1原子：从概念到发现

物质的构成
亚里士多德：物质是连续的，可无限分裂，永远不会碰到极限。
原子论：物质有一个最小块的不可分割的极限。
原子论的实验证明：花粉在水中做无规律布朗运动，爱因斯坦认为是由于水分子的不停运动撞击所产生的。1906年让佩兰的实验证实了该假说。分子与原子的真实性开始确立。

原子的构成
原子核的发现：a粒子（氦原子核，带正电）大部分可穿过金属箔，少量会被折射甚至反射，推测金属中间有空隙，且有小且高密度带正电的核。

电子模型与经典力学的失效
按照经典力学，电子旋转就会产生电磁辐射，会消耗能量并发光，同时失去能量后螺旋撞到原子核上，就不存在稳定的原子。
玻尔的解释：原子核周边有轨道，对应电子的能量；电子的能量是量子化的，不是任意的，因此只能存在与轨道上。当电子跨轨道，会释放能量并发光。
证明：原子辐射光的光谱是不连续的。
电子轨道有一条是能量最低的，是电子的稳定态轨道。为什么？电子的角动量是量子化的。
（氢原子光谱，约翰·巴尔末公式，帕邢系，莱曼系）
实际上无轨道，是离散的。

海森堡：从可观测物理量出发，如原子辐射或吸收光的频率或强度，发现电子跃迁——电子能级转换伴随的光子释放。

看到原子：激光束激发原子内部跃迁，辐射光子，被光电探测器探测到。（电磁场、势阱捕获观测原子）

光子
被篮光照射的导体会发射电子束，红光照射不会，无论强度多大。光是由能量块构成的，取决于频率，也就是颜色。蓝色光使电子获得跃迁的能量，红光不行。

测不准原理
一个量子永远不会拥有速度和位置两个属性，因为量子不是质点。如果不测量，量子既没有速度也没有位置。速度与位置都是离散的，离散差的乘积永远不为0。

2放射性

贝克勒尔发现某些物体被X射线照射后，还可以持续发出磷光。发出磷光的物质（铀盐）可以透过黑纸使底片感光。与是否被光照无关，与时间无关。筛选之后发现是铀有这种作用，纯铀比化合物更明显。
发出能量意味着物质在发生某种变化，是什么。
居里夫人发现含有铀的矿物，如沥青铀矿有比铀更明显的辐射，猜测有比铀还活跃的元素，分离出镭。

辐射一种带正电，容易被物质阻隔，α射线（α粒子的释放）；一种穿透性更强，带负电，易受磁场影响，β射线；一种不带电，穿透强且不受磁场影响，γ射线。
放射性，否定了物质、原子的不变性、不灭性。
放射性：原子核转变为其他原子核的过程，伴随着辐射或粒子释放，衰变。
原因：原子核内部的核力过剩，导致不稳定，放射粒子释放过剩能量，变成别的质量更低的原子核，质量变成了能量。

核子：质子+中子。核子之间的力：核力。
质子带正电，离得远会有斥力，离得近有核力紧密吸引。中子不带电，只受核力。
库仑力：电荷之间的力。
核力与库仑力平衡，原子稳定；核子数不能平衡库仑力，有放射性。

α放射：过多核子的原子排出α粒子（2质子+2中子）。
β放射：过多中子，中子释放一个电子衰变为质子，同时放射一个反中微子。质子增加了，改变了化学元素。
γ放射：和光一样性质的辐射，但是频率非常高，不可见。一般在于α放射、β放射后还有过剩能量的原子，散去能量，不改变化学元素。

放射性是自发的，不是立即的。单个放射原子最终都会死亡，单个原子的死亡是概率的，不受时间、外部环境影响。大量原子在一起会形成统计规律，即放射周期。放射周期无法预测具体原子的衰变时刻（完全偶然的）。每过一个周期，每个原子消失的概率都有1/2。

铀，92个质子，可以有146个中子，铀238；143个中子，235；147个中子，239。中子不同，核力不同，放射周期不同。238，50亿年；235，7亿年，234，24.5万年。所以238占大多数。

自然放射性：宇宙中各种粒子碰撞形成的核反应（粒子与原子核碰撞，导致原子核结构变化，形成新原子核，并释放粒子），会具有放射性。地球中的天然放射性元素钍232，铀235。自身也有放射性，钾40，星际高温残留物，在骨头重；碳14，存在于二氧化碳中。

