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結(jié)果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽(yáng)離子，它實(shí)際上就是氫的原子核。盧瑟福推測(cè)，它就是人們從前所發(fā)現(xiàn)的與陰極射線相對(duì)的陽(yáng)極射線，它的電荷量為一個(gè)單位，質(zhì)量也為一個(gè)單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。1932年，查德威克在用α粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而得到了一個(gè)所有的物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元——質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。

隨著質(zhì)子、中子、電子、μ子等很少的“粒子”相繼被發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)為這些粒子就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，稱(chēng)它們?yōu)椤盎玖Ｗ印保ㄒ鉃椴豢煞指睿?/p>

粒子都具有雙重屬性，也就是我們所說(shuō)的波粒二象性，在長(zhǎng)期的探索過(guò)程中，科學(xué)家通過(guò)質(zhì)量、大小、壽命、對(duì)稱(chēng)性、自旋、守恒等屬性來(lái)對(duì)粒子進(jìn)行歸類(lèi)。

什么是對(duì)稱(chēng)性呢？20世紀(jì)20年代,狄拉克提出了著名的狄拉克理論，并預(yù)言:宇宙中每一個(gè)基本費(fèi)米粒子必然有其相對(duì)應(yīng)的反粒子，兩者質(zhì)量相同,但所攜帶的電荷相反。1932年，安德森發(fā)現(xiàn)來(lái)正電子（也就是電子的反粒子），他在云霧室中充入過(guò)飽和的乙醚氣，當(dāng)物質(zhì)放射出正電子時(shí)，正電子穿過(guò)云霧室，在正電子運(yùn)行軌道中出現(xiàn)液滴線，通過(guò)外加磁場(chǎng)測(cè)量正電子的偏轉(zhuǎn)方向及半徑就可以知道它的帶電符號(hào)，及荷質(zhì)比（帶電量與質(zhì)量的比值），從而證實(shí)了狄拉克的預(yù)言。

反粒子與所對(duì)應(yīng)的粒子在質(zhì)量、自旋、平均壽命和磁矩大小都相同；如果帶電。兩者所帶電量相等而符號(hào)相反。磁矩和自旋的取向關(guān)系也相反。反粒子與所對(duì)應(yīng)的粒子相遇就發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的粒子。

什么是自旋？1925年G.E.烏倫貝克和S.A.古茲密特受到泡利不相容原理的啟發(fā)，分析原子光譜的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出電子具有內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)——自旋，并且有與電子自旋相聯(lián)系的自旋磁矩。粒子的自旋是內(nèi)稟角動(dòng)量（物體到原點(diǎn)的位移和動(dòng)量相關(guān)的物理量）引起的，粒子自旋是其內(nèi)在性質(zhì)，為粒子與生俱來(lái)帶有的一種角動(dòng)量，并且其量值是量子化的，無(wú)法被改變（但自旋角動(dòng)量的指向可以透過(guò)操作來(lái)改變）。

什么又是守恒？物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，在變化中也有些東西不變，這就是守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過(guò)程就要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律，例如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒，以及微觀現(xiàn)象中不連續(xù)的宇稱(chēng)守恒、電荷守恒，還有重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、奇異數(shù)守恒、同位旋守恒等。

基本粒子的分類(lèi)

基本粒子目前共有61種，共分為兩大類(lèi)，分別是費(fèi)米子和玻色子，自旋為半奇數(shù)（1/2，3/2…）的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子，服從費(fèi)米 -狄拉克統(tǒng)計(jì)；自旋為0或正整數(shù)的粒子稱(chēng)為玻色子，服從玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì) 。

基本費(fèi)米子費(fèi)就是組成物質(zhì)的粒子，分為 2 類(lèi)：夸克和輕子。而這 2 類(lèi)基本費(fèi)米子，又分為合共 24 種味 (味指一種基本粒子的種類(lèi))：

