物理/賴郁欣

守恆率

在基本粒子的世界中，基本粒子可以無中生有，也可以相互淹滅，但過程必須遵守各種守恆率。

質能守恆

能量可以從虛無中化生成一對正反粒子，正反粒子也可以相互淹滅轉為能量。但其過程須遵守質能守恆定率。質能間的轉換比即為 E=mc² 。

反粒子

所有夸克與帶荷輕子的反粒子，與正粒子帶等量相反電荷。

微中子的電荷為 0 ，自旋為1/2，目前為止，所有微中子都是左旋，反微中子都是右旋。正反微中子只通過重力和弱核力與其它物質感應，微中子震蕩實驗得出反微中子有質量的結論，而β衰變實驗指出這個質量是非常小的。

滿足馬約拉納方程式的粒子稱作「馬約拉納粒子」，這代表粒子同時是自己的反粒子。所有標準模型中的粒子都未被描述存在這種性質。然而目前並未排除微中子是一種馬約拉納粒子的可能性。如果微中子滿足馬約拉納方程式，我們便有機會觀察到不放出微中子的雙重β衰變。目前有許多實驗試圖去驗證微中子是否為馬約拉納粒子[1]。

電荷(Q)守恆

任何過程電荷總量不變。

弱同位旋(I或I₃)守恆

任何過程弱同位旋總量不變。

重子數(B)輕子數(L)守恆

一般的過程，重子數(B)守恆。

輕子數有三種：電數、渺數、濤數，三種輕子數各自都要守恆。

有些理論中，如果子（B-L）守恆的話，重子數及輕子數的守恆能被個別破壞。

色中性維持

只有夸克有色荷，輕子沒有色荷。一個夸克一次只能帶一種色荷，所以單獨的夸克無法被觀測到。兩個夸克，一個帶某色，另一個帶其反色，因為能維持色中性，所以可以被觀測到。三個夸克，可以帶紅、藍、綠三種色荷維持色中性，或帶反紅、反藍、反綠三種色荷維持色中性，所以可以被觀測到。

材料性基本粒子(物質基本粒子)

一般將材料性基本粒子歸類為費米子，但費米子的自旋為1/2的奇數倍，但超對稱夸克和超對稱輕子的自旋為為0，所以歸類為費米子會有問題，還是稱為「物質基本粒子」較為週延。

費米子 自旋s=1/2	重子數(B)	弱同位旋(T)	I世代		II世代		III世代		電荷(Q)
	夸克 B=1/3	1⁄2	同位旋I=1⁄2	上(u)	魅數C=1	魅(粲)(c)	頂數T=1	頂(t)	2/3
		−1⁄2	同位旋I=−1⁄2	下(d)	奇異數S=−1	奇(異)(s)	底數B'=−1	底(b)	-1/3
	輕子 B=0	1⁄2	電數1	電子微中子(νe)	渺數1	渺微中子(νμ)	濤數1	濤微中子(ντ)	0
		−1⁄2		電子(e)		渺子(μ)		濤子(τ)	-1

• 上表諸粒子均有靜質量，參與重力作用。
• 上表諸粒子均有弱同位旋全部參與弱作用，有電荷的(夸克及帶荷輕子)參與電磁作用，有同位旋及色荷的(夸克)參與強作用。
• 夸克的重子數為1/3，輕子的重子數為0。
• 夸克和輕子中，弱同位旋為1/2為上族，-1/2為下族。
• 夸克中，依同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數分成六種夸克。
• 輕子的輕子數均為1，輕子數再細分為電數、渺數、濤數。三類輕子數配合兩種弱同位旋構成六種輕子。
• 色荷是強作用力的來源，夸克有色荷，輕子沒有色荷。
• 第II、III代的粒子會很快衰變成第I代粒子，所以自然界普遍存在的只有上下夸克組成的質子、中子；以及輕子中的電子和電子微中子。

傳遞力之基本粒子(載力基本粒子)

粒子				自旋	電荷	質量	作用力
玻色子 整數自旋	規範傳播子	光子(γ)		1	0	0	電磁力
		弱玻色子	W±	1	±1	15.7萬	弱力
			Z	1	0	17.8萬	弱力
		膠子(g)		1	0	0	強力
		引力子(G)		2	0	0	重力
	希格斯粒子(H)			0	0	待測	電弱

基本作用力：力(荷、場、傳播子)

