粒子物理
ParticlesWPH14 · 龙猫走进微观
从原子核到夸克，物质越拆越碎、能量越来越大。龙猫睁大眼睛：原来"看到"粒子的办法，是让它撞出来、飞出来。
拆开物质的三层套娃
质子+中子。卢瑟福散射揭示核式模型。
质子/中子由夸克组成。加速器把它们撞碎。
夸克、轻子、规范玻色子——基本粒子清单。
💡 主线：越小的东西，需要越高的能量才能"看见"——所以粒子物理≈高能物理。
α 散射：原子是空的
绝大多数 α 粒子直穿→原子内大部分是空。
极少数大角度偏转→存在集中、带正电、致密的核。
ᴬZ X：A=质量数(质子+中子)，Z=质子数。
中子数 N = A − Z。同位素：Z 同、N 不同。
💡 直觉：原子像足球场里的一粒豆——体积几乎全空，质量几乎全在核。
热电子发射 + 加速器
加热阴极金属→电子获得足够能量逸出。这是电子枪/示波管/老式电视的源头。
直线加速器：一串交变电场，粒子每过一管被加速一次。
回旋加速器：磁场让粒子转圈，交变电场每半圈加速一次。
💡 探测器：云室/气泡室/硅探测器——粒子穿过留下径迹，由径迹反推粒子性质。
半径 r = mv/(BQ) 透露身份
磁场中粒子圆周：由 BQv = mv²/r 得 r = mv/(BQ)。
测出 r、v、B → 算出荷质比 Q/m → 辨认粒子。
这就是质谱仪的原理。
⚠️ 高频考点：比较两粒子径迹半径→判断谁更重/更快/电荷更大。
质量就是能量
E = mc²（c=光速）。质量与能量可互变。
单位换算：1 u = 931.5 MeV；1 eV = 1.6×10⁻¹⁹ J。
高能物理常用 MeV 而非焦耳。
正反粒子相遇→全部转化为两个 γ 光子。
每个光子能量 = 粒子静能（质量→能量）。
💡 应用：PET 正电子成像——正电子与体内电子湮灭，两个反向 γ 被探测→定位病灶。
接近光速时，经典失效
高速粒子质量随速度增大（m = γm₀），经典 p=mv、Eₖ=½mv² 不再准。
回旋加速器到高速时粒子变重→周期改变→与交变电场失步。需改用同步加速器。
💡 龙猫提示：只要 v 远小于 c（日常），经典力学完全够用；粒子物理才需相对论。
基本粒子全家福
u d s c b t（+反夸克）。组成质子(uud)、中子(udd)。
e μ τ + 对应中微子 ν。不参与强作用。
传递力：γ(电磁)、W±Z⁰(弱)、胶子(强)；希格斯赋予质量。
💡 三种力对应三种玻色子。引力尚不在标准模型内——这是物理学的未解 frontier。
每种粒子都有镜像
质量相同，电荷等量子数相反。
如电子 e⁻ ↔ 正电子 e⁺；质子 p ↔ 反质子 p̄。
质子过多时： p → n + e⁺ + νₑ（放出正电子+中微子）。
⚠️ 记住粒子符号：正电子 e⁺、反中微子 ν̄ₑ、电子中微子 νₑ——写方程别张冠李戴。
反应前后，什么不变？
电荷 Q、重子数 B、轻子数 L、能量、动量。
强作用守恒 S；弱作用不守恒 S。
判断反应能否发生，先查这些守恒量。
💡 套路：列两边 Q、B、L、S 是否相等→判定是否可能、属强/弱作用。
强·电磁·弱·引力
强 ≫ 电磁 > 弱 ≫ 引力。作用距离：强/弱极短，电磁/引力无限远。
核内结合→强；电子-核→电磁；β 衰变→弱；天体→引力。
💡 粒子物理主要玩强、电磁、弱三种；引力太小，忽略。
弱作用的方程与费曼图
中子太多：n → p + e⁻ + ν̄ₑ
方程：(A,Z) → (A, Z+1) + e⁻ + ν̄ₑ
核俘获内层电子：p + e⁻ → n + νₑ
由 W⁺ 玻色子传递。
从径迹读粒子
r 大→动量大(快/重)；r 小→动量小。
顺/逆时针偏转→电荷正负。螺旋越收越紧→粒子在减速(电离损失能量)。
💡 云室/气泡室照片：看到"Y 形分叉"=粒子反应发生点；直线=中性(不偏)。
必背公式与换算
E=mc² · 1u=931.5MeV · 1eV=1.6×10⁻¹⁹J
r=mv/(BQ) · BQv=mv²/r · Eₖ=p²/2m(非相对论)
β⁻: n→p+e⁻+ν̄ₑ · β⁺: p→n+e⁺+νₑ · EC: p+e⁻→n+νₑ
Q · B · L 永守恒；S 强守恒、弱不守恒
别踩这些坑
① β 衰变放出的是反中微子(ν̄)，不是中微子。
② 湮灭产生两个反向 γ(动量守恒)，不是一个。
③ 判断反应：列两边 Q/B/L/S。
④ 质谱仪：先 BQv=mv²/r 求 r，再由 r 算质量。
⚠️ 单位：算 E=mc² 时务必把质量化成 kg 或 u，再换 MeV。
粒子物理在身边
正电子湮灭成像，定位肿瘤。
弱放射性源电离空气，烟改变电流→报警。
放射性衰变放热发电，驱动深空探测器数十年。
🌿 龙猫总结：粒子越拆越碎，但每一次"撞开"，都让我们更接近物质的终极答案。
粒子物理
完成！
① 静止电子-正电子对湮灭，每个 γ 光子能量？(答：=电子静能 0.511MeV)
② β⁻ 衰变中 (A,Z)→？ 答：(A,Z+1)。
③ 为何回旋加速器不能无限加速？答：高速质量增大，周期失配。
Pearson Edexcel IAL Physics (2018, Issue 3) · WPH14 · Topic 6–7（物质结构探索 / 粒子相互作用与守恒）