12 種夸克：包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、頂夸克 (t)，及它們對(duì)應(yīng)的 6 種反粒子。需要指出的是夸克共有3種顏色，比如紅上夸克、藍(lán)上夸克、綠上夸克，所以細(xì)分的話夸克是36種。

12 種輕子：包括電子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ，及對(duì)應(yīng)的 6 種反粒子，包括 3 種反中微子。

而玻色子則分為基本粒子和復(fù)合粒子。基本玻色子根據(jù)物理的四大相互作用可以分為：

引力相互作用：引力子

電磁相互作用：光子

弱相互作用（使原子衰變的相互作用）：W 及 Z 玻色子，W 玻色子有兩種，分別有 1（W ）和 ?1（W?）單位電荷。W 是 W? 的反粒子。而 Z 玻色子（Z0）則為電中性的，且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命，其半衰期約為3秒。

強(qiáng)相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子

它們的功能就是負(fù)責(zé)傳遞基本相互作用，而除了這四種，還包括為其他基本粒子提供質(zhì)量的希格斯粒子，希格斯粒子與其他粒子的相互作用使其他粒子具有質(zhì)量。相互作用越強(qiáng)質(zhì)量就越大。

圖上反粒子沒(méi)有標(biāo)出

而復(fù)合玻色子由偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成，常見(jiàn)的有介子、氘核、氦-4等。

PS：

1、強(qiáng)子不屬于基本粒子，強(qiáng)子是一種亞原子粒子，包括重子和介子等，質(zhì)子、中子、超子都屬于重子類(lèi)，重子由三個(gè)夸克或三個(gè)反夸克組成，它們的自旋總是半數(shù)的。

2、費(fèi)米子組成物質(zhì)和玻色子傳遞作用是什么意思呢？比如說(shuō)膠子是一種負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力的玻色子。它們把夸克捆綁在一起，使之形成質(zhì)子、中子及其他強(qiáng)子。

光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過(guò)發(fā)射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對(duì)可湮沒(méi)轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生。

基本粒子的研究進(jìn)展與意義

目前，引力子目前在物理學(xué)中是一個(gè)傳遞引力的假想粒子。實(shí)驗(yàn)中也一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自由夸克和膠子的存在。因夸克和膠子都有“色”量子數(shù)，一種猜測(cè)是帶有顏色的夸克和膠子就像被囚禁在整體無(wú)色的“牢籠”里面，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“色禁閉”（color confinement）。“色禁閉”的解釋已有各種理論證據(jù)，但仍然屬于研究的前沿問(wèn)題。

對(duì)基本粒子的研究促進(jìn)了許多學(xué)科的誕生，比如量子色動(dòng)力學(xué)，1973年，美國(guó)科學(xué)家格羅斯、波利茨、威爾茨克通過(guò)一個(gè)完善的數(shù)學(xué)模型說(shuō)明：夸克之間越接近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克之間非常接近時(shí)，強(qiáng)作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動(dòng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“漸近自由”。反之，夸克之間距離越大，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。“漸近自由”的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了全新的理論——量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的誕生。

許多科學(xué)家認(rèn)為更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）時(shí)很可能這四種相互作用全都是統(tǒng)一的，這種理論稱(chēng)為“大統(tǒng)一理論”。目前，科學(xué)家在格拉肖提出的弱電統(tǒng)一理論上構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)模型，用來(lái)描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子，科學(xué)家把費(fèi)米子跟玻色子配對(duì)起來(lái)，以描述費(fèi)米子之間的力。

標(biāo)準(zhǔn)模型被認(rèn)為最有可能實(shí)現(xiàn)物理的大一統(tǒng)，而隨著但在夸克理論提出后，人們認(rèn)識(shí)到基本粒子也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，目前基本粒子也成為了歷史名詞，人們用“粒子”取代了它。

隨著科學(xué)家對(duì)粒子研究的深入，人類(lèi)將慢慢揭開(kāi)宇宙的神秘面紗，了解宇宙的終極奧秘。