• 電磁相互作用(電荷、電磁場、光子)，電荷是基本粒子與光子的電磁耦合係數。
• 弱相互作用(弱同位旋、弱向量場、弱玻色子)，弱同位旋是基本粒子與弱玻色子的弱耦合係數。
• 強相互作用(色荷、膠子場、膠子)。
• 萬有引力(質量、引力場、引力子)。
• 希格斯機制，靜質量由基本粒子和希格斯粒子間的作用耦合係數衍生。

剩餘的強作用力

質子或中子中的夸克與另一質子或中子中的夸克產生強作用力，克服質子間的排斥力，使原子核不致飛散。

剩餘的電磁作用力

原子中的質子與另一原子中的電子產生的吸力，克服原子間的斥力，使原子可以結合成分子。

強作用力

夸克和膠子帶有色荷，是強作用力的力源。

色荷和可見顏色沒有什麼關係，它只是物理學家所發展出的數學系統，為解釋所觀察到在強子中的夸克方便而命名的。

一共有三種色荷和三種相應的反色彩(互補色)電荷，每個夸克有三種色荷的其中一個，而每個反夸克有三種反色荷中的一個。就像混合紅光、綠光和藍光產生白光，在重子中，結合紅、綠、藍色荷成為色中性，在反重子中，反紅、反綠、反藍也是色中性。μ介子是色中性的，因為它們帶有如紅和反紅的結合。

膠子帶有一個色荷和一個反色荷，因為它們總是改變色彩成反色彩，由於共有九種可能的色彩 -反色彩組合，所以我們期望會九種不同的膠子，但數學計算出來的只有八種組合。不幸地，對於這個結果並沒有直觀的解釋。

當夸克有色荷時，由夸克組成的合成粒子沒有淨色荷(它們是色中性)。

色荷守恒

夸克放射或分離出膠子時，夸克的顏色必定改變以維持色荷守恒。舉個例來說，假設一個紅夸克變成了藍夸克，且放射出一個紅/反藍膠子(下面的圖說明了反藍色就是黃色)，淨色彩仍然是紅色。

圖說

色中性維持

夸克經常放出或分離出膠子，所以並沒有辦法觀察到單獨夸克的顏色，然而在強子中兩個交換膠子的夸克的顏色會改變，以維持周遭系統處在色中性狀態下。

夸克–膠子電漿

量子色動力學的計算結果顯示，在溫度達到核子彈爆炸核心溫度的5000倍時，夸克與膠子不再被禁錮在強子中，而是以「夸克–膠子電漿」（Quark Gluon Plasma）的方式存在，可以自由的運動與交互作用。

我們所生活的宇宙溫度很低，所以夸克與膠子都凝結成為強子，要產生宇宙剛爆炸時的能量密度，科學家所使用的方法是讓重離子（Heavy Ion）對撞——把重離子（重元素的原子核，如鉛原子核、金原子核）加速到接近光速的狀態，這時候重離子因為羅倫茲收縮（Lorentz Contraction）的緣故，變成像兩個「煎餅」一樣，這兩個「煎餅」對撞之後，會將大量的動量釋放在一個極小的空間裡面，產生一個超高能量密度的環境，進而重現宇宙大爆炸的狀態。

夸克–膠子電漿產生之後，由於極高的能量密度與壓力，其體積快速的擴張，很快的冷卻碎成許多的強子。這個過程發生的飛快，大概只有10^-23~10^-24秒的時間。因此要研究夸克–膠子電漿的性質十分不容易。事實上，在實驗中我們只能藉由這些由夸克–膠子電漿冷卻凝結成的強子，以及其他不同的粒子，來了解這種新物質的特性。

為了測量由夸克–膠子電漿冷卻後所產生的各種粒子，我們使用粒子偵測器來測量這些粒子的角度分布、動量以及能量。以緊湊渺子線圈(Compact Muon Solenoid，簡稱CMS偵測器)為例，偵測器主要是由超導磁鐵(Superconducting Magnet)、矽晶軌跡追跡系統(Silicon Tracker)、量能器(Calorimeter)以及渺子偵測器(Muon detector)所組成的。

詳見「重離子對撞」

同位旋

同位旋(Isospin)是為了解釋上夸克與下夸克之間的對稱性而發展出來的量子數。在強作用下，同位旋守恆，但弱作用和電磁作用下，同位旋不守恆。

電磁作用力

帶電粒子具有能夠放射(或吸收)光子的潛能。「電磁耦合係數」，代表這種發光能力的高低。電子和光子的耦合係數為電子電荷，夸克和光子的耦合係數為夸克電荷，微中子和光子的耦合係數為0，表示微中子和光子不發生交互作用。但對質子和中子等複合粒力，它們與光子的作用比較複雜，不能用單一耦合係數來描述。

