什麼是自旋?

Question

像是光子的自旋是1
電子是2分之1
有關於這方面的資料嗎?

Answer 1

希臘人用組成物質的基本元素來了解世界。頓 原  廿世紀基本粒子物理的快速發展可以說是從1897年湯木生（J. J. Thomson）發現電子開始，他在各種不同的材料中都找到了一模一樣的電子，於是推測同樣的電子是所有原子的基本組成成分，並且負責原子的電力性質。這樣的發現使我們對物質的基本組成成分的了解由原子又向內深入了一層。之後不久拉塞福（E. Rutherford）的散射實驗揭露了在原子中平衡電子負電的帶正電成分，也是以微粒形式存在，也就是原子核。最輕的原子核就是質子，質子與電子帶等量但符號相反的電荷，然而質子的質量卻是電子的約1800倍。不像原子中的電子只有一種，不同元素的原子核帶有不同正電荷，具有不同質量，最簡潔的解釋便是，不同的原子核是由不同數目的質子及其他微粒所組成，這組成原子核的基本粒子在1932年由查兌克（J. Chadwick）所發現，質量與質子相當，約是質子的1.0013倍，不帶電，稱為中子。於是，自然界中數百種原子核的不同變化，原則上就只是來自組成的質子與中子的數目，而所有原子又是由這些原子核與相對數目的電子組成。於是整個自然界的物質就由穩定的電子、質子及中子所構成（當然還要加上光子），這是一個非常簡約而成功的圖像，但故事還沒有結束。讓我們先從原子核及原子能的故事開始。原子核的構成原子核是由質子與中子所構成的，它的性質由其質子數目Z與中子數目N來決定，核子的總數量，也就是Z+N，稱為質量數（Mass Number）通常以A表示，質量數大致等於以原子單位表示的原子核質量。一個原子核所構成的元素，其化學性質是由原子核周圍的電子個數決定，所以也就是由原子核的Z來決定，Z被稱為原子序（Atomic Number）。如果兩個原子核的質子數一樣，而中子數不一樣，那麼，它們所組成的原子化學性質一模一樣，但原子核的性質則可以不同，這樣Z相同而A不同的原子核稱為同位素（Isotope）。通常我們將質量數寫於元素名稱的前面來表示一個同位素，比如14C與12C就是質量數分別為14與12的碳同位素（原子序都是6）。所以同一個元素可以有很多個同位素，比如11C、 12C、 13C與14C就是碳的四個同位素，在自然界中98.9%的碳是12C，但仍有1.1%是13C（其餘兩者數量極少）。以金（Au）為例，它總共就有32個同位素，從173Au到204Au都是。原子核的大小，核力，範圍。正如電子與原子核組合成為原子時，能量是小於零，一個原子核束縛態的靜止能量也小於其組成的質子與中子分開時靜止能量的總和，這個能量差就稱為束縛能（Binding Energy），這也就是要將這些質子與中子完全拆開必須加入的能量。這個束縛能Eb可以由原子核M、質子與中子質量計算出來： 例題：計算束縛能圖：束縛能圖束縛能的大小是原子核穩定度的表現，最方便的度量是每個核子的平均束縛能。將平均束縛能對穩定原子核的質量數A作圖，可以看出最大值發生在A=60附近，也就是鐵、鈷、鎳，所以它們是原子核中束縛得最緊的。從圖中，還可以看出，單位核子束縛能一開始會隨A的增加而增加，原因大概是每個核子都對其他核子有核力，所以核子數增加，核力變強，束縛能就增加。但是當A>20以後，單位核子束縛能就大約維持在8 MeV左右，可見所增加的核子對原來核子所受的核力並沒有貢獻。這是因為核力雖強，卻是有範圍的，距離較遠的核子彼此的核力是很小的，所以一個核子所受核力大致來自其最近的鄰居，當A大到一定程度後，新增加的核子已在範圍之外，核子所受核力及束縛能也就飽和而不再增加了。正如原子系統一樣，原子核的能量也形成不連續的能階，而且可以吸收光子躍遷進入激發態，再放出光子回到基態。然而因為核子彼此之間的核力遠大於電子與原子核之間的電磁力，所以原子核激發態的能階差遠大於原子的能階差，典型的原子核能階差大概是數個MeV，而原子的能階差都只有數個eV。