粒子的衰变与湮灭

我已经花了三个篇幅把标准模型简单的叙述了，但是有些人对《是什么把粒子紧紧地束缚在一起？》一文中提到的衰变和湮灭的概念并不是很熟悉，所以我再来讲一讲。首先，

什么是衰变？

在原子核的衰变中，原子核会分裂成更小的核子，一大群质子和中子被分成更小群的质子和中子，这很容易理解。但是基本粒子的衰变不是指分裂成它的单位要素，因为“基本”意指它没有单位要素。在这里粒子衰变谈到的基本粒子转变成别的基本粒子，这类的衰变很奇怪，因为最后产生的不是初始粒子一类，而是全新的粒子。

接下来我们会谈到不同类型的衰变，以及在什么情况下衰变会或不会发生。。

放射性

故事要从19世纪末说起。德国物理学家伦琴发现，当一束电子射到一块金属的时候，会产生一种奇怪的射线。由于这是之前从未观测到的新射线，因此他称之为“X光”。两个月后，法国物理学家亨利贝克洛在研究荧光的时候发现，照片的底片会在一些矿石下曝光，即使你用黑纸覆盖底片同样的情况也会发生。贝洛克这才意识到，那些含有铀的物质不用提供任何能量就能发射出高能的射线。

贝克洛的实验指出，一些自然现象必定是某些元素释放出了X射线所造成的。这使人联想到一些元素本来就不稳定，因为这些元素会自发的释放出不同形式的能量。由于不稳定的原子核发生了衰变而释放出的能量就叫辐射。

放射性粒子

科学家最终可以区分几种非常不同类型的辐射，也就是因粒子产生放射性的衰变。这三种辐射分别被命名为α（阿尔法 ），β（贝塔），λ（伽玛）。阿尔法粒子是氦核，贝塔粒子是高速电子，伽玛辐射是高能光子。

我们可以通过磁场就将这三种辐射分辨出来（如下图）：

• 带正电荷的α粒子旋向一个方向，

• 带负电荷的β粒子旋向相反方向，

• 而电中性的λ射线不发生旋转。

阿尔法粒子可以被一张纸就挡住它的去路，贝塔粒子则需要铝片才能阻挡，而伽玛辐射需要铅板。所有的放射线物质都很危险，尤其是伽玛射线，它有很强的穿透能力所以它是最危险的。不幸地，科学家在很多年后才知道放射性的危险性。

衰变的困惑

许多重元素看起来只是衰变成较简单的东西，但如果仔细的观察，这些衰变显示出一些令人困惑的问题。

就拿铀-238的衰变为例。一块铀-238会在4,460,000,000年内以一定的速度衰变，一半的铀会不见。但我们没有办法知道一个特定的铀原子会在什么时候衰变；它可能在现在起五分钟后衰变，也可能是一亿年后。难道一个原子的衰变仅仅是根据一些概率？

铀-238的质量是238.0508 u（u是原子质量单位），它能衰变成钍（234.0436 u）和一个阿尔法粒子（4.0026 u）。细心的你可能已经发现，如果你用铀的质量减去它衰变产物的总质量是0.0046 u。这就表明在衰变过程有一部分的质量消失了！！！为什么？？

进入核世界

在回答这个问题之前，我们必须了解一些原子核的本质和量子力学。

质子带有正电荷，且强烈的互相排斥着。一个原子核如果没有被胶子“粘合”在一起它就会散开，这是我们在《是什么把物质紧紧地束缚在一起》中提到过的强核力。我们可以把原子核看做是一个紧绷的螺旋状弹簧，它代表强烈的斥力，被一个非常大的绳索固定在一个适当的地方，即使在弹簧中有很多储存起来的能量，它也不能释放出来，因为绳子实在太坚固了。

如果他能发生，他就会发生

亚原子粒子的行为不像日常生活中的物体。我们不能非常精确的说粒子一定会做什么，而只能说粒子可能会做什么。粒子像日常生活中的物体一样移动，同时拥有动量，但是它们同时也具有波的性质。量子力学是关于粒子理论的数学基础，利用概率解释粒子的行为模式。

由于粒子是类波的，我们无法同时精确的知道它们的位置和动量。只要把粒子看做是点状的球体或许会比较容易理解，因为把粒子看做是最可能发现到粒子的一团模糊区域，是比较令人困惑的。

质子和中子在原子核内到处移动。在非常小的概率下，一个包含两个质子和两个中子的混合物（它们形成一个阿尔法粒子）可能在同一个瞬间竟移出了核之外。一个较大的原子核发生这样的概率比小原子核的大。

这样，核内的残留强核力就无法把阿尔法粒子困住，它就像突然释放的弹簧，迅速的飞离原子核。

“如果它能发生，它就会发生！”这个想法是量子力学的基础。对于一些原子来说，在一个极短的瞬间内存在一个允许它散开的状态下，核就会有一定的概率经历放射性衰变。你不能预测什么时候一个特定的原子会衰变，但是你可以确定它在某一段时间内衰变的概率。