粒子能不能發出光子，除子看電荷外，還要看粒子的能量與動量以及光子的能量與動量，一切都滿足能量與動量的守恆律，粒子才能發射(或吸收光子)。

如果一個粒子發射了光子，此光子被另一個粒子所吸收，此光子稱為虛光子，兩粒子便產生相斥的庫侖力。

弱作用力

檔案:Weak decay diagram zh-hant.svg

圖為標準模型中六種夸克的電荷與質量分佈，以及各種衰變路線，線的虛實代表該衰變發生的可能。

原子核衰變射出α粒子，是起因於量子穿隧效應。中子β衰變為質子，氫核融合，則是起因於弱作用。

弱作用力是由W及Z玻色子的交換(即發射及吸收)所引起的，能作用於所有的費米子。四種作用力中，弱作用具有以下幾種唯一性：

1. 唯一能引起夸克味變的作用，使夸克由一種夸克轉變為另一種夸克。
2. 唯一破壞宇稱對稱及CP對稱的作用。
3. 唯一由具質量的規範玻色子所介導的作用。這一不尋常的特點可由標準模型的希格斯機制得出。

在標準模型中，弱作用會影響所有費米子，及希格斯玻色子；弱作用是除重力作用外唯一一種對微中子有效的交互作用。弱作用不產生束縛態(也不需要束縛能)，其他三種力都有束縛能和束縛態；重力在天文距離下束縛天體，電磁力在原子距離下束縛分子，而強力則在原子核中束縛中子和質子。

在弱作用以外，夸克的所有味都守恆，即同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數都會守恆。但弱作用可以打破這個守恆，使夸克產生味變。

弱作用中，弱同位旋的作用跟電磁中的電荷一樣，也跟強交互作用中的色荷一樣。就像電荷一樣，弱同位旋的兩種不同值，大小一樣，正負相反。夸克在弱衰變後，弱同位旋永遠跟衰變前不一樣。

弱同位旋是守恆的：反應產物的弱同位旋總和，等於反應物的弱同位旋總和。

對稱破缺

檔案:Right left helicity zh.svg

左手及右手粒子：p為粒子的動量，而S則為其自旋。注意兩個態中並沒有反射對稱。

長久以來，人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變，鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗，跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗，兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆，古典重力、電磁及強交互作用都遵守這條定律。但弱作用的宇稱不守恆。

弱作用也破壞CP守恆。CP由兩部份組成，宇稱P(左右互換)及電荷共軛C(把粒子換成反粒子)。

名詞解釋

摘自名詞解釋

普朗克常數（ｈ）　在海森伯測不准關係式中出現的一個基本物理常數，它的值為ｈ＝6．626×10^-34焦‧秒。

守恆律　在粒子之間發生相互作用時，某些量(如質能、電荷、輕子數、重子數、色荷等等)的總數量保持不變。色中性維持，應該也算是守恆律的一種。

量子數　基本粒子所具有的性質，如重子數和輕子數等等。在粒子間發生反應時，量子數一般應該守恆。

反粒子　每一種粒子都有它的反粒子，反粒子的質量和自旋與粒子相同，而某些其他性質，諸如電荷、重子數、奇異性、輕子數等等，則具有與粒子相反的值。

質量　粒子的一種內稟性質，它決定著粒子對加速力的反應。也稱為慣性質量。

重子數（Ｂ）　一種用來標識基本粒子的量子數，例如，夸克的Ｂ＝＋１／３，而反夸克的Ｂ＝－１／３。

輕子數　與輕子有關的守恆的量子數。對應於三種輕子，有三個輕子數：第一代輕子數(電數)、第二代輕子數(渺數)、第三代輕子數(濤數)。

荷　粒子帶有若干種不同的（載）荷（電荷、色荷、弱同位旋等），它們決定了粒子以什麼樣的方式與其他粒子相互作用。

場　一種物理量，它的值在空間逐點發生變化(在時間中可能也是這樣)。兩個粒子是由於在它們各自的位置上感受到對方所產生的場，才發生相互作用的，場的種類有電磁場、弱場和強(色)場等。

電荷　粒子的一種屬性，這種屬性產生粒子之間的電交互作用力。電荷分正電荷和負電荷兩種，同電相斥，異電相吸。 例如，質子帶有一個單位的正電荷，電子帶有一個單位的負電荷，因而兩者互相吸引。