所以原子核能階躍遷放出的光子都是在γ線的頻率範圍。然而許多原子核即使在基態都可能是不穩定的。原因是這些原子核可以透過放出粒子的方式進入較低的能態，這就是原子核的放射性（Radioactivity）。這種放射性遠在原子核發現之前就被觀察到了，放射的過程被稱為原子核的衰變（Decay）。而衰變原子核與衰變產物的靜止能量差稱為蛻變能Q（Disintegration Energy），因為射線粒子較輕，大部分的蛻變能都由射線粒子帶走。蛻變能一般都在數個MeV的範圍，所以射線粒子帶有極高的能量，在發現當時是很不尋常的現象。所放射出來的粒子最典型的有三種，分別被稱為α、β、γ射線，這三種衰變在本質上完全不同。α射線是一個4He的原子核，α衰變後原子核原子序及質量數分別減少2、4： 蛻變能Q要大於0，α衰變才能發生： α衰變通常是發生在較大的原子核，除了少數例外，只出現於Z>82的元素。要了解α衰變為何會發生，我們可以假想衰變前原子核是由衰變後原子核及4He原子核所組成。4He原子核在衰變前原子核內受到核力束縛，然而它如果離開核力的範圍後，束縛的核力變得不重要，而它與衰變後的原子核之間的庫倫電力是排斥力，所以離開後位能會降低。所以核力形成一個壁壘，防止衰變前原子核的立即崩潰，但是4He原子核可以透過量子力學的穿隧效應，離開核力的範圍，得到較低的能量，所以蛻變能主要來自電位能的下降。為什麼α衰變要選擇放射4He而不是質子或其他原子核呢？這是因為在較輕的原子核中，4He是唯一具有較大平均束縛能的原子核（~7.07MeV），相對地，質子（1H）與中子本身沒有束縛能，而3He（~2.57MeV）、2H（~1.1MeV）等平均束縛能小於一般典型值，所以放射出以上這些粒子在能量上不利於衰變的發生。其他較重的原子核，如12C（~7.68MeV），在能量上雖然有利，但是因為太重，要穿隧通過核力的壁壘較不容易。然而當衰變原子核的Z更大時（超過100以上），因為庫倫斥力增大，能量上有利的條件會克服穿隧的困難，因此原子核會選擇以放射出12C甚至更重的原子核來降低能量，這樣的衰變稱為核分裂（Nuclear Fission）。本質上，核分裂與α衰變是相似的過程。β衰變則是放射出高速電子，衰變後，原子核的質量數A不變，而原子序Z增加1： β衰變的蛻變能Q要大於0，衰變才能發生： 由原子序與質量數的變化可以知道，在β衰變中，原子核內的一個中子衰變成一個質子，並放出一個電子： 在α衰變中，質子的總數與中子的總數分別保持不變，可是在β衰變中，質子總數會增加而中子總數會減少，也就是某些核子改變了身分屬性，可見β衰變和α衰變再本質上是非常不同的。有關弱交互作用，以及β衰變還有很多意想不到的驚奇，我們將在基本粒子的章節中介紹。γ衰變則是原子核從激發態躍遷至較低能的激發態或基態，如同原子光譜一樣，能量差以光子形式釋放出來。因為原子核能階差極大（~MeV），所放出的光子頻率極高，稱為γ射線。一個典型的情況是，原子核會在α衰變或β衰變後進入產物原子核的激發態，所以γ衰變會發生使原子核由激發態回到基態。例如：  其中12C*是12C的激發態，如此放出的γ射線能量達4.4MeV。如同其他的量子過程，原子核的衰變也是隨機過程，發生與否，事前是無法預測的。自發衰變的指數及統計隨機性質，就個別原子核來說是隨機過程，碳紀年在α衰變的討論中，我們已經知道，重的原子核如果分裂成多個較輕的原子核，庫倫電位能可以降低；而且原子核的平均束縛能在質量數A=60左右最大，所以重的原子核如果分裂成兩個中型（A~100）原子核，能量應可大幅降低。然而由於核子彼此之間的核力形成位能壁壘，唯有透過量子穿隧原子核才能分裂，而中型原子核很重，穿隧所造成的自發核分裂非常緩慢，以自然界中238U為例，生命期可長達1016年。