关于粒子的一些性质

关于粒子的特性~~

举个简单例子 海洋球玩过吧 没玩过也见过吧

其中各个球之间都是有间隙的

而原子跟那些球类似 区别就是原子外层由电子云包裹，由于相互作用使它们无法靠近，而原子核只占原子的极小部分，于是便有了很大的间隙，这些间隙多半充满随机运动的电子云，是无法插入其他原子的（但是基本粒子如X射线等还是可以穿透的）这就是为什么X光可以透视人体。

各种粒子分别有各自的内禀性质，有粒子的质量m（静质量，以能量表示）、寿命τ（平均寿命，指静止系的平均寿命）、电荷Q（以质子的电荷为单位）、自旋J（以为单位）、宇称P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子数B、轻子数Le、、Lr、奇异数S、粲数C 、底数d等等。在现有实验的精度下，轻子的行为类似点粒子，没有显示出具有内部结构，而强子显示是复合粒子，具有一定的结构。按照现代粒子物理的观点，介子由一对正反夸克构成，重子由3个夸克构成，轻子和夸克属于同一层次。

1）进入微观领域后，就不能再放心地使用我们在宏观世界以及经典物理中常用的关于粒子的大小、体积、形状等的概念了。尽管我们仍会时常不自觉地在微观世界里使用这些概念，但一定要认识到这些概念在量子力学里几乎是没有意义的，时而提到也不过是为了叙述方便。要尽量以全新的观念来思考问题：一个要点就是，量子力学中微粒的位置成为概率性的，粒子的体积和形状则因此变得模糊到没有什么意义的地步。因为位置都难以确定，由无数个位置确定的“粒子的边界”自然更是难以确定，而没了可明确辨认的边界，又如何界定体积与形状呢？有时粒子的大小就用它的德布罗意波长来表示，有时又把基本粒子（比如电子和夸克）看作无体积的点粒子。这种“随意性”也说明了体积及形状的概念在微观世界的无意义。 尽管日常语言无法精确地描述奇异的微观世界，但我们所熟悉的语言还只有日常语言；微观世界我们从未真正的体验过，所以我们没有微观语言。目前最好的语言就是数学公式的推演了，而一切描述性的关于微观图像的说法都是似是而非的。但是既然我们不能很专业地只讨论数学，那我们还是要使用一些形象化的日常语言尽力对微观世界进行一些一鳞半爪式的描述。以下的描绘肯定不是精确的，但有一定的启发性。 我通常是这样来想象一个自由的、且近期尚未与别的粒子相互作用过的微观粒子——它是一团云雾和一个点粒子的统一体，这团云雾的尺度大约就是该粒子的德布罗意波长的大小，点粒子在这团云雾的范围内（严格来说，它应遍布全空间，但超出这个云雾范围的几率很小，暂时忽略不计）忽而出现在这里、忽而又在那里冒出（某一片刻，粒子在此处向真空交出了它的全部能量从而“融化”到真空里；下一个片刻，另一处的真空又突然给出一些能量“重塑”了这个粒子），这种极快速的、随机的在不同位置的“生生灭灭、进进出出”正表现出一团云雾的样子。真实的云雾是难以说清其体积和形状的，微观粒子则更难，一般情况其实是不可能。 2）粒子的自旋是粒子固有的角动量，是其内禀的属性，每种粒子都有其固定的大小不会改变。在数值上，粒子的自旋角动量S=[s(s+1)]^(1/2)h'（其中s是自旋量子数，电子质子中子的s=1/2，光子的s=1，介子的s=0；h'=h/(2π)，h是普朗克常数）。s是整数还是半整数对粒子的统计性影响很大，著名的泡利不相容原理本质上就是s为半整数的粒子遵循费米-狄拉克统计。 粒子自旋通常都会使它带有磁矩，这样它就像一块小磁铁，在有梯度的磁场中它就会受力偏转（打到接收屏上后一般都明显地分为上下两条曲线，不是连续的一片）。这应该属于间接测自旋吧。自旋不仅在大小上是固定不变的，它在空间的任意方向上的投影的大小也只能取两个固定的数值——±sh'。这两点都与宏观物体的旋转大不相同，后者的角动量不论是总的大小还是它在某方向上投影的大小都是连续可变的，而粒子则是固定的或量子化的。由于粒子没有“形状”和“大小”，其“自转线速度”和“自转角速度”都是没有意义的。 粒子的自旋是除了它的三维外部空间的自由度以外的内部空间的第四个自由度，这个自由度上只有±sh'这两个分立的取值。不像空间坐标那样可以连续取值。最初是实验逼得人们认识到这一点的，后来狄拉克构建了著名的狄拉克方程，这是一个关于自由带电粒子的满足狭义相对论要求——在洛仑兹变换下不变的波动方程，它自动给出了电子的自旋及其分量的分立取值。 量子力学给出的诸多结论连同量子力学本身都是匪夷所思的。玻尔曾说：“如果谁没被量子力学搞得头晕，那他就一定是不理解量子力学。”爱因斯坦说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。”费曼说：“我们知道它如何计算，但不知道它为何要这样去计算，但只有这样去计算才能得出既有趣又有意义的结果。”（原话可能有出入，大意如此） 来看看数学上是怎样描述自旋的！尽管看完之后仍不免糊涂，但我想那会是有一些启发作用的，若还能从中体会到数学的奇妙就更好了。 量子力学认为物理系统的一切信息都已包含在确知的波函数Ψ中，为了提取其中的有用信息，量子力学把所有在它看来是有意义的物理量都“重塑”为相应的算符——一系列四则运算复数运算微分运算矩阵运算等运算规则的序列，然后将算符F作用在Ψ上，找到适当的Ψ（这样的Ψ一般都不只一个）使得：FΨ=fΨ（F是相同的情况下，满足上述关系的Ψ可有多个，每个Ψ可对应着不同的实数f；这样的Ψ称为本征函数，f称为本征值），那么，f就是F所对应的物理量在测量时可能测得的数值，测得f的概率可由与f对应的Ψ算出。（自旋的计算事例见图片，其中有涉及到“自旋为1/2的粒子是怎么能转两圈才能和不转一样”的问题。）