贝克勒尔：每秒钟衰变的原子数。每个原子智能衰变一次。人，10000贝克，每升牛奶80贝克。

轰击原子核，可以改变质子和中子数，改变化学元素，“点石成金”。因为中子不带电，容易靠近原子核并被吸收，常用中子轰击创造人工放射性元素。

门捷列夫：元素性质周期性变化。
裂变，用中子辐射铀235（92质子143中子），铀裂变为钡-141原子（56质子85中子）和氪-92（36个质子56中子），同时释放2-3个中子和2亿电子福特的能量。释放的2中子继续使2个铀235原子裂变，产生4个中子…4变8，8变16产生链式反应。裂变后的原子核质量小于原来原子核的质量，缺失的质量转变为能量。
重点是中子不能浪费，因此需要中子减速剂，使得可以与未裂变的原子充分接触和吸收。也可用吸收剂，吸收中子以控制裂变速度。
聚变，氢聚变为氦，太阳每秒6.2108吨氢（1质子）转变为6.15108吨氦（2质子），释放能量。
能量转变为物质：高速粒子对撞转变为新的粒子；动能越大的物质，惯性越强（m），越难被再加速。
碳14，高空中高能质子与空气中氮原子碰撞，产生碳14。所有活物会不断吸进碳14，如果死亡，不会有新的碳14进入，只剩下衰变。通过比较碳14当前含量与最初含量，来确定年龄。

所有粒子的能量与波长（德布罗意波长）相关，波长越短能量越大。
波动现象只发生在物体与另一个波长更长的物体的相互影响过程中。波涛不受游泳者影响，因为身体比两个海浪的间距小，但大型船会干扰海浪。要探测粒子（作为粒子，而不是波），必须用更小波长、能量更大的物质去照射。
撞击固定物体：会浪费一定动能，因为固定物体会被冲击得移动。
对撞：几乎所有动能都会转化为物质。对撞机就是这个原理（LHC）。

3自然的力

经典物理学：粒子之间作用靠场。
量子物理学：两个粒子相互作用，一定是交换了东西，即特征离子（介导粒子、规范玻色子）。
相互作用距离：与介导粒子质量成反比。
四种基本力——
万有引力，3世纪牛顿，作用范围接近无穷大，没有办法可以削弱，强度低，对于粒子尺度是很小，但可叠加，因此宏观物体的引力很大。媒介：引力子是否存在，没有发现。
电磁相互作用，麦克斯韦，19世纪下，比万有引力强很多。保证了原子和分子的内聚力，控制化学反应和光学现象，（光即电磁波，也是光子）。影响距离也趋近无穷远，但有些吸引，有些排斥，在电中性的物体中体现为抵消掉了。作用媒介：光子，质量为0，带电粒子互换光子时，光子无法被单独探测到。
弱相互作用，1930年代，控制β放射等过程。距离很短，10-18米，接近于接触，类似胶水。媒介：中间玻色子W+，W-，Z0。质量很大，质子的100倍，作用距离短。
强相互作用，核子之间的作用力，作用距离很短，10-15米。分开一点强度就会迅速减弱。媒介：胶子gluon。不是所有粒子都受强相互作用力，受强相互作用力的叫强子，有350种强子（宇宙射线探测到或粒子加速探测到），包括质子和中子，只有质子是稳定的，其他都很快衰变为其他粒子。不受影响的叫轻子。

四种力的统一：粒子物理标准模型
电磁作用和弱相互作用力，在很久以前是同一种力，后来才分离。
对称：某种作用下，物质所表现的状况没有改变。
对称群：执行对称群变化时，系统内在规律保持不变。

4基本粒子

标准模型
两类粒子：轻子和夸克。
轻子不参与强相互作用，有6种：带电轻子包括电子、μ子、τ子，可以与其它粒子组合成复合粒子，例如原子、电子偶素等等。 在所有带电轻子中，电子的质量最轻，也是宇宙中最稳定、最常见的轻子；μ子质量是电子的206倍，会在几微秒内衰变为电子、中微子和反中微子。
τ子（陶子）更重，寿命更短，只有10-3秒。τ子是唯一可以衰变成强子的轻子，其它轻子并不具有必需的质量。如同τ子的其它衰变方法，强子型衰变是通过弱相互作用进行。μ子与τ子必须经过高能量碰撞制成，例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。
中性轻子为3种中微子：电子中微子、μ中微子和τ中微子，不带电。它们很少与任何粒子相互作用，很难被观测到。
6种轻子都有反粒子，质量相同，电荷相反。（中微子是自己的反粒子？观察到的中微子总是自旋方向与速度方向相反，而反中微子总是相同。狄拉克：参考系不能比中微子快，所以只能观测到左旋，马约拉纳：左旋中微子即是右旋中微子）
轻子一共有六种风味，形成三个世代。[2]第一代是电轻子，包括电子（e−）与电中微子 （νe）。第二代是缈轻子，包括μ子（μ−）与μ中微子 （νμ）。第三代是陶轻子，括τ子（τ−）与τ中微子（ντ）。

