高中基礎物理補充:基本粒子大觀園

夸克、光子、反粒子等

這是基礎物理補充文章的一部分。


基本粒子

基本粒子,是科學家對於物質所認知的最小單位,隨著科學的進展,最小單位不斷的被更新。現今物質的最小單位,最廣為所知的大概就是電子和夸克。不少的基本粒子因為生存週期不長,或和一般人認知的物質概念有所相左,所以比較不被熟悉。

費米子

最為人所知的夸克大概就是「上夸克」(帶電+2/3基本電荷)和「下夸克」(帶電-1/3基本電荷),這兩種夸克三個一組靠強力結合在一起,形成質子(2上1下)和中子(1上2下),這兩個夸克是所謂「第一代」被發現的粒子。後來還有科學家發現其他的夸克,目前已知六種,且它們的共同特性就是:不會單獨存在,夸克通常是成對或是三個一組形成較重的粒子。

電子屬於相對於夸克的「輕子」,不參與強交互作用的粒子。電子也屬於「第一代」,同時是最早被認知的基本粒子。夸克和電子屬於「費米子」,意指自旋量(參見高三化學)是半整數(以電子為例:±1/2)的粒子。它們的共同特性就是:遵守鮑立不相容定則,有個簡單的比喻,就是兩個費米子不能放在同一個位置。

玻色子

除了費米子之外,當然也有自旋量是整數(包含0)的粒子,這些粒子稱為玻色子,它們不遵守鮑立不相容定則,可以放在完全相同的位置而發生「玻色-愛因斯坦凝聚」。目前已知的玻色子分為兩種:「規範玻色子」、「希格斯玻色子」。

自然界的交互作用(也就是力,參見基礎物理第四章),必須透過規範玻色子來進行,因此又可以依交互作用將規範波色子繼續分類。和重力作用有關的是「引力子」,但由於重力太弱,導致引力子一直都沒有被發現;和強力有關的是「膠子」,維持原子核和質子、中子的穩定存在;而和電磁力作用有關的,正是我們常見的電磁波的本尊:「光子」

希格斯玻色子,是最近才被實驗上偵測到的基本粒子,詳細性質很多都還是謎團,但科學家預測這個粒子可能是質量的來源。

反粒子

很多粒子有相對應的反粒子存在,例如:電子有相對應的「正子」存在。但也有反粒子就是其本身的例子,例如:光子。粒子構成物質,反粒子構成反物質。反物質和物質接觸時,會立刻遵守愛因斯坦的質能轉換公式而化為能量。原本宇宙產生時,一般物質和反物質的數量應該要一樣,但可能是因為衰變速率不同,導致最後剩下物質存在我們熟悉的世界,反物質則灰飛煙滅。不過科學家現在已經有技術在實驗室裡面短暫地呼喚出反物質。

參考資料

 
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