19世纪末20世纪初，人们对原子和原子核的研究获得重大突破，取得了丰硕的成果。这些成果主要表现在：（1）弄明白在原子世界中的主角是电子和原子核，它们通过交换光子产生电磁力，由此可解释一切电磁现象和光学现象；（2）确定了在原子核世界中的主角是质子和中子，它们通过介子产生核力，由此解释了原子核的现象。于是电子、质子、中子、光子、介子等成为构成千变万化的物质世界的基本单元，人们称之为“基本”粒子。从20世纪50年代起，随着实验和理论研究的发展，更多的粒子被发现。这样，原来人们认为是“基本”的粒子越来越多。因此不仅需要对这些粒子的一些特性如质量、自旋、宇称、寿命等进行研究，还需要对它们的内在联系和内部结构进行研究，这已大大超出了原来原子和原子核的研究范围，逐渐形成了新的前沿学科——粒子物理学。

1．粒子的发现概况

图16-14 正电子在磁场中的径迹

1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相对论性电子波动方程——狄拉克方程。奇怪的是，狄拉克方程给出了四个解，两个正解能描述已观察到的正能态的电子的两个自旋态，另外两个负能解与电子的负能态相应。按照相对论，可能存在正负两种能量值；而按量子论，会发生正能电子不断落入负能状态（跃迁）的灾难，电子就不稳定。为了给“负能困难”以物理解释，狄拉克根据泡利不相容原理，于1929年12月提出了“空穴理论”，狄拉克认为这种负能量的电子不是不存在，相反，在空间中充满了这种负能量的电子。由于它们均匀密布，形成一种负能电子为背景的“电子海”而不被探测仪器所发觉。如果设想在这电子海少掉了一个负能电子，于是就显示出一个空位而被仪器所觉察。正如潜在海洋深处的水手不能看到一颗水滴而能看到水中的一个气泡一样。如果继续考察在负能电子海中出现的一个空位，它会表现出什么性质呢？由于是少了一个负质量和负电荷的电子，显然在这电子海中的空位的表现正如是正质量和正电荷的一个粒子，而且是质量与正能电子相同、电荷和电子电荷等值异号的一个新粒子，这就是正电子。1931年9月，狄拉克正式提出电子负能态的“空穴”应当是一种质量与电子相同的未知新粒子——“反电子（正电子）”。1932年，安德逊（C. D. Anderson)和密立根利用云室研究宇宙射线问题时，在宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子，用符号表示。它与电子有相同的质量和等量异号的电荷。这是理论预言新事物的一个杰出的例子。图16-14 是一张记录了正电子的云室径迹的照片。后来发现，在射线通过物质时或在基本粒子衰变中都能产生正电子。如果在云室中放入多层铅板，当宇宙射线中的高能光子通过铅板时将转变为一个电子和一个正电子，接着电子与正电子又再放出光子，光子又再转变为电子、正电子，形成所谓簇射现象。

图16-15 电子偶的产生和湮没

今设想由于受到光激发（射线的照射），如图16-15所示，一个负能电子越过禁区跳往正能区，这样在正能区出现了一个电子，负能区就留下一个空位，而在空间实际上就出现了一个正电子和一个负电子——电子偶的产生。反之当正能区的电子跃入负能区的空位而放出能量时，在空间中就表现为电子偶的湮没而转变为两个光子。这些都为实验所证实。由于正电子能和电子一起湮没而变为光子，我们常把正电子称作电子的反粒子。

正粒子与反粒子有相同的质量、自旋和寿命，而其电荷等值异号，磁矩方向相反。理论和实验发现不仅电子有反粒子，所有的基本粒子也都应有反粒子。从1955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子和反超子。反超子的发现是在高能介子核反应中第一次观察到有反粒子产生、衰变和衰变产物湮灭等完整的物理图像，进一步证实了狄拉克的任何粒子都有反粒子的预言。从理论上说，还应该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、反星体等等。1961年人们发现反氘核。反粒子和反物质问题的研究为粒子物理的发展开辟了新的道路。

另外，反粒子的发现，使我们对“真空”有了不同于经典物理的认识。经典物理的真空是什么物质也没有。在现代物理学中，真空是能量最低态或基态，是各种激发态的出发点，是量度一切运动的起点或依据。对电子场来说，真空就是正能级中没有电子，而所有的负能级都被电子所充满的未被激发的基态。

在20世纪50年代又在宇宙线中发现了一些具有奇怪性质的粒子，它们就是K介子, 超子；超子和超子，还有后来发现的超子，统称奇异粒子。奇异粒子与其他粒子不同之处在于：

(1) 这些粒子的产生过程非常迅速，而衰变过程却是缓慢的弱相互作用。
    (2) 这些粒子总是成对地产生，似乎受到某种性质的约束。

因此人们通过对实验事实的分析，除给基本粒子标以质量、电荷、自旋和磁矩等性质外，又引入一个叫做“奇异数”的量子数，来反映基本粒子的奇异现象。凡是非奇异粒子，其奇异数为零，一些奇异粒子的奇异数则如表16-6所示。

