神秘宇宙的对称性─粒子与反粒子的探讨.PDFVIP

神秘宇宙的對稱性─粒子與反粒子的探討 投稿類別:物理類 篇名: 神秘宇宙的對稱性─粒子與反粒子的探討 作者: 黃偉智。國立彰化高商。高二3 班。 指導老師: 顏國周老師 1 神秘宇宙的對稱性─粒子與反粒子的探討 壹、前言 萬物是相對的，有正比有反，有高必有低，有公必有母，這次討論的粒子與 反粒子也不例外，他們不僅成對產生，也成對毀滅，然而，大自然的法則真的都 是相對的嗎？其實不盡然，如生物學中的有性生殖須要有公母才能繁殖；卻也存 在著無性生殖，只需要自己一個便能繁衍後代，粒子物理學中難道就不存在破壞 其對稱性的粒子嗎? 在牛頓雜誌中談論到許多有關粒子的相關資訊，原本空無一物的宇宙中，如 何從「無」到「有」?科學家們運用什麼方法、工具來研究呢?而這些反粒子能被 我們所利用嗎?興致勃勃的我便上網查詢資料，並到圖書館中查詢相關書籍，藉 以解開粒子神秘的面紗，接下來，就讓我們一起來探討構成萬物的起源─粒子與 反粒子。以下為本論文研究方向： 一、揭開反粒子神秘面紗 二、對稱性與對稱破缺 三、新興科技─反粒子的研究與運用 貳、正文 一、 揭開反粒子神秘面紗 （一）何謂反粒子 、反原子與反物質 1 、反粒子: 1928 年，英國理論物理學家狄拉克提出了反粒子的概念。狄拉克認 為，粒子與反粒子除了所帶電荷不同外，質量等性質完全相同，例如其 中之一反質子，除了電荷為負外，其他一切都與質子相同。此後 ，各種 反粒子紛紛被科學家找到。 「反粒子是相對正常粒子而言，其質量 、壽命、自旋都等與正常粒 子相同，但是內部相加性量子數都與正常粒子大小相同、符號相反。」 (註二)而有些反粒子便是它本身，此種粒子稱為 「純中性粒子」，這種粒 0 子內部相性量子數(如電荷、重子數)皆為0 ，如光子、π介子 。然而， 並非所有粒子皆有反粒子，如微中子沒有反粒子，而反微中子與一般所 定義的反粒子並不相同。 2 、反原子:反原子就是由反粒子所組成的 ，如反氫原子便是由一顆反質 子和一顆反電子所構成，正好與由電子和質子所構成的氫原子相反。 2 神秘宇宙的對稱性─粒子與反粒子的探討 3 、反物質:反物質則是由各種反原子所構成 ，如同兩顆反氫原子所構成 的反氫氣。 （二）反粒子與反物質的性質與特性 1 、湮滅: 「反物質和物質一旦相遇，就相互吸引、碰撞而 100%轉化為光並 釋放出的巨大的能量，此過程叫作『湮滅』。」(註十二)且當導致湮滅時， 會釋放出高能光子(伽瑪射線)或是其他能量較低的正反粒子對。正反物 質因篾所造成的粒子，賦予的動能等同於原始正反物質對的動能 ，加上 原物質靜止質量與生成粒子靜質量的差，後者通常佔大部分(愛因斯坦的 2 質能關係式E=mc ) 。 例如電子與正子的湮滅（式一）、以及質子與反質子的湮滅： e + e+ → γ+ γ（式一） 由於該粒子與反粒子兩者的量子態彼此相反，當 兩者碰撞後物質粒子雖然消失，但不是什麼都沒有了，由於能量守恆以 及動量守恆、角動量守恆等物理定律，粒子湮滅還是有存留下來的東 西，那就是能量。 2 、測不準原理: 「基本粒子的運動中，若是要提高測量粒子位置的精確程度，同時 測量它的速度的精確程度就會下降 ，反之亦如此，此即所謂『測不準原 理』。」(註十一)在時間長度與能量值這一對物理量方面也有相似的關