粒子的衰變與湮滅

2021-01-20 原理

我已經花了三個篇幅把標準模型簡單的敘述了,但是有些人對《是什麼把粒子緊緊地束縛在一起?》一文中提到的衰變和湮滅的概念並不是很熟悉,所以我再來講一講。首先,


什麼是衰變?


在原子核的衰變中,原子核會分裂成更小的核子,一大群質子和中子被分成更小群的質子和中子,這很容易理解。但是基本粒子的衰變不是指分裂成它的單位要素,因為「基本」意指它沒有單位要素。在這裡粒子衰變談到的基本粒子轉變成別的基本粒子,這類的衰變很奇怪,因為最後產生的不是初始粒子一類,而是全新的粒子。


接下來我們會談到不同類型的衰變,以及在什麼情況下衰變會或不會發生。。


放射性


故事要從19世紀末說起。德國物理學家倫琴發現,當一束電子射到一塊金屬的時候,會產生一種奇怪的射線。由於這是之前從未觀測到的新射線,因此他稱之為「X光」。兩個月後,法國物理學家亨利貝克洛在研究螢光的時候發現,照片的底片會在一些礦石下曝光,即使你用黑紙覆蓋底片同樣的情況也會發生。貝洛克這才意識到,那些含有鈾的物質不用提供任何能量就能發射出高能的射線。



貝克洛的實驗指出,一些自然現象必定是某些元素釋放出了X射線所造成的。這使人聯想到一些元素本來就不穩定,因為這些元素會自發的釋放出不同形式的能量。由於不穩定的原子核發生了衰變而釋放出的能量就叫輻射。


放射性粒子


科學家最終可以區分幾種非常不同類型的輻射,也就是因粒子產生放射性的衰變。這三種輻射分別被命名為α(阿爾法 ),β(貝塔),λ(伽瑪)。阿爾法粒子是氦核,貝塔粒子是高速電子,伽瑪輻射是高能光子。


我們可以通過磁場就將這三種輻射分辨出來(如下圖):



帶正電荷的α粒子旋向一個方向,

帶負電荷的β粒子旋向相反方向,

而電中性的λ射線不發生旋轉。


阿爾法粒子可以被一張紙就擋住它的去路,貝塔粒子則需要鋁片才能阻擋,而伽瑪輻射需要鉛板。所有的放射線物質都很危險,尤其是伽瑪射線,它有很強的穿透能力所以它是最危險的。不幸地,科學家在很多年後才知道放射性的危險性。


衰變的困惑


許多重元素看起來只是衰變成較簡單的東西,但如果仔細的觀察,這些衰變顯示出一些令人困惑的問題。


就拿鈾-238的衰變為例。一塊鈾-238會在4,460,000,000年內以一定的速度衰變,一半的鈾會不見。但我們沒有辦法知道一個特定的鈾原子會在什麼時候衰變;它可能在現在起五分鐘後衰變,也可能是一億年後。難道一個原子的衰變僅僅是根據一些概率?




鈾-238的質量是238.0508 u(u是原子質量單位),它能衰變成釷(234.0436 u)和一個阿爾法粒子(4.0026 u)。細心的你可能已經發現,如果你用鈾的質量減去它衰變產物的總質量是0.0046 u。這就表明在衰變過程有一部分的質量消失了!!!為什麼??


進入核世界


在回答這個問題之前,我們必須了解一些原子核的本質和量子力學。


質子帶有正電荷,且強烈的互相排斥著。一個原子核如果沒有被膠子「粘合」在一起它就會散開,這是我們在《是什麼把物質緊緊地束縛在一起》中提到過的強核力。我們可以把原子核看做是一個緊繃的螺旋狀彈簧,它代表強烈的斥力,被一個非常大的繩索固定在一個適當的地方,即使在彈簧中有很多儲存起來的能量,它也不能釋放出來,因為繩子實在太堅固了。


如果他能發生,他就會發生


亞原子粒子的行為不像日常生活中的物體。我們不能非常精確的說粒子一定會做什麼,而只能說粒子可能會做什麼。粒子像日常生活中的物體一樣移動,同時擁有動量,但是它們同時也具有波的性質。量子力學是關於粒子理論的數學基礎,利用概率解釋粒子的行為模式。


由於粒子是類波的,我們無法同時精確的知道它們的位置和動量。只要把粒子看做是點狀的球體或許會比較容易理解,因為把粒子看做是最可能發現到粒子的一團模糊區域,是比較令人困惑的。


質子和中子在原子核內到處移動。在非常小的概率下,一個包含兩個質子和兩個中子的混合物(它們形成一個阿爾法粒子)可能在同一個瞬間竟移出了核之外。一個較大的原子核發生這樣的概率比小原子核的大。


這樣,核內的殘留強核力就無法把阿爾法粒子困住,它就像突然釋放的彈簧,迅速的飛離原子核。


「如果它能發生,它就會發生!」這個想法是量子力學的基礎。對於一些原子來說,在一個極短的瞬間內存在一個允許它散開的狀態下,核就會有一定的概率經歷放射性衰變。你不能預測什麼時候一個特定的原子會衰變,但是你可以確定它在某一段時間內衰變的概率。


