玻色子是依随
萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦统计,
自旋为整数的粒子。玻色子不遵守
泡利不相容原理,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色子包括:.
胶子强相互作用的媒介粒子,它们具有整数自旋(0,1,……),它们的能量状态只能取不连续的
量子态,但允许多个玻色子占有同一种状态,有8种;
光子-电磁相互作用的媒介粒子,这些
基本粒子在
宇宙中的“用途”是构成实物的粒子(
轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、
介子、胶子、w和z玻色子)。在这样的一个量子世界里,所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性:质量、能量、
磁矩和
自旋。如光子、粒子、氢原子等,
基本内容
简介
玻色子(英语:boson)是遵循
萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦统计,自旋
量子数为整数的粒子。玻色子不遵守
泡利不相容原理,多个全同玻色子可以同时处于同一个
量子态,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。和玻色子相对的是
费米子,费米子遵循费米-狄拉克统计,自旋量子数为
半整数(1/2,3/2,……)。物质的基本结构是费米子,而物质之间的
基本相互作用却由玻色子来传递。
分类
W 及Z 玻色子- 弱相互作用的媒介粒子,自旋为1,有3种
引力子- 引力相互作用的媒介粒子,自旋为2,只有1种,尚未被发现
希格斯玻色子- 据香港《文汇报》14日报道,欧洲核子研究中心(CERN)日前公布了来自大型
强子对撞器(LHC)的重要数据,显示“可能看到”有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子(Higgs boson)。该理论可解释粒子为何拥有质量,从而演化为万事万物。人类距离了解
宇宙诞生之谜或许将要迈进一大步。
由偶数个核子组成的
原子核。因为
质子和
中子都是费米子,故含偶数个核子的原子核是
自旋为整数的玻色子。
按照结构,可以分成
基本粒子和
复合粒子。基本玻色子有传递
基本相互作用的
胶子、
光子、Z、
引力子以及给其他基本粒子提供质量的希格斯粒子。复合玻色子由偶数个费米子组成,常见的有介子、核、氦-4等。按照自旋和
宇称量子数,可以分成
标量、赝标量、
矢量和轴矢量粒子等。胶子-
强相互作用的媒介粒子,质量为零,电中性,自旋量子数为1,有8种。
Z 玻色子-弱相互作用的媒介粒子,
自旋量子数为1。W玻色子有两个,分别带正、负一个
电子电量,质量约为80.4GeV。Z玻色子有一个,不带电,质量约为91.2GeV。
引力子-
量子引力理论中传递引力相互作用的媒介粒子,质量为零,电中性,自旋量子数为2,只有1种,尚未被发现。
希格斯玻色子(Higgs boson)- 又称为“上帝粒子”,在GSW电弱统一理论中引起规范
自发对称破缺并给其他
基本粒子提供质量的自旋
量子数为0的基本粒子,质量约为125GeV。2012年7月被
欧洲核子中心(CERN)的
大型强子对撞机(LHC)实验发现。
介子 由一个正
夸克和一个反夸克组成的
强子,常见的有π、ρ、K等。
氘核、氦-4等由偶数个核子组成的
原子核。因为
质子和
中子都是
费米子,故含偶数个核子的原子核是
自旋为整数的玻色子。
声子请参阅
固体物理学命名
玻色子(bosons):
保罗·狄拉克为了纪念
印度物理学者
萨特延德拉·玻色的贡献,因此给出玻色子的命名。
萨特延德拉·玻色子,在相互作用中不守恒的
基本粒子,其行为遵守1920年由萨蒂恩德拉-玻色(Satyendra bose,1894——1974)和阿尔伯特爱因斯坦发展的“玻色——爱因斯坦统计法”的统计规则。典范的玻色子是
光子,即光的粒子,每次点亮一盏灯,就产生大量的光子。
1924年,印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)将
电磁辐射作为光子气体来描述,考虑到
全同粒子的不可分辨性和几率解释,建立了基于
量子力学的光子气体的统计规律,得到了
马克斯·普朗克的
黑体辐射公式。
萨特延德拉·玻色的论文在投稿时被拒绝,后来求助于爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色这个工作的重要性,他将文章翻译成
