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玻色子

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玻色子

中文名稱 ：玻色子 特 點 ：不遵守泡利不相容原理 屬 性 ：質量、能量、磁矩和自旋 應用範圍 ：量子力學

玻色子是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。玻色子包括:.膠子-強相互作用的媒介粒子，它們具有整數自旋(0h，1h，……)，它們的能量狀態只能取不連續的量子態，但允許多個玻色子占有同一種狀態，有8種;光子-電磁相互作用的媒介粒子，這些基本粒子在宇宙中的"用途"是構成實物的粒子(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裡，所有的成員都有標定各自基本特性的四種量子屬性:質量、能量、磁矩和自旋。如光子、粒子、氫原子等， 摺疊簡介 玻色子(英語:boson)是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。

分類

• 膠子- 強相互作用的媒介粒子，自旋為1h，有8種
• 光子- 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1h，只有1種
• W 及Z 玻色子- 弱相互作用的媒介粒子，自旋為1h，有3種
• 引力子- 引力相互作用的媒介粒子，自旋為2h，只有1種，尚未被發現
• 希格斯玻色子- 據香港《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)的重要數據，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。
• 介子- 由兩個費米子--夸克組成的強子。
• 由偶數個核子組成的原子核。因為質子和中子都是費米子，故含偶數個核子的原子核是自旋為整數的玻色子。
• 聲子- 請參閱固體物理學

命名

玻色子(bosons):保羅·狄拉克為了紀念印度物理學者薩特延德拉·納特·玻色的貢獻，因此給出玻色子的命名。玻色子，在相互作用中不守恆的基本粒子，其行為遵守1920年由薩蒂恩德拉-玻色(Satyendra bose，1894--1974)和阿爾伯特愛因斯坦發展的"玻色--愛因斯坦統計法"的統計規則。典範的玻色子是光子，即光的粒子，每次點亮一盞燈，就產生大量的光子。利用玻色--愛因斯坦統計法，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，就能夠預言黑體輻射的所有性質。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。按照量子物理學的說法，玻色子的關鍵特性是它的自旋。所有玻色子的自旋要麼是零要麼是整數1h、2h、3h等等。這有點像小孩子的陀螺的旋轉，但又不完全像陀螺的旋轉，因為一個像電子這種帶半整數自旋的粒子必須"旋轉"兩次才能回到它起始狀態。玻色子(boson) 是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。不遵守泡利不相容原理，在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。符合玻色-愛因斯坦統計:由全同玻色子組成的孤立系統，處於熱平衡時，分布在能級εi的粒子數為，Ni=gi/(e^(α+βεi)-1)。α為拉格朗日乘子;β=1/(kT)，由體系溫度，粒子密度和粒子質量決定。εi為能級i的能量，gi為能級的簡併度。遵從玻色-愛因斯坦統計的微觀粒子。玻色子的自旋為0或整數，例如光子、π介子等。由玻色子或偶數個費米子組成的複合粒子的自旋也是0或整數 ，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)的重要數據。該理論解釋粒子為何擁有質量，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現之一。

規範

量子場論表明，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，這類媒介粒子統稱為規範玻色子。傳遞引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力場量子，它是自旋為2的零質量粒子。2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布，該實驗室最新數據接近證明被稱為"The God Particle"的希格斯玻色子的存在。

類型

膠子- 強相互作用的媒介粒子，自旋為1h，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。兩個不同色狀態的夸克通過膠子緊密地結合在一起，所以膠子必定是雙色的。光子- 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1h，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，它們都是零質量的粒子。但是由於對稱性的破缺，只有一種媒介子(g光子)保持了零質量，而其他三種獲得了巨大的質量。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裡，所有的成員都有標定各自基本特性的四種量子屬性:質量、能量、磁矩和自旋。

粒子自旋

這四種屬性當中，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那樣是連續的，而是一跳一跳地旋轉着的。根據自旋倍數的不同，科學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，有整數自旋(如0h，1h，2h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:它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處於同一地點;而玻色子卻能夠具有相同的特性。基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、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

人們早已發現，自然界中物體之間千差萬別的相互作用，可以簡單劃分為4種力:即引力、電磁力、維持原子核的強作用力和產生放射衰變的弱作用力。在愛因斯坦的相對論解決了重力問題後，人們開始嘗試建立一個統一的模型，以期解釋通過後3種力相互作用的所有粒子。經過長期研究和探索，科學家們建立起被稱為"標準模型"的粒子物理學理論，它把基本粒子(構成物質的亞原子結構)分成3大類:夸克、輕子與玻色子。"標準模型"的出現，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質量的來源。為了修補缺陷，希格斯提出了希格斯場的存在，並進而預言了希格斯玻色子的存在。他假設希格斯玻色子是物質的質量之源，是電子和夸克等形成質量的基礎。其它粒子在希格斯玻色子構成的海洋中游弋，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。標準模型預言了62種粒子的存在，並基本上都已被實驗多證實，希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子。由此可見，希格斯玻色子是大自然中本身就有的，並不是製造出來的。有了希格斯玻色子，統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領域的"聖杯"。

中間矢量

intermediate vector boson 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，是對電弱統一理論的重要支持。理論上預言中間玻色子質量為80吉電子伏特(GeV)左右，壽命短於10-17秒。1983年先後觀測到W±粒子和Z0粒子，W±粒子質量為80.8GeV，Z0粒子的質量為92.9GeV。根據後來實驗測得的數據，得到W±粒子和Z0 粒子的質量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。根據衰變寬度可算出它們的壽命為10-25秒量級。

費米子概述

粒子按其在高密度或低溫度時集體行為的不同可以分成兩大類:一類是費米子，得名於意大利物理學家費米，另一類是玻色子，得名於印度物理學家玻色。區分這兩類粒子的重要特徵是自旋。自旋是粒子的一種與其角動量(粗略地講，就是半徑與動量的乘積)相聯繫的固有性質。量子力學所揭示的一個重要之點是，自旋是量子化的，這就是說，它只能取普朗克常數的整數倍(玻色子，如光子、介子等)或半整數倍(費米子，如電子、質子等)。費米子和玻色子遵循完全不同的統計規律。前者遵循的費米-狄拉克統計，其中一個顯著和特點，就是1925年瑞士科學家泡利發現的"泡利不相容原理"，即在一個費米子系統中，絕不可能存在兩個或兩個以上在電荷、動量和自旋朝向等方面完全相同的費米子。這就像電影院裡的座位，每座只能容納一個人。而玻色子則完全不同，一個量子態可以容納無窮多個玻色子。因此，也只有玻色子才可能出現玻色-愛因斯坦凝聚現象。例如，鋰的兩種同位素鋰6和鋰7分別為費米子和玻色子。圖片分別顯示在810、510和240nk時鋰6和鋰7原子氣和原子云照片。我們可以看到，鋰7(左)隨着溫度的降低所占的尺寸變小，也就是發生了凝聚，而鋰6(右)的尺寸則保持穩定，不發生凝聚。這是因為泡利不相容原理的限制，使兩個費米子不可能在同一時間占據同一個空間。正因如此，白矮星最終只能在引力作用下坍塌到一個極限尺寸而不再進一步縮小。

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