但是如果以中子來轟擊238U，吸收了中子後，中子所提供的束縛能以及中子原來所帶的動能造成所形成的239U原子核激發，如果激發態的能量可以超越核力所形成的位能壁壘，239U就會分裂成兩個原子核，再加上數個中子。例如： 為超越位能壁壘，中子需要有1.3 Mev的動能，然而一旦分裂後，因為庫倫電位能降低，平均束縛能增加，大量的能量（達200 MeV之多）將釋放出來。這樣的反應就稱為核分裂（Nuclear Fission）。這樣的核分裂反應原則上是可行的，然而真實的應用必須要求核分裂一直不斷的發生。上述238U的核分裂產物中，包括了3個中子，如果條件適合，這些中子就能繼續撞擊其他的238U原子核，使它們進行核分裂，而產生更多的中子，這樣的機制稱為連鎖反應（Chain Reaction），這是原子能應用上最關鍵的地方。然而連鎖反應要能繼續，原子核吸收中子的效率不能太慢，為增加吸收的機會，中子的速度反而不能太快，所以必須使用石墨或重水等緩衝劑來讓核分裂產生的高能中子減速至熱擾動的速度，稱為熱中子。對於238U的分裂來說，熱中子的能量太低了，無法克服位能壁壘，所以連鎖反應無法進行。物理學家在自然界的鈾中找到了0.72%的同位素235U，235U因為中子數較少，它吸收中子所釋放的束縛能較大，所以不需要中子帶任何動能，只要所釋放的束縛能就能超越核力所形成的位能壁壘，減速後的熱中子也能激發它的核分裂，例如 因此連鎖反應可以發生。歷史上第一個核反應在1942年12月2日在芝加哥由費米所帶領的小組完成，從此開啟了原子能應用的時代，現在大部分的核能發電或核子武器都以這個連鎖反應為核心。星球的核融合反應構成日常世界穩定的基本粒子前面已經提到了，在30年代末期，物理學家對物質的基本組成，已經有了一個簡單的圖像：整個自然界的物質由穩定的電子、質子及中子所構成（當然還要加上光子）於是，自然界中數百種原子核的不同變化，原則上就只是來自組成的質子與中子的數目，而所有原子又是由這些原子核與相對數目的電子組成。這樣高度簡約的圖像，可以說是以基本粒子來描述宇宙這個想法的重大勝利。這個勝利並不長久，有三個發展很快地就揭露了這個圖像的不足。愛因斯坦的狹義相對論中一個重要結果就是質能可以互換，所以原則上當能量夠大時，新的基本粒子就可以產生；這些粒子可以由能量產生，自然也可以衰變消失，而將質量換回能量，所以，相較於電子、質子及中子，他們通常並不穩定，產生後不久就會消失，在自然界並不能大量存在；這些不穩定的基本粒子，在30年代之後的基本粒子物理發展中，扮演了主要的角色，它們將會幫助我們揭開日常世界穩定粒子更深一層的秘密。正子與反粒子1932年美國物理學家安德生（C. D. Anderson）在宇宙射線（Cosmic Ray）的觀察中，意外發現了正子（Positron），這是第一個發現，在日常世界中不存在的基本粒子。宇宙射線是來自外太空無數速度很快、能量很高的粒子，成分主要以質子為主。當這些高速的質子進入大氣層，與大氣原子的原子核產生撞擊，動能轉變為質量，於是產生許多的粒子。安德生在地表利用雲霧室觀察宇宙射線及其產物，此裝置包含一個裝有處於低壓下的水蒸氣，當帶電粒子經過，會游離其中的氣體而使水蒸氣沿其路徑凝結。在眾多的電子與質子之中，他看到一個帶「正電」的粒子，其電量及質量與電子完全相同，這個粒子被稱為正子。在粒子物理的研究中，通常以粒子的相對論靜止能量來表示一個基本粒子的質量，因此也就以能量單位來作為質量單位。通常以電子伏特eV，也就是電子通過1V的電位差所得到的能量為單位。以此單位表示，電子與正子的質量是MeV，1MeV=106eV，而質子的質量是MeV，中子的質量是MeV。