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玻色子
自旋為整數(shù)的粒子
基本信息
| 中文名 | 玻色子 |
| 外文名 | Boson |
| 特點(diǎn) | 不遵守泡利不相容原理 |
| 屬性 | 質(zhì)量、電量和自旋 |
| 現(xiàn)象 | 低溫時(shí)發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚 |
| 應(yīng)用范圍 | |
| 例子 | 規(guī)范玻色子、希格斯粒子、氘核等 |
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基本內(nèi)容
簡(jiǎn)介
玻色子（英語(yǔ)：boson）是遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，多個(gè)全同玻色子可以同時(shí)處于同一個(gè)量子態(tài)，在低溫時(shí)可以發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。和玻色子相對(duì)的是費(fèi)米子，費(fèi)米子遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，自旋量子數(shù)為半整數(shù)（1/2，3/2，……）。物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是費(fèi)米子，而物質(zhì)之間的基本相互作用卻由玻色子來傳遞。
分類
膠子- 強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種
光子- 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種
W 及Z 玻色子- 弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有3種
引力子- 引力相互作用的媒介粒子，自旋為2，只有1種，尚未被發(fā)現(xiàn)
希格斯玻色子- 據(jù)香港《文匯報(bào)》14日?qǐng)?bào)道，歐洲核子研究中心(CERN）日前公布了來自大型強(qiáng)子對(duì)撞器（LHC）的重要數(shù)據(jù)，顯示“可能看到”有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子（Higgs boson）。該理論可解釋粒子為何擁有質(zhì)量，從而演化為萬(wàn)事萬(wàn)物。人類距離了解宇宙誕生之謎或許將要邁進(jìn)一大步。
由偶數(shù)個(gè)核子組成的原子核。因?yàn)?a class="dict" href="/azsoft/sn2748366.html">質(zhì)子和中子都是費(fèi)米子，故含偶數(shù)個(gè)核子的原子核是自旋為整數(shù)的玻色子。
按照結(jié)構(gòu)，可以分成基本粒子和復(fù)合粒子?；静Ｉ佑袀鬟f基本相互作用的膠子、光子、Z、引力子以及給其他基本粒子提供質(zhì)量的希格斯粒子。復(fù)合玻色子由偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成，常見的有介子、氘核、氦-4等。按照自旋和宇稱量子數(shù)，可以分成標(biāo)量、贗標(biāo)量、矢量和軸矢量粒子等。膠子-強(qiáng)相互作用的媒介粒子，質(zhì)量為零，電中性，自旋量子數(shù)為1，有8種。
Z 玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋量子數(shù)為1。W玻色子有兩個(gè)，分別帶正、負(fù)一個(gè)電子電量，質(zhì)量約為80.4GeV。Z玻色子有一個(gè)，不帶電，質(zhì)量約為91.2GeV。
引力子-量子引力理論中傳遞引力相互作用的媒介粒子，質(zhì)量為零，電中性，自旋量子數(shù)為2，只有1種，尚未被發(fā)現(xiàn)。
希格斯玻色子（Higgs boson）- 又稱為“上帝粒子”，在GSW電弱統(tǒng)一理論中引起規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺并給其他基本粒子提供質(zhì)量的自旋量子數(shù)為0的基本粒子，質(zhì)量約為125GeV。2012年7月被歐洲核子中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。介子- 由一個(gè)正夸克和一個(gè)反夸克組成的強(qiáng)子，常見的有π、ρ、K等。
氘核、氦-4等由偶數(shù)個(gè)核子組成的原子核。因?yàn)橘|(zhì)子和中子都是費(fèi)米子，故含偶數(shù)個(gè)核子的原子核是自旋為整數(shù)的玻色子。聲子-請(qǐng)參閱固體物理學(xué)
命名
玻色子
1924年，印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）將電磁輻射作為光子氣體來描述，考慮到全同粒子的不可分辨性和幾率解釋，建立了基于量子力學(xué)的光子氣體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，得到了普朗克的黑體輻射公式。玻色的論文在投稿時(shí)被拒絕，后來求助于愛因斯坦。愛因斯坦意識(shí)到玻色這個(gè)工作的重要性，他將文章翻譯成德文后發(fā)表在德國(guó)的Zeitschrift für Physik雜志上。隨后愛因斯坦也在此領(lǐng)域做了研究工作，發(fā)展和推廣了玻色的工作，因此人們把這個(gè)統(tǒng)計(jì)方法叫做玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。