味　一種用於區別不同種夸克的量。夸克有上夸克、下夸克、魅(粲)夸克、奇(異)夸克、頂夸克、底夸克六種味。

底數（ｂ）　一種用來說明有多少夸克帶有底味的量子數。

粲數（ｃ）　一種用來說明有多少夸克帶有粲味的量子數。

色荷　夸克與膠子之間的色力源。色荷分為三種，通常用紅、綠、藍三色表示。

膠子　能夠發射強色力的粒子。膠子有８種可能的色態。

強子　所有感受到強核力的粒子(如質子、中子和π介子)的統稱。

重子　由三個夸克組成的強子。

介子　由一個夸克和一個反夸克組成的粒子。

π介子　最輕的介子。帶電的π介子會衰變成一個μ子和中微子，而電中性的π介子則衰變成兩個光子。

輕子　所有受到弱力(而不是強核力)作用的粒子的統稱。不帶色荷，包括電子、μ子、τ子以及與這些粒子相關的微中子。

μ子　一種第二代的輕子。

τ子　一種第三代的輕子。

微中子　一種電中性的粒子，它的質量非常小。微中子有三種，分別與三種不同的輕子相對應。

參考資料

粒子冒險奇境(多頁連續講解) 起 終 總圖解

粒子列表

基本粒子

詳細的講義

銅板上的一氧化碳，只能看見氧原子(放大一億倍)

守恆律

1. 在基本粒子的世界中，基本粒子可以無中生有，也可以相互淹滅，但過程必須遵守各種守恆律。
2. 質能守恆：能量可以從虛無中化生成一對正反粒子，正反粒子也可以相互淹滅轉為能量。但其過程須遵守質能守恆定律。質能間的轉換比即為 E=mc² 。
3. 電荷(Q)守恆：任何過程電荷總量不變。

物質基本粒子

十二種基本粒子簡單圖示

• 上表諸粒子均有靜質量，參與重力作用。

質子與中子的組成

載力基本粒子

吸力圖示

斥力圖示

粒子				自旋	電荷	質量	作用力
玻色子 整數自旋	規範傳播子	光子(γ)		1	0	0	電磁力
		弱玻色子	W±	1	±1	15.7萬	弱力
			Z	1	0	17.8萬	弱力
		膠子(g)		1	0	0	強力
		引力子(G)		2	0	0	重力
	希格斯粒子(H)			0	0	待測	電弱

基本作用力：力(荷、場、傳播子)

• 電磁力：電荷透過發射或吸收光子產生作用力。
• 弱作用力：夸克透過發射或吸收弱玻色子改變風味(種類)，因為比電磁力弱所以叫弱作用力。
• 強作用力：夸克透過發射或吸收膠子，而束縛在一起。
• 萬有引力：帶質量的粒子透過交換重力子相互產生引力。
• 希格斯機制，帶質量的基本粒子和希格斯粒子間的作用減慢速度。

剩餘的強作用力

質子或中子中的夸克與另一質子或中子中的夸克產生強作用力，克服質子間的排斥力，使原子核不致飛散。

剩餘的電磁作用力

原子中的質子與另一原子中的電子產生的吸力，克服原子間的斥力，使原子可以結合成分子。

質量與重力的區別

1. 質量：希格斯機制，空間中布滿希格斯粒子，明星來了「粉絲希格斯粒子」圍上去，使明星變得前進緩慢，形成「慣性」，這是質量的起源。如果非明星來了，將以光速通過布滿希格斯粒子的空間。
2. 重力：兩個有質量的粒子，可以對拋重力子，形成重力。

主程式

世界上最美的方程式

公制單位

• 國際度量衡局：1875年5月20日依據《米制公約》成立，在法國。
• 國際度量衡大會：為維護1875年訂定的米制公約制訂的國際單位制（SI制）所召開的各國會議。下一次是 2014 年。

進一步的資料可參考單位換算

主要基本單位

英文單字：

• 表示倍率的單字
  1. Kilo：千
  2. Centi：百分之一
  3. Milli：千分之一，毫。
  4. Micro：百萬分之一，微。
  5. nano：十億分之一，奈。
  6. pico：萬億分之一，皮。
• 長度、時間、質量
  1. meter：米、公尺。
  2. second：秒
  3. gram：克

四大基本單位

• 長度：
  1. 傳統：定地球圓週為四萬公里，一公里切成一千公尺。做成鉑銥公尺原器。公里:KM或km，公尺:M或m，公分:CM或cm，公厘:Mm或mm。
  2. 目前：1983年第17屆國際度量衡大會(CGPM)決議改採「光在真空中於299792458分之1秒所行進的距離」。
• 時間：
  1. 傳統：定地球自轉一週為一天，一天切成廿四小時，一小時切為六十分，一分切為六十秒。
  2. 目前：1967年第13屆國際度量衡大會決議改採「一秒等於銫133原子於基態之兩個超精細能階間躍遷時所放出輻射的週期之9,192,631,770倍之持續時間」。
• 質量：
  檔案:CGKilogram.jpg