照片：正子的照片 (Serway P1515)正子是電子的反粒子（Antiparticle），反粒子的存在事實上是狄拉克1928年所提出的相對論性波方程式－狄拉克方程式（後來物理學家發現這個方程式應該解讀為量子場的運動方程式）就已預測了，在安德生的發現後，狄拉克發現他的預測不止適用於電子，而且所有粒子都會有反粒子，粒子與反粒子的質量與自旋完全相同，電荷及類似的量子數（比如以下會提到的重子數、輕子數、奇異數等）則大小相等而符號相反，比如質子的反粒子，就帶負電，質量也是938 MeV，有些電中性粒子－比如光子－的反粒子會是自己（），有些－比如中子－則不是（）。反粒子的存在是相對性原理運用於量子力學後自然得到的結果。例題：正子的生成正子的生成除了宇宙射線中的質子撞擊大氣原子核外，通常也可以用光子撞擊靜止的質子來產生： 因為電荷守恆，電子與正子必須同時產生，請問為讓此反應可以產生，光子的最低能量是多少？解答：首先選取光子與質子的質心座標系來研究，在此座標系中，總動量為0，依據動量守恆定律，產物的動量和必須為0。它們的能量最少時，是發生在三個產物都是靜止的，也就是動量皆為0。此時末狀態總能量等於，總動量為0，不變能量。此不變能量是由總能量與總動量計算出來，所以也必須守恆，而且此量是與座標系的選取無關，所以計算起始態的不變能量可以選用較方便的座標系。在實驗室座標系中，質子是靜止的，動量為零，能量為，假設光子能量以表示，動量即為，以此計算出的總不變能量等於：。故在使用光子能量最小時： 經過整理後MeV。這是γ射線的光子才能具有的能量。在高速（高能）的碰撞中產生基本粒子可以說是高能物理的最重要要素。正子產生之後，結果如何？宇宙射線撞擊產生的正子為何沒有累積下來呢？原因是正子產生後不久就會與環境中的電子結合，進而互相堙滅成為兩個或三個光子： 或  這樣的湮滅過程也發生於其他的粒子與反粒子，所以反粒子即使在宇宙射線撞擊或粒子加速對撞器中產生，最後也會經由湮滅過程而迅速消失於日常世界中。這些新粒子的產生與消滅現象提供了我們進一步了解日常世界基本粒子的機會。介子與強作用力世紀初對基本粒子的了解，本身存在一個關鍵的問題：質子與中子如何被束縛於微小的原子核之中。原子核的典型大小大致是10-14 m，在如此微小的距離內，質子與質子彼此的靜電斥力是非常巨大的，然而非放射性的原子核又是非常穩定的。物理學家很快就了解，顯然在質子與質子之間必然存在一種新的作用力，這作用力被稱為核力（Nuclear Force），以後物理學家發現此核力在與原子核無關的許多基本粒子的反應中扮演很重要的角色，所以又以比較廣泛的「強作用力」（Strong Interaction）來稱呼它。研究並了解核力成了30年代物理的重大課題。利用核子的碰撞實驗以及原子核性質的測量，物理學家發現核力的性質迥異於電磁力。首先它的強度很強，大約是電磁力的100倍，但是它的範圍很小，只要距離大於m，強度就會以指數的速度變小，也就是。相對的電磁力的範圍是無限大。在1934年湯川秀樹提出了一個嶄新的看法來描述核力。電磁作用是由電磁場來傳遞，電磁場的能量必須以量子化的形式交換，這量子就是光子，所以兩個帶電粒子之間的電磁交互作用可以看成它們交換了一個光子，光子傳遞動量與能量，造成帶電粒子動量與能量的變化。同理核力也可以看成是兩核子交換一個媒介粒子所造成，湯川秀樹利用測不準原理可以推論出作用力的範圍與所交換粒子的質量成反比，大致上是（比如對電磁作用來說，，所以光子質量為0）。因此核力的範圍很小，其實是因為它的媒介粒子是有質量的，經過計算這個質量大約是140MeV，正好介在電子與質子之間，湯川秀樹大膽地假設這個粒子是當時還未發現的新粒子，核力的性質就由此新粒子來決定。基本粒子物理的精神本來是用最小數目的成分來解釋自然世界，所以引進新的粒子其實是一個打破傳統的創新想法。      圖：粒子交換光子及pion的Feynman 圖( Serway P1170, 71) 幸運的是在1936年，物理學家在地面上宇宙射線觀察中，真的發現了一個從沒見過的粒子，質量就介於電子與質子之間，與湯川秀樹的預測只有20%左右的差距。