1945年，著名物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）為了紀(jì)念玻色在量子統(tǒng)計(jì)中的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，將遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律的粒子命名為玻色子。
利用玻色——愛因斯坦統(tǒng)計(jì)法，將電磁輻射作為光子“氣體”來描述，無需再利用輻射的波動(dòng)性，就能夠預(yù)言黑體輻射的所有性質(zhì)。這是量子世界波粒二象性之一例。波粒二象性認(rèn)為，光子或電子等實(shí)體既能用波也能用粒子來描述。玻色子是量子理論中負(fù)責(zé)傳遞力的粒子。比如，電磁力可以描述為兩個(gè)帶電粒子：如一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子之間交換光子，好像兩個(gè)足球運(yùn)動(dòng)員之間的傳球。
按照量子物理學(xué)的說法，玻色子的關(guān)鍵特性是它的自旋。所有玻色子的自旋要么是零要么是整數(shù)1、2、3等等。這有點(diǎn)像小孩子的陀螺的旋轉(zhuǎn)，但又不完全像陀螺的旋轉(zhuǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)像電子這種帶半整數(shù)自旋的粒子必須“旋轉(zhuǎn)”兩次才能回到它起始狀態(tài)。
玻色子(boson) 是依隨玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，自旋為整數(shù)的粒子。不遵守泡利不相容原理，在低溫時(shí)可以發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。符合玻色－愛因斯坦統(tǒng)計(jì)：由全同玻色子組成的孤立系統(tǒng)，處于熱平衡時(shí)，分布在能級(jí)εi的粒子數(shù)為，Ni=gi/（e^（α+βεi）-1）。α為拉格朗日乘子；β=1/（kT），由體系溫度，粒子密度和粒子質(zhì)量決定。εi為能級(jí)i的能量，gi為能級(jí)的簡(jiǎn)并度。
遵從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的微觀粒子。玻色子的自旋為0或整數(shù)，例如光子、π介子等。由玻色子或偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成的復(fù)合粒子的自旋也是0或整數(shù)，因而它們也是玻色子。
歐洲核子研究中心（CERN）昨日（2011年12月13日）公布來自大型強(qiáng)子對(duì)撞器（LHC）的重要數(shù)據(jù)。該理論解釋粒子為何擁有質(zhì)量，從而演化為我們身邊的萬(wàn)事萬(wàn)物，如果這一粒子被確認(rèn)，那將是100年來人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。
規(guī)范
量子場(chǎng)論表明，粒子之間的基本相互作用是通過交換某種粒子來傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子。傳遞引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力場(chǎng)量子，它是自旋為2的零質(zhì)量粒子。2012年7月2日，美國(guó)能源部下屬的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室最新數(shù)據(jù)接近證明被稱為"The God Particle"的希格斯玻色子的存在。
類型
膠子- 強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，有8種，膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，是“色場(chǎng)”的量子。兩個(gè)不同色狀態(tài)的夸克通過膠子緊密地結(jié)合在一起，所以膠子必定是雙色的。
希格斯玻色子假想圖
光子- 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有1種。g和中間玻色子（w+、w-及z0）分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。但是由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子（g光子）保持了零質(zhì)量，而其他三種獲得了巨大的質(zhì)量。致使對(duì)稱性破缺的機(jī)制，稱為希格斯(higgs）機(jī)制。所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格斯粒子的粒子。這些基本粒子在宇宙中的“用途”可以這樣表述：構(gòu)成實(shí)物的粒子（輕子和重子）和傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子)。在這樣的一個(gè)量子世界里，所有的成員都有標(biāo)定各自基本特性的四種量子屬性：質(zhì)量、能量、磁矩和自旋。
粒子自旋
