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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 | 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
簡介
玻色子（英語：boson）是遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，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，多個全同玻色子可以同時處于同一個量子態(tài)，在低溫時可以發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。和玻色子相對的是費米子，費米子遵循費米-狄拉克統(tǒng)計，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》14日報道，歐洲核子研究中心(CERN）日前公布了來自大型強子對撞器（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，從而演化為萬事萬物。人類距離了解宇宙誕生之謎或許將要邁進一大步。
按照結(jié)構(gòu)，可以分成基本粒子和復(fù)合粒子。基本玻色子有傳遞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)個費米子組成，常見的有介子、氘核、氦-4等。按照自旋和宇稱量子數(shù)，可以分成標量、贗標量、矢量和軸矢量粒子等。膠子-強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，分別帶正、負一個電子電量，質(zhì)量約為80.4GeV。Z玻色子有一個，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）的大型強子對撞機（LHC）實驗發(fā)現(xiàn)。介子- 由一個正夸克和一個反夸克組成的強子，常見的有π、ρ、K等。
氘核、氦-4等由偶數(shù)個核子組成的原子核。因為質(zhì)子和中子都是費米子，故含偶數(shù)個核子的原子核是自旋為整數(shù)的玻色子。聲子-請參閱固體物理學(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被拒絕，后來求助于愛因斯坦。愛因斯坦意識到玻色這個工作的重要性，他將文章翻譯成德文后發(fā)表在德國的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，因此人們把這個統(tǒng)計方法叫做玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。
1945年，著名物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）為了紀念玻色在量子統(tǒng)計中的開創(chuàng)性貢獻，將遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律的粒子命名為玻色子。
利用玻色——愛因斯坦統(tǒng)計法，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。波粒二象性認為，光子或電子等實體既能用波也能用粒子來描述。玻色子是量子理論中負責(zé)傳遞力的粒子。比如，電磁力可以描述為兩個帶電粒子：如一個電子和一個質(zhì)子之間交換光子，好像兩個足球運動員之間的傳球。
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。這有點像小孩子的陀螺的旋轉(zhuǎn)，但又不完全像陀螺的旋轉(zhuǎn)，因為一個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，自旋為整數(shù)的粒子。不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。符合玻色－愛因斯坦統(tǒng)計：由全同玻色子組成的孤立系統(tǒng)，處于熱平衡時，分布在能級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i的能量，gi為能級的簡并度。
遵從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的微觀粒子。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)個費米子組成的復(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）公布來自大型強子對撞器（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事萬物，如果這一粒子被確認，那將是100年來人類最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。
類型
膠子- 強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”的量子。兩個不同色狀態(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量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。但是由于對稱性的破缺，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。致使對稱性破缺的機制，稱為希格斯(higgs）機制。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)。在這樣的一個量子世界里，所有的成員都有標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分成截然不同的兩類，就好像這個世界上因為性別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米子兩大類。費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）。
這種自旋差異使費米子和玻色子有完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態(tài)：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處于同一地點；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)子高速對撞后產(chǎn)生希格斯玻色子的瞬間
經(jīng)過長期研究和探索，科學(xué)家們建立起被稱為“標準模型”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?！皹藴誓Ｐ汀钡某霈F(xiàn)，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”。但是這一“家園”有個致命缺陷，那就是該模型無法解釋物質(zhì)質(zhì)量的來源。為了修補缺陷，希格斯提出了希格斯場的存在，并進而預(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。標準模型預(yù)言了62種粒子的存在，并基本上都已被實驗多證實，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，將有更多的世間萬象因此而被認知，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
大型強子對撞機生成的第一張圖
傳遞弱相互作用的矢量粒子。早在 20世紀 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年實驗上觀測到中性弱流存在，是對電弱統(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)后來實驗測得的數(shù)據(jù)，得到W±粒子和Z0 粒子的質(zhì)量m和衰變寬度Γ 的實驗值分別為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。
費米子
概述
玻色子
編輯參閱
費米子
玻色-愛因斯坦統(tǒng)計
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·費米傳——物理教皇與原子時代的誕生 : 湖南科技出版社 ，2019-11-1
玻色子相關(guān)的文章
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