2．粒子的分类

根据粒子的性质和参与相互作用的情况，可以有不同的分类方法。目前粒子物理主要按照参与的相互作用进行分类，分为轻子、强子（介子和重子）和媒介子(又称规范玻色子)。表16-7列出了粒子的分类和它的性质。
　　 (1)轻子  不参与强相互作用的粒子称为轻子。轻子的自旋量子数都是1/2，属费米子，它们参与弱相互作用，带电的还参与电磁相互作用。轻子有六种分为三代，即
             

第二代轻子的质量比第一代大200多倍，第三代轻子的质量比第二代大十几倍，比第一代大3000多倍。子和子除质量比电子大外，其他性质几乎完全相同，故两者俗称重电子和超重电子。中微子不带电，人们一直认为其静止质量为零，但最近测量的结果，看来中微子的质量是非常小的，至今尚未发现轻子具有内部结构。

(2) 强子  参与强相互作用的粒子称为强子。强子也参与弱相互作用。带电的或中性带磁矩的强子还参与电磁相互作用。根据粒子的自旋，强子又分为介子和重子两类。

介子的自旋量子数为整数(0,1,…)，所以介子是玻色子。重子的自旋量子数为半奇数(1/2, 3/2,…)，所以重子是费米子。

(3) 媒介子  场量子又称媒介子或规范玻色子，是传递相互作用的粒子。有以下四种：（a）光子是传递电磁相互作用的粒子；（b）中间玻色子是传递弱相互作用的粒子，有带电的（）和中性的（）三种；（c）胶子是理论预言的传递强相互作用的粒子，有8种。胶子的存在有间接的实验证据。（d）引力子是理论预言传递万有引力的媒介子，有待实验进一步证实。

在已发现的几百种粒子中，重子占绝大多数。其中质子和反质子是稳定粒子，其余强子在自由状态下都要衰变。中子在自由状态下是不稳定的，但在原子核内却能稳定地存在着。

3．粒子的相互作用和守恒定律

粒子常要发生衰变，在高能物理实验中还经常进行人工转变。当粒子间发生弹性碰撞时并不发生粒子本身的转变，而在非弹性碰撞时，就会导致原来粒子的“消失”和新粒子的产生。这些衰变、碰撞和转变（又称反应）的过程，基本上是通过粒子间的三种相互作用进行的，就是电磁的，强的（包括核力）和弱的相互作用。关于这些相互作用的机理，除了电磁作用和低能量下的核力外其余都还不清楚。

1967年温伯格(S. Weinberg)和萨拉姆(A. Salam)在格拉肖(S. Glashow )的一些设想基础上，相互独立地提出电-弱统一理论，认为弱相互作用是通过交换和三种中间玻色子来实现的，1983年上半年在日内瓦的质子-反质子对撞机上相继找到了。这是物理学的一项重大发现，它证明了电-弱统一理论的成功，是人类对自然界物质统一性质认识的重大进展。格拉肖等3人因而同获1979年诺贝尔物理学奖。实验上发现和的鲁比亚（C. Rubbia）等也荣获1984年诺贝尔物理学奖。现把四种相互作用列于表16-8作一比较。

除电磁相互作用比较清楚外，强、弱相互作用的机制还有待进一步的探究。但是这些相互作用的过程却遵守自然普遍规律的某些守恒定律，如能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷量守恒定律。下面仅以中子衰变为例来说明。

由于反中微子不带电，开始没有发现它的存在，曾以为自由中子可衰变为一个质子和一个电子，而由测量发现质子和电子的运动方向和自旋方向如图16-16。显然，只考虑质子和电子的话，那么在衰变前后的动量、角动量、能量将都是违反守恒定律的。当时(1932年）泡利为了解决这一困难，他提出自由中子衰变产物中还应该包含一个没有静质量、不带电的、自旋与电子相同的新粒子（如图中虚线所示〕，这样才能满足守恒定律。大约20年后终于从实验中探测到了反中微子的存在。

以上四个守恒定律(能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律和电荷量守恒定律)，在三种相互作用过程中都是严格成立的。除此以外，还有一些与粒子内部结构相联系的守恒定律，例如宇称守恒定律、同位旋守恒定律、奇异数守恒等等。但是这些守恒定律，并不是三种相互作用都遵从的，从这个意义上说，这些都只是一些近似守恒定律。

4．强子的夸克模型

研究粒子的课题，从根本上说有两个方面，一是粒子的本身结构，另一是粒子间的相互作用、运动和变化的规律，到目前为止，已发现并被确认的粒子已逾400余种，这些粒子是否还有内部结构？