半衰期


一塊鈾的核會逐漸的衰變,衰變的速率是由一塊鈾原子衰變一半所花費的時間(半衰期)測量而得的,一個鈾核的衰變是完全無法預測的,但是我們可以預測一大堆鈾衰變的情況。利用概率決定物理性質是一個顛覆性的想法,對於這樣的一個理論,愛因斯坦表示:「上帝不擲骰子!」


消失的質量


我們現在回答剛才的問題上:輻射衰變時消失的質量去哪兒了?回想一下,我們說過當鈾衰變成釷和阿爾法粒子的時候,0.0046 u的質量好像不見了。如果你記得愛因斯坦著名的方程E=mc^2,著名的質能方程,它表示了質量是能量的一種形式。當鈾核經歷衰變的時候,一些質量會轉變成動能(移動粒子的能量),這樣能量就依舊守恆。


粒子衰變的中介者


我們知道原子核會衰變分裂成較輕的核,那基本粒子是如何衰變成另一個基本粒子的呢?基本粒子不能分裂,因為它們並沒有結構,但它們會變成別的粒子。結果是當一個基本粒子衰變時,它變成較輕的粒子和載力粒子(基本粒子衰變後總是得到一個W玻色子)。這些載力者隨後再度出現變成別的粒子。所以,粒子衰變時並不只是變成別的粒子,還有在粒子衰變時的中介載力者。


粒子通過載力粒子衰變,在許多例子中,粒子可能經由大於最初粒子質量的載力粒子而衰變,這中介的載力粒子很快地轉換成質量小的粒子。這些短暫而大質量的載力粒子似乎違背了能量守恆和質量守恆。但是,根據海森堡的不確定性原理,如果粒子生命周期非常短的話,就有可能形成質量較大的粒子,它們被稱為虛粒子


虛粒子並沒有違背能量守恆,動能加上最初衰變粒子的質量會等於最後的衰變結構。由於虛粒子存在的時間非常短,所以不可能被觀察到。


大部分粒子的過程是由虛載體粒子傳遞,比如重子貝塔衰變、粲粒子的產生、eta-c粒子的衰變,我們馬上會深入探討這些。


不同的相互作用


強、電磁和弱相互作用導致粒子的衰變。但是只有弱相互作用使基本粒子衰變。


弱衰變


只有弱力可以把基本粒子變成別的粒子,物理學家稱粒子類型為「味」,只要發射虛W玻色子,若作用力就能將粲夸克變成奇夸克(「粲」和「奇」都是「味」)和一個虛W玻色子,W玻色子會很快的衰變成質量較小的上夸克和下夸克。只有弱相互作用(通過W玻色子)能改變味使基本粒子衰變。


電磁衰變


一個中性的π介子是由一個夸克和反夸克組成的介子。夸克和反夸克會湮滅形成兩個光子,這是電磁衰變的粒子。


強衰變


η粒子是由粲夸克和反粲夸克組成的介子,它經過強衰變會變成兩個膠子(以強子出現)。強載力粒子(膠子)傳遞包含有色荷的衰變,弱載力粒子(W+和W-)傳遞使粒子改變味(和電荷)的衰變。


關於衰變的種種我已經講了很多了,接下來我們就說說湮滅。


湮滅


湮滅自然不是衰變,但是它們都是經由虛粒子發生的。如果你記得我之前在《世界是由什麼構成的?》一文中就警告過你,如果你遇到一個反你,千萬不要碰他/她,因為一旦物質和反物質粒子相遇時會完全湮滅化為能量。




它們彼此相互作用,將它們之前存在的能量轉變為非常活躍的載力粒子(一個膠子、W/Z或者光子),這些載力粒子一次再變成別的粒子。


通常,物理學家為了創造出質量較大的粒子而以極大的能量讓兩個粒子進行湮滅。


氣泡室與衰變


這是一張真實的反質子氣泡室的照片(反質子從圖片底端開始進入),和一個靜止的質子碰撞發生湮滅,八個π介子在湮滅時產生。其中一個衰變成一個μ和一個ν(右下)。正和負π介子的路徑在磁場中旋向相反的方向,而中性的則沿著原來的路逕行進。




氣泡室是較老型的粒子探測器,當帶電粒子經過氣泡室時,它們會留下極小的氣泡痕跡。


下面我們就來看一個衰變的粒子。


中子β衰變


中子(udd)衰變成質子(uud)、電子和反中微子,這個過程就叫做中子β衰變。(β射線這個詞用於核中衰變的電子,因為它們並不知道它們是電子!)




上面是一個費恩曼圖,如果你學習粒子物理學,那你就要非常熟悉費恩曼圖。看一下這張圖,看起來並不直觀,但其實很好理解。


圖中的中子(電荷為零)表示為udd(上下下夸克)。中子中的一個下夸克之一會變成上夸克,由於下夸克有-1/3的電荷而上夸克有2/3的電荷,它會以虛W粒子帶走(-1)電荷所傳遞的過程進行。這樣電荷才能守恆!新的上夸克會從發射出的W-彈離,中子變成了質子(uud)。虛W玻色子會產生電子和反中微子。最後質子、電子和反中微子會彼此遠離。衰變的中間過程發生在約每秒一千億分之一,所以我們無法直接觀測到。


好吧,就聊到這,如果想知道更多關於衰變或湮滅的例子給我留言(因為敘述起來太冗長,這裡就不多舉啦)。下次我可能會詳細的說一下希格斯粒子,或者聊聊加速器和粒子探測器。

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