這使得湯川秀樹的想法迅速得到物理界的支持，而更重要的是使大家接受了找尋新的基本粒子對解決現有的謎題是不可或缺的，因而開啟了基本粒子發現的大門。然而弔詭的是，後來經過十年左右，物理學家才發現在1936年所發現的粒子並不是湯川秀樹所假設的核力的交換媒介粒子，因為這個粒子與質子的交互作用非常微弱。湯川秀樹的粒子要到1947年才被找到（在高空的宇宙射線實驗中），被稱為π介子（Meson因為質量介於電子與質子之間，所以稱為介子），而1936年所發現的粒子是μ子（緲子），是一個與電子性質相近的輕子。π介子是一系列與質子有強交互作用粒子的第一個，自旋為0，包含三個粒子，正π介子π+帶正電，電量是電子電荷的1倍，負π介子π-是正π介子的反粒子，它們的質量大約都是139.6MeV。另外還有不帶電的π0，質量是135.0MeV。這三個粒子除了電荷之外，性質相近，在大氣層上層會由宇宙射線撞擊大量產生。但不像穩定的電子、質子及中子，π介子會在一段時間後衰變（Decay）為其他粒子，例如π-會衰變為緲子加上一微中子（下一節介紹）： π-壽命平均是2.60×10-8杪，所以在到達地面之前幾已全部衰變，這就是為什麼地面上宇宙射線實驗只找到緲子，而沒有π介子。幾乎所有新的基本粒子都會衰變，這也就是為什麼在日常世界中是找不到這些粒子的，衰變的發生本身也是一種交互作用，而研究它們如何衰變成為了解基本粒子及其交互作用最重要的方法之一。微中子、β衰變與弱作用力獨立的中子其實不是穩定粒子。在β衰變中，原子核的原子序會增加1，原子量不變，可見在這過程，中子衰變成質子加上電子：，而中子與質子的質量差轉化為電子（與質子）的動能。穩定的原子核沒有適合的原子核可以讓它進行β衰變，自然界大部分的中子存在於穩定的原子核中，所以基本上是穩定的，可是獨立的中子就不是如此，它的生命期只有885.7s。例題：如果在β衰變中，中子衰變為質子和電子，電子的動能是多少？解答：假設β衰變是，取中子靜止的座標系來計算，根據動量守恆定律，中子的動量為0，因此質子與電子的動量大小相等，方向相反：。將質子與電子的動量以p表示，質子的能量等於，而電子能量等於，根據能量守恆定律，，移到右手邊，再兩邊取平方，經過整理，將由此可得： 由此可得電子能量就等於： 已知質量：MeV，MeV，MeV：MeV。電子的動能MeV。由以上例題中可見，能量與動量守恆定律要求，如果粒子衰變的產物只有兩個，那麼產物的能量是由衰變粒子與產物的質量來給定，所以每一次衰變後，產物的能量是固定的。然而這卻不是β衰變實驗所觀察到的。實驗顯示，衰變後電子的能量不是固定值，而且總是小於中子與質子的能量差，這使得物理學家（例如波爾）開始考慮拋棄能量守恆定律，而狄拉克則堅持能量守恆定律應該是正確的。1930年庖立提出一個建議來挽救能量守恆定律：消失的能量是被一個沒有觀察到的電中性粒子所帶走，這個粒子後來被稱為微中子（Neutrino），所以β衰變應該是 （精確地說，β衰變產生的是微中子的反粒子）。因為觀察電子能量發現，有時β衰變中微中子並沒有帶走能量（對應到分佈曲線上電子能量的最大值），此時微中子幾乎不需能量就能產生，可見它的質量（提供靜止能量）為零或是非常小（最近十年來的實驗顯示微中子似乎是有質量的）這一個漂亮的建議很快被大家所接受，但是微中子一直要到 1950年代才被發現。    圖：能量分佈為什麼中子會進行β衰變呢？一個粒子反應（散射，生成或衰變）的發生，一定是透過參與粒子彼此間的交互作用，比如拉塞福（E. Rutherford）的散射實驗是α射線與原子核之間的電磁作用所造成；π介子的生成是來自宇宙射線中的質子與大氣原子核的強交互作用。