参与强相互作用的强子350多种，因此不会是基本粒子，是混合粒子，由夸克组成。
重子：3个夸克组成。最常见的是质子、中子。
其他强子：介子，夸克-反夸克1对。
6种夸克：夸克有六种“味”，分别是上up、下down、粲charm、奇strange、底beauty/buttom及顶top。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克通过粒子衰变，迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。
U夸克电荷2/3，d夸克-1/3。故质子uud，1电荷。中子udd，0电荷。
味，弱相互作用的方式。弱相互作用将d变为u，即β衰变的原理（中子衰变为质子）。
色。强相互作用的方式。红蓝绿。质子或中子中，3个夸克色各不相同。
强相互作用通过胶子进行，胶子有8种，与夸克相互作用，不停交换颜色，保持强子的稳定性。
夸克禁闭，只能观测到强子，不能单独观测到夸克。因为随着分离夸克距离增加，所需能量迅速增加。自然界中这些能量更倾向于创造新的夸克和反夸克，逃离的夸克立即会被套上搭档形成新的强子。
标准模型里有3个夸克和轻子家族，每个家族2个夸克，2个轻子。只需第一代家族即可表达世界：电子，电子中微子，ud两个夸克。另外两个夸克有什么用，为什么自然会创造了3套重复的东西，未知。

艾米.诺特证明物理定律不随时间变化，推论是能量守恒。否则早上搬东西，半夜用掉更多能量，不再守恒。
粒子物理：理解宇宙遥远的过去。
真空中有什么：抽空的空间中，（量子真空）被疲劳物质填满，它们的能量不足以无纸化，所以不能被观察，是“虚”粒子。要使他们真实存在，必须赋予能量（但会瞬间摧毁并重回真空）。
对撞粒子将能量无偿提供给真空，虚粒子可以得到能量成为真实的粒子。

希格斯玻色子：从对撞中发现的，质量概念的革命。质量不是基本粒子的固有特性，是粒子与真空相互作用造成的。真空内包含了能够创造质量的东西，即惯性。
对称性原理要求媒介粒子质量为0，光子确实如此，但弱相互媒介粒子的质量是质子的100倍。假说：量子场充满空间，无质量的粒子与场相互作用，运动的减速方式与有质量时相同。质量变为粒子的次要特性，因为粒子与真空中的量子场（希格斯场）摩擦，无摩擦时，速度为光速，质量为0；有摩擦时，速度减慢，具有了质量。
希格斯玻色子的解释：自发性对称性破缺。完美的对称性时能量是高的，类似于珠子在凸起的瓶底，但很快会滚到能量最低的地方，对称性同时破缺了。
最开始有4种0质量的球为媒介电磁和弱相互作用，突然变成弱相互作用距离短、有质量，电磁作用范围无限。
希格斯机制：赋予最初没有质量的W+，W-，Z0以非0的质量，极大缩短了弱相互作用的距离。
宇宙密度很大、温度很高的初始阶段，粒子没有质量，以光速传播；然后希格斯场布满空间，赋予粒子非0质量保持至今。同时开启了粒子的“固有时间”，根据相对论，物体有质量就有固有时间。物质时钟开始运行。

5粒子物理的一些开放性问题

除引力外的三种作用力都能纳入标准模型（不易弯曲平面），而引力需要用广义相对论论述（易弯曲平面），目前很难将引力纳入标准理论。

超对称理论：物质粒子与相互作用粒子是绝对均等的，已知粒子有超对称伙伴：夸克vs超夸克，光子vs光微子，etc。但没有观测到。

反物质去哪了
宇宙初期存在等量的物质与反物质。解释：CP破坏，物质比反物质数量略高，幸存下来的物质构成了今天的世界。未证实。

暗物质
有引力影响星体速度，但无法通过电磁波观测到。通过遥远光线的偏移测算出的星团质量，是可见质量的10倍。由已知粒子组成还是新的粒子，未知。

标准烛光：超新星的光变曲线类似，首先达到峰值持续几周，随后亮度缓慢减弱，所以光变曲线的区别来自于距离。结果发现超新星距离比预计更加遥远，一直在加速膨胀，但引力会减慢膨胀速度，为什么？存在反引力？暗能量？
标准模型的完善，只能修改对物体的表达，包括时间和空间，超弦理论整合基本粒子和量子物理学、引力和相对论。粒子不再是没有维度的物体，而是细长的超弦在超过四个维度的时空中振动。点替换为超弦，一种振动形式对应电子，一种中微子，一种夸克。通常的粒子是振动频率最低的，更重的粒子振动更高。无证据。

我的总结
夸克构成强子，受强相互作用，分为介子（2夸克）和重子（3夸克），重子中核子常见，即质子和中子。
轻子，不受强相似作用力，如电子。