3）电荷可以说是物质的一种属性。电荷总是被某种粒子携带的，单独的电荷是不可想象的（日常用语中常把带有电荷的粒子就简称为电荷，但这不是电荷的严格意义，要注意区分）。什么样的粒子是携带着电荷呢？按量子场论的观点，某个微粒如果能够发出并吸收（虚）光子从而影响其他具有此类特性的微粒（同时也受后者的影响），那它就是带电粒子。 电场或磁场就是带电粒子吸收又发出的一大群虚光子，它们有点儿像武侠或神怪影片或游戏里的那些人物可以自己从手掌中生出火球或闪光那样去影响对方。也有点儿类似于澳洲土著抛接的那种叫“飞去来”的飞镖。与宏观事物的类比也只能是有一点形似而已，因为从本质上看，微观世界的奇异性是全新的，是我们日常生活中从未经验过的。正因如此，连伟大的爱因斯坦也被描述微观奇异世界的量子力学困扰一生。 超弦理论把所有粒子都看成是超微观层面的弦在高维空间中的不同的振动模式在微观层面的不同表现形式。也许可以这样想象：电荷实质上是物质的一种特殊的结构或特殊的运动方式，比如就是超微观层面的弦的诸多振动模式中的一种或一部分或几种的组合，这种特殊的振动模式能够引发表现为光子的另一种振动模式的形成，于是就在微观层面表现为发射虚光子，从而在宏观层面上表现出物体带电。 引力是类似的，其媒介是引力子，它同样是弦的某种特殊的振动模式的外部表现。引力的“荷”是质量（亦即能量），这同样是弦的某种振动。总之，超弦理论把一切都归结为弦及其振动，由此，不仅力统一了，万物也都统一到弦上来了。当然，这个理论十分复杂，也还很不成熟。它所描绘的统一前景相当诱人，但要把具体的细节弄清楚，还有很长的路要走，甚至有可能将来会被万分遗憾地告知：此路不通！ 什么是力的统一呢？打个比方：一个立方体，你从一个侧面正对着看过去是一个正方形，转一个角度（这是空间转动变换）就变成了两个矩形，再转一个角度还可能是三个菱形。这三种不同平面形状如何统一起来呢？答案就是统一到一个立方体上——前者不过是后者的一个侧面。力的统一思路是相当类似的——找到一个更“高维”（不一定是真实空间的维度，可以是各种内部空间的维度）的统一体，使得各力看起来只是它的某个方面，或者等价地，找到一些变换，使得在变换过程中，一种力渐渐（或突变——分立的、离散的变化）变成了另一种力。 比如电力与磁力的统一：在洛仑兹变换下，一个惯性系的静电场，在另一个惯性系看来则是大小与方向都有所改变的静电场加上一个磁场——原本没有的磁场在变换中出现了！静磁场也同样可以变换出电场来。统一的四维电磁场二阶反对称张量共16个分量，但独立分量只有6个，它们就是电场和磁场各自的3个分量。这个张量的“大小”在洛仑兹变换中保持不变，变化的是它的“方向”（因此它的各个分量会改变）。

