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3小時讀通基本粒子 漫畫版

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內容簡介

  夸克為什麼不現身?微中子為什麼能夠穿過地球?
  看了就懂基本粒子,原來這麼簡單!

  本書乃是藉由淺顯易懂的文字及繪圖來說明「物」的基本要素──原子核及基本粒子的一本書。這些基本要素是1公分的一兆分之一尺度的超微小要素,是現代物理學的基礎。

  從原子核邁進超微小的基本粒子世界!!

  20世紀,由於科學技術的進步,發現了夸克及微中子是構成物質的基本要素,即物的構成之基本粒子。然而即便喜歡物理,要理解基本粒子的本質,卻不是件簡簡單單就能辦得的事。

  本書不使用數學公式,單單運用插圖及文字,輕鬆解說與歸納基本粒子的本質。本書為基本粒子入門的書籍,為你打開理解基本粒子的這一扇門!

  在第1章,我們敘述基本粒子的觀念從原子.分子演進到原子核.基本粒子的過程。

  在第2章,我們邀請您進入原子核的世界,為您介紹原子核內質子和中子的各種舞動;質子和中子在1公分的一兆分之一的超微小滑冰場上滑著自旋及公轉的舞。

  在第3章,我們平易地描述由原子核擔任主角的放射線及原子力的基礎。

  第4章和第5章,我們來觀賞超微小的夸克與微中子的神奇世界。在那世界裡,夸克窩在質子裡不出來。另一方面,微中子則是直接穿過地球,在宇宙中交錯飛行。

  在第6章,我們簡單地談論一下宇宙初始、宇宙中滿佈的未知暗物質的真面目、基本力的統一等等的宇宙和物理的根本性問題。

作者簡介

江尻宏泰

  1936年生於日本茨城縣。東京大學理學部物理系、所畢,理學博士。歷任東京大學、華盛頓大學、哥本哈根大學、加州大學客座教授,大阪大學.研究所教授、核物理研究中心所長、國際高等研究所訪問學者、國際基督教大學紀念教授、高輝度光科學研究所顧問等。專業領域為基本粒子.核分光物理。曾因微中子雙重β分光研究獲島津獎。現為大阪大學名譽教授、捷克理工大學客座教授。主要著作有《圖說物質的真相》(日本講談社BLUE BACKS書系)、《夸克.輕子核的世界》(裳華房)、《原子核分光物理》(英文,Oxford出版)、《核子強子多體系統》(英文,Oxford出版)等。

審訂者簡介

陳政維

  臺灣大學物理系教授。美國加州大學聖地牙哥分校物理博士。主要研究領域為超導體與磁性,以及兩者之間的交互作用關係。關於奈米尺度的超導體材料探討,也是目前的研究重點。

譯者簡介

陳銘博

  台灣科技大學電子工程系畢。踏入職場三年後前往日本就讀語言學校,回國後任職於專利事務所負責日文專利文件業務。目前為專職譯者。譯有《世界第一簡單電路學》(世茂出版)。

 

目錄

第1章 物質的組成與基本要素
第2章 原子核的組成
第3章 具有強大能量的放射線與核能
第4章 飛米世界裡的超超微小基本粒子
第5章 微中子的真面目
第6章 宇宙的誕生與基本粒子、原子核的形成
 

詳細資料

  • ISBN:9789866097577
  • 叢書系列:科學視界
  • 規格:平裝 / 224頁 / 21 x 14.8 x 1.5 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

4-1質子和中子有夥伴嗎?

  原子核是由核子(質子和中子)所組成,而核子有帶正電荷之狀態的質子與不帶電荷之狀態的中子。核子間的核力則由介子傳遞。如此就構成了由核子與介子所組成的單純物之構成。然而隨著研究的發展,我們已了解到物之構成其實是更加多樣且複雜的。

  當以具有高能量的光子或介子撞擊質子時,會產生質量比核子(質子和中子)還大(重)的Δ(delta)粒子。質量大代表其靜止質量能高,乃是一高能量狀態的核子。其靜止質量約比質子和中子多重了30%(圖4-1A)。