衰變也是衰變粒子與產物之間的交互作用的結果，然而計算β衰變的機率顯示，負責β衰變的交互作用遠比電磁作用及強作用要弱得多，以強度而言，大約只有電磁作用的10-9倍，因為強弱差距太大，這個作用力不可能用電磁力或強力來解釋，所以是另外一個新的基本交互作用（重力又比它弱大約10-29倍），稱為弱交互作用（Weak Interaction）。到目前為止宇宙中基本交互作用，就是這四個。表：四種作用力與強度不像正子與π介子，微中子是大量存在於自然界的。微中子可以在原子核反應中產生中（大致上就是β衰變的變形），太陽本身就是一個大型的微中子源，在太陽內部的核融合反應中，微中子會大量生成，在地球表面上，在1平方公尺的面積，每秒會有6×1014個微中子通過。我們之所以沒有察覺，或說微中子之所以很難觀察到，就是因為它只參與弱交互作用（請注意它是電中性，所以不像電子可以有電磁作用），所以通過物質時，與物質的反應極度微弱，所以它幾乎不留下任何痕跡；一個普通能量的微中子可以輕易穿透數千光年的鉛而不被擋住，其反應之微弱可見一般。所以想要發現它的物理學家就必須以數量取勝，1950年代微中子的發現實驗就是以數千公升的液體中的質子來「阻擋」核子反應爐所產生的反微中子，反應是 核子反應爐所產生的反微中子，每秒每公分有5×1013個之多，即使如此，阻擋率也只有每小時2到3個。在前一節提到了，π-會衰變為緲子加上一微中子： 這個衰變也是一個典型的弱交互作用的結果，π-的生命期大概是2.6×10-8s。這裡產物中的微中子是不是和β衰變所產生的微中子一樣呢？物理學家將π-衰變所產生的反微中子如反應爐的實驗一樣，打在質子之上，可是如上的反應卻完全不曾發生，可見π-衰變所產生的反微中子與核子反應爐所產生的反微中子（也就是β衰變所產生的反微中子）並不相同，因為前者與緲子一起產生，所以稱為緲子反微中子（）；後者與電子一起產生，所以稱為電子反微中子（）。這些反微中子都有對應的微中子（）。到了1975年，物理學家又發現了一個性質與電子及緲子接近的粒子，質量較重，達1.8 GeV，稱為τ子（陶子）。陶子也有一對應的微中子（）。以上三對粒子，都不參加強交互作用，被統稱為輕子（Lepton）。強子與守恆量宇宙射線的觀察使物理學家發現嶄新的非穩定的基本粒子，這些粒子對解決基本粒子物理懸而未決的問題提供了一些答案，但是實驗觀察的發現似乎比我們所需要的多。從1947年起，物理學家便持續地發現新的基本粒子，一開始是在宇宙線中，發現了一系列不穩定但生命期大約10-8s的粒子，稱為奇異粒子（Strange Particles）。到了1952年，第一座現代的粒子加速器在美國開始運作，將粒子（通常是質子或反質子）以電位差加速，並以磁場將粒子維持於圓形軌道以持續加速，然後撞擊固定目標或彼此對撞，在高能撞擊中，新的粒子便能產生。很快地這些加速器就變成了基本粒子工廠，奇異粒子被大量製造，而且許多生命期更短（~10-23s）的粒子被陸續發現（這樣的粒子沒有辦法在探測器上留下可觀測的軌跡，只能在碰撞機率與碰撞能量的曲線上留下共振的痕跡，通常被稱為共振態Resonance），到了60年代，基本粒子的數目已接近化學元素的數目，就這一點來說，這些基本粒子似乎一點都不基本。圖：  照片：加速器除了宇宙線之外，奇異粒子大多可在質子及質子（p-p）或π介子及質子（p-π）的碰撞中非常快速（大約10-23s）地大量產生，它們與質子的交互作用強度與核力相當，可見這些碰撞產生的反應是透過「強交互作用」而發生，所以這些粒子統稱為強子（Hadron），以別於電子、緲子，陶子及其微中子等不參加強交互作用的粒子，後者被稱為輕子（Lepton質量最輕）。強子中又分為兩類，與π介子性質相近的就稱為介子（原來的意思是質量介於電子與質子之間），比如1947年發現的K介子（K±、K0、），測量後發現介子的自旋都是0或1，所以是波色子；與質子及中子性質相近的稱為重子（Baryon質量較重），比如1950年發現的Λ0，以及之後不久發現的Σ±，0、Ξ0，-，重子自旋是1/2或3/2，所以是費米子。