关于很多深一点的东西，说多了很复杂，就对你的问题一一对应回答吧……

⒈①中子、电子、质子一般来讲，我们都不会去在意它的形状，因为在微观世界里，形状并不具有太大的意义。
②物质波，这个是微观粒子波粒二象性的问题，它体现的明显不明显，当然，和宏观事物比起来，尺度确实占据一个必要条件，宏观事物都是体现的“粒子性”，然而，真正的微观世界里，要我们观察到这样的物质波，和粒子的数量还有关系……看看电子衍射图就知道。
③不确定性原理说的是空间位置和速度的不确定，能量宽度和时间的不确定性，所以对于观察你说的形状，没有太大的影响。另外，球，这个形状一般是对原子序数较小，且处在基态的核的描述。在一些激发态或者原子序数很大的情况下，核是呈一些不规则形状的……卢希庭教授编撰的《原子核物理》第8章有详细讲解。

⒉关于自旋，自旋是核子自身角动量和其轨道角动量的多重耦合，是矢量。至于你说的那个周期，确实，在一些科普丛书或者是高中老师讲课的时候都把粒子自旋等效为宏观物体的自转。自转是有周期的，自旋当然也有，只是这种周期和宏观物体有些不一样，怎么说呢？宏观物体自转，比如说地球，地球自转就是一天。微观粒子的自转？其实，正因为我们没有去过分追究微观粒子的具体形状，所以研究这个自转的意义也不见得很大，我们定义了一个自旋，自旋是角动量。在作为科普讲课的时候，老师会说，自旋=0.5的粒子，比如电子，它就相当于自转半圈π/2〖180°〗后于原来的“样子”一样，这就像一个长方形围着自己的对称中心自转似的；自旋=1的粒子，比如光子，它要围着自己的对称中心转一圈，就像月牙形一样；自旋=0的粒子，比如π介子，它就好比一个圆形，随便怎么看它都是对称的……当然，这只是为了方便理解老师才会这么说。比如一些自旋=2的粒子或是自旋更高的粒子，它们呢？用这种观点来看，显然是很难理解的。

事实上，如果你硬要这样理解，自旋为2的粒子，如χ介子，你就必须把它等效成立体的图形了，就像太阳系，因为冥王星的轨道和其它8行星轨道并不在一个平面上，所以你要等到在某一段时间之后重复当前的样子，那个周期就不是简简单单围着太阳系转一圈（相当于太阳自转一周）了……那个周期相当于是太阳系里所有星星的周期的最小公倍数。

这就是你问的转两圈的问题。为什么会有这样的疑问呢？从更细微的角度看，这相当于你只看到了地球的自转，忽略了地球的公转；粒子也一样，组成粒子的基本粒子不光有基本粒子的角动量，基本粒子围绕核自身做复杂的运动的时候也有一个轨道角动量。把这个考虑进来，你转两圈的问题就应该明了了。

⒊既然问出这个问题，相信你也对《时间简史》有过涉猎吧，这是一本大众化的科普书籍。电荷实际上就是电磁相互作用。宇宙中4大基本性质的力有强力（对应强相互作用）、弱力（弱相互作用）、电磁力（电磁相互作用）、引力（引力相互作用）。目前的大统一理论已经实现了对弱力、电磁力和引力的统一，其实，这对应的能量很高，大概是在10^(9～12)eV（GeV～TeV）量级。当今最先进的加速器能把粒子加速到TeV量级（如我国的正负电子对撞机），但是更高的没见报道。要实现4种力的完全统一，那就需要更高的能量，更先进的加速器（因为有光速的限制，所以一般是加速电子这样的轻粒子。）

所谓的弦理论，实际上可以参看夸克的性质，现在大学物理教材一般都会有介绍。至于那个平衡——其实，这个相当于一个金属球壳，球里有电荷，金属可以对电荷静电屏蔽。但是，这个壳又不是完全都是金属，在金属表面有的地方或许有残缺，使得里边的电场不能被完全的屏蔽，从而导致电磁力的溢出……组成强子的夸克就是这样，夸克之间有相互作用，但是由于强子这个“金属壳”的不完美，就导致了这些力的溢漏，然后体现在比如中子质子这一类的强子身上就是核力（强力，夸克色力的溢漏）、库仑力（电磁力，夸克电磁力的溢漏）。——这就是那个不平衡了……

另外，夸克色也是科学家给定的一个参数，用于区分不同种属的夸克，和自旋一样，同样不能像把自旋简单理解成自转一样，夸克的色也不能被简单说成是颜色，你只需要把它想象成，哦，就像电荷里的正电和负电一样，是个抽象的概念，正如如果我们开始把正电定义成负电，负电定义成正电一样，名字而已，它是实际存在的东西，即使不叫这个名字，它也一样存在。夸克很小，它的物质波波长短到已经不属于可见光范畴，虽然我们也说夸克有红色、绿色、蓝色，但是这里的红色、绿色、蓝色和我们通常见到红色、绿色、蓝色根本就不一样，因为我们根本就看不见这么短的电磁波。

