物理/賴郁欣

出自六年制學程
在2013年12月17日 (二) 21:34由賴郁欣（對話 | 貢獻）所做的修訂版本

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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) 100電磁力
弱玻色子 W± 1±115.7萬弱力
Z 1017.8萬弱力
膠子(g) 100強力
引力子(G) 200重力
希格斯粒子(H) 00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。

電子斥力費曼圖

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)。

β衰變費曼圖

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) 100電磁力
弱玻色子 W± 1±115.7萬弱力
Z 1017.8萬弱力
膠子(g) 100強力
引力子(G) 200重力
希格斯粒子(H) 00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（T½），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S軌域.jpg
  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。

原子填充電子軌域的順序.gif

原子填充電子軌域的順序(3D軌域圖示).jpg

左排週期表

化學原素週期表

化學反應式

200px
100px100px

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

化學鍵(造分子)102/12/10

參考資料：

分子內

離子鍵

一方失去電子，一方得到電子

250px

共價鍵

共用電子對

  1. 氫共價鍵
  2. 氧共價鍵：300px
  3. 水的共價鍵：影片 The Chemistry of Water ，字幕翻譯獎學金 200 元。

金屬鍵

300px


影片：Metallic bonding 字幕翻譯獎學金 350 元。

影片：Bonding in Metals 字幕翻譯獎學金 1000 元。

化學反應式

200px
100px100px

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

取自「http://jendo.org/wikiGrade1/index.php?title=物理/賴郁欣&oldid=5888」