德语后发表在
德国的Zeitschrift für Physik杂志上。随后
阿尔伯特·爱因斯坦也在此领域做了研究工作,发展和推广了玻色的工作,因此人们把这个统计方法叫做
萨特延德拉·玻色爱因斯坦统计。
1945年,著名物理学家
保罗·狄拉克(Paul Dirac)为了纪念玻色在量子统计中的开创性贡献,将遵循玻色-爱因斯坦统计规律的粒子命名为玻色子。
利用
萨特延德拉·玻色——爱因斯坦统计法,将
电磁辐射作为
光子“气体”来描述,无需再利用辐射的
波动性,就能够
预言黑体辐射的所有性质。这是量子世界波粒二象性之一例。
波粒二象性认为,光子或
电子等实体既能用波也能用粒子来描述。玻色子是量子理论中负责传递力的粒子。比如,电磁力可以描述为两个
带电粒子:如一个电子和一个
质子之间交换光子,好像两个足球运动员之间的传球。
按照量子物理学的说法,玻色子的关键特性是它的
自旋。所有玻色子的自旋要么是零要么是整数1、2、3等等。这有点像小孩子的
陀螺的旋转,但又不完全像陀螺的旋转,因为一个像电子这种带
半整数自旋的粒子必须“旋转”两次才能回到它起始状态。
玻色子(boson) 是依随
萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦统计,自旋为整数的粒子。不遵守
泡利不相容原理,在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。符合
萨特延德拉·玻色爱因斯坦统计:由全同玻色子组成的
孤立系统,处于
热平衡时,分布在
能级εi的
粒子数为,Ni=gi/(e^(α+βεi)-1)。α为拉格朗日乘子;β=1/(kT),由体系温度,粒子密度和粒子质量决定。εi为能级i的能量,gi为能级的简并度。
遵从玻色-爱因斯坦统计的微观粒子。玻色子的
自旋为0或整数,例如
光子、π
介子等。由玻色子或偶数个
费米子组成的
复合粒子的自旋也是0或整数,因而它们也是玻色子。
欧洲核子研究中心(CERN)昨日(2011年12月13日)公布来自大型
强子对撞器(LHC)的重要数据。该理论解释粒子为何拥有质量,从而演化为我们身边的万事万物,如果这一粒子被确认,那将是100年来人类最伟大的发现之一。
规范
量子场论表明,粒子之间的
基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的,即基本相互作用都是由媒介粒子传递的,这类媒介粒子统称为规范玻色子。传递
引力相互作用的媒介子是
引力子g,是
引力场量子,它是
自旋为2的零质量粒子。2012年7月2日,
美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布,该实验室最新数据接近证明被称为"The God Particle"的
希格斯玻色子的存在。
类型
胶子-
强相互作用的媒介粒子,自旋为1,有8种,胶子是传递
夸克之间色相互作用的媒介粒子,是“色场”的量子。两个不同色状态的夸克通过胶子紧密地结合在一起,所以胶子必定是双色的。
光子 电磁相互作用的媒介粒子,自旋为1,只有1种。g和中间玻色子(w+、w-及z0)分别是电磁相互作用和弱相互作用的媒介子,在电弱统一理论中,这四种粒子都是电弱作用的场量子,它们都是零质量的粒子。但是由于对称性的破缺,只有一种媒介子(g光子)保持了零质量,而其他三种获得了巨大的质量。致使
对称性破缺的机制,称为希格斯(higgs)机制。所以理论上确信,必定还存在一种被称为希格斯粒子的粒子。这些
基本粒子在
宇宙中的“用途”可以这样表述:构成实物的粒子(
轻子和重子)和传递作用力的粒子(
光子、
介子、
胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里,所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性:质量、能量、
磁矩和
自旋。
粒子自旋
这四种属性当中,自旋的属性是最重要的,它把不同种粒子王国分成截然不同的两类,就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像
地球自转那样是连续的,而是一跳一跳地旋转着的。根据自旋
倍数的不同,科学家把
基本粒子分为玻色子和
费米子两大类。费米子是像
电子一样的粒子,有
半整数自旋(如1/2,3/2,5/2等);而玻色子是像
光子一样的粒子,有整数自旋(如0,1,2等)。
这种
自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的