粒子的外在形态我想是不能真正观测到的，不过感觉不是和不确定性有关。不确定性好像只是位置和速度不能同时确定这样表述的吧？没有涉及到形状。
电镜扫描图看来，原子啥的都是些小点，如果真有形状，我想的和你的一样，可能是圆形

（2）自旋既是一个推导出的东西，也是真实存在的粒子的一种性质，至于用“自旋”来表示，是因为这个性质有些像旋转，但粒子不是真的旋转起来。名字嘛，就是一个代号而已，不用在上面纠缠太多的。老外起名喜欢打比喻。
自旋量子数是描写电子自旋运动的量子数。是电子运动状态的第四个量子数。1921年，德国施特恩（Otto Stern，1888—1969）和格拉赫（Walter Gerlach，1889—1979）在实验中将碱金属原子束经过一不均匀磁场射到屏幕上时，发现射线束分裂成两束，并向不同方向偏转。这暗示人们，电子除了有轨道运动外，还有自旋运动，是自旋磁矩顺着或逆着磁场方向取向的结果。于是1925年荷兰物理学家乌仑贝克（George Uhlenbeck，1900—）和哥希密特（Goudsmit，1902—1978）提出电子有不依赖于轨道运动的、固有磁矩（即自旋磁矩）的假设。自旋量子数s≡1/2，它是表征自旋角动量的量子数，相应于轨道角动量量子数。自旋磁量子数ms才是描述自旋方向的量子数。ms= 1/2，表示电子顺着磁场方向取向，用↑表示，说成逆时针自旋；ms=-1/2表示逆着磁场方向取向，用↓表示，说成顺时针自旋。当两个电子处于相同自旋状态时叫做自旋平行，用符号↑↑或↓↓表示。当两个电子处于不同自旋状态时，叫做自旋反平行，用符号↑↓或↓↑表示。

（3）四种力的统一论是想说明四种基本力的同一起源，研究方向很多，爱因斯坦晚年也在研究这个问题，但直到他死去都没有太大进展。但现在最有研究前途的似乎是弦理论，还有一种理论叫圈量子理论，大概内容是把空间看成是离散的，是有密度的物质，由于空间密度不均匀产生了四种力，几年前的《大科技》上有这个理论的报道。
参见 http://baike.baidu.com/view/1011911.htm
http://bbs.tongji.net/thread-253667-1-13.html
但是现在的弦理论推导出的空间维度太多（前几年看时说推导到11维，不知道现在又有什么进展了），现实世界还不能用我们的仪器手段观测到，所以仍然停留在理论阶段
我的专业不是物理学，大学物理也是在大一时学到，上面这些都是凭记忆弄出来的，不对的大家指正

1.我认为电子、中子、质子，应该有形状。但是它们是什么形状，我就说不清了。想必是各种形状吧。但恐怕不会是线条状（即随便弯曲，都不会改变性质），皮球状（即里外都空着，只有“球皮”是实体）。
2.自旋的问题我拒绝回答。因为那是查书本才能得到标准答案的。我没接触到过这些高深问题，不了解自旋是怎么回事。无法回答。（若按想象，地表以内的粒子是不可能有自旋的。我是指结构紧凑的分子、化合物内部。）
3.我以为电荷就是带有正、副电性的粒子，它们不像磁粒子，每个最小粒子都同时带有两极。电荷是只表现出一种电性的粒子。
关于引力的问题，我不赞同说宇宙中是存在四种力。这是我老早以前的认识了。现在我连四种力是什么都不清楚，更不用说发表高论了。（完）

1 电子，中子，质子等粒子有“形状”这个概念吗？根据它们的空间尺度，物质波的性质应该表现得很明显了。因不确定性的存在，还能观测他们的外在形态吗？如果有形状，也应该是完美的“球”吧？

2 自旋。粒子的自旋是怎么观测到的？直接观测还是间接测量，还是理论的研究。既然“旋”，就应该有个旋转周期。那么这个周期是多少，什么时间级别的？（10的负几次秒）每种粒子的自旋周期一样吗？实在想不出自旋为1/2的粒子是怎么自旋的？怎么能转两圈才能和不转一样。这种现象只能用数学语言描述吗？

3 电荷的本质。电荷实质是什么？好象在弦理论中看到过。说是空间中弦的扭曲。。。还是什么性质的不平衡啊。然后就有了吸引与排斥。
还有引力本质。宇宙中的四种力怎么统一起来是什么意思？是研究到最微观的尺度，他们的根源是一种机制导致的吗？四种力怎么统一起来？

本人不是搞物理的，只是出于兴趣。问的问题尽量表达明白。没说清楚也请各位不要见笑。希望朋友们用自己的话回答，不要摘抄。谢谢大家。

哈哈 树袋熊 子龙 宇筠锋，我等到你们~

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墨玉县15084764349： 粒子(物理学概念) - 搜狗百科？
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