這四種屬性當(dāng)中，自旋的屬性是最重要的，它把不同種粒子王國(guó)分成截然不同的兩類，就好像這個(gè)世界上因?yàn)樾詣e將人類分成了男人和女人一樣意義重大。粒子的自旋不像地球自轉(zhuǎn)那樣是連續(xù)的，而是一跳一跳地旋轉(zhuǎn)著的。根據(jù)自旋倍數(shù)的不同，科學(xué)家把基本粒子分為玻色子和費(fèi)米子兩大類。費(fèi)米子是像電子一樣的粒子，有半整數(shù)自旋（如1/2，3/2，5/2等）；而玻色子是像光子一樣的粒子，有整數(shù)自旋（如0，1，2等）。
這種自旋差異使費(fèi)米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個(gè)費(fèi)米子能有同樣的量子態(tài)：它們沒有相同的特性，也不能在同一時(shí)間處于同一地點(diǎn)；而玻色子卻能夠具有相同的特性。
基本粒子中所有的物質(zhì)粒子都是費(fèi)米子，是構(gòu)成物質(zhì)的原材料（如輕子中的電子、組成質(zhì)子和中子的夸克、中微子）；而傳遞作用力的粒子（光子、介子、膠子、W和Z玻色子）都是玻色子。
希格斯
質(zhì)子高速對(duì)撞后產(chǎn)生希格斯玻色子的瞬間
經(jīng)過長(zhǎng)期研究和探索，科學(xué)家們建立起被稱為“標(biāo)準(zhǔn)模型”的粒子物理學(xué)理論，它把基本粒子（構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu)）分成3大類：夸克、輕子與玻色子?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬(wàn)鳥歸林般擁有了一個(gè)共同的“家園”。但是這一“家園”有個(gè)致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。為了修補(bǔ)缺陷，希格斯提出了希格斯場(chǎng)的存在，并進(jìn)而預(yù)言了希格斯玻色子的存在。他假設(shè)希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。其它粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的海洋中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種粒子的存在，并基本上都已被實(shí)驗(yàn)多證實(shí)，希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。由此可見，希格斯玻色子是大自然中本身就有的，并不是制造出來的。有了希格斯玻色子，統(tǒng)一理論就完全成立了，將有更多的世間萬(wàn)象因此而被認(rèn)知，科學(xué)的世界也就毫無疑問的更加完美。有人因此將希格斯玻色子比做粒子物理學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。
中間矢量
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)生成的第一張圖
傳遞弱相互作用的矢量粒子。早在 20世紀(jì) 40 年代曾提出弱作用通過中間玻色子W±傳遞的思想。60年代電弱統(tǒng)一理論提出除了帶電的中間玻色子W±外，還可能存在中性的中間玻色子Z0。1973年實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到中性弱流存在，是對(duì)電弱統(tǒng)一理論的重要支持。理論上預(yù)言中間玻色子質(zhì)量為80吉電子伏特（GeV）左右，壽命短于10-17秒。1983年先后觀測(cè)到W±粒子和Z0粒子，W±粒子質(zhì)量為80.8GeV，Z0粒子的質(zhì)量為92.9GeV。根據(jù)后來實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，得到W±粒子和Z0 粒子的質(zhì)量m和衰變寬度Γ 的實(shí)驗(yàn)值分別為mw= 80.3GeV，mz=91.163GeV；Γw=2.20GeV，Γz =2.537GeV。根據(jù)衰變寬度可算出它們的壽命為10-25秒量級(jí)。
費(fèi)米子
概述
玻色子
費(fèi)米子和玻色子遵循完全不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。前者遵循的費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，其中一個(gè)顯著和特點(diǎn)，就是1925年瑞士科學(xué)家泡利發(fā)現(xiàn)的“泡利不相容原理”，即在一個(gè)費(fèi)米子系統(tǒng)中，絕不可能存在兩個(gè)或兩個(gè)以上在電荷、動(dòng)量和自旋朝向等方面完全相同的費(fèi)米子。這就像電影院里的座位，每座只能容納一個(gè)人。而玻色子則完全不同，一個(gè)量子態(tài)可以容納無窮多個(gè)玻色子。因此，也只有玻色子才可能出現(xiàn)玻色－愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。
編輯參閱
費(fèi)米子
玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)
規(guī)范玻色子
參考資料
[1]
(日)上田正仁 . 玻色-愛因斯坦凝聚的基礎(chǔ)與前沿 : 北京大學(xué)出版社 ，2015-1-1
[2]
【美】吉諾·塞格雷【美】貝蒂娜·赫爾林 . 恩里科·費(fèi)米傳——物理教皇與原子時(shí)代的誕生 : 湖南科技出版社 ，2019-11-1
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