奇異粒子的發現代表了基本粒子研究的一個分水嶺，它們以及之後發現的粒子都不是日常世界原子的組成成分，而是在高速撞擊中被製造出來，盡管如此對它們的研究最終卻完全改變了我們對質子中子的瞭解。物理學家嘗試在這叢林般基本粒子世界找出一些規律，最成功的方法就是守恆量。物理學家發現在粒子的產生與衰變的過程中有一些量子數是守恆的，比如電荷守恆就是一個大家已熟悉的。一個新的守恆量是重子數（Baryon Number），我們指定所有的重子帶重子數+1，反重子帶重子數-1，而介子與輕子的重子數為0，重子數在所有過程中都是守恆的。重子數守恆解釋了為什麼質子不會衰變，例如：，這個過程的左方重子數為1，而右方的重子數為0，並不守恆。所以重子數守恆保證質子不會衰變，所以原子以至整個宇宙中的物質是穩定的。另外，如果指定所有輕子（反輕子）帶一輕子數（Lepton Number）+1（-1），輕子數在所有粒子的反應中也是守恆的。以輕子數守恆定律我們可以看出，在π介子衰變及β衰變中產生的微中子是反微中子有些守恆量在某些交互作用中是守恆，但在其他則不是，比如奇異數（Strangeness）。物理學家觀察到在奇異粒子經由強交互作用的產生過程中，奇異粒子一定成對出現，比如：，但類似的反應則從未發生。一個簡單的解釋便是這些奇異粒子都帶有一個新的量子數：奇異數S。指定K+的奇異數為1，Σ+的奇異數為-1，質子中子及π介子（不是奇異粒子）的奇異數皆為0，於是對發生的反應，奇異數是守恆的，而不發生的反應奇異數並不守恆。物理學家發現奇異數在奇異粒子經由強交互作用的產生反應中都是守恆的，但在奇異粒子的衰變中卻不守恆，比如 。這些奇異粒子的衰變很慢，生命期都在10-8 s左右，這顯示衰變是經由弱交互作用而發生的，可見奇異數在弱交互作用中並不守恆。奇異數的發現表：奇異粒子的質量重子數奇異數等量子數 (Serway P1172)      基本粒子反應的對稱討論練習夸克模型化學家以週期表來整理表列化學元素的特性，當強子的數目增加到二位數字以上，物理學家也開始嘗試用圖表來歸納強子的性質。1961年蓋爾曼（M. Gell-Mann）及尼曼（Ne’eman）分別提出「Eightfold Way」的分類。他們發現質量與π介子相近的介子共有8個，自旋皆為0，若根據電荷及奇異數將八個介子列在平面上（如圖），則形成一個完整的六邊形的頂點與中心，這樣的結構被稱為八重族（Octet）。更令人驚訝的是，與質子中子質量相近的自旋1/2的重子同樣有8個，同樣根據電荷及奇異數將八個重子列在平面上，它們也形成一個相同的六邊形八重態。這顯示兩類完全不同的強子，似乎在更本質的層次遵守某種內在的規則，蓋爾曼及尼曼以一個內在的SU(3)對稱來說明這個規則。如果將這種SU(3)對稱規則運用在自旋3/2質量相近的重子的分類，則形成一個十個粒子倒三角形的十重族（Decuplet），只是在1962年，位於最下方頂點電荷-1、奇異數-3的位置還未找到重子，蓋爾曼及尼曼預測它的發現，果然在兩年後1964年，Ω-在對撞機中被發現，至此沒有人會懷疑

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Answer 4

哇 好利害喔 but有好多還是不太懂

Answer 5

　　所謂的自旋數，就是粒子需整整旋轉多少圈才會變得與原來一樣。
　　用紙牌來說比較好懂。
　　黑桃Ａ需轉整整一圈，才會與原來相同，所以說黑桃Ａ的自旋數為＂１＂，若是人頭牌Ｊ‵Ｑ‵Ｋ，則只需轉半圈即可恢復原狀，此時說人頭牌的自旋數為＂２＂。因此自旋數越大的粒子，其欲恢復原轉所需轉的角度就越小。
　　但還有些粒子需轉上超過一圈才能與原來相同。比如說電子，它需轉整整兩圈才會變回原樣，此時稱它自旋數為＂１／２＂。自旋數越小的，所需的角度就越大。