引言

在人類對世界的不斷探索中，人們對世界的認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動的電子構成,而原子核又是一個由質(zhì)子和中子組成的具有復雜結構的整體，一步步抽絲剝繭，科學家又發(fā)現(xiàn)中子、質(zhì)子等重子仍然有著內(nèi)部結構，它們由各種不同的夸克組成。這就構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與構成？

基本粒子是什么

基本粒子是指人們認知的構成物質(zhì)的最小或/及最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎。也就是說在不改變物質(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，且并不會因為小而斷定它不是某種物質(zhì)。

早在古希臘和春秋戰(zhàn)國時期，就已經(jīng)有人提出過原子的概念，惠子曾說：“至小無內(nèi)，謂之小一”，意思是最小的物質(zhì)是不可分的。這個最小的單元，德謨克利特則稱之為“原子”，提出了原子唯物論，認為世界萬物由原子構成。但是在之后的2000多年里，都沒有人都深入探討過原子或“最小的單元”具體是什么，所以“原子”這個概念最初屬于哲學范疇。

德謨克利特的原子

1789年，法國科學家拉瓦錫定義了原子一詞，從此，原子就用來表示化學變化中的最小的單位。最初科學家都認為原子已經(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和磁場作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負電，并測出其荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子以及它的亞原子特性，粉碎了一直以來認為原子不可再分的設想。

后來湯姆遜還提出了著名的葡萄干蛋糕模型來描繪原子的內(nèi)部結構：

原子是一個小小的球體，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動從而發(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。由于電子所帶負電荷的總和與電液體所帶正電荷總和相等，但符號相反，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，就象葡萄干點綴在一塊蛋糕里一樣。

當然這是湯姆遜本人的主觀臆測，1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽離子，它實際上就是氫的原子核。盧瑟福推測，它就是人們從前所發(fā)現(xiàn)的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質(zhì)量也為一個單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。1932年，查德威克在用α粒子轟擊核的實驗中發(fā)現(xiàn)了中子。隨即人們認識到原子核是由質(zhì)子和中子構成的，從而得到了一個所有的物質(zhì)都是由基本的結構單元——質(zhì)子、中子和電子構成的統(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)，人們認為這些粒子就是構成物質(zhì)的最小單元，稱它們?yōu)椤盎玖Ｗ印保ㄒ鉃椴豢煞指睿?/p>

粒子都具有雙重屬性，也就是我們所說的波粒二象性，在長期的探索過程中，科學家通過質(zhì)量、大小、壽命、對稱性、自旋、守恒等屬性來對粒子進行歸類。

什么是對稱性呢？20世紀20年代,狄拉克提出了著名的狄拉克理論，并預言:宇宙中每一個基本費米粒子必然有其相對應的反粒子，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)來正電子（也就是電子的反粒子），他在云霧室中充入過飽和的乙醚氣，當物質(zhì)放射出正電子時，正電子穿過云霧室，在正電子運行軌道中出現(xiàn)液滴線，通過外加磁場測量正電子的偏轉(zhuǎn)方向及半徑就可以知道它的帶電符號，及荷質(zhì)比（帶電量與質(zhì)量的比值），從而證實了狄拉克的預言。

反粒子與所對應的粒子在質(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相反。磁矩和自旋的取向關系也相反。反粒子與所對應的粒子相遇就發(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驗結果，提出電子具有內(nèi)稟運動——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)稟角動量（物體到原點的位移和動量相關的物理量）引起的，粒子自旋是其內(nèi)在性質(zhì)，為粒子與生俱來帶有的一種角動量，并且其量值是量子化的，無法被改變（但自旋角動量的指向可以透過操作來改變）。

什么又是守恒？物質(zhì)是不斷運動和變化的，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、動量守恒、角動量守恒，以及微觀現(xiàn)象中不連續(xù)的宇稱守恒、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

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

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

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)，及它們對應的 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、藍上夸克、綠上夸克，所以細分的話夸克是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，及對應的 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。

強相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子

它們的功能就是負責傳遞基本相互作用，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。相互作用越強質(zhì)量就越大。

圖上反粒子沒有標出

而復合玻色子由偶數(shù)個費米子組成，常見的有介子、氘核、氦-4等。

PS：

1、強子不屬于基本粒子，強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，重子由三個夸克或三個反夸克組成，它們的自旋總是半數(shù)的。

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

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

基本粒子的研究進展與意義

目前，引力子目前在物理學中是一個傳遞引力的假想粒子。實驗中也一直沒有發(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)，一種猜測是帶有顏色的夸克和膠子就像被囚禁在整體無色的“牢籠”里面，這種現(xiàn)象稱為“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題。

對基本粒子的研究促進了許多學科的誕生，比如量子色動力學，1973年，美國科學家格羅斯、波利茨、威爾茨克通過一個完善的數(shù)學模型說明：夸克之間越接近，強作用力越弱。當夸克之間非常接近時，強作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動。這種現(xiàn)象稱為“漸近自由”。反之，夸克之間距離越大，強作用力就越強。“漸近自由”的發(fā)現(xiàn)導致了全新的理論——量子色動力學（QCD）的誕生。

許多科學家認為更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）時很可能這四種相互作用全都是統(tǒng)一的，這種理論稱為“大統(tǒng)一理論”。目前，科學家在格拉肖提出的弱電統(tǒng)一理論上構建了標準模型，用來描述強力、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，科學家把費米子跟玻色子配對起來，以描述費米子之間的力。

標準模型被認為最有可能實現(xiàn)物理的大一統(tǒng)，而隨著但在夸克理論提出后，人們認識到基本粒子也有復雜的結構，目前基本粒子也成為了歷史名詞，人們用“粒子”取代了它。

隨著科學家對粒子研究的深入，人類將慢慢揭開宇宙的神秘面紗，了解宇宙的終極奧秘。