  圖為國際千克原器。國際千克原器以鉑、銥合金製成，現存放於法國巴黎郊區的國際計量局。
  1. 傳統：一立方公分的純水在4℃時的質量定義為一公克（簡稱克），然後做成鉑銥公斤原器，由1901年第3屆國際度量衡大會決議採用至今。但發現其質量會發生變化。公斤:Kg，公克或克:g，毫克:mg，微克:µg，奈克:ng。
  2. 未來：希望以自然界常數為單位，但仍未做到。
• 顆粒數：莫耳(mole)，6.024×10²³顆。12克碳12所含的原子數。

能量單位

• 能量：焦耳(J)，質量一公斤，速度每秒一公尺所攜帶的動能為半焦耳。
• 1卡=4.18675焦耳，約為4.2焦耳。將一克的水升高一度，更詳細的講法是將l克的純水，由溫度14.5"C上升至15.5"C之所需之熱量。
• 能量諸形式：
  1. 動能：1/2*m*v²
  2. 熱能：許多分子的平均動能就是溫度，熱能=溫度增加*比熱*質量。
  3. 質能：mc²，C為光速。
  4. 電能：電壓(電位差)*電量=功率*時間
  5. 光能：光能=h(普朗克常數)*ν(頻率)，單位焦耳。普朗克常數h=6.626*10^-34
  6. 位能：來自粒子的吸引或排斥。
     • 重力位能：mgh
     • 鍵能：電子軌域位能
     • …

電的基本單位

• 電量：庫侖(C)，為6.24146×10¹⁸顆電子的帶電量。電子帶電量為1.6021892×10^-19庫侖，
• 電流：安培(A)，每秒通過一庫倫的流量。
• 電壓：伏特(V)，每庫侖作功多少焦耳。
• 電功率：瓦(W)，每秒作功多少焦耳。

導出單位

• 力：牛頓(N)，將一公斤質量的物體，每秒增加速度一米的力。

物質組成的層次102/12/5

1. 基本粒子：上夸克、下夸克、電子、微中子
2. 核子：質子100px、中子100px
3. 原子
4. 分子

造原子

原子核

檔案:Isotopes and half-life.svg

這個圖表展示了含有Z個質子和N 個中子的同位素的半衰期（T_½），单位是秒

原子序

原子核中，質子的數量。

原子核中，中子與質子的比例

當原子序逐漸增加時，因為質子之間的排斥力增強，需要更多的中子來使整個原子核變的穩定。因此，當原子序大於20時，就不能找到一個質子數與中子數相等而又穩定的原子核了。隨著原子序的增加，中子和質子的比例逐漸趨於1.5。

同位素

兩個有著相同質子數的原子屬於同一種元素，而有著相同質子數和不同中子數的則是同一種元素中不同的同位素。例如，所有的氫原子都只有一個質子，但氫原子的同位素有幾種，分別含有零個中子（氕ㄆㄧㄝ.），一個中子（氘ㄉㄠ.），兩個中子（氚ㄔㄨㄢ）以及更多的中子。原子序從1（氫）到118（Uuo）均為已知元素。

穩定的原子核

地球上自然存在約339種核素，其中255種是穩定的，約佔總數79%。80種元素含有一個或一個以上的穩定同位素。第43號元素、第61號元素及所有原子序大於等於83的元素沒有穩定的同位素。有十六種元素只含有一個穩定的同位素，而擁有同位素最多的元素，錫，則有十個同位素。

原子的電子軌域

「軌域」是原子中電子的活動範圍。

前四種電子軌域的名稱與數量：

1. s:1種形狀，球狀對稱
2. p:3種p軌域，形狀一樣但方向不同250px
3. d:5種d軌域的形狀250px
4. f:7種f軌域的形狀250px

填充電子軌域的規則

1. 每個軌域可以放入 0~2 個電子，但不能放入三個電子。
   • 包立不相容原理：不可有兩個粒子，狀態完全一樣。佔有相同軌域的兩個電子，雖然電性一樣，軌域一樣，但可以自旋方向相反，就不算完全相同。
2. 由能量低的軌域先填滿。
3. 電子互相排斥。

左排週期表

化學原素週期表

化學反應式

200px
100px	100px

電解水(吸電能)

2H₂O→2H₂+O₂

燃燒氫(放熱能)

2H₂+O₂→2H₂O

氫分子電子軌域