[科普中国]-粒子电荷

概念

每种粒子都具有确定的电荷。实验表明，已发现的各种粒子的电荷都是质子电荷e的整数倍,这个规律称为电荷量子化。对电荷量子化的最精确实验检验是测量质子与电子电荷的代数和，如果电荷量子化严格成立，则其值应严格为零。现有实验给出质子与电子电荷的代数和的绝对值小于10-21e，这表明电荷量子化在相当高的精度下成立。

质子电荷的现有实验值为：

e=(4.803242±0.000014)×10-10esu=(1.6021892±0.0000046)×10-19C

现已发现基本粒子电荷的绝对值最大为质子电荷的2倍。

现有强子结构理论认为：组成强子的更深层次的粒子夸克具有分数电荷，即其电荷为质子电荷的2/3倍或-1/3倍。但由于理论上推测夸克受到色禁闭的限制而不可能自由存在，实验上也确未发现自由夸克的存在，很可能自然界能够自由存在的粒子电荷仍然是质子电荷的整数倍。夸克的电荷取值为和的论断，已由几个独立的实验间接验证。1

粒子电荷的二分量理论1936年，卡孙（Cassen）和康登（Condon） 研究原子核结构和核力问题时，首先引进了同位旋概念。同位旋是描述核子带电状态的旋量。核子的同位旋为1/2，质子同位旋第三分量 (简称分量) 为十1/2，中子的同位旋分 量为一1/2。1938年，克茂 (Kemmer) 进一 步把同位旋扩充到介子场理论中去，从而证明π+、π0、 π-介子的同位旋分量各为1、0、-1。 1947年后，人们发现了许多所谓的奇异粒子。盖尔曼 (Gell一 Mann) 和西岛(Nishirima)等人引进了奇异数，并发现强子的电荷Q和同位旋分量 t3 、重子数N和奇异数S具有如下简单关系：

此式通常称为盖尔曼——西岛法则。式中Q以电子的电荷e为单位。

为揭示同位旋分量和盖尔曼——西岛定则背后隐藏的物理意义，在分析大量实验材料的基础，提出粒子电荷的二分量理论。认为所有基本粒子的电荷，都是由两个分量合成的；一 个是自旋分量L3，另一个是同位旋分量T3，所以，基本粒子的电荷可表为

式为粒子电荷的二分量公式。T3和L3都是普通守恒的量。由此便决定了电荷的普遍守恒。2

电荷的自旋分量电荷的自旋分量L3由粒子的螺旋性决定。同位旋分量T3也应该和粒子的螺旋性自接相关。例如，质子的同位旋分量T3 = 1/2，就是说质子的同位旋在其动量方向上的分量为含，而不是说质子的同位旋在任何给定方向上的分 量都是1/2。 这样，粒子的手性一定，它的同位旋分量的大小和正负也就都完全决定了。因此，也与给定方向的选 取和粒子向何方运动没有任何关系。按照以上的规定，则由右旋质子的 L3 =1/2，T3也是1/2，知质子电荷的自旋 和同位旋分量都是1/2e。 代入电荷二分量公式，得右旋质子的电荷Q=e。又由右旋中子的 L3 = 1/2，T3 = -1/2, 得 中子的电荷Q =0。

二分量理论盖尔曼——西岛定则，把粒子的电荷Q与重子数N和奇异数S直接联系起来。就决定了它只对强子适用，而不 可能再向轻子领域扩充。但粒子电荷的二分量公式则根本不同。由于它和重子数和奇异数没有任何联系，所以，它完全有可能向轻子领域推广。从而建立一个对强子和轻子全都适用的普遍理论。

重子有自旋，轻子也有自旋。且 就自旋为1/2的粒子来说，不论质量大小，自旋都是1/2( 如核子的自旋是1/2，电子和中微子的自旋也是1/2，等等)。因此，只要给电子和中微子的同位旋下个适当的定义，粒子电荷的二分量公式就可以由强子扩充到轻子。对轻子电荷的自旋分量L3可以直接由重子推广到轻子。这种由粒子电荷的二分量公式和电荷的自旋和同位旋分量守恒定律构成的理论系统，称之为粒子电荷的二分量理论。有了粒子电荷的二分量理论，则正反粒子的镜象对称或 CP联合反演不变，就能够得到一个明确的解释。