  以電子的電荷作為單位時,Δ粒子有+2、+1、0、-1這四種狀態。亦即Δ++、Δ+、Δ0、Δ-。Δ粒子會因屬於強交互作用的核力作用,而以約5秒的一兆分之一再一兆分之一的平均壽命,放出π介子衰變質子或中子。Δ++會放出π+介子衰變成質子,Δ-會放出π-介子衰變成中子(圖4-1B)。

  質子是種穩定的粒子,乃是靜止質量能最小的粒子。中子也是還算穩定的粒子,會因弱交互作用的作用而慢慢地衰變成帶正電荷之狀態的質子。Δ粒子雖然也會因弱交互作用的作用而慢慢地衰變成其他電荷狀態,但實際上會在那之前迅速地就因強交互作用的作用而衰變成核子。

  核子(質子和中子)與光子和介子撞擊時,除了會產生Δ粒子之外,還會產生其他具有各種質量和電荷(狀態)的粒子。

  這些粒子都是核子的夥伴粒子,會因強交互作用的作用而衰變成核子(質子和中子)。且因都是高靜止質量能狀態的粒子,會瞬間衰變成核子的「不穩定核子」。能夠以人工的方式從地球上天然存在的核子終將它們製造出來。

  實際上,核子在原子核內同樣也是在很短的發生時間內,不斷轉換於Δ粒子和核子之間。

4-2奇異粒子如何產生出來的?

  讓核子(質子和中子)與高能量的介子和光子撞擊,會產生稱為超子的新型粒子(圖4-2A)。

  超子並不會因強交互作用而瞬間衰變成核子,而是因弱交互作用的作用放出π介子,慢慢地衰變成核子。超子的平均壽命也是約為1秒的一百億分之一。基本粒子時鐘是以約1秒的一兆分之一再一千億分之一的單位時間轉動。以人體時鐘心臟1秒鐘跳動約1次,平均壽命有80歲左右。以基本粒子時鐘計時得到的超子壽命,約等同於人類活了30萬年。超子是一種壽命極長的穩定粒子(圖4-2B)。超子的種類有以下幾種。

  Λ(lambda)粒子,是最輕的超子,靜止質量能約11億電子伏特,電荷狀態則只有0這一種狀態,也就是說是電中性的。它會因弱交互作用的作用,長時間緩慢地放出π0或π-介子而衰變成中子或質子。

  Σ(sigma)粒子,比Λ粒子重一些,靜止質量能為12億電子伏特。有Σ+、Σ0、Σ-三種電荷狀態。Σ粒子同樣也受弱交互作用的作用,和Λ粒子一樣在經過1秒的一百億分之一左右的壽命後,衰變成核子(質子或中子)與π介子,惟Σ0粒子則是放出光子瞬間衰變成Λ(電荷0)粒子。

  Ξ(xi)粒子,有Ξ0、Ξ-兩種電荷狀態。Ω(omega)粒子,只有一種電荷狀態Ω-。這兩種超子都是還算穩定的粒子,會因弱交互作用放出π介子,並在經過約1秒的一百億分之一左右的時間後,Ξ粒子衰變成Λ粒子,Ω粒子衰變成Ξ粒子或Λ粒子。

  上述這些粒子是有別於核子6-3宇宙中的暗物質

  為了揭開宇宙物質的主要成分-暗物質的正面目,世界各國的研究團隊正積極投入未知的基本粒子WIMP(弱交互作用重粒子)的研究。WIMP的最有力候選人就是渺中子(neutralino)這新型粒子。

  目前的標準模型(理論)中,基本粒子有構成物質的費米子-夸克與輕子(電子、微中子),以及傳遞力的玻色子-光子、膠子、弱玻色子。

  超對稱性理論認為有對應於各費米子的玻色子,及對應於各玻色子的費米子,也就是認為費米子與玻色子是成組對稱的(圖6-3A)。

  而被認為可能是WIMP的,是與傳遞力的玻色子對應的費米子。其中最為穩定(質量最小)的粒子,是渺中子的這個超對稱性粒子,它有可能以暗物質的形態存在於宇宙中。

  渺中子就像微中子一樣能穿過絕大多數的物質,因此要捕捉它非常困難。渺中子和原子核差不多重,因此和原子核撞擊時,原子核會因為反作用而移動(圖6-3B)。量測這過程檢測出渺中子並量測其質量。

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