实验证明，对于轻子迄今还未发现有任何结构，但对强子，情况却大不相同。1932年，施特恩测得质子的磁矩为，后来又测得中子的磁矩为，它们的数值都远离狄拉克理论的预言；不带电的中子也居然有磁矩，这使人猜想它们有内部结构。1956年，霍夫斯塔特(R. Hofstadter)用高速电子轰击质子时，发现质子的电荷有个分布，电荷半径约为0.7fm。后来又发现中子虽然呈中性，但内部却有正电及负电，电荷分布半径为0.8fm。另外还发现在核子内部存在好多个散射中心，还发现存在一些具有很大自旋角动量的粒子，等等。这一切都暗示粒子是有内部结构的。于是从20世纪50年代中期开始，许多科学家纷纷提出关于基本粒子内部结构的各种模型。1964年盖尔曼(M. Gell-Mann)等人提出强子由夸克(quark)组成的模型。几乎同时，我国物理学家也提出类似的层子模型（这是根据物质有无限可分的层次的思想来定名的）。夸克模型（或层子模型）认为，所有强子是由夸克组成，存在着三种夸克，称为上夸克、下夸克和奇异夸克，以符号、、表示，形象地称之为三种“味道”。相应地有三种反夸克，以、、表示。夸克具有分数电荷，下夸克和奇异夸克的电荷为基本电荷e的-1/3，上夸克的电荷为基本电荷e的2/3，自旋都是，属于费米子，参见表16-9。所有重子均由三个夸克组成，所有介子均由一个夸克和一个反夸克构成。例如质子p是由构成，中子n是由构成，介子是由构成，介子是由构成，介子是由或构成。表16-10列出了介子和重子构成的夸克谱。夸克是借非常强的相互作用束缚在一起的。

1974年丁肇中和里希特（B. Richter）独立地发现了一个新颖粒子，他们分别称它为J粒子和粒子，现在统称粒子，它的质量为3100，约为质子的3.3倍，自旋为1，寿命为，比通常的共振态粒子长约倍。从自旋来说应属于光子和介子类，从质量来说应属于超子，所以从性质上说，它应是一个“新”的粒子。这个粒子无法由原来的三种夸克组合而成，必须引入第四种夸克——粲夸克（c）（charm）。粒子是由1个粲夸克和一个反粲夸克组成，即。后来又在实验上发现了D介子，超子等粒子，为粲夸克的存在提供了进一步的证据。为此，丁肇中和里希特共同获得1976年诺贝尔物理学奖。1977年莱德曼(L. M. Lederman）等又发现了粒子，为了说明它的性质和结构，又引入了第5种夸克——底夸克（b），粒子是由构成。因为夸克都是费米子（自旋1/2)，它们结合成一个系统时应遵守泡利不相容原理，例如质子中有两个u夸克，这两个u夸克就不允许处于同一状态，又如中子中有两个d夸克，中有三个s夸克，也是不允许处于同一状态的。为了说明这个问题，从而提出每个夸克还应有一个新的量子数，形象地用“颜色”来表示，就规定每种夸克都有红、绿、蓝三色，用R、G、B来标记。例如就可用一个红s夸克、一个绿s夸克和一个蓝s夸克组成，虽然这三个s夸克的自旋取向和其他特性都相同，但因其色不同，所以不违背泡利不相容原理。所谓夸克的色只是借用来代表夸克的一种内禀性质，不同作者用不同的颜色来代表，有以红、蓝、黄，也有以红、蓝、白标记的。此外，由于已证实有三种轻子()和与之相应的三种中微子，这六种粒子分成三代
            

从强子与轻子的对称性来考虑，组成强子的夸克似乎还应增加第6种夸克，一般称为顶夸克，以t（top）来标记，这种夸克已于1995年为实验证实。六种夸克也分成三代
            

这六种夸克被物理学界风趣地称为是具有六种“味道”（flavor）的夸克，这样夸克就有6种“味”，每味有3种“色”，共有18种夸克，连同它们的反夸克，总数就有36种。轻子和夸克是否就是组成物质世界的基本的单元，尚待于进一步证实。

夸克通过非常强的相互作用结合成强子，有人设想这种相互作用是否也由一种粒子交换来实现，因而提出称为胶子（gluon）的粒子。1978年丁肇中领导的实验小组在德国汉堡电子同步加速器中心，观察到所谓“三喷注”(3-jet)现象，为胶子的存在提供了一个实验证据。

自1964年提出夸克模型以来，人们已用了各种办法企图寻找自由夸克，不过，至今尚无结果。然而，夸克模型的结果与一系列实验事实相符很好，使得人们相信夸克是存在的。那么夸克为什么老是不露面呢？理论家已提出了各种“夸克禁闭”理论，不过，我们至今不能说对它已有了基本的了解。“看不见的夸克”与“对称性破缺”可以算为当代物理学前沿的两大世界难题。但是，随着更高能量加速器的建成，在全世界物理学家的共同努力下，人类对基本粒子的认识必将有新的突破。