半衰期

一块铀的核会逐渐的衰变，衰变的速率是由一块铀原子衰变一半所花费的时间（半衰期）测量而得的，一个铀核的衰变是完全无法预测的，但是我们可以预测一大堆铀衰变的情况。利用概率决定物理性质是一个颠覆性的想法，对于这样的一个理论，爱因斯坦表示：“上帝不掷骰子！”

消失的质量

我们现在回答刚才的问题上：辐射衰变时消失的质量去哪儿了？回想一下，我们说过当铀衰变成钍和阿尔法粒子的时候，0.0046 u的质量好像不见了。如果你记得爱因斯坦著名的方程E=mc^2，著名的质能方程，它表示了质量是能量的一种形式。当铀核经历衰变的时候，一些质量会转变成动能（移动粒子的能量），这样能量就依旧守恒。

粒子衰变的中介者

我们知道原子核会衰变分裂成较轻的核，那基本粒子是如何衰变成另一个基本粒子的呢？基本粒子不能分裂，因为它们并没有结构，但它们会变成别的粒子。结果是当一个基本粒子衰变时，它变成较轻的粒子和载力粒子（基本粒子衰变后总是得到一个W玻色子）。这些载力者随后再度出现变成别的粒子。所以，粒子衰变时并不只是变成别的粒子，还有在粒子衰变时的中介载力者。

粒子通过载力粒子衰变，在许多例子中，粒子可能经由大于最初粒子质量的载力粒子而衰变，这中介的载力粒子很快地转换成质量小的粒子。这些短暂而大质量的载力粒子似乎违背了能量守恒和质量守恒。但是，根据海森堡的不确定性原理，如果粒子生命周期非常短的话，就有可能形成质量较大的粒子，它们被称为虚粒子。

虚粒子并没有违背能量守恒，动能加上最初衰变粒子的质量会等于最后的衰变结构。由于虚粒子存在的时间非常短，所以不可能被观察到。

大部分粒子的过程是由虚载体粒子传递，比如重子贝塔衰变、粲粒子的产生、eta-c粒子的衰变，我们马上会深入探讨这些。

不同的相互作用

强、电磁和弱相互作用导致粒子的衰变。但是只有弱相互作用使基本粒子衰变。

弱衰变：

只有弱力可以把基本粒子变成别的粒子，物理学家称粒子类型为“味”，只要发射虚W玻色子，若作用力就能将粲夸克变成奇夸克（“粲”和“奇”都是“味”）和一个虚W玻色子，W玻色子会很快的衰变成质量较小的上夸克和下夸克。只有弱相互作用（通过W玻色子）能改变味使基本粒子衰变。

电磁衰变：

一个中性的π介子是由一个夸克和反夸克组成的介子。夸克和反夸克会湮灭形成两个光子，这是电磁衰变的粒子。

强衰变：

η粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的介子，它经过强衰变会变成两个胶子（以强子出现）。强载力粒子（胶子）传递包含有色荷的衰变，弱载力粒子（W+和W-）传递使粒子改变味（和电荷）的衰变。

关于衰变的种种我已经讲了很多了，接下来我们就说说湮灭。

湮灭

湮灭自然不是衰变，但是它们都是经由虚粒子发生的。如果你记得我之前在《世界是由什么构成的？》一文中就警告过你，如果你遇到一个反你，千万不要碰他/她，因为一旦物质和反物质粒子相遇时会完全湮灭化为能量。

它们彼此相互作用，将它们之前存在的能量转变为非常活跃的载力粒子（一个胶子、W/Z或者光子），这些载力粒子一次再变成别的粒子。

通常，物理学家为了创造出质量较大的粒子而以极大的能量让两个粒子进行湮灭。

气泡室与衰变

这是一张真实的反质子气泡室的照片（反质子从图片底端开始进入），和一个静止的质子碰撞发生湮灭，八个π介子在湮灭时产生。其中一个衰变成一个μ和一个ν（右下）。正和负π介子的路径在磁场中旋向相反的方向，而中性的则沿着原来的路径行进。

气泡室是较老型的粒子探测器，当带电粒子经过气泡室时，它们会留下极小的气泡痕迹。

下面我们就来看一个衰变的粒子。

中子β衰变

中子（udd）衰变成质子（uud）、电子和反中微子，这个过程就叫做中子β衰变。（β射线这个词用于核中衰变的电子，因为它们并不知道它们是电子！）

上面是一个费恩曼图，如果你学习粒子物理学，那你就要非常熟悉费恩曼图。看一下这张图，看起来并不直观，但其实很好理解。

图中的中子（电荷为零）表示为udd（上下下夸克）。中子中的一个下夸克之一会变成上夸克，由于下夸克有-1/3的电荷而上夸克有2/3的电荷，它会以虚W粒子带走（-1）电荷所传递的过程进行。这样电荷才能守恒！新的上夸克会从发射出的W-弹离，中子变成了质子（uud）。虚W玻色子会产生电子和反中微子。最后质子、电子和反中微子会彼此远离。衰变的中间过程发生在约每秒一千亿分之一，所以我们无法直接观测到。

好吧，就聊到这，如果想知道更多关于衰变或湮灭的例子给我留言（因为叙述起来太冗长，这里就不多举啦）。下次我可能会详细的说一下希格斯粒子，或者聊聊加速器和粒子探测器。