量子态:它们没有相同的特性,也不能在同一时间处于同一地点;而玻色子却能够具有相同的特性。
基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,是构成物质的原材料(如
轻子中的电子、组成
质子和
中子的
夸克、中微子);而传递作用力的粒子(光子、
介子、
胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。
希格斯
人们早已发现,自然界中物体之间千差万别的相互作用,可以简单划分为4种力:即
引力、电磁力、维持
原子核的强作用力和产生放射
衰变的弱作用力。在
阿尔伯特·爱因斯坦的
相对论解决了重力问题后,人们开始尝试建立一个统一的模型,以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。
经过长期研究和探索,科学家们建立起被称为“标准模型”的
粒子物理学理论,它把
基本粒子(构成物质的亚原子结构)分成3大类:
夸克、
轻子与玻色子。“标准模型”的出现,使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是这一“家园”有个致命缺陷,那就是该模型无法解释物质质量的来源。为了修补缺陷,希格斯提出了
希格斯场的存在,并进而
预言了
希格斯玻色子的存在。他假设希格斯玻色子是物质的质量之源,是
电子和夸克等形成质量的基础。其它粒子在希格斯玻色子构成的海洋中游弋,受其作用而产生
惯性,最终才有了质量。标准模型预言了62种粒子的存在,并基本上都已被实验多证实,希格斯玻色子是最后一种未被发现的
基本粒子。由此可见,希格斯玻色子是大自然中本身就有的,并不是制造出来的。有了希格斯玻色子,统一理论就完全成立了,将有更多的世间万象因此而被认知,科学的世界也就毫无疑问的更加完美。有人因此将
希格斯玻色子比做
粒子物理学领域的“圣杯”。
中间矢量
传递弱相互作用的矢量粒子。早在 20世纪 40 年代曾提出弱作用通过中间玻色子W±传递的思想。60年代电弱统一理论提出除了带电的中间玻色子W±外,还可能存在中性的中间玻色子Z0。1973年实验上观测到中性弱流存在,是对电弱统一理论的重要支持。理论上
预言中间玻色子质量为80吉电子伏特(GeV)左右,寿命短于10-17秒。1983年先后观测到W±粒子和Z0粒子,W±粒子质量为80.8GeV,Z0粒子的质量为92.9GeV。根据后来实验测得的数据,得到W±粒子和Z0 粒子的质量m和
衰变宽度Γ 的实验值分别为mw= 80.3GeV,mz=91.163GeV;Γw=2.20GeV,Γz =2.537GeV。根据衰变宽度可算出它们的寿命为10-25秒量级。
费米子
概述
粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类:一类是
恩里科·费米子,得名于
意大利物理学家费米,另一类是
萨特延德拉·玻色子,得名于
印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是
自旋。自旋是粒子的一种与其
角动量(粗略地讲,就是半径与动量的乘积)相联系的固有性质。
量子力学所揭示的一个重要之点是,自旋是量子化的,这就是说,它只能取
普朗克常数的整数倍(玻色子,如
光子、
介子等)或半整数倍(费米子,如
电子、
质子等)。
费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。前者遵循的费米-狄拉克统计,其中一个显着和特点,就是1925年
瑞士科学家
沃尔夫冈·泡利发现的“
泡利不相容原理”,即在一个费米子系统中,绝不可能存在两个或两个以上在电荷、
动量和
自旋朝向等方面完全相同的费米子。这就像电影院里的座位,每座只能容纳一个人。而玻色子则完全不同,一个
量子态可以容纳无穷多个玻色子。因此,也只有玻色子才可能出现
萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚现象。
例如,锂的两种
同位素锂6和锂7分别为
费米子和玻色子。图片分别显示在810、510和240nk时锂6和锂7原子气和原子云照片。我们可以看到,锂7(左)随着温度的降低所占的尺寸变小,也就是发生了凝聚,而锂6(右)的尺寸则保持稳定,不发生凝聚。这是因为
泡利不相容原理的限制,使两个费米子不可能在同一时间占据同一个空间。正因如此,
伴星最终只能在
引力作用下塌到一个极限尺寸而不再进一步缩小。
编辑参阅
费米子
规范玻色子